Comparative Study of the Adhesive Component of Friction in Hip Endoprostheses

Full Text

Введение. Артропластика тазобедренного сустава - один из наиболее эффективных способов двигательной реабилитации при поражениях крупных суставов скелета. Предпочтение эта технология обрела в виде протоколов, стандартов лечения в силу высокой эффективности и возможности отказа от длительной, значительной медикаментозной нагрузки. Однако, как и любой другой лечебный фактор, эндопротезы имеют совершенно определенный диапазон полезных свойств, выход за пределы которых сопряжен с определенными проблемами, среди которых наибольшую клиническую значимость имеет асептическое расшатывание имплантата, которое, в частности, связано с трибологическим взаимодействием и является одним из неизбежных осложнений эндопротезирования в отдаленном периоде [1]. Дизайн имплантатов для артропластики непрерывно совершенствуется, а их эксплуатационные характеристики улучшаются [2-4]. Эндопротез тазобедренного сустава изобилует уязвимыми трибосопряжениями, определяющими его дальнейшую работоспособность. Это «головка - ацетабулярный вкладыш», «вертлужная впадина - вертлужный компонент», «вертлужный компонент - вкладыш», «головка эндопротеза - конус шейки бедренного компонента», «бедренный компонент - бедро» [5]. Изнашивание контактирующих поверхностей в каждом из этих сопряжений может привести к галопированию нестабильности всего имплантата. По убеждению авторов, узел трибосопряжения между головкой эндопротеза и вкладышем является наиболее важной парой трения, от которого зависит срок службы имплантата [1, 3, 5, 6]. Цель исследования - определение и анализ адгезионной составляющей трения различных эндопротезов, используемых при артропластике тазобедренного сустава, модели тазобедренных суставов в норме и при экспериментальном моделировании остеоартроза. МАТЕРИАЛ И МЕТОДЫ Эксперименты проведены на 9 лабораторных кроликах породы шиншилла женского пола, средний возраст которых составил 95 дней, средняя масса - 3,2 кг. Содержание, питание, уход за животными и выведение их из эксперимента осуществляли в соответствии с требованиями «Правила проведения работ с использованием экспериментальных животных» (Приложение к приказу МЗ СССР № 742 от 13.11.84). Для моделирования посттравматического остеоартроза тазобедренного сустава у 5 животных под эфирным наркозом обнажали область проксимального отдела бедренной кости с одной стороны и наносили повреждение в трех точках тазобедренного сустава с помощью спицы Киршнера диаметром 2 мм, проведенной трансартикулярно. Через 6 мес осуществляли выделение тазобедренных суставов для изучения их трибологических свойств, из них было 5 образцов с моделью остеоартроза и 9 интактных сегментов. Умерщвление животных производили путем эвтаназии с применением глубокого наркоза. Исследованы различные пары трения эндопротезов тазобедренного сустава, соответствующих техническим условиям, предъявляемым к современным имплантатам из материалов, получивших наибольшее распространение: головка и вкладыш с преимущественным содержанием кобальта, хрома и молибдена (Мет), головка и вкладыш из керамики с содержанием двуокиси алюминия более 80%, двуокиси циркония около 17% (АКер), головка из циркониевой керамики (ЦКер), головка с покрытием из 97,5% циркония и 2,5% ниобия (Окс), головка с покрытием из нитрида титана (НТит), вкладыш из поперечно-связанного полиэтилена (Пол). Исследования выполнены при сухом трении и в условиях биологической среды с добавлением в узел трения синовиальной жидкости. В качестве биологической среды использовали бычью синовиальную жидкость, которую транспортировали в стерильном контейнере для хранения биологических жидкостей и использовали в экспериментах в течение 1 сут. Изучено 10 трибологических пар в следующих сочетаниях материалов: «Мет-Мет», «Мет-Пол», «АКер-АКер», «АКер-Пол», «ЦКер-АКер», «ЦКер-Пол», «Окс-АКер», «Окс-Пол», «НТит-АКер», «НТит-Пол» с диаметром головок 28, 32 и 36 мм. Локальная микротвердость компонентов эндопротезов по Виккерсу (HV), которую оценивали с помощью приставки MHT-10 на микроскопе Axiovert-100A («Carl Zeiss», Германия) соответствовала следующим значениям: Пол 47-74 МПа, Окс 3340 МПа, Мет 4232 МПа, НТит 6453 МПа, АКер 19456 МПа, ЦКер 26 146 МПа. В соответствии с этими значениями пары трения с Пол считались «мягкими», а все сочетания других материалов относили к «твердым» трибологическим парам. Сферичность компонентов эндопротезов, которую измеряли на координатно-измерительной машине Contura-G2, продемонстрировало отклонения данного показателя от 0,001 до 0,005 мм во всех образцах. При оценке рельефа поверхности с использованием 3D-лазерной сканирующей микроскопии на микроскопе LSM-Exciter («Carl Zeiss», «Германия) установлено, что значение RSа (среднее арифметическое отклонение профиля рельефа от средней плоскости ХУ) было сопоставимым у исследованных образцов и варьировало от 0,4 до 0,5 на микроуровне с латеральным разрешением < 1 мкм (0,4 …1 мкм). В соответствии с механико-молекулярной теорией силу и коэффициент трения рассматривают как сумму деформационной и адгезионной составляющих [7] на элементарных пятнах фрикционного контакта. При этом под адгезионной составляющей понимают все виды межатомного и межмолекулярного взаимодействия. Известно, что деформационная составляющая трения связана в основном с шероховатостью контактирующих поверхностей и давлением [7]. В эндопротезах применяются пары трения («головка - вкладыш») с весьма малой высотой микронеровностей трущихся поверхностей. При трении верчения [8] в таких парах деформационной составляющей можно пренебречь, а силу и коэффициент трения связать главным образом с адгезионной составляющей. Кроме того, интенсивность адгезионно-усталостного изнашивания (именно такой вид изнашивания характерен для изнашивания пары «головка - вкладыш» эндопротеза) функционально определяется параметрами адгезионного взаимодействия при трении [8]. В связи с этим сравнение эндопротезов тазобедренного сустава в данной работе выполнено по показателям адгезионной составляющей трения. Исследования проводили на одношариковом адгезиометре ГОСТ 23002-78 [9] (рис. 1). В качестве вращающегося элемента 1 использовали головки эндопротезов диаметром 28, 32 и 36 мм, которые помещали между двумя вкладышами соответствующих размеров. Для головок диаметром 28 мм диаметр отпечатка (dотп) составил 7 мм, а для головок диаметрами 32 и 36 мм - 8 мм. Головки эндопротезов закрепляли на диске 3 (см. рис. 1), в паз которого укладывали и закрепляли тросик 4. При выполнении экспериментов головку 1 сжимали силой Р двумя одноименными вкладышами 2 и вращали вокруг собственной оси с помощью диска и тросика, который приводили в движение от тянущего устройства установки. На тянущем устройстве находился датчик, фиксирующий величину экспериментальной силы трения F, соответствующей сжимающей силе P. Протоколирование стендовых испытаний проводили с помощью аналогово-цифрового преобразователя с регистрацией степени смещения самописца (hсамоп). Исследования также проводили на модернизированной четырехшариковой машине трения (ЧМТ-1; рис. 2) ГОСТ-12997-84 при ступенчатом изменении осевой нагрузки P от 500 до 10 000 Н на узел трения для эндопротезов и в диапазоне от 60 до 100 Н для суставов кролика. В качестве вращающегося элемента использовали головки эндопротезов диаметром 28, 32 и 36 мм, которые прижимали к вкладышам соответствующих размеров силой P. После модернизации ЧМТ-1 за счет постановки планетарного редуктора и частотного электропреобразователя частота вращения приводного вала равнялась 1 об/мин (см. рис. 2). На ЧМТ-1 была установлена тензометрическая силоизмерительная система с датчиком 1925ИС-М Pном = 0,5 кН с дальнейшим преобразованием через аналого-цифровой преобразователь и выходом на компьютер в виде графика «сила трения F - время». По величинам Р, F и dотп вычисляли следующие триботехнические параметры: давление рr на фрикционном контакте и прочность τп адгезионных связей на срез, а также величину fм (характеризующая молекулярную (адгезионную) составляющую коэффициента трения [9]) как отношение τп к рr. Таким образом, были получены зависимости τп и fм от Р и рr для различных пар трения в условиях присутствия и отсутствия синовиальной жидкости. РЕЗУЛЬТАТЫ Анализ трибологических характеристик тазобедренных суставов кролика выявил повышение прочности τп адгезионных связей на срез и коэффициента fм в образцах с моделью остеоартроза и при сухом трении (рис. 3). Отмечалась зависимость данных показателей от нагрузки и давления, а также некоторое уменьшение fм и повышение τп с увеличением нагрузки P и давления рr, так как при увеличении давления прочность адгезионных связей возрастает. Необходимо отметить незначительное влияние нагрузки и давления на эти характеристики трения для интактного сустава в связи с более низким коэффициентом адгезионной составляющей, чем у сустава с моделью остеоартроза. Исследования различных пар трения эндопротезов установили различия триботехнических характеристик в зависимости от нагрузки, давления на контакте, твердости фрикционного узла и наличия синовиальной жидкости. Выявлено, что для всех испытуемых пар трения эндопротезов тазобедренного сустава прочность τп на срез адгезионных связей возрастает с повышением давления рr на подвижном фрикционном контакте. Причем степень влияния рr на τп разная для «мягких» и «твердых» пар трения: полиэтиленовые вкладыши обеспечивают существенно меньшее влияние рr на τп (как в интактном тазобедренном суставе кролика). В парах трения с полиэтиленовым вкладышем отмечалось уменьшение коэффициента fм при увеличении нагрузки и давления в отличие от «твердых» трибологических пар. При этом наилучшие показатели в диапазоне 500-4000 Н отмечались в парах трения «ЦКер-АКер», «Окс-АКер» и «АКер-АКер». Наиболее высокий коэффициент fм выявлялся в трибологических парах с полиэтиленовым вкладышем, а также в образцах «НТит-АКер», «Мет-Мет». Оценка средней величины коэффициента fм во всем диапазоне нагрузки для эндопротезов с различным диаметром головки показала (рис. 4), что наименьшей величиной fм характеризуются пары «ЦКер-АКер», «АКер-АКер». В диапазоне 4000-6300 Н, что соответствует режиму быстрой ходьбы, показатели трения большинства образцов выравнивались между собой, кроме пар «НТит-АКер», «Мет-Мет», «НТит-Пол», для которых значения оставались высокими. При максимальных нагрузках 8000-10 000 Н величина коэффициента fм в парах «АКер-Пол», «Окс-Пол», «ЦКер-Пол», «Мет-Пол», «ЦКер-АКер» была ниже, чем в других парах трения. Сравнение «твердых» и «мягких» пар трения выявило меньшую зависимость трибологических характеристик от наличия синовиальной жидкости в «твердых» парах, наиболее выраженную в диапазоне 500-4000 Н. Величины τп и fм существенно изменялись в условиях биологической среды в парах с полиэтиленовым вкладышем, в «твердых» трибологических узлах отмечалась незначительная разница показателей, зарегистрированных в условиях сухого трения и трения в биологической среде, особенно в парах трения с однородными материалами («АКер-АКер», «Мет-Мет»). Очевидно, этому способствует также синовиальная жидкость, пластифицирующая приконтактную зону трущихся поверхностей в этих парах трения. Увеличение диаметра головки эндопротеза в большинстве образцов с полиэтиленовым вкладышем сопровождалось увеличением коэффициента fм. В «твердых» парах трения и паре «НТит-Пол» зависимости коэффициента fм от диаметра головки эндопротеза, нагрузки и давления выявлено не было. ОБСУЖДЕНИЕ Адгезионные свойства пар трения играют важную роль в функционировании любого кинематического узла и должны рассматриваться наравне с другими трибологическими характеристиками [10]. В исследованиях, посвященных изучению данного вопроса, коэффициент трения интактного суставного хряща варьировал от 0,02 до 0,04 [11], а значения у трибологических пар эндопротезов тазобедренного сустава изменялись в диапазоне от 0,04 до 0,2 в зависимости от материала и вида нагрузки [12]. При этом показатели адгезионной составляющей искусственных суставов оценивались в парах трения металл-металл (с преимущественным содержанием кобальта, хрома и молибдена), керамика-керамика, металл-полиэтилен, керамика-полиэтилен, которые чаще всего использовались в ортопедической практике [10, 12]. В настоящем исследовании изучены трибологические характеристики как вышеуказанных пар трения, широко применяемых при артропластике, так и менее распространенных материалов из циркониевой керамики, из циркония и ниобия, из нитрида титана в различных сочетаниях, в условиях сухого трения и биологической среды. При этом значения адгезионной составляющей кинематических узлов из исследованных пар трения не достигали уровня интактного сегмента, что свидетельствует об ограниченных возможностях искусственных суставов. Исследование адгезионных свойств тазобедренного сустава в норме и при остеоартрозе раскрывает новые аспекты деструктивно-дистрофических поражений. В эксперименте с моделированием остеоартроза на кроликах зарегистрировано значительное повышение адгезионной составляющей коэффициента трения, что является одним из ключевых звеньев патогенеза декомпенсации кинематических свойств тазобедренного сустава. Таким образом, развитие деструктивно-дистрофических заболеваний крупных суставов сопровождается нарушением адгезионных взаимодействий поверхностей хрящевых мембран и синовиальной среды тазобедренного сустава, что приводит к неравномерному давлению на контакте в трибосопряжениях и увеличению адгезионной составляющей коэффициента трения. После артропластики функционирование нового кинематического узла также во многом определяется трибологическими взаимодействиями деталей эндопротеза и окружающих тканей. Заключение. Сравнительный анализ изучаемых пар трения в зависимости от величины нагрузок выявил определенные закономерности: при легких и умеренных нагрузках (500-4000 Н) оптимальные трибологические характеристики имели место в парах трения «АКер-АКер», «ЦКер-АКер». В диапазоне нагрузок от 4000 до 6300 Н, соответствующих быстрой ходьбе, адгезионная составляющая коэффициента трения во многих трибологических парах выравнивалась с последующим улучшением показателей в парах трения: «АКер-Пол», «ЦКер-Пол», «Окс-Пол», которые продемонстрировали наименьшую прочность адгезионных связей при максимальных нагрузках (8000-10 000 Н). По результатам анализа всего диапазона нагрузок наилучшие трибологические характеристики были выявлены в парах трения «ЦКер-АКер», «АКер-АКер». Адгезионное взаимодействие в искусственном кинематическом узле не достигает показателей интактного тазобедренного сустава, что демонстрирует ограниченность диапазона полезных свойств эндопротеза.

About the authors

B. Sh Minasov

Bashkir State Medical University

R. R Yakupov

Bashkir State Medical University

Email: rasulr@mail.ru

L. Sh Shuster

Ufa State Aviation Technical University

S. V Chertovskikh

Ufa State Aviation Technical University

I. I Emaev

Ufa State Aviation Technical University

G. N Filimonov

Bashkir State Medical University

A. A Korshunov

Ufa State Aviation Technical University

T. E Khairov

Bashkir State Medical University

References

Supplementary files