CC BY
80
МЕСТО КОНСТРУКЦИЙ ИЗ НИКЕЛИДА ТИТАНА В ЛЕЧЕНИИ ТРАВМ И ЗАБОЛЕВАНИЙ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
(Обзор литературы)
Г.Л. Плоткин, A.A. Домашенко, O.K. Суховольский, К.Г. Плоткина, A.B. Олейник, A.H. Рассошанский
Санкт-Петербургский государственный медицинский университет им. акад. И.П. Павлова, ректор - академик РАМН, д.м.н. профессор Н.А.Яицкий;
больница Святого великомученика Георгия, главным врач - к.м.н. А.А.Домашенко;
Санкт-Петербургская академия ветеринарной медицины, ректор - д.м.н. профессор А.А. Стекольников Санкт-Петербург
Одним из наиболее важных достижений науки в минувшем столетии является открытие закона запаздывания [10], устанавливающего закономерность поведения биологических систем живой природы. B соответствии с этим законом, между величиной напряжения и деформацией тканей в условиях нагрузки и разгрузки проявляется ги-стерезисная зависимость, которая выражается в возврате деформации и восстановлении исходной формы тканей при более низких, чем исходных, напряжениях нагрузки. Запаздывающая реакция костной ткани проявляется в том, что для одного и того же уровня деформации при нагрузке требуется приложить напряжение во много раз большее, чем при разгрузке [19].
Проявление гистерезиса связано с необратимым рассеянием энергии в тканях и является мерой внутреннего трения, а величина максимальной деформации, позволяющей при снятии нагрузки возврат в исходное состояние, служит мерой эластичности тканей. Живая система в начальный момент «думает», как ей поступить при воздействии на нее различных факторов, то есть реакция не мгновенна, а проявляется с некоторым запаздыванием. При снятии внешнего воздействия реакция живой системы также запаздывает. Величина гистерезиса тканей различна: у костной ткани он более широк, чем у коллагена [19].
Важность закона запаздывания проявляется в том, что гистерезисное эластичное поведение живых тканей организма предъявляет и определенные критерии выбора к имплантируемым в организм материалам, которые по своим физико-механическим характеристикам не могут противоречить условиям закона запаздывания. Оптимальный имплантат должен по поведению быть подобен живой ткани, а именно - проявлять высокие эластичные свойства, иметь заданный гистерезис на деформационной диаграмме «нагруз-
ка-разгрузка», степень и величина восстановления его формы должны соответствовать необходимой величине степени восстановления формы тканей [19].
Традиционные металлические материалы не обладают подобной эластичностью. При малых деформациях (десятые доли процента) их механическое поведение характеризуется классической упругостью, иначе говоря, напряжения изменяются пропорционально деформации. Более заметные деформации осуществляются посредством пластического течения, то есть необратимо, после снятия нагрузки исходная форма не восстанавливается. Многократное нагружение в пластической области неотвратимо приводит к разрушению материала [18].
Исходя из сказанного следует, что производство, исследование и применение сплавов из нике-лида титана представляют собой особую перспективную область современного металловедения, где сложнейшие эффекты термоупругих мартенситных превращений в сочетании с упорядоченной структурой сплавов реализуются в изделиях, проявляющих такие уникальные свойства, как высокая твердость, пластичность, кави-тационная, коррозионная, эрозионная стойкость, эффект запоминания формы, демпферирование, способность к развитию значительных усилий при нагреве, биохимическая и биомеханическая совместимость с организмом пациента [3, 11-16, 18, 23, 29]. Эти исследования были начаты в конце 70-х годов прошлого века в России, США, ФРГ, Франции и Японии [7]. На настоящий момент Россия занимает лидирующее положение как по уровню разработки проблемы в целом, так и по клиническому применению имплантатов с памятью формы.
Назовем наиболее важные свойства сплавов на основе TiNi, определяющие перспективность их использования в медицине [14, 33, 35]:
• эффект однократной памяти формы, проявляющийся в изменении формы материала при нагреве до 36°С;
• эффект многократной памяти формы, связанный с ее изменением как при нагреве, так и при охлаждении;
• эффект сверхэластичности, реализующийся в возврате формы материала при снятии нагрузки;
• эффект деформационной циклостойкости;
• низкий уровень мартенситного сдвига в пределах текучести;
• пластичность и прочность в мартенситном и высокотемпературном состояниях;
• сопротивляемость износу;
• коррозионная стойкость и немагнитность;
• релаксационная стойкость, связанная с сохранением напряженно-деформированного состояния в течение длительного времени.
Наиболее широко для целей остеосинтеза применяются сплавы ТН-10 и ТН-20, температурный интервал восстановления формы которых находится соответственно в пределах от +10°С до +25°С и от +25°С до +35°С. Это означает, что конструкции, изготовленные из этих сплавов, можно деформировать, охладив до температуры ниже +10°С или +25°С, а при контакте с тканями организма они стремятся принять свою первоначальную форму, за счёт чего достигаются фиксация и компрессия костных отломков.
Названные сплавы позволяют получать конструкции, способные изменять свою форму при изменении температуры, развивать при этом значительные усилия (до 800 МПа), находиться в сверхэластичном состоянии при постоянной температуре, не разрушаться при многократном механическом воздействии [35]. Их отличают простота установки, компактность, надежность, малая травматизация мягких тканей [6, 8, 25, 31, 39, 41-43].
Хорошо известно, что при хирургическом лечении переломов возникают ситуации, обусловленные снижением компрессии отломков и, соответственно, потерей достигнутой коррекции [24]. Особенно чувствительны к межфрагментарной подвижности ранние стадии консолидации [44]. Показано, что основными причинами смещения отломков при оперативном лечении переломов дистальных метаэпифизов берцовых костей являются утрата компрессии и недостаточно прочная их фиксация [45]. В отличие от традиционных фиксаторов конструкции из никелида титана обеспечивают хорошую адаптацию отломков и динамическую равномерную их компрессию на весь период консолидации [29, 39]. Это в одинаковой степени присуще как скобам (продольная компрессия), так и кольцевидным фиксаторам (встречно-боковая компрессия) [33].
Однако на современном уровне разработки фиксаторы этого типа еще не в состоянии одновременно гарантировать постоянную компрессию отломков и надежное шинирование кости. Поэтому основной способ создания постоянной межфрагментарной компрессии при внутреннем ос-теосинтезе за счет эффекта термомеханической памяти материала состоит в сочетании этих устройств с интрамедуллярными или накостными фиксаторами, иногда - с внеочаговыми аппаратами [8, 26, 27, 30]. Это исключает возможность вторичных смещений и позволяет сократить сроки внешней иммобилизации [26, 27].
Благодаря перечисленным выше свойствам материала, остеосинтез конструкциями из нике-лида титана дает 92-98% положительных результатов и в 1,5-2 раза сокращает сроки временной нетрудоспособности [5, 8, 34]. Для сравнения напомним, что при стандартных методах остео-синтеза хорошие и удовлетворительные отдаленные результаты обычно не превышают 90% [40].
Создание имплантатов из пористого никели-да титана, обладающего биологической и биомеханической совместимостью с костной тканью, позволяет успешно решить проблему восполнения ее дефектов [1, 2, 4, 9, 20, 22, 38]. Этот материал получают методами порошковой металлургии: диффузным спеканием порошка никелида титана для мелких изделий и самораспространяющимся высокотемпературным синтезом (СВС) из порошков Т1, N1, Мо, ?е - для более крупных полуфабрикатов. Методом СВС при начальной температуре 300°-500°С производят пористый никелид титана с неупорядоченной структурой, размерами пор в диапазоне от 100 до 600 мкм и пористостью 30-80%. Металлическая матрица с достаточно гладкой поверхностью содержит «бесконечный» трехмерный поровый кластер [4, 21, 28, 37].
Наряду с перечисленными выше положительными свойствами сплавов на основе никелида титана пористые имплантаты характеризует быстрая самофиксация в тканях, стромоподобная каркасность, сходный с тканями удельный вес, адгезивность к биологическим тканям и средам, имбибиция жидкими средами и медленная их резорбция, фиксация окружающих тканей к им-плантату и его стабильная фиксация к ним, преобразование вросшей ткани в более дифференцированную и другие. Эксперименты на животных и клинические наблюдения свидетельствуют о том, что при заполнении дефекта кости таким имплантатом образование и созревание костной ткани происходит одновременно во многих порах с последующим ее разрастанием. Постепенно костная ткань созревает, заполняет все поры и соединяющие их каналы, образуя надежную
связь между имплантатом и воспринимающим его ложем [1, 2, 32, 38]. Через 2 месяца граница между инородным телом и воспринимающим ложем перестает существовать и представляет собой плавный бесконфликтный переход из одного в другое. Образуется высокопрочный композит никелид титана-костная ткань, сохраняющий сверхупругие свойства, характерные как для сплавов с памятью формы, так и для тканей организма [28, 36]. Эти свойства делают пористый имплантат весьма привлекательным для лечения импрессионных переломов [28].
Таким образом, пористый никелид-титановый имплантат активно включается в анатомо-физи-ологическую жизнь окружающих тканей и является универсальным ауто-аллопластическим материалом в трансплантологии. Имплантаты из пористого никелида титана коррозионно стойки, немагнитны, стерилизацию их можно осуществлять кипячением, парами формалина и другими известными способами.
Длительные сроки временной нетрудоспособности, высокий процент неудовлетворительных исходов при консервативном и даже оперативном лечении диктуют необходимость совершенствования известных способов и поиска новых.
Однако неудовлетворённость отдалёнными результатами консервативного лечения тяжелых повреждений (особенно типов В и С по классификации AO / ASIF) все чаще заставляет хирургов прибегать к открытой репозиции и остеосин-тезу. Вместе с тем, практика показывает, что современные погружные фиксаторы далеко не всегда удерживают отломки в полноценном контакте на протяжении всего срока консолидации и не позволяют обойтись без внешней иммобилизации. Поэтому не могут быть выполнены требования, гарантирующие успех лечения внутрисуставного перелома и заключающиеся в восстановлении правильных анатомических соотношений повреждённых элементов, удержании их в достигнутом положении до наступления костного сращения, раннем начале движений при поздней нагрузке. Аппараты внешней фиксации по целому ряду причин не получили широкого применения.
В связи с этим одно из перспективных направлений дальнейших исследований заключается в поисках простых и незатратных средств обеспечения динамической межфрагментарной компрессии и ранней подвижности в голеностопном суставе. Этим требованиям в полной мере соответствует остеосинтез конструкциями из никелида титана, обладающими в числе прочих такими свойствами, как высокая твердость, пластичность, эффект запоминания формы, демпфе-рирование нагрузок, способность к развитию значительных усилий при нагреве, биохимичес-
кая и биомеханическая совместимость с организмом пациента.
Однако нельзя относиться к остеосинтезу фиксаторами с памятью формы как к универсальному способу лечения переломов и необоснованно расширять показания к его применению. Настало время проанализировать накопленный опыт, чтобы определить место конструкций из никелида титана в лечении травм и заболеваний опорно-двигательной системы.
Литература
1. Алабут A.B. Замещение костных дефектов имплан-татами из пористого никелида титана в эксперименте / A.B. Алабут, В.Л. Сикилинда, A.A. Дома-шенко и др. // Актуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. —Новокузнецк; СПб., 2001. — С. 79-80.
2. Алабут A.B. Экспериментальные исследования ос-теогенеза при пластике костных дефектов пористым имплантатом из никелида титана / A.B. Лла-бут, В.Д. Сикилинда, Г.Л. Плоткин, A.A. Домашен-ко // Биоматериалы и имплантаты с памятью формы: Материалы / Международная конференция. — Томск, 2001. — С. 357 — 358.
3. Aндреев B.A. Aктуальные вопросы производства полуфабрикатов (прутков, проволоки) из литого никелида титана для медицины / B.A. Aндреев // Aктуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. — Новокузнецк; СПб., 2001. — С. 27 — 28.
4. Aнисеня И.И. Пористый нитиноловый трансплантат как биофизический композит / И.И. Aнисеня // Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии: Рефераты / II Международный конгресс.
— Новокузнецк, 1993. — С. 133.
5. Безъязыков B.M. Применение имплантатов с термомеханической памятью формы в условиях муниципального здравоохранения / B.M. Безъязыков / / Aктуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. — Новокузнецк; СПб., 2001.— С. 87.
6. Битюгов ИА. Сплавы на основе TiNi, обладающие памятью формы, и перспективы применения их в травматологии и ортопедии / ИА. Битюгов, B.B. Ко-тенко, B3. Понтер и др. // Ортопедия, травматология. — 1986. — № 2. — С. 1—5.
7. Битюгов ИА Сплавы на основе никелида титана, обладающие памятью формы, и перспективы применения их в травматологии и ортопедии / ИА Битюгов, B.B. Котенко // Имплантаты с памятью формы.
— 1990. — № 1. — С. 25 — 28.
8. Герасимов О.Н. Об эффективности применения компрессирующих устройств с памятью формы при лечении повреждений костей и суставов / О.Н. Герасимов, С.О. Герасимов // Aктуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. — Новокузнецк; СПб., 2001. — С. 43 — 44.
9. Горячев A.H. Замещение костных полостей пористым никелидом титаном / A.H. Горячев // Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в медицине: Материалы / Международная конференция.
— Томск, 1995. — С. 38.
10. Гюнтер B3. Сплавы и конструкции с памятью формы в медицине: Дис ... д-ра тех. наук: 01.04.07; 14.00.41.— Томск, 1989. — 356 с.
11. Гюнтер B3. Применение сплавов с памятью формы в медицине / B3. Гюнтер, B.B. Котенко, B.B. По-леничкин и др. // Имплантаты с памятью формы. — 1990. — № 1. — С. 16 — 21.
12. Гюнтер B3. Физико-механические критерии разработки материалов с памятью формы для медици-
ны / В.Э. Гюнтер, В.И. Итин, Л.А. Монасевич и др. // Имплантаты с памятью формы. — 1990. — № 1.
- С. 13- 15.
13. Гюнтер В.Э. Эффекты памяти формы и их применение в медицине / В.Э. Гюнтер, В.И. Итин, Л.А. Монасевич и др. / Под ред. Л.А. Монасевича. -Новосибирск: Наука, 1992. - 742 с.
14. Гюнтер В.Э. Материалы с памятью формы и проблемы применения их в медицине / В.Э. Гюнтер // Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии: Рефераты / II Международный конгресс.
- Новокузнецк, 1993.-С. 5.
15. Гюнтер В.Э. О коррозионной стойкости и биологической совместимости металлических материалов / В.Э. Гюнтер, В.Н. Ходоренко, В.В. Котенко и др. // Имплантаты с памятью формы. - 1993. - № 1.
- С. 1-5.
16. Гюнтер В.Э. Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии / В.Э. Гюнтер, П.Г. Сысоля-тин, Ф.Т. Темерханов и др. - Томск: Изд-во Томского университета, 1995. - 224 с.
17. Гюнтер В.Э. Сверхэластичные материалы с памятью формы для травматологии и ортопедии / В.Э. Гюн-тер // Анналы травматологии и ортопедии. - 1996.
- № 3. - С. 23.
18. Гюнтер В.Э. Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / В.Э. Гюнтер, Г.Ц. Дамбаев, П.Г. Сысолятин и др. - Томск: Изд-во Томского университета, 1998. - 487 с.
19. Гюнтер В.Э. Закон запаздывания - основной закон биологической совместимости / В.Э. Гюнтер // Биосовместимые материалы и имплантаты с памятью формы. - Томск, 2001. - С. 5-8.
20. Дамбаев Г.Ц. Замещение дефектов длинных трубчатых костей пористыми имплантатами из никели-да титана / Г.Ц. Дамбаев, К.А. Гураль, Н.В. Соловьева // Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в медицине: Материалы / Международная конференция. - Томск, 1995. - С. 20.
21. Илюшенов В.Н. Остеосинтез проницаемыми пористыми конструкциями внутри- и околосуставных переломов и при остеопорозе трубчатых костей / В.Н. Илюшенов, В.Э. Гюнтер // Имплантаты с памятью формы. - 1998. -№ 1-2.- С. 1-13.
22. Итин В.И. Пористые проницаемые материалы с памятью формы для медицины / В.И. Итин, В.Э. Гюн-тер, Л.А. Монасевич, А.Д. Коротаев // I Всесоюзная конференция: Материалы. - Томск, 1989. - С. 6-7.
23. Итин В.И. Структура и свойства материалов на основе никелида титана, полученных с использованием самораспространяющегося высоко-температурного синтеза / В.И. Итин, В.Н. Хачин, А.Д. Брат-чиков и др. // Имплантаты с памятью формы. -1990. - № 6. - С. 2-3.
24. Каллаев Т.Н. Биомеханическое обоснование компрессионного остеосинтеза при около- и внутрисуставных переломах / Т.Н. Каллаев, Н.О. Каллаев // Вестн. травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2002. - № 1. - С. 44-48.
25. Копысова В.А. Некоторые биомеханические аспекты и особенности костной регенерации при ос-теосинтезе кольцевидными фиксаторами с термомеханической памятью / В.А. Копысова // Медицинская наука - практике. - Новокузнецк, 1990.- С. 152-159.
26. Копысова В.А. Клинические аспекты компрессионного комбинированного остеосинтеза длинных трубчатых костей фиксаторами с памятью формы / В.А. Копысова // Имплантаты с памятью формы в травматологии и ортопедии: Рефераты / II Международный конгресс. - Новокузнецк, 1993.- С. 51.
27. Копысова В.А. Комбинированный остеосинтез ди-афизарных переломов длинных трубчатых костей / В.А. Копысова // Имплантаты с памятью
формы в травматологии и ортопедии: Рефераты / II Международный конгресс. — Новокузнецк, 1993. - С. 47.
28. Копысова В.А. Пористые эксплантаты / В.А. Копысова. - Новокузнецк: Изд-во ВНПЦ ИПФ, 2001. -26 с.
29. Корнилов Н.В. Руководство по остеосинтезу фиксаторами с термомеханической памятью. I. Компрессирующие скобы и кольцевидные фиксаторы / Н.В. Корнилов, В.А. Копысова, В.А. Раткин и др. / Под ред. В.В. Котенко. — Новокузнецк: б/и, 1996. - 94 с.
30. Котенко В.В. Межфрагментарная компрессия в лечении переломов костей / В.В. Котенко // Актуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. -Новокузнецк; СПб., 2001. - С. 3-5.
31. Орловский Н.Б. Использование фиксаторов с термомеханической памятью формы в лечении переломов / Н.Б. Орловский, О.Х. Безруков, В.Н. Орловский // Актуальные вопросы имплантологии и осте-осинтеза. -Новокузнецк; СПб., 2001. - С. 81-82.
32. Плоткин Г.Л. Микроструктурный анализ динамики прорастания костной тканью имплантатов из пористого никелида титана / Г.Л. Плоткин, В.Д. Си-килинда, А.В. Алабут и др. // Актуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. - Новокузнецк; СПб., 2001. - С. 22-23.
33. Плоткин Г.Л. Использование имплантатов из нике-лида титана в травматологии и ортопедии / Г.Л. Плот-кин, Ф.С. Григорян, В.В. Шатаева, С.С. Сабаев // Актуальные вопросы травматологии и ортопедии: Тезисы / VIII областная научно-практическая конференция травматологов-ортопедов и хирургов Ленинградской области. - СПб., 2002. - С. 51-53.
34. Ростовцев А.В. Применение имплантатов из нике-лида титана с эффектом памяти формы при операциях на опорно-двигательном аппарате / А.В. Ростовцев, Г.Л. Сафонова, К.В. Чубенко и др. // Биоматериалы и имплантаты с памятью формы: Материалы / Международная конференция. - Томск, 2001. - С. 344-345.
35. Сабаев С.С. Отличие имплантатов с памятью формы от традиционных металлических / С.С. Сабаев, Г.Л. Плоткин, А.А. Домашенко и др. // Лечение инвалидов с патологией крупных суставов. - Н. Новгород, 2002.- С. 138-140.
36. Сикилинда В.Д. Клинические аспекты применения конструкций с памятью формы в травматологической практике / В.Д. Сикилинда, Г.Л. Плоткин, А.В. Алабут, С.А. Клепиков // Биоматериалы и имп-лантаты с памятью формы: Материалы / Международная конференция. - Томск, 2001.- С. 346-346.
37.Хамченков Д.Г. Применение пористого и деформируемого никелида титана в эксперименте, трактовка результатов / Д.Г. Хамченков, Д.О. Кубасов, А.В. Яншина и др. // Лечение инвалидов с патологией крупных суставов. - Н. Новгород, 2002. - С. 151-153.
38. Ходоренко В.Н. Биосовместимые пористые проницаемые материалы / В.Н. Ходоренко, Ю.Ф. Ясен-чук, В.Э. Гюнтер // Биосовместимые материалы и имплантаты с памятью формы. - Томск, 2001. -С.9-24.
39. Цыганов А.А. Наш опыт остеосинтеза с применением имплантатов с памятью формы / А.А. Цыганов, Л.Н. Мясников // Актуальные вопросы имплантологии и остеосинтеза. - Новокузнецк; СПб., 2001. - С. 13-14.
40. Broos P.L. Operative treatment of ankle fractures in adults: correlation between type of fracture and final results / P.L. Broos, A.P. Bisschop // Injury. - 1991. -Vol. 22, N 5.- P. 403-406.
41. Dai K.R. Treatment of intra-articular fractures with shape memory compression staples / K.R. Dai, X.K. Hou, Y.H. Sun et al. // Injury. - 1993. - Vol. 24, N 4.
- P. 651-655.
42. Filip P. Structure and surface of TiNi human implants / P. Filip, J. Lausmaa, J. Musialek, K. Mazanek // Biomaterials. - 2001. - Vol. 22, N 51. -P. 2131-2138.
43. Heesen J. Anwendunsmoglichkeiten von MemoryLegierung in der orthopadischen Chirurgie / J. Heesen, J. Haasters // Arbeitskreis Osteosynthese der DGOT.
- Baden-Baden, 1980. - S. 14-16.
44. Klein P. Early stages of healing are especially sensitive to mechanical conditions / P. Klein, H. Schell, F. Streitpath et al. // J. Orthop. Trauma. - 2003. -Vol. 17, N 2. -P. 150.
45. Olerud C. Studies on functional anatomy and traumatology of the ankle joints: Med. Dis. - Uppsala, 1985. - 48 p.
Редакция просит направлять в журнал протоколы заседаний (2 экз.) субъектов
ассоциаций травматологов-ортопедов. В протоколах должны1 быть указаны1 номер и дата заседания, фамилии председателя и секретаря, фамилии авторов доклада и его название, и к каждому докладу приложен реферат объемом 0,5 страницы.
