Mechanical characteristics of different osseous alloplastic materials

Full Text

Проблема замещения дефектов костей после резекции по поводу различных патологических состояний, имеющая длительную историю, не потеряла своей актуальности, несмотря на большой выбор биологических и синтетических пластических материалов.

С начала 60-х годов широкое применение получила замороженная кортикальная аллокость, использование которой дало возможность значительно расширить объем онкологических операций, улучшив исходы лечения [3, 4, 6, 8, 9, 13, 15]. Данный вид аллокости обладает высокой механической прочностью, сходной с прочностью нативной кости, что позволяет реализовать не только пластическую, но и фиксационную функцию аллотрансплантата. В детской костной патологии благодаря этому в большинстве случаев удается обойтись без дополнительных металлических имплантатов [5].

Дальнейший поиск пластического материала с высокими остеоиндуктивными свойствами привел к внедрению в клиническую практику деминерализованных аллотрансплантатов, которые, как считает большинство авторов, превосходят по пластическим свойствам замороженную кортикальную аллокость [1, 2, 7, 8, 10-12, 14, 16-19]. Однако выяснилось, что деминерализованная аллокость не обладает достаточной ригидностью [12, 14].

В 1986 г. Е. Gendler [12] сообщил о создании нового вида пластического материала — перфорированных поверхностно-деминерализованных аллотрансплантатов. На основании многочисленных экспериментальных исследований автор показал, что этот пластический материал отличается высокой остеоиндуктивностью, вызывая образование костной ткани даже при эктопической трансплантации.

Стремление иметь пластический материал, обладающий высокой остеоиндуктивностью и достаточной механической прочностью, побудило нас к разработке метода приготовления аналогичных по характеристикам перфорированных поверхностно-деминерализованных аллотрансплантатов (перфоост) в условиях костного банка ЦИТО.

В зарубежной литературе имеются сведения об использовании подобных трансплантатов в челюстно-лицевой хирургии [12, 14, 17]; о применении их в ортопедии сообщается только в работах отечественных авторов последних лет [1, 2, 7, 8].

Целью настоящего исследования было испытание и сравнение механических характеристик образцов замороженных кортикальных (ЗКТ) и перфорированных поверхностно-деминерализованных (перфоост) аллотрансплантатов в лабораторных условиях.

Материал и методы. Все трансплантаты были взяты из большеберцовых костей трупов. Замороженные кортикальные аллотрансплантаты заготавливались по общепринятой методике с последующим хранением при температуре -30°С в стеклянных ампулах с герметичными резиновыми пробками, залитыми слоем парафина.

Заготовка, консервация и стерилизация пер- фооста включала следующие технологические операции:

• механическую очистку кости от мягких тканей, крови;
• обработку кости пергидролем;
• деминерализацию 0,6 н. соляной кислотой при 18—20°С в течение 3 сут;
• нанесение множественных перфораций (диаметром 1 мм) после 2 сут деминерализации;
• промывку в 5% растворе тиосульфата натрия;
• лиофилизацию в течение 16 ч;
• упаковку в пластиковые пакеты с последующей стерилизацией потоком быстрых электронов (доза 15 кГр).

Перед испытанием перфоост погружали на 30 мин в 0,9% физиологический раствор.

Оборудование

Исследование механических свойств образцов проводилось на универсальной испытательной машине «Zwick 1464» (Германия). Точность определения характеристик ±1% от выбираемой шкалы нагружения. Реализуемый диапазон нагружения от 0 до 50 кН. Скорость движения подвижной траверсы может изменяться в диапазоне 0-500 мм в минуту. Запись диаграмм испытания осуществляется в координатах «сила—деформация». Для фиксации образцов использовались специальные зажимы и приспособления, не допускающие разрушения костной ткани перед испытаниями.

Методика испытания

Исследование образцов проводилось при комнатной температуре в трех режимах: сжатие, кручение, изгиб.

Испытание на сжатие. Испытание проводилось на образцах ЗКТ и перфооста, вырезанных в осевом направлении из аналогичных участков диафиза большеберцовых костей. Высота образцов составляла 10 мм. Торцевые площадки были строго параллельны.

Перед испытанием образец помещали на металлическую площадку, закрепленную на подвижной траверсе испытательной машины. Второй площадкой служил торец металлического стержня, соединенного с датчиком силы. Сжатие образца осуществлялось равномерной подачей подвижной траверсы в сторону датчика со скоростью 5 мм в минуту. Нагружение продолжалось до разрушения образца. За разрушение принималось расслоение костной ткани, наблюдаемое визуально.

Испытание на кручение. Образцы костной ткани длиной 100 мм, шириной 20±1 мм фиксировали в двух трехкулачковых захватах, один из которых был закреплен на роторе двигателя, а другой присоединен к датчику кручения. После запуска двигателя создавался крутящий момент, в результате чего происходило скручивание испытуемого образца. Скорость вращения ротора равнялась 360° за 200 с. Испытание продолжали до момента разрушения образца.

Испытание на изгиб. Образец кости укладывали на две опоры специального устройства, связанного с подвижной траверсой. Точки опоры (база испытания) были разнесены на 50 мм. Нагружение образца осуществлялось специальным индентором, закрепленном на датчике силы. Скорость нагружения определялась скоростью движения подвижной траверсы и составляла 5 мм в минуту. Измерение деформации костной ткани проводилось аналоговым (цифровым) датчиком. Под деформацией понимался прогиб дуги в точке приложения силы.

Результаты

Тест на сжатие. Проведенные исследования показали, что предел прочности ЗКТ из диафиза большеберцовой кости при сжатии составляет 13,2 Н/мм² (1294 кг/см²), а относительная деформация — 13%. Предел прочности перфооста оказался равным 8,8 Н/мм², а относительная деформация — 15% (табл. 1).

 

Таблица 1

Результаты испытания на сжатие замороженной кортикальной аллокости и перфооста

Испытуемый материал	Сила разрушения, Н	Площадь сечения образца кости, мм2	Предел прочности при сжатии, Н/мм2	Относительная деформация при разрушении, %
Замороженная кортикальная кость: 1	1196	91,10	13,1	13
2	1410	105,63	13,4	12
3	1346	102,00	13,2	14
Средний показатель			13,2	13
Перфоост: 1	678	92,2	7,4	14
2	1090	88,8	12,3	10
3	660	96,6	6,8	20
Средний показатель			8,8	15

 

Тест на кручение. При разрушении образца ЗКТ зафиксирован крутящий момент 3,6 H^.м; угол скручивания при этом составил 19°. При испытании перфооста эти показатели были равны соответственно 1,22 Н^.м и 36°.

Тест на изгиб. При изгибе сила разрушения ЗКТ составила в одном случае 740 Н, в другом 1970 Н. Первый образец был взят из метадиафизарного, второй — из диафизарного отдела большеберцовой кости. Для образцов перфооста из аналогичных отделов большеберцовой кости получены показатели 398 и 600 Н (табл. 2).

 

Таблица 2

Результаты испытания на изгиб замороженой аллокости и перфооста

Испытуемый материал	Сила разрушения, Н	Прогиб дуги, мм
Замороженная алло
кость:
метадиафиз	740	9
диафиз	1970	5
Перфоост:
метадиафиз	398	11,2
диафиз	600	7

 

Обсуждение. Полученные данные свидетельствуют о том, что при поверхностной деминерализации костной ткани ее прочность на сжатие снижается на 33% (с 13,2 до 8,8 Н/мм²). Помимо этого, на диаграммах разрушения наблюдается несколько участков (по меньшей мере по два участка) в области упругих деформаций с различающимися модулями упругости, что отражает композиционное строение перфооста. В результате в начальный период нагружения деформируется более эластичный компонент кости, а затем нагрузку принимает на себя ее жесткий компонент. Наличие низкомодульного компонента увеличивает способность данного вида трансплантата деформироваться под нагрузкой.

Различаются и деформационные характеристики: относительная деформация перфооста составляет 15%, а замороженной кортикальной аллокости — 13,3%, что свидетельствует о большей податливости перфооста.

Исследование на кручение показало, что предельная прочность перфооста составляет только 34% от предельной прочности замороженной кортикальной аллокости. Таким образом, на кручение перфоост в 3 раза слабее ЗКТ.

Результаты исследований на изгиб подтвердили ожидаемую закономерность: более массивный образец ЗКТ из диафизарного отдела большеберцовой кости оказался прочнее, чем образец, взятый из метадиафиза, на 166%. Аналогичная тенденция отмечена и для перфооста (различие между образцами из разных отделов кости 51%), но при других, меньших величинах силы разрушения.

Таким образом, установлено, что перфоост, уступая замороженной кортикальной аллокости по механической прочности, обладает ригидностью, достаточной для его использования при краевых резекциях различного объема, при остеотомиях в качестве интрамедуллярного или накостного фиксатора [1, 2, 7, 8]. В то же время при сегментарных резекциях, особенно костей нижних конечностей, целесообразность применения перфооста без сочетания с кортикальными аллотрансплантатами может быть поставлена под сомнение.

About the authors

I. A. Kasymov

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

N. S. Gavryushenko

Central Institute of Traumatology and Orthopedics. N.N. Priorov

Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Moscow

References

Supplementary files