![Сравнение прочностных характеристик углеродной пары трения эндопротеза тазобедренного сустава, включающей компоненты из монолитного или немонолитного пироуглерода Сравнение прочностных характеристик углеродной пары трения эндопротеза тазобедренного сустава, включающей компоненты из монолитного или немонолитного пироуглерода](/upload/iblock/54e/x3sg3nq2caof392ethbl2ipuouqkpdou/Sravnenie-prochnostnykh-kharakteristik-uglerodnoy-pary-treniya-endoproteza-tazobedrennogo-sustava_-vklyuchayushchey-komponenty-iz-monolitnogo-ili-nemonolitnogo-pirougleroda.png)
Сравнение прочностных характеристик углеродной пары трения эндопротеза тазобедренного сустава, включающей компоненты из монолитного или немонолитного пироуглерода
. Проблема большого количества ревизионных вмешательств по причине асептического расшатывания после первичного эндопротезирования тазобедренного сустава вызвала необходимость поиска нового материала для пары трения
ВВЕДЕНИЕ
Распространенность артроза тазобедренного сустава составляет более 10 % у пациентов старше 35 лет и более 35 % у пациентов старше 85 лет [1]. Одним из самых распространенных и эффективных методов хирургического лечения коксартроза является тотальное эндопротезирование тазобедренного сустава [2, 3].
Показатели уровня износа современных материалов, используемых в современном эндопротезировании тазобедренного сустава, достигают 0,74 мм3/мил- лион циклов у керамических пар трения, 1 мм3/млн. циклов у пар трения металл-металл и 30-100 мм3/млн. циклов у пары трения металл-полиэтилен [19-22].
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Исследовалось две конструкции пары трения. Головка первой конструкции состояла из двух частей пироуглерода, которые монтировались на титановую втулку, вкладыш выполнен из полиэтилена и имел пироуглеродную вставку, диаметр сферических поверхностей 28 мм (рис. 1, 3).
Вторая конструкция пары трения эндопротеза тазобедренного сустава состояла из головки, имеющей монолитную пироуглеродную часть, которая монтировалась на титановую втулку. Пироуглеродная часть вкладыша монтировалась непосредственно в титановый корпус. Диаметр сферических поверхностей также составлял 28 мм (рис. 2, 4).
Известно, что высокоуглеродистые сплавы металлов имеют начальный уровень износа 0,21 мм3/млн. - 0,24 мм3/млн. циклов, тогда как сплавы с низким содержанием углерода имеют значительно большую скорость износа - 0,76 мм3/млн. циклов [19].
Используя преимущество высокой износостойкости углерода, было предложено использовать применяемый в кардиохирургии для протезирования клапанов сердца углеродный материал - изотропный пиролитический углерод. Однако условия функционирования материала в сердце и в тазобедренном суставе человека сильно отличаются.
Нагрузки на компоненты эндопротеза сустава намного выше, и размер углеродного компонента должен быть больше. Тем не менее, получить изотропный пиролитический углерод необходимого для изготовления монолитного компонента размера сложнее, чем создать сборный компонент из двух частей материала. Таким образом, оценка надежности таких конструкций - необходимый этап исследований для изготовления оптимальной конструкции пары трения эндопротеза тазобедренного сустава из пироуглерода.
Цель - сравнить прочностные характеристики конструкций головки и вкладыша с использованием монолитного и немонолитного пироуглерода.
Минимальный зазор между головкой блока и вкладышем равен 0,15 мм, а максимальный зазор - 0,35 мм.
Характеристики физико-механических свойств пироуглерода свидетельствуют о существенном различии в его сопротивлении разрушению при растяжении и сжатии. Различие в сопротивлении пироуглерода разрушению при растяжении и сжатии требует учета при оценке прочности деталей, которые изготовлены из этого материала. Для оценки прочности деталей узла подвижности эндопротеза тазобедренного сустава был выбран критерий прочности Баландина. Согласно данному критерию, показатель разрушения материала наступает при достижении напряжения в конструкции единицы.
Варьируемым параметром являлся угол приложения нагрузки к вкладышу узла подвижности. Уровни варьирования: 0° (вертикальное приложение нагрузки), 22,5° и 45°. Величина зазора между пироуглеродными частями головки и вкладыша равнялась 0,2 мм.
Углы приложения нагрузки были выбраны с целью определения наличия зависимости возникающих напряжений в конструкции от направления приложения нагрузки. Величина зазора варьировала в пределах технологического допуска изделия.
При проведении расчетов напряженно-деформированного состояния узла подвижности эндопротеза тазобедренного сустава из пиролитического углерода считается, что головка узла закреплена по внутренней поверхности втулки, а нагрузка к вкладышу узла подвижности приложена под углом 0° (вертикальное приложение нагрузки), 22,5° и 45°.
Для проведения исследования максимальной статической нагрузки на пару трения были изготовлены опытные образцы головки и вкладыша с монолитным и немонолитными частями пироуглерода. Конструкция компонентов соответствовала схемам, используемым в математическом моделировании (рис. 3, 4).
Исследование выполнялось на специализированной установке TbcTester ИР5145-500. Угол приложения нагрузки составлял 45°.
РЕЗУЛЬТАТЫ
У обеих конструкций при всех рассматриваемых условиях нагружения максимальные значения относительных напряжений возникают в местах концентрации напряжений, которыми являются кромки или скругления на внутренней поверхности головки узла подвижности.
Вторым по значимости местом концентрации напряжений является пятно контакта между сферическими поверхностями головки и вкладыша узла подвижности.
Высокий уровень относительных напряжений возникает при контакте торцевой поверхности титановой втулки с внутренней поверхностью головки. Контакт возникает при осевом приложении нагрузки и сопровождается возникновением высоких напряжений, имеющих локальный характер.
При оценке конструкций головки с немонолитной пироуглеродной частью особенностью было то, что концентрации нагрузок приходились на зоны соединения пироуглеродных частей. В одном экспери менте напряжение превысило прочность конструкции, что может быть причиной ее разрушения. У пары трения с монолитным пироуглеродом запас прочности в 4,5 раза превысил напряжения, возникшие в ходе моделирования (табл. 1).
![](/upload/medialibrary/b2b/o5p1kkm54qw2gi2yp2168ajtubtiwlfu/content_img.png)
Таким образом, конструкция пары трения с монолитным пироуглеродом обеспечивает более низкий уровень относительных напряжений во всем рассматриваемом диапазоне углов приложения нагрузки по сравнению с конструкцией, в которой использовался немонолитный пироуглерод. У конструкции пары трения с немонолитным пироуглеродом в эксперименте с приложением нагрузки по оси шейки произошло разрушение.
По результатам исследования на статическую нагрузку разрушение пары трения с немонолитным пироуглеродом было зафиксировано при 1,5 т. Разрушение началось с деформации полиэтиленового адаптера вкладыша, которое привело к разрушению углеродной вставки.
Разрушение пары трения с монолитным пироуглеродом наступило при нагрузке 3,5 т. Данный показатель в 5 раз превышает максимальные нагрузки, возникающие в тазобедренном суставе.
Таким образом, вариант конструкции пары трения с монолитным пироуглеродом показал более высокую сопротивляемость к статическим нагрузкам, чем конструкция пары трения с немонолитным пироуглеродом.
ОБСУЖДЕНИЕ
Достижения в области технологий, улучшенные материалы и лучшее понимание реакций естественных тканей, безусловно, приведут к прорыву в выборе имплантатов. В связи со старением населения в последние годы увеличилось количество операций по замене суставов [23]. Следовательно, растет и количество ревизионных операций, так как ожидаемая продолжительность жизни пациентов больше, чем у эндопротезов [24-27].
Текущие тенденции в дизайне протезов подчеркивают важность биосовместимости используемых материалов, которые при этом должны быть достаточно прочны, чтобы выдерживать более активный образ жизни многих пациентов, при этом образуя минимальное количество продуктов износа. Поскольку основной проблемой, влияющей на долговечность протеза, является износ и распространение частиц износа, в настоящее время проводятся обширные исследования по улучшению таких биоматериалов, чтобы обеспечить «бесконечный срок службы эндопротеза».
Несмотря на имеющиеся на сегодняшний день материалы для пар трения, такие как керамика, металлы, полиэтилен [28], использование углеродных материалов для пары трения видится нам крайне перспективным направлением.
Несмотря на то, что надежность конструкции после имплантации еще предстоит изучить, можно с уверенностью говорить о высокой механической прочности конструкции головки и вкладыша эндопротеза тазобедренного сустава с парой трения из углеродного материала. Высокие трибологические характеристики материалов, содержащих углерод, описываются в литературе, при этом отмечается, что улучшение износостойкости прямо пропорционально увеличению содержания углерода в материале [19].
Таким образом, применение материала с потенциалом кратно увеличить срок службы эндопротеза тазобедренного сустава поможет существенно улучшить качество жизни таких пациентов и позволит увеличить возрастной диапазон применения данного вида оперативной помощи без риска ранних ревизионных вмешательств [29, 30].
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Технический результат. Заданные условия нагружения конструкций в математической модели во всех экспериментах выдержала только конструкция пары трения с монолитным пироуглеродом, запас прочности при этом составил 4,5. Конструкция пары трения с немонолитным пироуглеродом в эксперименте с приложением нагрузки по оси шейки разрушилась. При сравнении максимальной статической нагрузки прочность конструкции с монолитным пироуглеродом в 2,3 раза превысила прочность конструкции с немонолитным пироуглеродом.
Клиническая интерпретация. В соответствии с высокими прочностными характеристиками конструкции пары трения с монолитным пироуглеродом и недостаточной прочностью конструкции с немонолитным пироуглеродом для клинической практики можно использовать только конструкцию с монолитным пироуглеродом.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Корьяк В.А., Сороковиков В.А., Свистунов В.В., Шарова Т.В. Эпидемиология коксартроза. Сибирский медицинский журнал. 2013;(8):39-45.
2. Mihalko WM, Haider H, Kurtz S, et al. New materials for hip and knee joint replacement: What's hip and what's in kneed? J Orthop Res. 2020;38(7):1436-1444. doi: 10.1002/jor.24750
3. Neuprez A, Neuprez AH, Kaux JF, et al. Total joint replacement improves pain, functional quality of life, and health utilities in patients with late- stage knee and hip osteoarthritis for up to 5 years. Clin Rheumatol. 2020;39(3):861-871.
4. Загородний Н.В. Состояние и качество травматолого-ортопедической помощи в Российской Федерации. Медицинский вестник МВД. 2019;(6(103)):2-6.
5. Загородний Н.В., Алексанян О.А., Чрагян Г.А. и др. Реконструкция вертлужной впадины с использованием компонентов из трабекулярного металла. Вестник травматологии и ортопедии им. Приорова. 2019;(26)1:5-10.
6. Вороков А.А., Бортулев П.И., Хайдаров В.М. и др. Эндопротезирование тазобедренного и коленного суставов: показания к операции. Ортопедия, травматология и восстановительная хирургия детского возраста. 2020;8(3):355-364. doi: 10.17816/PTORS34164
7. Castiello E, Moghnie A, Tigani D, Affatato S. Dual mobility cup in hip arthroplasty: An in-depth analysis of joint registries. Artif Organs. 2022;46(5):804-812. doi: 10.1111/aor.14015
8. Николаев Н.С., Пчелова Н.Н., Преображенская Е.В. и др. "Неожиданные" инфекции при асептических ревизиях. Травматология и ортопедия России. 2021;27(3):56-70. doi: 10.21823/2311-2905-2021-27-3-56-70
9. Kummerant J, Wirries N, Derksen A, et al. The etiology of revision total hip arthroplasty: current trends in a retrospective survey of 3450 cases. Arch Orthop Trauma Surg. 2020;140(9):1265-1273. doi: 10.1007/s00402-020-03514-3
10. Румянцев Ю.И. Лучевая диагностика осложнений после эндопротезирования тазобедренного и коленного суставов. Радиология - практика. 2013;(1):37-45.
11. Sharkey PF, Lichstein PM, Shen C, et al. Why are total knee arthroplasties failing today--has anything changed after 10 years? J Arthroplasty. 2014;29(9):1774-1778. doi: 10.1016/j.arth.2013.07.024
12. Sadoghi P, Liebensteiner M, Agreiter M, et al. Revision surgery after total joint arthroplasty: a complication-based analysis using worldwide arthroplasty registers. J Arthroplasty. 2013;28(8):1329-32. doi: 10.1016/j.arth.2013.01.012
13. Мурылев В.Ю., Усубалиев Б.Т., Музыченков А.В. и др. Остеопороз и асептическое расшатывание компонентов эндопротеза после эндопротезирования суставов. Кафедра травматологии и ортопедии. 2022;(4):67-73. doi: 10.17238/2226-2016-2022-4-67-73
14. Broomfield JA, Malak TT, Thomas GE, et al. The Relationship Between Polyethylene Wear and Periprosthetic Osteolysis in Total Hip Arthroplasty at 12 Years in a Randomized Controlled Trial Cohort. J Arthroplasty. 2017;32(4):1186-1191.
15. Брагина С.В. Современные возможности ранней лабораторной диагностики перипротезного остеолиза как предиктора развития асептической нестабильности эндопротеза тазобедренного сустава (обзор литературы). Гений ортопедии. 2020;26(2):261-265. doi: 10.18019/1028- 4427-2020-26-2-261-265
16. Лапин Д.В., Паршиков М.В., Гурьев В.В. и др. Факторы риска и причины осложнений при эндопротезировании тазобедренного сустава (обзор литературы). Кафедра травматологии и ортопедии. 2022;(1):66-75. doi: 10.17238/2226-20162022-1-66-75
17. Gallo J, Raska M, Mrazek F, Petrek M. Bone remodeling, particle disease and individual susceptibility to periprosthetic osteolysis. Physiol Res. 2008;57(3):339-349. doi: 10.33549/physiolres.931140
18. Baranowska A, Plusa T, Baranowski P, et al. Is aseptic loosening of joint prostheses aseptic? Pol Merkur Lekarski. 2022;50(299):318-322. (In Polish.)
19. Merola M, Affatato S. Materials for Hip Prostheses: A Review of Wear and Loading Considerations. Materials (Basel). 2019;12(3):495. doi: 10.3390/ ma12030495
20. Affatato S, Spinelli M, Squarzoni S, et al. Mixing and matching in ceramic-on-metal hip arthroplasty: an in-vitro hip simulator study. J Biomech. 2009;42(15):2439-2446. doi: 10.1016/j.jbiomech.2009.07.031
21. Al-Hajjar M, Jennings LM, Begand S, et al. Wear of novel ceramic-on-ceramic bearings under adverse and clinically relevant hip simulator conditions. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2013;101(8):1456-62. doi: 10.1002/jbm.b.32965
22. Al-Hajjar M, Carbone S, Jennings LM, et al. Wear of composite ceramics in mixed-material combinations in total hip replacement under adverse edge loading conditions. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2017;105(6):1361-1368.
23. Kurtz SM, Ong KL, Schmier J, et al. Future clinical and economic impact of revision total hip and knee arthroplasty. J Bone Joint Surg Am. 2007;89 Suppl 3:144-151. doi: 10.2106/JBJS.G.00587
24. Kurtz S, Ong K, Lau E, et al. Projections of primary and revision hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030. J Bone Joint Surg Am. 2007;89(4):780-785. doi: 10.2106/JBJS.F.00222
25. Rajeshshyam R, Chockalingam K, Gayathri V, Prakash T. Reduction of metallosis in hip implant using thin film coating. In AIP Conference Proceedings; AIP Publishing LLC: Melville. 2018;1943(1):020090. doi: 10.1063/1.5029666
26. Мохаммади М.Т., Пашкевич Л.А., Эйсмонт О.Л. и др. Анализ патоморфологических изменений при первичном и ревизионном эндопротезировании коленного сустава. Медицинские новости. 2021;(2):56-59.
27. Purudappa PP, Sharma OP, Priyavadana S, et al. Unexpected positive intraoperative cultures (UPIC) in revision Hip and knee arthroplasty - A review of the literature. J Orthop. 2019;17:1-6. doi: 10.1016/j.jor.2019.06.028
28. Таштанов Б.Р., Корыткин А.А., Павлов В.В., Шубняков И.И. Раскол керамического вкладыша эндопротеза тазобедренного сустава: клинический случай. Травматология и ортопедия России. 2022;28(3):63-73.
29. Mattei L, Di Puccio F, Ciulli E, et al. Experimental investigation on wear map evolution of ceramic-on-UHMWPE hip prosthesis. Tribol. Int. 2020;143:106068. doi: 10.1016/j.triboint.2019.106068
30. Jager M, van Wasen A, Warwas S, et al. A multicenter approach evaluating the impact of vitamin e-blended polyethylene in cementless total hip replacement. Orthop Rev (Pavia). 2014;6(2):5285. doi: 10.4081/or.2014.5285
Информация об авторах:
1. Александр Николаевич Митрошин - доктор медицинских наук, профессор, директор медицинского института
2. Михаил Анатольевич Ксенофонтов - старший преподаватель
3. Дмитрий Алексеевич Космынин - старший преподаватель
Вклад авторов:
Митрошин А.Н. - концептуализация; валидация; написание - рецензирование и редактирование; контроль; управление проектом.
Ксенофонтов М.А. - методология; формальный анализ; исследование; обработка данных; написание - первоначальный вариант; визуализация, написание - рецензирование и редактирование.
Космынин Д.А. - исследование; написание - первоначальный вариант; обработка данных; визуализация.
Теги: эндопротезирование
234567 Начало активности (дата): 01.11.2023 08:37:00
234567 Кем создан (ID): 989
234567 Ключевые слова: тазобедренный сустав, эндопротез, конструкция
12354567899
Похожие статьи
Мультидисциплинарный подход к лечению пациентов с перипротезной инфекцией тазобедренного сустава, осложненной повреждением магистральных сосудовРентген на дому 8 495 22 555 6 8
Людмила Викторовна попала в Институт Склифосовского не в первый раз
Лечение повреждения ахиллова сухожилия
Перикапсулярная блокада тазобедренного сустава после его эндопротезирования