CC BY
49
© Назаров А.Е., Карпов В.Н, Гаврюшенко Н.С., Колондаев А.Ф., 2004 УДК 616.728.2-089
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ СИЛ СЦЕПЛЕНИЯ НЕКОТОРЫХ МЕТИЛМЕТАКРИЛАТОВ С КОСТЬЮ ПРИ ОСТЕОПОРОЗЕ
А.Е. Назаров, В.Н Карпов, Н.С. Гаврюшенко, А.Ф. Колондаев
Государственное Учреждение Науки Центральный Научно-Исследовательский Институт травматологии и ортопедии имени Н.Н. Приорова, г. Москва, МАТИ - Российский государственный технологический университет имени К.Э. Циолковского, г. Москва
Две трупные женские бедренные кости с остеопорозом пересечены в области истмуса. Их костномозговые каналы разработаны разверткой в проксимальном направлении, включая межвертельную область. В одну кость ретроградно шприцом введен низковязкостный цемент Lima, в другую - анте-градно высоковязкостный цемент Symplex. Из первой кости получены 14 образцов для испытаний на машине ZWICK-1464, из второй - 13. Таким образом, проведены 27 испытаний прочности связи двух цементов с остеопорозной костью.
Полученные результаты свидетельствуют, что силы связи цемента с кортикальной костью не зависят от его вязкости. При сохранении эндоста в костномозговом канале эти силы возрастают с уменьшением вязкости цемента.
Асептическая нестабильность ис- и вторичные формы остеопороза, бо-
кусственного сустава является одним из лезнь Педжета, гиперпаратиреоидная
грозных осложнений эндопротезирова- остеодистрофия после аденомэктомии
ния. Она может быть связана с эрозион- щитовидной железы) и другими причи-
ными процессами в узле трения, осо- нами [2, 3, 9].
бенностями дизайна (конструкцией В данной работе рассматривается
ножки и вертлужного компонента) и ряд объективных факторов, влияющих
правильностью установки протеза (ана- на прочность связи акриловых цементов
томическая ориентация ножки и верт- с костными структурами.
лужного компонента, неадекватное на- Приготовление цемента для введе-
тяжение тканей), типом костного це- ния в костномозговой канал, как из-
мента и технологией его введения, а вестно, происходит непосредственно
также негативным воздействием по- перед его использованием. Смешивают-
следнего на костную ткань (некроз и ся жидкий и порошкообразный компо-
резорбция кости), износом компонентов ненты, при этом происходит экзотерми-
эндопротеза и цемента, применением ческая реакция полимеризации, сопро-
препаратов, подавляющих ремоделиро- вождающаяся выделением цитотоксич-
вание костной ткани (цитостатики, не- ного мономера. Температура полимери-
стероидные противовоспалительные зации может достигать 120°С, вызывая
средства, гормоны, антибиотики), мета- ожог костной ткани. Ожог является
болическими остеопатиями (первичные причиной воспалительных процессов, в
последующем - остеолиза и нестабильности компонентов эндопротеза [1, 3, 4, 5, 7, 10]. По мнению других авторов, расшатывание протеза зависит не столько от экзотермической реакции, токсических свойств цемента, сколько от больших биомеханических нагрузок [8, 9].
Успех применения костного цемента во многом определяется физическими свойствами последнего, среди которых главное значение имеет вязкость. От нее зависит способность цемента проникать между костными трабекулами. В среднем цемент различных марок может проникать между трабекулами на 2,72-5,04 мм [3]. От глубины проникания зависит сила сцепления цемента с костью, что существенно влияет на первичную стабильность имплантата в организме больного.
Детальное изучение рентгенограмм пациентов после эндопротезирования в первые 2 года показало, что в ряде случаев происходит оседание протеза внутри цементной мантии по границе «протез-цемент» на величину до 2 мм. Это оседание может считаться нормальным в том случае, если впоследствии положение ножки стабилизируется и не происходит разрушения биологических тканей [3, 9].
Современная техника эндопротезирования, включающая герметизацию бедренного канала пробкой, тщательное удаление из костного ложа остатков крови, кости, жира (промывание, гемостаз, осушение), постоянное отсасывание содержимого костномозгового канала, ретроградное шприцевое введение вакуумированного цемента низкой вязкости позволяет исключить дистальную миграцию ножки и значительно снизить (до 1%) частоту нестабильности эндо-
протезов [3, 9]. Вместе с тем, на сегодняшний день недостаточно изучены некоторые вопросы цементного эндопротезирования при остеопорозе. В частности, какой цемент применять (высоковязкостный, низковязкостный), и как его вводить: ретроградно шприцом или антеградно пальцами.
Цель исследования: Изучение
прочности сцепления костных цементов, различных по вязкости и способам введения в костномозговой канал со спонгиозной и кортикальной костью при остеопорозе.
Материалы и методы
Исследование проведено на двух трупных бедренных костях человека (смерть пациентов наступила от заболеваний, не влияющих на состояние костной ткани). Использован костный цемент двух марок (низковязкостный Lima СМТ-3 и высоковязкостный Symplex), набор цилиндрических разверток для разработки костномозговых каналов, шприц для ретроградного введения цемента. Бедренная кость №1, правая, взята от трупа женщины 68 лет. Трабекулярный рисунок кости соответствовал 4 степени индекса остеопороза (начальные рентгенологические проявления) по M. Singh [6]. Бедренная кость №2, левая, взята от трупа женщины 65 лет. Трабекулярный рисунок этой кости соответствовал 3 степени индекса ос-теопороза (более выраженные рентгенологические проявления). Бедренные кости хранили в замороженном состоянии при температуре минус 10°С, в течение 5 дней (рис. 1). Перед исследованием кости размораживали в течение 24 часов при температуре окружающей среды плюс 20°С.
Рис. 1. Препараты бедренных костей.
На исследуемых костях производили поперечную остеотомию в области истмуса. Костномозговой канал разрабатывали развертками до кортикальной кости. Диаметр последней развертки соответствовал диаметру истмуса и равнялся в обоих случаях 14 мм. Разработку канала выполняли в направлении от плоскости остеотомии до межвер-тельной области. В аутопсийный образец № 1 при помощи шприца ретроградно вводили низковязкостный цемент
Lima, в аутопсийный образец №2 пальцевым способом антеградно - высоковязкостный цемент Symplex.
Через 24 часа выполняли рентгенографию анатомических препаратов для оценки распределения цементов в костномозговых каналах (рис. 2), после чего они были распилены перпендикулярно продольной оси на образцы высотой 10 мм для механических испытаний. Всего получено 14 образцов кости №1 (рис. 3) и 13 - кости №2.
ҐЇ
Рис. 2. Рентгенограммы бедренных костей, заполненных цементом.
Рис. 3. Образцы кости №1.
Образцы исследовали на универсальной испытательной машине ZWICK в лаборатории ГУН ЦИТО им. Н.Н. Приорова (руководитель профессор Гаврю-шенко Н.С.). Для этого их устанавливали на кольцевую матрицу с опорой на кор-
тикал. Нагрузку проводили нажатием цилиндрическим пуансоном диаметром 12 мм на цементную массу, при этом скорость движения траверсы составляла 2 мм/мин (рис. 4). Результаты фиксировали графически.
Рис. 4. Образец бедренной кости на универсальной испытательной машине ZWICK.
Результаты и их обсуждение
После распиливания бедренных костей с введенным в них цементом, установлено, что проникновение последнего в спонгиозную кость происходит в образце 14 кости №1 и в образце 13 кости №2, что топически соответствует уровню межвер-тельной области (рис. 5). Прочность
спонгиозной кости на срез в этой области составляла около 1,5 МПА для кости №1 и 1,2 МПА для кости №2. Это различие в прочности, вероятно, связано с особенностями трабекулярной структуры костной ткани бедренных костей, так как индекс Сингха для кости №1 был равен 4, а для кости №2 - 3. Полученные характеристики являются напряжениями разрушения
спонгиозной кости на срез и от вязкости цемента не зависят. В образцах 14 и 13 костей №1 и №2 цемент находился в контакте только со спонгиозной костью, а
приложение осевой нагрузки приводило к разрушению спонгиозы вблизи границы с цементной пробкой (рис. 6).
Рис. 5. Заполнение костных трабекул в межвертельной области цементом Lima (образец 14,1).
В образцах 12-6 кости №1 (уровень основания малого вертела и 60 мм дис-тальнее) контакт цемента с костью осуществлялся по эндосту. В образцах 11-5 кости №2 (уровень основания малого вертела и 70 мм дистальнее) контакт цемента с костью осуществлялся также по эндосту. Силы, сдвигающие цемент в этой области были наибольшими и составляли в среднем около 2,48 МПА для
кости №1 (разрушение костной ткани происходило по кортикалу) и 2,08 МПА для кости №2. В последнем случае цемент не был прочно связан с эндостом кортикальной кости, поэтому разрушение кости происходило по границе цемент-эндост. Такое различие прочности связи цемента с костью в препаратах образца №2 по сравнению с препаратами образца №1 обусловлено, как нам представляется,
не столько прочностными характеристиками самой кости (индекс Сингха +3), а маркой примененного цемента и способом его введения в костномозговой канал (цемент недостаточно глубоко проник в эндост).
Таким образом, остающийся после обработки разверткой эндост заполняется цементом на различную глубину (в зависимости от вязкости и способа введения) и действующая на него осевая нагрузка на отдельных участках костномозгового канала может трансформироваться в Ра-
диальную в соответствии с профилем поверхности цементной пробки. В результате этого в кортикальной кости генерируются радиальные и тангенциальные напряжения, превышающие предел прочности кортикальной кости в соответствующем направлении. Это приводило к образованию продольных трещин в ряде образцов (рис. 7). Сила сдвига цементной пробки напрямую зависела от вязкости цемента (его способности проникать в костные трабекулы) и площади оставшегося эндоста (рис. 8, табл. 1).
Рис. 7. Образование продольных трещин на кости (образец 10,2).
а б
Рис. 8 а, б. Связь костного цемента с костью: а - пальцевое введение це-
мента высокой вязкости, б - шприцевое введение цемента низкой вязкости.
Таблица 1
Распределение сил сцепления цементов с бедренной костью на различных уровнях
ее проксимальной трети (МПа)
Номер кости Номер образца
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
1 1,0 0,6 0,7 1,1 2,6 1,7 2,7 2,4 3,8 2,6 2,7 1,5 - 1,5
2 1,1 1,3 0,8 1,6 3,0 1,6 1,3 1,2 1,6 2,6 3,5 - 1,2
В области истмуса (эндост полностью удален разверткой) контакт цемента происходил с гладкой кортикальной костью в образцах 5-1 кости №1 и 4-1 кости №2. Силы сдвига цемента в этих образцах были наименьшими и составляли в среднем, около 1,18 МПА для кости №1, и 1,17 МПА для кости
№2. Разрушение происходило по границе цемент - кортикальная кость, при этом повреждения самой кости и цемента не выявлено, а силы сдвига практически не зависят от вязкости применяемого цемента и способа его введения (рис. 9).
2000
“ X 1500
с « т н
¡» і 1000 Ч ¡у
“ £ 500
п
с;
» 0
Бутрівх
—I--1----1--1-----------------------1-1-1-1-1-1
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
номер образца
Рис. 9. График сил выдавливания цементов из бедренных костей.
Выводы
1. Таким образом, при остеопорозе в гладкой кортикальной кости силы сдвига (прочность фиксации) цементной мантии практически не зависят от вязкости цемента.
2. При сохранении эндоста костномозгового канала эти силы возрастают с уменьшением вязкости цемента.
3. Прочность фиксации цементной мантии в спонгиозной кости превышает силы разрушения последней и не зависит от вязкости цемента.
ЛИТЕРАТУРА
1. Бхаджан Б. Костный цемент при эндопротезировании тазобедренного сустава. Исследование особенностей полимеризации акрилцемента при различ-
ных условиях / Б. Бхаджан, Н.В. Заго-родний, Н.С. Гаврюшенко // Материалы Междунар. конгр. «Травматология и ортопедия: современность и будущее» (7-9 апреля 2003 г.) / РУДН. - М., 2003. -С. 40.
2. Дустман Х.О. Показания для имплантации цементируемых и нецементируе-мых эндопротезов тазобедренного сустава / Х.О. Дустман, А. Крюкханс // Доклад на симпоз. с Междунар. участием «Эндопротезирование крупных суставов» (17-19 мая 2000 г.) / ГУН ЦИТО им. Н.Н. Приорова. - М., 2000. - С. 2732.
3. Загородний Н.В. Костный цемент в ортопедии и травматологии: Учеб.-метод. пособие к курсу «Травматология и ортопедия» / Н.В. Загородний, В.А. Ди-рин, М. А. Абдулхабиров. - М.: Изд-во РУДН, 1999.
4. Применение костного цемента при эндопротезировании тазобедренного сустава. (Клинико-экспериментальная работа) / Б. Бхаджан, Н.В. Загородний, К.М. Шерепо и др. // Материалы Меж-дунар. конгр. «Травматология и ортопедия: современность и будущее» (7-9 апреля 2003 г.) / РУДН. - М., 2003. - С. 39.
5. Применение костного цемента при эндопротезировании тазобедренного сустава. (Клинико-экспериментальная ра-
бота) / Э.М. Султанов, Н.В. Загородний, М. А. Абдулхабиров, Б. Бхаджан // Материалы Междунар. конгр. «Травматология и ортопедия: современность и будущее» (7-9 апреля 2003 г.) / РУДН. -М., 2003. - С. 166.
6. Ригггз Б.Л. Остеопороз. Этиология, диагностика, лечение / Б.Л. Ригггз, Л.Д. Мелтон. - М., 2000. - С. 273-280.
7. Сравнительный анализ медицинских цементов для ортопедии / В.Е. Форма-зюк, Н.С. Гаврюшенко, М.Г. Лебедева, И.А. Ульянова // Материалы Междунар. конгр. «Травматология и ортопедия: современность и будущее» (7-9 апреля 2003 г.) / РУДН. - М., 2003. - С. 178.
8. Comparative micromotion of fully and proximally cemented femoral sterm / N. Kent, Ph.D. Bachus, D. Roy et al. // Clinical Orthopaedics and Related Research. - 1999. - N336. - P.248-257.
9. Experience with the Exeter Total Hip Replacement since 1970 / J.L. Fowler, G.A. Gie, A.J.C. Lee, R.S.M. Ling // Orthopedic Clinics of North America. -1988. - Vol.19. - P.477-488.
10. Tissue response to particulate polymethylmethacrylate in mice with various immune deficiencies / W. Jiranek, M. Jasty, J.T. Wang et al. // JBJS. - 1995. -Vol.77-A, N11. - P.1650-1661.
EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE ADHESION POWER FOR SOME METHYL METHACRYLATES TOBONE IN OSTEOPOROSIS
A.E. Nazarov, V.N. Karpov, N.S. Gavryushenko, A.F. Kolondaev
Two cadaveric femurs from females with osteoporosis are cut at the isthmus. Their intramedullary canals are processed by a reamer in the proximal direction, including intertrochanteric area. Into one bone low-viscose cement "Lima" is instilled by means of a syringe retrogradely, and into another bone - high-viscose cement "Symplex" is also instilled antegradely. For trials with the use of ZWICK-1464 machine 14 specimens are obtained from first bone, and 13 specimens - from second one. Thus, 27 trials for strength of coupling for these two cements to osteoporotic bone are carried out.
The obtained results show that strengths of coupling to the cortical bone are not depended on their viscosity. In cases of saved endosteum these strengths increase on cement viscosity decrease.
