CC BY
37
УДК 617.3
А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин, А. К. Абдуллаев
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРЕИМУЩЕСТВ ПИРОУГЛЕРОДНОЙ ПАРЫ ТРЕНИЯ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА
Аннотация. Представлены данные экспериментального обоснования преимуществ пары трения из пиро-углерода, описываются результаты механических характеристик предлагаемого материала.
Ключевые слова: изотропный пиролитический углерод (пироуглерод), крутящий момент, эндопротез тазобедренного сустава.
Эндопротезирование является радикальным и наиболее эффективным методом лечения дегенеративно-дистрофических заболеваний тазобедренного сустава. Частота ревизионного эндопротезирования тазобедренного сустава составляет до 17,5 % всех выполненных эндопротезирований, при этом частота развитий послеоперационных осложнений удваивается [1—6]. Неудачные исходы эндопротезирования связаны со многими факторами; к ним относятся: материал, из которого изготовлен имплантат, дизайн эндопротеза, биомеханические факторы. Наиболее частой причиной ревизионного эн-допротезирования является развивающаяся потеря костной массы вокруг эндопротеза, обусловливающая его асептическую нестабильность [7—11].
В здоровом суставе благодаря уникальным трибологическим свойствам хряща и синовиальной жидкости коэффициент трения составляет всего 0,01-0,06, а износ суставных поверхностей практически равен нулю. При использовании современных материалов, к которым относится металл, керамика и полиэтилен, достичь таких показателей не удается [12-14].
Для решения проблемы асептического расшатывания нами был предложен новый материал - изотропный пиролитический углерод, трибологические свойства которого превосходят свойства современных материалов, применяемых в парах трения эндопроте-зов тазобедренного сустава.
Цель работы - экспериментальное обоснование возможности применения пары трения из пироуглерода.
Для оценки преимуществ пироуглеродной пары трения мы сравнили физико-механические свойства разных материалов и здоровую кость (табл. 1).
Таблица 1
Физико-механические свойства материалов
Материал Модуль упругости, ГПа Плотность, кг/м3 Предел прочности, МПа Коэффициент Пуансона
Титан 110 4,5 х103 600 0,32
Керамика 350 3,99хю3 500 0,3
Костная ткань 15 2,4х103 100 0,3
Пироуглерод 20-23 2,1 х103 450 0,27
Сравнение показывает, что пироуглерод наиболее близок к здоровой кости по своим физико-механическим характеристикам.
Для определения запаса прочности узла подвижности из пироуглерода использовалось математическое моделирование, которое проводилось методом конечных элементов в среде «АШУБ 5.7» (рис. 1).
Рис. 1. Математическая модель узла подвижности эндопротеза тазобедренного сустава: 1 - вкладыш из пироуглерода; 2 - головка из пироуглерода; 3 - титановая втулка с евроконусом
При проведении расчетов напряженно-деформированного состояния узла подвижности эндопротеза тазобедренного сустава из пироуглерода расчет нагрузки выполнялся при условии ее приложения под углом 45°.
Нагрузка, действующая на вкладыш узла подвижности, составляла 2500 Н.
Согласно полученным данным максимальные значения напряжений возникают в местах их концентрации, которыми являются скругления на внутренней поверхности головки узла подвижности; максимальное напряжение, возникающее при нагрузке, не превысило предел прочности материала и составило 62,2 МПа (рис. 2).
Еч1ЛУ*Цгц| $1КЙ 3
Туре; ипАра
Т<тк К _
»101 г»138:И
1,!«8<Г
-{ шил
- г.тм
I !,!!<>
- ¡,шм 1.мм
2.5586*5
Зона максимального напряжения
Рис. 2. Распределение напряжений в деталях узла подвижности из пироуглерода
В соответствии с ГОСТ Р 52640-2006 проводилось определение долговечности работы узла трения эндопротеза тазобедренного сустава методом оценки крутящего момента.
Исследования проводились на установке Е1ес1:гоРи18 Е10000, предназначенной для испытаний компонентов эндопротеза тазобедренного сустава (рис. 3). Устанавливали скорость вращения чаши, равную 0,5 об/с, и при осевой нагрузке в 2250 Н проводили графическую регистрацию крутящего момента на протяжении 600 с, в течение которых чаша совершала 300 полных оборотов. Параметры нагружения и перемещения компонентов пары трения соответствовали ГОСТ Р ИСО 14242-1-2012. В результате этого испытания крутящий момент составил 1,1 Нм, на поверхности образцов отсутствовали свободные продукты износа, коэффициент восстановления подвижности сустава составил 134 %, что полностью соответствует требованиям ГОСТ Р 52640-2006.
Рис. 3. Установка ЕкйгоРиЬ Е10000 для испытания крутящего момента по ГОСТ Р 52640-2006
Выводы
1. Предел прочности материала превышает возможные нагрузки на пару трения в суставе.
2. Крутящий момент составил 1,1 Нм, что на 26,6 % ниже предельно допустимого показателя.
3. Изотропный пиролитический углерод соответствует требованиям ГОСТ Р 526402006 и обладает физико-механическими и трибологическими свойствами, превосходящими современные материалы, используемые в парах трения эндопротезов тазобедренного сустава.
Библиографический список
1. Использование инновационных материалов в тотальном эндопротезировании коленного сустава / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, Д. А. Космынин, М. А. Ксенофонтов ; под ред. В. И. Волчихина, Р. М. Печерской // Университетское образование (МКУО-2013) : сб. ст. XVII Междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 70-летию образ-я ун-та. - 2013. - С. 5-6.
2. Использование инновационных материалов в тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава / А. Н. Митрошин, М. А. Ксенофонтов, А. С. Кибиткин, Д. А. Космынин, А. К. Абдуллаев //
Классика и инновации в травматологии и ортопедии : сб. материалов Всерос. науч.-практ. конф., посвящ. 75-летию проф. А. П. Барабаша. - 2016. - С. 253-255.
3. Новый материал пары трения эндопротезов крупных суставов человека / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин, А. К. Абдуллаев ; под ред. А. Н. Митроши-на, С. М. Геращенко // Актуальные проблемы медицинской науки и образования (АПМНО-2015) : сб. ст. V Междунар. науч. конф. - 2015. - С. 154-155.
4. Митрошин, А. Н. О возможности использования пироуглерода в тотальном эндопротезирова-нии крупных суставов / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин ; под ред. В. И. Волчихина, Р. М. Печерской // Университетское образование (МКУО-2013) : сб. ст. XVII Междунар. науч.-метод. конф., посвящ. 70-летию образ-я ун-та. - 2013. - С. 203-204.
5. Калмин, О. В. Особенности остеогенеза при вживлении титанового имплантата, подвергшегося микродуговому оксидированию, с использованием «КоллапАн-гель» и без него / О. В. Калмин, М. А. Розен, Д. В. Никишин // Материалы объедин. XII конгресса междунар. ассоциации морфологов и VII съезда Всерос. науч. мед. общества анатомов, гистологов и эмбриологов. - Морфология. - 2014. - № 3. - С. 85.
6. Патент на изобретение RUS 2240081 18.02.2003. Протез сустава из изотопного пиролитическо-го углерода / Евдокимов С. В., Евдокимов А. С., Митрошин А. Н., Татаринов В. Ф.
7. Руководство по хирургии тазобедренного сустава : в 2 т. / Р. М. Тихилов, И. И. Шубняков. -СПб. : РНИИТО им. Р. Р. Вредена, 2014. - Т. 1. - 368 с.
8. Митрошин, А. Н. Современный материал в эндопротезировании тазобедренного сустава / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, Д. А. Космынин, М. А. Ксенофонтов // Перспективы развития науки и образования : сб. науч. тр. по материалам Междунар. науч.-практ. конф. - 2014. -
С. 96-97.
9. Improved results of primary total hip replacement / B. T. Fevang, S. A. Lie, L. I. Havelin, L. B. Engesœter, O. Furnes // Acta Orthop. - 2010. - Vol. 81, № 6. - P. 649-659.
10. Projections of primary and revision total hip and knee arthroplasty in the United States from 2005 to 2030 / S. Kurtz, K. Ong, E. Lau, F. Mowat, M. Halpern // J. Bone Joint Surg. Am. - 2007. - Vol. 89, № 4. - P. 780-785.
11. The response of macrophages to titanium particles is determined by macrophage polarization / J. Pa-jarinen, V. P. Kouri, E. Jamsen, T. F. Li, J. Mandelin, Y. T. Konttinen // Acta Biomater. - 2013. -№ 9. - P. 9229-9240.
12. Revision hip arthroplasty: infection is the most common cause of failure / S. M. Jafari, C. Coyle, S. M. Mortazavi, P. F. Sharkey, J. Parvizi // Clin. Orthop. - 2010. - № 468. - P. 2046-2051.
13. Role of the toll-like receptor pathway in the recognition of orthopedic implant wear-debris particles / J. I. Pearl, T. Ma, A. R. Irani, Z. N. Huang, W. H. Robinson, R. L. Smith, S. B. Goodman // Biomaterials. - 2011. - № 32. - P. 5535-5542.
14. Gu, Q. The role of TLR and chemokine in wear particle-induced aseptic loosening / Q. Gu, Q. Shi, H. Yang // Journal of Biomedicine and Biotechnology. - 2012. - Article ID 596870. - 9 p.
Кибиткин Андрей Станиславович
старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: kibitkinas@mail.ru
Ксенофонтов Михаил Анатольевич
ассистент,
кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: MAKsenofontov@mail.ru
Космынин Дмитрий Алексеевич
ассистент,
кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: kosmynin86@mail.ru
Абдуллаев Арслан Кудратович
доцент,
кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Пензенский государственный университет E-mail: dr_aslan@mail.ru
УДК 617.3 Кибиткин, А. С.
Экспериментальное обоснование преимуществ пироуглеродной пары трения в эндопротезиро-вании тазобедренного сустава / А. С. Кибиткин, М. А. Ксенофонтов, Д. А. Космынин, А. К. Абдуллаев // Вестник Пензенского государственного университета. - 2017. - № 1 (17). - C. 17-21.
