Перспективы применения нерентгеноконтрастных материалов в изготовлении аппаратов внешней фиксации

Обложка


Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Актуальным направлением поиска новых технологических решений, позволяющих улучшить эксплуатационные характеристики изделий медицинского назначения, является использование нерентгеноконтрастных материалов. В работе выполнен обзор литературы и проведён анализ возможности применения современных композитных материалов со свойством нерентгеноконтрастности в аппаратах внешней фиксации (АВФ). Выделены наиболее значимые аспекты применения полимерных композитов в медицинских изделиях. Описаны физико-механические и рентгенологические свойства композитных материалов, наиболее подходящих для создания балочно-стержневых и кольцевых аппаратов. Выделено дополнительное преимущество нерентгеноконтрастных АВФ — лёгкость, обеспеченная низкой по сравнению с металлическими сплавами плотностью полимерных материалов, являющихся матрицей для композитов, из которых изготавливаются элементы АВФ. Показана возможность автоклавной стерилизации изделий из полимерных композитов, имеющих потенциал к использованию в качестве компонентов аппаратов наружной фиксации. Рассмотрены клинические случаи применения внешних фиксаторов, имеющих в своей конструкции нерентгеноконтрастные компоненты, и приведены примеры коммерческих (серийно изготавливаемых) внешних фиксирующих устройств. Продемонстрирована возможность применения для создания компонентов АВФ 3D-печати, которая не рассматривается в настоящее время в качестве основной технологии создания элементов АВФ. Нерентгеноконтрастностные АНФ из современных композитных материалов способствуют лучшей репозиции переломов, проведению прицельной лучевой терапии в необходимых дозах и точной рентгенографической визуализации в интраоперационном и постоперационном периоде, что позволяет своевременно скорректировать лечение и снизить риски возможных осложнений. Это делает их разработку перспективным научно-производственным направлением, нацеленным на решение конкретных клинических задач.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Леонид Львович Бионышев-Абрамов

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова; Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Email: sity-x@bk.ru
ORCID iD: 0000-0002-1326-6794
SPIN-код: 1192-3848
Россия, Москва; Пермь

Юлия Сергеевна Лукина

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Автор, ответственный за переписку.
Email: lukina_rctu@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-0121-1232
SPIN-код: 2814-7745

канд. техн. наук, доцент

Россия, Москва; Москва

Валерий Георгиевич Булгаков

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Email: valb5@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-2573-8231
SPIN-код: 1689-7240

канд. биол. наук

Россия, Москва

Николай Свиридович Гаврюшенко

Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова

Email: testlabcito@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-7198-433X
SPIN-код: 3335-6472

д-р мед. наук, профессор

Россия, Москва

Список литературы

  1. Vicenti G, Antonella A, Filipponi M, et al. A comparative retrospective study of locking plate fixation versus a dedicated external fixator of 3-and 4-part proximal humerus fractures: Results after 5 years. Injury. 2019;50(Suppl 2):S80–S88. doi: 10.1016/j.injury.2019.01.051
  2. Rigal S, Mathieu L, de l’Escalopier N. Temporary fixation of limbs and pelvis. Orthop Traumatol Surg Res. 2018;104(1S):S81–S88. doi: 10.1016/j.otsr.2017.03.032
  3. Korobeinikov A, Popkov D. Use of external fixation for juxta-articular fractures in children. Injury. 2019;50(Suppl 1):S87–S94. doi: 10.1016/j.injury.2019.03.043
  4. Swords MP, Weatherford B. High-energy pilon fractures: role of external fixation in acute and definitive treatment. What are the indications and technique for primary ankle arthrodesis? Foot Ankle Clin. 2020;25(4):523–536. doi: 10.1016/j.fcl.2020.08.005
  5. Abdul Wahab AH, Wui NB, Abdul Kadir MR, Ramlee MH. Biomechanical evaluation of three different configurations of external fixators for treating distal third tibia fracture: finite element analysis in axial, bending and torsion load. Comput Biol Med. 2020;127:104062. doi: 10.1016/j.compbiomed.2020.104062
  6. Kolasangiani R, Mohandes Y, Tahani M. Bone fracture healing under external fixator: investigating impacts of several design parameters using Taguchi and ANOVA. Biocybernetics and Biomed Eng. 2020;40:1525–1534.
  7. Simpson AHRW, Robiati L, Jalal MMK, Tsang STJ. Non-union: indications for external fixation. Injury. 2019;50(Suppl 1):S73–S78. doi: 10.1016/j.injury.2019.03.053
  8. Bliven EK, Greinwald M, Hackl S, Augat P. External fixation of the lower extremities: biomechanical perspective and recent innovations. Injury. 2019;50(Suppl 1):S10–S17. doi: 10.1016/j.injury.2019.03.041
  9. Sala F, Talamonti T, Agus MA, Capitani D. Sequential reconstruction of complex femoral fractures with circular hybrid Sheffield frame in polytrauma patients. Musculoskeletal Surgery. 2010;94(3):127–136. doi: 10.1007/s12306-010-0087-2
  10. Gorodnichenko AI. The Main Directions of Creation and Implementation of External Fixation Devices in Traumatology and Orthopedics in Russia at the Turn of 2000 [Internet]. Moscow; 1999. Available from: https://kremlin-medicine.ru/index.php/km/article/download/592/585. Accessed: August 13, 2024. (In Russ.)
  11. Tyulyaev NV, Vorontsova TN, Solomin LN, Skomoroshko PV. Development history and modern concern of problem of extremity injuries by external fixation (review). Traumatology and orthopedics of Russia. 2011;(2):179–190. EDN: OFXXGD
  12. Barrett JF, Keat N. Artifacts in CT: recognition and avoidance. Radiographics. 2004;24(6):1679–1691. doi: 10.1148/rg.246045065
  13. Boas FE, Fleischmann D. CT artifacts: causes and reduction techniques. Imaging Med. 2012;4(2):229–240. doi: 10.2217/iim.12.13
  14. De Man B, Nuyts J, Dupont P, Marchal G, Suetens P. Metal streak artifacts in X-ray computed tomography: a simulation study. IEEE Trans Nucl Sci. 1999;46(3):691–696.
  15. Li CS, Vannabouathong C, Sprague S, Bhandari M. The use of carbon-fiber-reinforced (CFR) PEEK material in orthopedic implants: a systematic review. Clin Med Insights Arthritis Musculoskelet Disord. 2015;8:33–45. doi: 10.4137/CMAMD.S20354
  16. Zimel MN, Hwang S, Riedel ER, Healy JH. Carbon fiber intramedullary nails reduce artifact in postoperative advanced imaging. Skeletal Radiol. 2015;44(9):1317–1325. doi: 10.1007/s00256-015-2158-9
  17. Krishnakumar S, Senthilvelan T. Polymer composites in dentistry and orthopedic applications — a review. Mater Today: Proceedings. 2001;46:9707–9713.
  18. Banoriya D, Purohit R, Dwivedi RK. Advanced application of polymer-based biomaterials. Mater Today: Proceedings. 2017;4:3534–3541.
  19. Lee M, Chung K, Lee C, et al. The viscoelastic bending stiffness of fiber-reinforced composite Ilizarov C-rings. Compos Sci Technol. 2001;61(16):2491–2500. doi: 10.1016/S0266-3538(01)00172-5
  20. Bibbo C, Dubin J. Orthoplastic management of complex bone and soft tissue pathology with a fully radiolucent circular external fixation system. Foot & Ankle Surgery: Techniques, Reports & Cases. 2024;4(3):100412, 73–75.
  21. Fragomen AT, Rozbruch SR. The mechanics of external fixation. HSS J. 2007;3(1):13–29. doi: 10.1007/s11420-006-9025-0
  22. Emami A, Mjöberg B, Karlström G, Larsson S. Treatment of closed tibial shaft fractures with unilateral external fixation. Injury. 1995;26(5):299–303. doi: 10.1016/0020-1383(95)00037-a
  23. Kani KK, Porrino JA, Chew FS. External fixators: looking beyond the hardware maze. Skeletal Radiol. 2020;49(3):359–374. doi: 10.1007/s00256-019-03306-w
  24. Gasser B, Boman B, Wyder D, Schneider E. Stiffness Characteristics of the Circular Ilizarov Device as Opposed to Conventional External Fixators. Journal of Biomechanical Engineering. 1990;112(1):15. doi: 10.1115/1.2891120
  25. Hasler CC, Krieg AH. Current concepts of leg lengthening. J Child Orthop. 2012;6(2):89–104. doi: 10.1007/s11832-012-0391-5
  26. Solomin LN, Paley D, Shchepkina EA, Vilensky VA, Skomoroshko PV. A comparative study of the correction of femoral deformity between the Ilizarov apparatus and Ortho-SUV Frame. Int Orthop. 2014;38(4):865–872. doi: 10.1007/s00264-013-2247-0
  27. Solomin LN. Fundamentals of transosseous osteosynthesis with the G.A. Ilizarov apparatus: Monograph. SPb: MORSAR AV; 2005. 544 p. (In Russ.)
  28. Fernando PLN, Abeygunawardane A, Wijesinghe PCI, Dharmaratne P, Silva P. An engineering review of external fixators. Medical Engineering & Physics. 2021;98:91–103. doi: 10.1016/j.medengphy.2021.11.002
  29. Tomanec F, Rusnakova S, Kalova M. Innovation of Ilizarov stabilization device with the design changes. MM Sci J. 2019;1:2732–2738. doi: 10.17973/MMSJ.2019_03_2018005
  30. Iobst CA. New trends in ring fixators. J Pediatr Orthop. 2017;37(Suppl 2):S18–S21. doi: 10.1097/BPO.0000000000001026
  31. Priadythama I, Herdiman L, Rochman T. Future and challenge of 3D printed bone external fixator: Statics stress simulations of polycarbonate Taylor spatial frame ring. AIP Conference Proceedings: AIP Publishing. 2020;2217(1).
  32. Qiao F, Li D, Jin Z, et al. A novel combination of computer-assisted reduction technique and three-dimensional printed patient-specific external fixator for treatment of tibial fractures. Int Orthop. 2016;40(4):835–841. doi: 10.1007/s00264-015-2943-z
  33. Pervan N, Mesic E, Colic M, Avdic V. Stiffness Analysis of the Sarafix External Fixator based on Stainless Steel and Composite Material. TEM Journal. 2015;4(4):366.
  34. Ong WH, Chiu WK, Russ M, Chiu ZK. Integrating sensing elements on external fixators for healing assessment of fractured femur. Structural Control and Health Monitoring. 2016;23(12):1388–1404.
  35. Godara A, Raabe D, Green S. The influence of sterilization processes on the micromechanical properties of carbon fiber-reinforced PEEK composites for bone implant applications. Acta Biomater. 2007;3(2):209–220. doi: 10.1016/j.actbio.2006.11.005
  36. Kurtz SM, Devine JN. PEEK biomaterials in trauma, orthopedic, and spinal implants. Biomaterials. 2007;28(32):4845–4869. doi: 10.1016/j.biomaterials.2007.07.013
  37. Williams D. Polyetheretherketone for long-term implantable devices. Med Device Technol. 2008;19(1):8, 10–11.
  38. Nieminen T, Kallela I, Wuolijoki E, et al. Amorphous and crystalline polyetheretherketone: Mechanical properties and tissue reactions during a 3-year follow-up. J Biomed Mater Res A. 2008;84(2):377–383. doi: 10.1002/jbm.a.31310
  39. Steinberg EL, Rath E, Shlaifer A, et al. Carbon fiber reinforced PEEK Optima-A composite material biomechanical properties and wear/debris characteristics of CF-PEEK composites for orthopedic trauma implants. J Mech Behav Biomed Mater. 2013;17:221–228. doi: 10.1016/j.jmbbm.2012.09.013
  40. Black J, Hastings G, editors. Handbook of biomaterial properties. Springer Science & Business Media; 2013.
  41. Deng Y, Zhou P, Liu X, et al. Preparation, characterization, cellular response and in vivo osseointegration of polyetheretherketone/nano-hydroxyapatite/carbon fiber ternary biocomposite. Colloids Surf B Biointerfaces. 2015;136:64–73. doi: 10.1016/j.colsurfb.2015.09.001
  42. Kalová M, Tomanec F, Rusnakova S, Manas L, Jonsta Z. Mold design for rings of external fixator. MM Sci J. 2019;2019(1):2739–2745. doi: 10.17973/MMSJ.2019_03_2018002
  43. Baidya KP, Ramakrishna S, Rahman M. An Investigation on the Polymer Composite Medical Device — External Fixator. Journal of reinforced plastics and composites. 2003;22(6):563–590. doi: 10.1106/073168403023292
  44. Xie M, Cao Y, Cai X, et al. The Effect of a PEEK Material-Based External Fixator in the Treatment of Distal Radius Fractures with Non-Transarticular External Fixation. Orthopaedic Surgery. 2021;13(1):90–97. doi: 10.1111/os.12837
  45. Frydrýšek K, Jořenek J, Učeň O, et al. Design of External Fixators used in Traumatology and Orthopaedics — Treatment of Fractures of Pelvis and its Acetabulum. Procedia Engineering. 2012;48:164–173. doi: 10.1016/J.PROENG.2012.09.501
  46. Basat PAM, Estrella EP, Magdaluyo Jr ER. Material selection and design of external fixator clamp for metacarpal fractures. Materials Today: Proceedings. 2020;33:1974–1978. doi: 10.1016/J.MATPR.2020.06.129
  47. Gauthier CM, Kowaleski MP, Gerard PD, Rovesti GL. Comparison of the axial stiffness of carbon composite and aluminium alloy circular external skeletal fixator rings. Vet Comp Orthop Traumatol. 2013;26(3):172–176. doi: 10.3415/VCOT-12-03-0047
  48. Dall’Oca C, Christodoulidis A, Bortolazzi R, Bartolozzi P, Lavini F. Treatment of 103 displaced tibial diaphyseal fractures with a radiolucent unilateral external fixator. Arch Orthop Trauma Surg. 2010;130(11):1377–1382. doi: 10.1007/s00402-010-1090-7
  49. Kershaw CJ, Cunningham JL, Kenwright J. Tibial external fixation, weight bearing, and fracture movement. Clin Orthop Relat Res. 1993;(293):28–36.
  50. Kenwright J, Richardson JB, Cunningham JL, et al. Axial movement and tibial fractures: a controlled randomised trial of treatment. The Journal of Bone & Joint Surgery British Volume. 1991;73(4):654–659. doi: 10.1302/0301-620X.73B4.2071654
  51. Richardson JB, Gardner TN, Evans M, Kuiper JH, Kenwright J. Dynamisation of tibial fractures. The Journal of Bone & Joint Surgery British Volume. 1995;77(3):412–416.
  52. Egger EL, Gottsauner-Wolf F, Palmer J, Aro HT, Chao EY. Effects of axial dynamization on bone healing. J Trauma. 1993;34(2):185–192. doi: 10.1097/00005373-199302000-00001
  53. Widanage KN, De Silva MJ, Lalitharatne TD, Bull AM, Gopura RARC. Developments in circular external fixators: A review. Injury. 2023;54(12):111157. doi: 10.1016/j.injury.2023.111157

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© Эко-Вектор, 2025

Ссылка на описание лицензии: https://eco-vector.com/for_authors.php#07
СМИ зарегистрировано Федеральной службой по надзору в сфере связи, информационных технологий и массовых коммуникаций (Роскомнадзор).
Регистрационный номер и дата принятия решения о регистрации СМИ: серия ПИ № ФС 77-76249 от 19.07.2019.