CC BY
20
Орипнальы дослiдження
Original Researches
УДК 617.582-089.843:615.463+615.33]-027.45-092.4 DOI: 10.22141/1608-1706.1.20.2019.158674
Д/гтяр А.В.1, Карпнський М.Ю.2, Карп/нська О.Д.2
1ДУ «Дн'/пропетровська медична академ/я МОЗ Укра/ни», м. Дн/про, Укра!на
2ДУ «1нститутпатологихребта та суглоб/в 1м. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра'ни», м. Харк/в, Укра'на
Експериментальне дос^дження
мщност юсткового цементу залежно вш вмгсту антибютика
Резюме. Актуальнсть. Одн/ею з найпоширен/ших i складних проблем у травматологией i ортопедичн/й практиц/, зокрема при тотальному ендопротезуванн/ кульшового суглоба, е розвиток /нфекц/йних усклад-нень. Проблема ревiзiйного ендопротезування при нфекц/йних ускладненнях — одна з найб/льш актуальних, частка под/бних операц/й досягае 15 %. На сьогодн/ золотим стандартом при глибоюй перипротезн/й нфекцИ вважаеться двохетапне ревiзiйне ендопротезування. На першому етап/ зам/щення дефекту п/сля видалення ендопротеза проводиться з використанням матерiалiв, що не розсмоктуються, таких як к/стковий цемент на основ/ полiметилметакрилату, що мстить в соб/ антиб/отик для л1кв/дац/)' вогнища /нфекц/йного процесу. На другому етап/ в/дбуваеться видалення цементного спейсера i замщення ендопротезом. Тому досл/дкення м/цност/ р/зних комб/нац/й кюткового цементу з антиб/отиками е акктуальним. Мета дослдження: вивчити в експеримент/ залежн/сть м'цност к/сткового цементу в/д вм/сту антиб/отика в сум/ш/. Матер'юли та методи. Для проведення експерименту були виготовлен/ зразки к/сткового цементу з дом/шкою антиб/отика в таких сп/вв/дношеннях: 100 % цементу; 80 % цементу + 20 % антиб/отика (4: 1); 75 % цементу + 25 % антиб/отика (3: 1); 67 % цементу + 33 % антиб/отика (2: 1); 50 % цементу + 50 % антиб/отика (1: 1). Усього було виготовлено по 5 зразк/в укожн/й з пропорц/й цементуз антиб/отиком. Ус/'зразки виготовляли увиглядiкуба розм/ром 5 х 5 х 5 мм. П'/д час експерименту здiйснювали випробування зразюв на м'/цн'/сть п/д впливом стискаючого наванта-ження. Результат. Межа м/цност/ зразюв юсткового цементу знижуеться зi зб/льшенням в/дсоткового вм/сту антиб/отика в сум/ш/. Контрольн зразки /з 100 % цементу показали найвищу м'/цн'/сть — 135,3 ± 19,6 МПа. Най-слабшими виявились зразки з 50% вм/стом антиб/отика—53,70 ± 8,16 МПа, що вдв/чi нижче за аналопчн показни-кизразюв/зв/дсотковим сп/вв/дношеннямцемент/антиб/отик80: 20 — 119,7 ± 7,6 МПа. Спостер/гаетьсявелика р/зниця межi м/цностi м/ж зразками з в/дсотковим сп/вв/дношенням цемент/антиб/отик 80: 20 (119,7 ± 7,6 МПа) та зразками з в/дсотковим сп/вв/дношенням 75: 25 (64,60 ± 8,46 МПа). Показники межi м/цностi зразюв з вм/стом к/сткового цементу 50, 67 i 75 % не мають статистично значимих в/дм/нностей м/ж собою. Показники межi м'/цност.i контрольних зразюв i:з 100 % цементу та зразюв /з в/дсотковим сп/вв/дношенням цемент/антиб/отик 80 : 20 мали статистично значущi в/дм/нностi як м/ж собою, так i /з зразками з б/льшим вм/стом антиб/отика. Висновки. Межа м/цност.i зразюв к/сткового цементу знижуеться б/льше нж у 2 рази зi зб'/льшенням в/дсоткового вм'/сту антиб/отика в сум/ш/. Зб/льшення часткового вм/сту антиб/отика в цементн/й сум/шi до 25 % / б/льше при-зводить до значного (б/льше н/ж у 2 рази) зниження меж/ м/цност/ зразк/в пор/вняно /з зразками з чистого цементу та його сум/ш/ з антиб/отиком у в/дсотковому сп/ввдношенн/ 80: 20. Ключовi слова: к/стковий цемент; антиб/отик; пол/метилметакрилат; м/цн/сть
Вступ
Одшею з найпоширенших i складних проблем у травматолопчнш i ортопедичнш практищ, зокрема при тотальному ендопротезуванш кульшового суглоба (ТЕКС), е розвиток шфекцшних ускладнень, незважа-ючи на застосування сучасних антибактерiальних пре-парапв, металоконструкцш, що постшно удоскона-люються, методик оперативного втручання i широкий
спектр дезшфектанпв [3, 4]. Кльтсть операцш ТЕКС неухильно зростае, через те що дозволяе в короты тер-мши лшвщувати больовий синдром i вщновити досить високий рiвень функцюнально! активност пащентав iз тяжкими травмами i захворюваннями кульшового суглоба [1, 2]. Однак така тенденщя призводить до про-гресивного збтьшення числа пащентав, яы потребують проведення операцш ревiзiйного ендопротезування у
© «Травма» / «Травма» / «Trauma» («Travma»), 2019
© Видавець Заславський О.Ю. / Издатель Заславский А.Ю. / Publisher Zaslavsky O.Yu., 2019
Для кореспонденци: Картнський Михайло Юрмович, науковий ствробгтник лаборатори бюмехашки, ДУ «1нстатут патологи хребта та суглоб1в iMeHi професора М.1. Ситенка НацюнальноТ академи медичних наук УкраТни», вул. Пушкшська, 80, м. Харш, 61024, УкраТна; e-mail: korab.karpinsky9@gmail.com
For correspondence: M. Karpinsky, Research Fellow at the Department of biomechanics laboratory, State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine', Pushkinskaya st., 80, Kharkiv, 61024, Ukraine; e-mail: korab.karpinsky9@gmail.com
зв'язку з неминучим з плином часу зниженням функщ-ональних показникв i п1двищенням iнтенсивностi бо-льового синдрому [5, 6]. Питома вага ревiзiйного ендо-протезування на сьогодш становить до 25 % у загальнш структурi операцiй ТЕКС [4—7]. Проблема ревiзiйного ендопротезування при шфекцшних ускладненнях е однieю з найбшьш актуальних. Серед причин, що при-зводять до необхiдностi ревiзiйного втручання, частка подiбних операцiй досягае 15 % [4—6].
Ршення проблеми х!рурпчних 1нфекц1й щддаеться перегляду через змшу вщношень м1ж мжробним збудником i органiзмом людини [3]. З'явилися мiкроорганiзми, стш-к! до бжьшосл антибiотикiв i антисептиков, трансформу-ються шляхи, способи передачi та тривалсть персистенцii в органiзмi [3]. На даний час лiкарi мають перед собою як масу препаратш !з р!зними властивостями, так i масу шта-м!в мшроб!в з! здаттстю виживати, незважаючи на дю даних препаратв, при цьому характерн1 швидк! змши як спектра препаратв, так ! мжробного фону стащонар!в, що унеможливлюе схематичний усталений шдхщ до проблеми лжування госттально! щфекцп.
На сьогодш золотим стандартом при глибокш пе-рипротезнш iнфекдii вважаеться двохетапне рев!зшне ендопротезування, що дозволяе в бшьшосй випадюв досягти позитивного результату [7]. На першому етат замщення дефекту тсля видалення ендопротеза проводиться з використанням матер!ал!в, що не розсмок-туються, таких як юстковий цемент на основ! пол!ме-тилметакрилату (ПММА), що мктить антибютик для лжвщацп вогнища шфекцшного процесу. На другому етат вщбуваеться видалення цементного спейсера ! замщення ендопротезом, який може фжсуватися за допомогою ПММА, який, крш антимжробно^ активности повинен мщно фжсувати протез з юсткою. У зв'язку з цим дослщження мщносй р!зних комбшацш юсткового цементу на основ! ПММА з антибютиками е актуальним.
Мета дослщження: вивчити в експериментi залеж-тсть мiцностi юсткового цементу вщ вмгсту антибю-тика в сумiшi.
Матерiали та методи
У лабораторiï бiомеханiки ДУ «1нститут патологiï хребта та суглоб1в ïm. проф. М.1. Ситенка НАМН Укра-ши» були проведет експериментальт випробування на мiцнiсть зразюв к1сткового цементу з домiшками антибютиюв. Для проведення експерименту були ви-готовленi зразки к1сткового цементу з домшкою анти-бiотика в таких спгввщношеннях: 100 % цементу; 80 % цементу + 20 % антибютика (4 : 1); 75 % цементу + 25 % антибютика (3 : 1); 67 % цементу + 33 % антибютика (2 : 1); 50 % цементу + 50 % антибютика (1 : 1). Усього було виготовлено по 5 зразюв у кожнш з пропорцш цементу з антибютиком. Уй зразки виготовляли у виглядi куба розмiром 5 * 5 * 5 мм (рис. 1).
Пщ час експерименту здшснювали випробування зразюв на мщшсть пщ впливом стискаючого наванта-ження. Схема навантаження зразк1в наведена на рис. 2.
Випробування виконували на стевдд для бюмехатч-них дослщжень, який зображений на рис. 3.
Стискаюче навантаження поступово збшьшували до моменту руйнування зразка. Силу стискання ви-мiрювали за допомогою тензометричного датчика SBA-100L. Максимальне значення стискаючого навантаження в момент руйнування зразка фжсували пристроем реестрацИ CAS типу CI-2001A (рис. 4).
За результатами випробувань розраховували величину межi мiдностi зразк1в за формулою [8]:
F
S
(1)
де F — величина сили, при якш здшснилося руйнування зразка; S — площа перетину зразка.
а =
Рисунок 1. Зовншнй вигляд зразка Рисунок 2. Схема навантаження експеримен-
ксткового цементу, що був використаний тальних зразк/в: З — зразок цементу; Д — дина-
в експериментi мометр; F - сила стискання
Отриманi данi експериментальних дослiджень були оброблеш статистично. Використовували методи опи-сово! статистики — розраховували середне значення меж мiцностi зразтв (М) та ii стандартне вiдхилення (SD), а також мшмальне (min) та максимальне (max) значення для кожно! групи дослiджених зразтв. Для визначення статистично! значимост рiзницi показни-ыв меж мiцностi зразтв iз рiзним вмiстом цементу та антибiотика використовували однофакторний диспер-сiйний аналiз з апостерюрним тестом Дункана [9].
Результати та обговорення
В результaтi проведених випробувань зразкiв тстко-вого цементу з рiзним вмiстом aнтибiотикa були отри-мaнi значення меж! мщносп для кожного зразка. Результати, отримаш пiсля статистично! обробки даних випробувань, зведено до табл. 1.
В результат проведеного експерименту видно, що межа мщноста зразтв тсткового цементу знижуеть-ся зi збтьшенням вiдсоткового вмiсту aнтибiотикa в сушшь Контрольнi зразки iз 100 % цементу показали найвищу мiцнiсть (межа мщносп — 135,3 ± 19,6 МПа). Найслабшими виявились зразки з 50% вмютом ан-тибiотикa (межа мщноста — 53,70 ± 8,16 МПа), що вдвiчi нижче за аналопчш показники зрaзкiв iз вщсо-тковим спiввiдношенням цемент/aнтибiотик 80 : 20 — 119,7 ± 7,6 МПа.
Наочне уявлення про залежнють величини меж! мщноста зразтв тсткового цементу вiд вiдсоткового спiввiдношення частки цементу та aнтибiотикa в сумь шi можна отримати за допомого графша, який наведений на рис. 5.
На наведеному графшу видно велику рiзницю меж! мщноста мiж зразками з вщсотковим спiввiдношенням цемент/aнтибiотик 80 : 20 (119,7 ± 7,6 МПа) та зразками з вщсотковим сшввщношенням 75 : 25 (64,60 ± ± 8,46 МПа). Нелiнiйнiсть наведено! залежносп може бути пояснена тим фактом, що антибютик е компонентом, який повнютю розчинний, i тому його змiст в тстковому цементi не може мати прямого впливу на мiцнiсть цементно! сумш^ як, наприклад, нерозчин-ний шсок у будiвничому цементi. Крiм того, процес твердшня кiсткового цементу е результатом його мм!ч-
нiй реакци iз затверджувачем, на перебiг яко! вмiст ан-тибiотикa також не мае безпосереднього впливу.
Для виявлення статистично! значимост вщмшнос-тей показнитв меж! мiцностi мiж зразками з рiзним вiдсотковим спiввiдношенням вмюту цементу та анти-бiотикa був проведений дисперсшний aнaлiз отрима-них даних з апостерюрним тестом Дункана. Результати проведеного aнaлiзу наведено в табл. 2.
Рисунок 3. Стенд для б'юмехан'мних досл!джень
пд час проведення експерименту: а — стенд; б — зразок юсткового цементу пщ навантаженням
т
Рисунок 4. Пристр1й реестрацИ величини навантаження з тензометричним датчиком
Таблиця 1. Середне значення межi м!цност! зразюв з р1зним сп1вв1дношенням цементу
та антиб'ютика
Межа мщносл, МПа
Вмют цементу, % К-сть зразюв, шт. Середне значення, M ± SD Розкид, min ■ max
100 5 135,3 ± 19,6 108,6 ■ 160,6
80 5 119,7 ± 7,6 110,1 ■ 128,8
75 5 64,6 ± 8,46 56,6 ■ 76,9
67 5 61,9 ± 7,86 54,4 ■ 75,5
50 5 53,7 ± 8,16 45,2 ■ 65,5
Статистична значущють pi3HM^ мнж групами (ANOVA) F = 54,407 P = 0,01
Таблиця 2. Пор1вняння меж! Mi^ocTi зразк'в 1з р!зним сп!вв!дношенням цементу та антибютика (однофакторний дисперс!йний анал!з з апостерорним тестом Дункана)
Межа мщносл, МПа
Вмют цементу, % Пщмножини гомогенних груп для а = 0,05
1 2 3
50 53,7
67 61,9
75 64,6
80 119,7
100 135,3
Статистична значущють pi3HM^ мнж групами, p 0,164 1,000 1,000
140,0-, 120,0 а 1100,0 | 80,0 х ■| 60,0 I 40,0 Е 20,0 0,0
♦----
\
\
\ .
♦
100 80 75 67 50 Вм1ст цементу, %
Рисунок 5. Графк залежност величини меж! мцност зразк!в ксткового цементу вд вдсоткового сп!вв!дношення частки цементу та антибютика
Як показав дисперсшний ан^з даних експеримен-ту, величини меж мщносл зразюв з вмютом юсткового цементу 50, 67 та 75 % не мають статистично значимих вщмшностей (р = 0,164) мiж собою i визначаються в межах похибки обраного методу дослщження. Про це також свщчить той факт, що за результатами апосте-рюрного тесту Дункана показники меж мщносл зразюв цих груп вiднесено до окремо! пiдгрупи 1. Показники меж! мщносп контрольних зразюв iз 100 % цементу та зразюв iз вщсотковим спiввiдношенням цемент/анти-бiотик 80 : 20 мали статистично значущ вiдмiнностi на рiвнi не прше за а = 0,05 як мiж собою, так й зi зразка-ми з бтьшим вмютом антибютика, тому !х розташовано до окремих пщгруп 2 i 3 за результатами апостерюрного тесту Дункана.
Таким чином, результати експерименту дозволя-ють стверджувати, що вмiст антибiотика в юстковому цементi бiльш нiж 20 % призводить до зниження меж мщноста цементу бiльше нiж у 2 рази.
Висновки
1. Межа мщноста зразюв юсткового цементу знижу-еться бiльше нiж у 2 рази зi збiльшенням вiдсоткового вмiсту антибютика в сумшь
2. Збiльшення часткового вмюту антибiотика в це-ментнш сумiшi до 25 % i бiльше призводить до значно-го (бтьше нiж у 2 рази) зниження меж мiцностi зразюв ropiBMTO iз зразками з чистого цементу та його cyMrni з антибютиком у вiдcотковомy cпiввiдношеннi 80 : 20.
Конфлжт штереив. Автори заявляють про вщ-cyтнicть конфлiктy штереав при пiдготовцi дано! cтаттi.
Список л^ератури
1. Лоскутов А.Е. Эндопротезирование тазобедренного сустава: Монография / Под ред. проф. А.Е. Лоскутова. — Д.:Лира, 2010. — 344с.
2. Тихилов Р.М. Руководство по эндопротезирова-нию тазобедренного сустава / Под ред. Р.М. Тихилова, В.М. Шаповалова. — СПб.: РНИИТО им. P.P. Вредена, 2008. — 324 с.
3. Eryukhin I.A. Problems of peritonitis and abdominal sepsis //Consilium Medicum. — 2005. — 7(6). — Р. 468-472.
4. Lorio R. Orthopaedic surgeon workforce and volume assessmentfor total hip and knee replacement in the United States: preparing for an epidemic // J. Bone Joint Surg. — 2008. — 90(7). — P. 598-605.
5. National Joint Registry for England, Wales and Northern Ireland. [Internet]. 10th Annual Report; 2013 [updated 2013 Des 16; cited 2014 Jan 5]. Available from: http://www.njrcenter. org.uk.
6. National Joint Registry for England, Wales and Northern Ireland. [Internet] 8th Annual Report; 2010[updated 2010 Jul 21; cited2014 Oct 9]. Available from: http://www.njrcenter.org.uk.
7. Fevang B.T. Improved results of primary total hip replacement //Acta Orthop. — 2010. — 81(6). — P. 649-659.
8. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. — М.: Высшая школа, 2000. — 560 с.
9. Бююль Ахим. SPSS: искусство обработки информации. Анализ статистических данных и восстановление скрытых закономерностей: Пер. с нем. / Ахим Бююль, Петер Цефлер. — СПб.: ООО«ДиаСофтЮП», 2005. — 608с.
Отримано 05.01.2019 ■
Дигтяр А.В.1, Карпинский М.Ю.2, Карпинская Е.Д.2
1ГУ «Днепропетровская медицинская академия МЗ Украины», г. Днепр, Украина
2ГУ «Институт патологии позвоночника и суставов им. проф. М.И. Ситенко НАМН Украины»,
г. Харьков, Украина
Экспериментальное исследование прочности костного цемента в зависимости от содержания антибиотика
Резюме. Актуальность. Одной из самых распространенных и сложных проблем в травматологической и ортопедической практике, в частности при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава, является развитие инфекционных осложнений. Проблема ревизионного эндопротезирования при инфекционных осложнениях — одна из наиболее актуальных, доля подобных операций достигает 15 %. На сегодняшний день золотым стандартом при глубокой перипротезной инфекции считается двухэтапное ревизионное эндопротезирование. На первом этапе замещение дефекта после удаления эндопротеза проводится с использования нерассасывающихся материалов, таких как костный цемент на основе полиметилметакрилата, содержащий в себе антибиотик для ликвидации очага инфекционного процесса. На втором этапе происходит удаление цементного спейсера и замещение эндопротезом. Поэтому исследование прочности различных комбинаций костного цемента с антибиотиками является актуальным. Цель: изучить в эксперименте зависимость прочности костного цемента от содержания антибиотика в смеси. Материалы и методы. Для проведения эксперимента были изготовлены образцы костного цемента с примесью антибиотика в таких соотношениях: 100 % цемента; 80 % цемента + 20 % антибиотика (4 : 1); 75 % цемента + 25 % антибиотика (3 : 1); 67 % цемента + 33 % антибиотика (2 : 1); 50 % цемента + 50 % антибиотика (1 : 1). Всего было изготовлено по 5 образцов в каждой из пропорций цемента с антибиотиком. Все образцы изготавливали в виде куба размером 5 х 5 х 5 мм. Во время эксперимента осуществляли испытания
образцов на прочность под воздействием сжимающей нагрузки. Результаты. Предел прочности образцов костного цемента снижается с увеличением процентного содержания антибиотика в смеси. Контрольные образцы из 100% цемента показали высокую прочность — 135,3 ± 19,6 МПа. Самыми слабыми оказались образцы с 50% содержанием антибиотика — 53,70 ± 8,16 МПа, что в два раза ниже аналогичных показателей образцов с процентным соотношением цемент/антибиотик 80 : 20 — 119,7 ± 7,6 МПа. Наблюдается большая разница предела прочности между образцами в соотношении цемент/антибиотик 80 : 20 (119,7 ± 7,6 МПа) и образцами в соотношении 75 : 25 (64,60 ± 8,46 МПа). Показатели предела прочности образцов с содержанием костного цемента 50, 67 и 75 % не имеют статистически значимых различий между собой. Показатели предела прочности контрольных образцов из 100 % цемента и образцов с процентным соотношением цемент/ антибиотик 80 : 20 имели статистически значимые различия как между собой, так и с образцами с большим содержанием антибиотика. Выводы. Предел прочности образцов костного цемента снижается более чем в 2 раза с увеличением процентного содержания антибиотика в смеси. Увеличение содержания антибиотика в цементной смеси до 25 % и более приводит к значительному (более чем в 2 раза) снижению предела прочности образцов по сравнению с образцами из чистого цемента и его смеси с антибиотиком в соотношении 80 : 20.
Ключевые слова: костный цемент; антибиотик; полиметил-метакрилат; прочность
AV. Digtiar1, M.Yu. Karpinsky2, O.D. Karpinska2
1State Institution "Dnipropetrovsk Medical Academy of the Ministry of Health of Ukraine", Dnipro, Ukraine 2State Institution "Sytenko Institute of Spine and Joint Pathology of the National Academy of Medical Sciences of Ukraine", Kharkiv, Ukraine
Experimental study of the strength of bone
Abstract. Background. One of the most common and complicated problems in traumatology and orthopedic practice, in particular with total hip replacement, is the development of infectious complications. The problem of revision arthroplasty with infectious complications is one of the most urgent, the share of such operations reaches 15 %. To date, the gold standard in deep periprosthetic infection is considered to be a two-stage revision arthroplasty. At the first stage, the defect replacement after the removal of the endoprosthesis is carried out using non-dispersive materials, such as bone cement based on polymethylmethac-rylate containing an antibiotic to eliminate the focus of infection. At the second stage, the removal of the cement spacer and the replacement of the endoprosthesis are performed. Therefore, the study of the strength of various combinations ofbone cement with antibiotics is relevant. The purpose was to study in the experiment the dependence of the strength ofbone cement on the antibiotic content in the mixture. Materials and methods. For the experiment, samples of bone cement with antibiotic admixtures were made in the following proportions: 100 % of cement; 80 % of cement + 20 % of antibiotic (4 : 1); 75 % of cement + 25 % of antibiotic (3 : 1); 67 % of cement + 33 % of antibiotic (2 : 1); 50 % of cement + 50 % ofantibiotic (1 : 1). A total of5 samples were prepared in each of the proportions of cement with an antibiotic. All samples were made in the form of a cube measuring 5 x 5 x 5 mm. During the experi-
cement depending on the antibiotic content
ment, samples were tested for strength under the influence of compres-sive loads. Results. The strength ofbone cement samples decreases with an increase in the percentage of antibiotic in the mixture. Control samples of 100% cement showed the highest strength — 135.3 ± 19.6 MPa. The weakest samples contained 50 % ofantibiotic — the strength limit was 53.70 ± 8.16 MPa, which is twice lower than the similar samples with cement/antibiotic percentage ratio of 80 : 20 — 119.7 ± 7.6 MPa. There is a large difference in the strength between samples with cement/ antibiotic percentage ratio of 80 : 20 (119.7 ± 7.6 MPa) and 75 : 25 (64.60 ± 8.46 MPa). The strength of the samples with bone cement content of50, 67 and 75 % has no statistically significant differences between them. Indicators of the strength limits of control samples made with 100% cement and samples with cement/antibiotic percentage ratio of 80 : 20 had statistically significant differences, both between themselves and samples with higher antibiotic content. Conclusions. The strength of bone cement samples decreases more than 2 times with an increase in the antibiotic content in the mixture. An increase in the partial content of the antibiotic in a cement mixture of up to 25 % or more results in a significant (more than 2-fold) decrease in the strength of the samples compared with samples made of pure cement and its mixture with antibiotics in a percentage ratio of 80 : 20. Keywords: bone cement; antibiotic; polymethylmethacrylate; strength
