Strength characteristics of the proximal femur in conditions of internal force shunting

Full Text

Введение. Демографические процессы, происходящие в современном обществе, приводят к резкому увеличению в популяции лиц пожилого и старческого возраста ортопедического профиля во всех развитых государствах [1, 2]. Способность пожилого человека вести независимую жизнь — важная составляющая, обеспечивающая физический компонент качества жизни. Метаболические заболевания опорно-двигательной системы являются значимым фактором риска малоэнергетических повреждений крупных сегментов скелета [3, 4]. Остеопорозные переломы позвонков и пояса верхних конечностей приводят к хроническому болевому синдрому, однако наиболее фатальными являются переломы в области проксимального отдела бедренной кости, так как сопряжены с высокой летальностью [5]. В некоторых регионах Россий 98 Прочностные характеристики проксимального отдела бедренной части . . . ской Федерации летальность после перелома проксимального отдела бедра достигает от 45 до 52 %. Всемирная организация здравоохранения в 2006 году выдвинула остеопороз на третье место по смертности после заболеваний сердечно-сосудистой системы и злокачественных новообразований. По данным национальной ассоциации статистики здоровья (2005 г.), на территории США ежегодно происходит 1,5 млн переломов, связанных с остеопорозом, из них 700 тыс. переломов позвоночника, 250 тыс. переломов шейки бедра, 250 тыс. переломов дистального отдела лучевой кости и 300 тыс. переломов в других областях скелета. При этом предполагается, что количество остеопорозных переломов в мире с 1,7 млн в 1990 году увеличится до 6,3 млн в 2050 году, т. е. возрастёт примерно в четыре раза. Несмотря на фундаментальные открытия в области молекулярной биологии, медикаментозное лечение системного остеопороза сопряжено с необходимостью длительного приёма препаратов и низкой приверженностью к подобного рода терапии, что не позволяет обеспечить клинически значимого снижения риска переломов у достаточно большого массива пациентов. Из механики деформируемого твёрдого тела известно, что на прочность сегмента костной ткани влияют такие свойства среды, как упругость, пластичность и вязкоупругость [6–9]. Одним из альтернативных решений оптимизации упругих и прочностных свойств проксимального отдела бедренной кости является методика превентивного хирургического армирования, позволяющая эффективно снизить риск переломов рассматриваемой локализации [10]. Целью исследования послужило изучение механических характеристик биокомпозитной системы «кость – имплантат» в условиях профилактического остеосинтеза шейки бедренной кости. 1. Материал и методы исследования. В качестве исходного материала для имплантатов взят технический титан в наноструктурированном состоянии. Такое структурное состояние позволяет формировать качественно новые эксплуатационные свойства, выраженные в высоком уровне предела прочности — до 1300 МПа. Исходный диаметр прутков для изготовления армирующих элементов составлял 3 мм. Такие исходные данные позволили создать ряд перспективных имплантатов нового поколения с повышенной удельной прочностью и минимизированными геометрическими параметрами. Изучению были подвергнуты 5 групп макетов бедренной кости в условиях остеоcинтеза с различными типами оригинальных имплантатов; сравнение производилось с интактными (неармированными) образцами. Исследуемые механические системы подвергались дозированной нагрузке по оси конечности, а также перпендикулярно оси бедренной кости с силой P , направленной на область большого вертела, до полного разрушения со скоростью 5 мм/мин на универсальном динамометре INSTRON 5982 (см. рис. 1). В результате проведённого исследования выявлено, что разрушение интактных образцов при нагрузке по оси бедра (см. табл., рис. 2–4) в большинстве случаев происходило в области шейки при средней нагрузке 1,35 ± 0,15 KH на 361 сек. эксперимента. Системы, фиксированные спицей, разрушались в подвертельной зоне при средней нагрузке 1,65±0,15 KH на 386 сек. эксперимента, что на 22,7 % дольше по сравнению с интактными образцами. Системы, фиксированные тремя спицами, также разрушались в подвертельной 99 Т. Б. М и н а с о в, А. Л. М а т в е е в, А. В. Н е х о ж и н Рис. 1. Расположение механической системы в динамометре INSTRON 5982 Продолжительность упругого деформирования t и начало разрушения t∗ систем при сжатии максимальной нагрузкой P Системы P , KH t, сек t∗ , сек Сжатие вдоль механической оси бедренной кости Интактный образец Спица Перекрещивающиеся спицы Винт–штопор «Винт–штопор + спица» 1,35 ± 0,15 1,65 ± 0,15 1,89 ± 0,15 2,10 ± 0,15 2,32 ± 0,15 346 362 391 198 243 361 386 463 561 532 Сжатие вдоль оси шейки бедренной кости Интактный образец Спица Перекрещивающиеся спицы Винт–штопор 100 2,17 ± 0,15 2,77 ± 0,15 3,31 ± 0,15 4,21 ± 0,15 231 336 359 338 331 385 410 361 Прочностные характеристики проксимального отдела бедренной части . . . Рис. 2. Диаграмма деформирования «нагрузка – время» при сжатии вдоль механической оси бедренной кости: 1 — интактная кость; 2–5 — имплантаты: спица (2), перекрещивающиеся спицы (3), винт–штопор (4), «винт–штопор + спица» (5) а1 б1 а2 б2 б3 Рис. 3. Рентгенограммы и результаты испытаний: а1 — система интактного образца; а2 — система интактного образца после разрушения; б1 — рентгенограмма образца со спицей; б2 — система образца со спицей; б3 — система со спицей после разрушения 101 Т. Б. М и н а с о в, А. Л. М а т в е е в, А. В. Н е х о ж и н в1 в2 в3 г1 г2 г3 д1 д2 д3 Рис. 4. Рентгенограммы и результаты испытаний: в1 — рентгенограмма системы с перекрещивающимися спицами; в2 — система с перекрещивающимися спицами; в3 — система с перекрещивающимися спицами после разрушения; г1 — рентгенограмма системы c имлантатом винт–штопор; г2 — система c имлантатом винт–штопор; г3 — система c имлантатом винт–штопор после разрушения; д1 — рентгенограмма образца с имплантатом «винт–штопор + спица»; д2 — система «винт– штопор + спица»; д3 — система «винт–штопор + спица» после разрушения 102 Прочностные характеристики проксимального отдела бедренной части . . . зоне, при этом теряли устойчивость при нагрузке 1,89 ± 0,15 KH на 463 сек., прочность образцов превосходила интактные в среднем на 40,1 %. Системы, фиксированные винтом–штопором, разрушались при нагрузке 2,10±0,15 KH, в то же время продемонстрировали наибольшую временную резистентность, так как теряли устойчивость лишь на 561 сек. эксперимента. Прочность систем, фиксированных винтом, была выше на 56,1 % по сравнению с интактными. Наиболее прочными из всех систем «кость – имплант» при осевом сжатии были образцы, фиксированные по схеме «винт–штопор + спица», которые сохраняли структурную состоятельность при нагрузках менее 2,32 ± 0,15 KH, сопротивляемость осевой нагрузке была на 72,6 % выше интактных образцов, при этом было отмечено падение нагрузок до значений, сопоставимых с резистентностью систем, фиксированных винтами, с разрушением систем на 532 сек. эксперимента. При сжатии аналогичных систем по оси шейки бедренной кости (см. табл., рис. 5, 6) в большинстве случаев отмечено разрушение области шейки бедренной кости в области перехода медиальной кортикальной пластины (дуги Адамса) в межвертельную линию. Так, интактный образец терял структурную состоятельность при средней нагрузке 2,17 ± 0,15 KH на 331 сек. эксперимента. Системы, фиксированные спицей, разрушались при нагрузке 2,77 ± 0,15 KH на 385 сек., при этом прочность систем была выше интактных образцов в среднем на 27,9 %. Изученные образцы, фиксированные перекрещивающимися спицами, были на 52,6 % прочнее интактных, так как разрушались при средней нагрузке 3,31 ± 0,15 KH на 410 сек. эксперимента. Наиболее прочными из изученных при сжатии по оси шейки были системы, фиксированные по схеме винт–штопор, так как оставались устойчивыми при нагрузках менее 4,21 ± 0,15 KH до 361 сек. эксперимента. Рис. 5. Диаграмма деформирования «нагрузка – время» при сжатии вдоль оси шейки бедренной кости: 1 — интактная кость; 2–4 — имплантаты: спица (2), перекрещивающиеся спицы (3), винт–штопор (4) 2. Обсуждение. Особенностью систем, фиксированных спицами, при сжатии вдоль механической оси бедренной кости (вне зависимости от компоновки имплантов) было разрушение образцов в подвертельной зоне непосредствен103 Т. Б. М и н а с о в, А. Л. М а т в е е в, А. В. Н е х о ж и н а1 а2 б1 б2 б3 в1 в2 в3 г1 г2 г3 Рис. 6. Рентгенограммы и результаты испытаний: а1 — система интактного образца; а2 — система интактного образца после разрушения; б1 — рентгенограмма образца со спицей; б2 — система образца со спицей; б3 — система образца со спицей после разрушения; в1 — рентгенограмма системы с перекрещивающимися спицами; в2 — система с перекрещивающимися спицами; в3 — система с перекрещивающимися спицами после разрушения; г1 — рентгенограмма образца с имплантатом винт–штопор; г2 — образец с имплантатом винт– штопор; г3 — образец с имплантатом винт–штопор после разрушения 104 Прочностные характеристики проксимального отдела бедренной части . . . но под спицей, что, несомненно, свидетельствует о феномене «шунтирования» нагрузок. Данные, полученные при анализе сопротивляемости осевой нагрузке, подтверждают преимущества систем, фиксированных винтами либо их комбинациями со спицами, что, по всей видимости, связано с большей площадью контакта в системах «кость – имплант», при этом прочность увеличивалась от 22 до 70 %. Результаты, полученные при анализе устойчивости синтезированных систем при сжатии по оси шейки, также свидетельствуют о преимуществах систем с наибольшей площадью контакта, при этом сопротивляемость нагрузкам увеличивается от 27 до 93 %. Другой особенностью изученных систем было то, что при нагрузках, приводящих к структурной деформации, их разрушение (в отличии от интактных образцов) происходило не полностью, а, как правило, монокортикально, что не приводило к дальнейшему смещению отломков. Кроме этого, было отмечено наличие феномена «шунтирования» силовых линий и разрушение систем в периимплантной зоне, что, несомненно, требует дальнейшего изучения. 3. Выводы. Таким образом, все изученные способы фиксации увеличивают прочность системы «кость – имплант» при сжатии как по оси, так и вдоль шейки бедренной кости. При широком внедрении в клиническую практику методики профилактического армирования кости при различных процессах охрупчивания костной ткани проксимального отдела бедра у лиц, склонных к переломам, можно избавить их от вероятного перелома бедренной кости и тем самым продлить им жизнь.

About the authors

Timur B Minasov

Bashkir State Medical University

Email: m004@yandex.ru
(Ph. D. Medical), Associate Professor, Dept. of Traumatology and Orthopedics 3, Lenin str., Ufa, 450000, Russia

Anatoliy L Matveev

Central City Hospital

Email: mal57@rambler.ru
(Ph. D. Medical), Physician-Ordinator, Casualty Department 1, Pirogov st., Novokuybyshevsk, Samara Region, 446200, Russia

Anatoliy V Nekhozhin

Samara State Technical University

Email: stswoon@yandex.ru
Postgraduate Student, Dept. of Applied Mathematics & Computer Science 244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100, Russia

References