CC BY
81
© В. А. Маланчук, Е. А. Астапенко, Н. А. Галатенко", Р. А. Рожнова*
УДК 616. 716-089. 844: 615. 462
В. А. Маланчук, Е. А. Астапенко, Н. А. Гэлатенко', Р. А. Рожнова'
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОДЕГРАДИРУЕМОГО ПОЛИМЕРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В РЕКОНСТРУКТИВНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ХИРУРГИИ КОСТЕЙ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ
Национальный медицинский университет имени А. А. Богомольца (г. Киев) *Институт химии высокомолекулярных соединений НАН Украины (г. Киев)
Данная работа является фрагментом НИР «06-фунтування реконструктивно-вщновних операцм на щелепно-лицевм дтянц та метод1в дентально! !мплантаци на пщстав1 етю-патогенетичних, клЫко-бюлопчних та структурно-функцюнальних параме-тр1в», державний реестрацмний № _0111и000661.
Вступление. Современная травматология немыслима без разработки и активных исследований в сфере материаловедения, направленных на поиск материалов для изготовления фиксирующих конструкций для остеосинтеза, в том числе накостных пластин и винтов. Для удержания костных фрагментов в правильном анатомическом положении эти конструкции должны иметь адекватную прочность для обеспечения стабильности, гибкость для создания анатомической адаптации [1,7-9,13]. При этом, для исключения системных или местных негативных реакций со стороны организма, используемые материалы должны быть биосовместимыми. И несмотря на то, что в течение десятилетий металлы, используемые для изготовления фиксирующих конструкций, соответствовали поставленным требованиям и обладали соответствующей сопротивляемостью, биосовместимостью и антикорро-зионностью, в литературе уже в 1977 году описаны случаи коррозии металла, что заставляло хирургов удалять фиксирующий приспособления после консолидации костных фрагментов [10,12,14]. Кроме того, теплопроводность металлов и их реакция на температуру окружающей среды, отличающейся от температуры организма человека, их способность отклонять рентгеновские лучи, затрудняет проведение ряда диагностических и лечебных процедур и ряд негативных свойств, описанных за последнее время, побуждают ученых синтезировать материалы, лишенные вышеуказанных свойств [1,11].
Нами разработан биодеградируемый полимерный материал (эпоксиполиуретановая композиция, включающая гидроксиапатит и левамизол) из которого можно изготовить накостные пластины и винты для остеосинтеза. Такие фиксирующие конструкции после консолидации и минерализации костных фрагментов рассасываются, не оказав негативного воздействия на организм человека.
Поэтому целью нашей работы стало исследование физико-механических свойств материала, предложенного нами, определение показаний для использования фиксирующих конструкций для остеосинтеза в челюстно-лицевой области.
Объект и методы исследования. В наших исследованиях мы изучали прочностные характеристики трех видов полиуретановой композиции, согласно требований, предъявляемым к полимерам медицинского назначения:
1 группа включала ненаполненный эпоксиполиуретан (ЭПУ 50/50), как основа полимерной композиции; 2 - эпоксиполиуретановую композицию, содержащую гидроксиапатит (ЭПУ-ГАП, а именно ЭПУ50/50 +20 %ГАП); 3 - эпоксиполиуретановую композицию, содержащую гидроксиапатит и левамизол (ЭПУ-ГАП-ЛЕВ, а именно ЭПУ50/50+20 %ГАП+6 %ЛЕВ ). В каждой группе испытывали по 5 образцов.
Для того, чтобы оценить прочностные свойства полимерного композиционного материала (эпокси-полиуретановой композиции, содержащей гидрок-сиаппатит и левамизол), из которой планировали изготовить накостные пластины и винты для остеосинтеза, нами были проведены физико-механические испытания этого материала согласно стандартным методикам: прочность при изгибе определяли по ГОСТу 4648, прочность при разрыве - по ГОСТу 14236, твердость по Шору - по ГОСТу 24621.
Определение прочности материала на изгиб по ГОСТ 4648 [2].
Определение прочности материала на изгиб мы проводили на модернизированной разрывной машине 2166 Р5.
Сущность метода заключается в том, что образец для испытаний, свободно лежащий на двух опорах, кратковременно нагружают в середине между опорами. При этом определяют изгибающее напряжение и значение прогиба в момент разрушения.
Образцы имели гладкую, ровную поверхность без вздутий, сколов, трещин и других видимых дефектов. Образцы изготавливали путем механической обработки (фрезерованием). Размеры образцов были следующие (в мм):
длина (1_) - 80; ширина (Ь) - 10; толщина (И) - 4.
Испытания проводили при температуре 22-24 Се и относительной влажности (50±5) %.
Расстояние между опорами составляло (60,0±3,0) мм. Образцы устанавливали на опоры широкой стороной. Нагружение образца проводили в середине между опорами плавно без толчков. Скорость относительного перемещения нагружающего наконечника составляла 10 мм/мин. Нагрузку и прогиб определяли при разрушении образца. Изгибающее напряжение (ст{) в МПа при нагрузке вычисляли по формуле
' М , где
а/ =
М - изгибающий момент, Н-мм;
Ш- момент сопротивления сечения образца, мм3. Изгибающий момент (М) в Н-мм вычисляли по формуле:
М =---------, где
4
Р - нагрузка, Н;
ІУ - расстояние между опорами, мм.
Момент сопротивления сечения образца (Ш) в мм3 вычисляли по формуле:
Ш ь • и2
Ш ----------, где
6
Ь - ширина образца, мм;
Ь - толщина образца, мм.
Отсюда
3^ • Ьу
°/ =■
2ЬИ2
Изгибающее напряжение (<з{) в МПа с учетом горизонтальной составляющей изгибающего момента при изгибе х, вычисляют по формуле:
°/ =
2ЬИ
1 +
4 • г
ь
V V у
где х - прогиб образца в середине между опорами, мм.
За результат испытания принимали среднее арифметическое всех параллельных определений.
Определение прочности при разрыве по
ГОСТ 14236 [3]
Прочность (ст) при разрыве и относительное удлинение (в) при разрыве определяли по ГОСТ 14236 на модернизованой машине 2166 Р-5 со скоростью расширения захватов (50±5) мм/мин. Испытания проводили при температуре (23±2)оС и относительной влажности (50±5) %.
Прочность при разрыве в МПа вычисляют по формуле:
¥т а г =— где Ао ’
Гг - растягивающая загрузка в момент разрыва,
Н;
Ао-начальное поперечноесечениеобразца, мм2.
Относительное удлинение ( %) при разрыве вычисляли по формуле:
АЬог
£г =~------, где
Ьо
Ьо - начальная расчетная длина образца, мм;
АЬог - изменение расчетной длины образца в момоент разрыва, мм.
Определение твердости по Шору
(ГОСТ24621) [4]
Принцип метода состоит в том, что измеряют глубину вдавливания в материал определенного ин-дентора под действием силы в заданных условиях. Для проведения исследований использовали дюрометр типа Д. Толщина образца для испытаний была 6 мм, диаметр - 50 мм. Поверхность образцов была ровной, без вздутий, трещин и вмятин.
Образец для испытаний помещали на твердую горизонтальную поверхность. Дюрометр устанавливали в вертикальном положении так, чтобы кончик индентора находился на расстоянии не менее 12 мм от любого края образца. Как можно быстрее без толчка к образцу прижимали опорную поверхность дюрометра, держа ее параллельно поверхности испытуемого образца. К опорной поверхности прилагали давление, достаточное для обеспечения необходимого контакта с образцом. Спустя 15 сек снимали показания с индикаторного устройства. Проводили по 5 измерений твердости в разных местах поверхности образца на расстоянии не менее 6 мм от точки предыдущего измерения, и определяли среднее значение
Результаты исследований и их обсуждение. Как видно из таблицы, проведение синтеза полиуретана в среде эпоксидно-диановой смолы приводит к повышению физико-механических свойств полимерного композиционного материала и деформационных свойств.
Присутствие полиуретана, который имеет урета-новые группы, близкие по химическому строению к пептидным группам белков, обусловливает его биосовместимость. Проведение синтеза полиуретана в среде эпоксидно-диановой смолы, во-первых, приводит к получению сополимера, который является компатибилизатором указанной смеси, что приводит к оптимизации физико-механических свойств композиции [5,6]. С другой стороны, использование гидроксиапатита также способствует увеличению «прочностных» показателей материала. Кроме того, гидроксиапатит является неорганической составляющей костной ткани, что обусловливает его высокую биоактивность(остеоиндуктивность)и биосовместимость. Таким образом, возможно, получать материал с регулируемыми физико-механическими
Таблица
Показатели физико-механических свойств полиуретановых композиций
С с ОІ г Состав полимерного композиционного материала (ЕПУ), мас. ч а с & е, \о и зг и и р с .0 т с о I ч о р с 3 1 зм а, ^ і ° І 1 ^ ІЗ Е ^ О 2 рр С с а с е в .0 р 3 а р и р с .0 т с о I 4 о р С и р с е и і е х о4 § уе § І _о со ^ 5 ер т и с о і т О у р о □ о с .0 т с о 3 е в 1—
Полиуретан а с; ІІ 1 £ о Сб кв оо с х Еа и ГАП ЛЕВ
1 100 20 6 0,4 6,5 540 65-74
2 50 50 - - 36,8 7,3 23,1 7,2 94-98
3 50 50 20 - 32,3 7,4 23,5 8,0 94-98
4 50 50 20 6 27,1 11,9 24,0 5,3 93-97
свойствами. Регулирование этих свойств возможно несколькими способами: соотношением полиуретан/эпоксидный олигомер и количеством гидрокси-апатита и левамизола.
Согласно полученным результатам (табл.), добавление вэпоксиполиуретановую композицию ги-дроксиапатита (20 %) практически не меняет показатели твердости полимера, показатель прочности при разрыве увеличивается всего на 0,4 МПа, прогибания образца при разрушении увеличивается на
0,1 мм. При этом прочность при изгибе уменьшается на 4,5 МПа (в 1,14 раз), а относительное удлинение при разрыве увеличивается на 0,8 %.
В свою очередь введение в полимерную композицию гидроксиапатита (20 %) и левамизола (6 %) приводит к увеличению прочности при разрыве на
0,9 МПа, при этом наблюдается уменьшение показателя прочности при изгибе на 9,7 МПа по сравнению с ЭПУ (в 1,4 раза) и на 5,2 МПа по сравнению с ЭПУ-ГАП (в 1,2 раза). Однако показатель прогибания образца при разрушении для композиции ЭПУ-ГАП-ЛЕВ увеличивается на 4,5 мм по сравнению с ЭПУ-ГАП, т. е. в 1,6 раз и на 4,6 по сравнению с ЭПУ (в 1,63 раза).
Данные, полученные в результате проведенных исследований, свидетельствуют о том, что введение в состав эпоксиполиуретановой матрицы
гидроксиапатита и левамизола приводит к незначительному изменению прочностных свойств разработанного композиционного материала (уменьшению прочности при изгибе, повышению прочности при разрыве). При этом увеличивается его деформация (прогиб) при изгибе, то есть материал становится более эластичным, что не мешает изготавливать из него накостные пластины и винты для остеосинтеза с прочностью, достаточной для адекватного удержания костных фрагментов. Кроме того, повышение упругих свойств материала позволяет легче адаптировать к костной поверхности.
Выводы.
1. Регулированием соотношений полиуретан/ эпоксидного олигомера, гидроксиапатита и левамизола возможно получать материал с регулируемыми физико-механическими свойствами.
2. Добавление в эпоксиполиуретановую композицию (ЭПУ 50/50) гидроксиапатита и левамизола несколько снижает прочностные характеристики материала и при этом повышает его эластичность, что позволяет лучше адаптировать фиксирующие конструкции к сложной поверхности костей лицевого черепа.
3. Накостные пластины для остеосинтеза, изготовленные из ЭПУ-ГАП-ЛЕВ рекомендованы для фиксации костных фрагментов при переломах в зонах, не подверженных значительным биомеханическим нагрузкам, в частности при переломах верхней и средней зоны лицевого черепа и биомеханически благоприятных переломах нижней челюсти.
4. Накостные пластины для остеосинтеза и винты, изготовленные из ЭПУ-ГАП-ЛЕВ, не рекомендованы для фиксации костных фрагментов при функционально нестабильных переломах нижней челюсти в зонах, подверженных значительным биомеханическим нагрузкам, как единственный способ фиксации. В таких случаях целесообразно дополнить остеосинтез межчелюстной фиксацией челюстей, а в отдельных случаях следует отказаться от полимеростеосинтеза вообще, и использовать ме-таллоостеосинтез как метод выбора.
Перспективы дальнейших исследований. В дальнейшем планируется провести клинические исследования предложенного материала с регулируемыми физико-механическими свойствами при изготовлении фиксаторов (накостных пластин и винтов) для остеосинтеза.
Литература
1. Варес Я. Е. Бюдеградуюч1 системи фксацп у травматологи щелепно-лицево'1 дтянки: ютор1я, сучаснють, перспективи / Я. Е. Варес, О. М. Луночюна // Практична медицина. - 2011. - Т. 17, № 4. - С. 36-42.
2. ГОСТ 4648-71. Пластмассы. Метод испытания на статический изгиб.
3. ГОСТ 14236-81. Пленки полимерные. Метод испытания на растяжение (СТ СЭВ 1490-79).
4. ГОСТ 24621-91. Пластмассы и эбонит. Определение твердости при вдавливании с помощью Дюрометра (твердость по Шору) (ИСО 868-85).
5. Мужев В. В. Синтез и фазовое разделение эпоксиполиуретановых систем / В. В. Мужев, Е. В. Лебедев, А. Е. Нестеров, А. Н. Куксин // Композиционные полимреные материалы. - 2003. - Т. 25, № 2. - С. 95-101.
6. Патент иА 79557 С2. Способ получения полимерного композиционного материала / А. Н. Куксин, Н. А. Галатенко, Р. А Рожнова., Е. А. Астапенко. Опубл. 25. 06. 2007. - 2007. - Бюл. № 9.
7. Руководство по хирургической стоматологии и челюстно-лицевой хирургии: в 2-х томах. Т. 2. / Под ред. В. М. Безрукова, Т. Г. Робустовой. - Изд. 2-е перераб. и доп. - М. : Медицина, 2000. - 488 с.
8. Х1рурпчна стоматолопя та щелепно-лицева х1рурпя: пщручник; У 2 т. - Т. 2 / В. О. Маланчук, I. П. Логвиненко, Т. О. Ма-
ланчук [та iH.]. - К. : ЛОГОС, 2011. - Т. 2. - 607 с
9. Martines-Villalobos Castillo S. Osteosintesis maxilo-facial con titanio / S. Martines-Villalobos Castillo // Rev. Esp. Cirug. Max-ilofac. - 2004. - Vol. 26, № 6. - Р. 46-60.
10. Matthew I. R. Policy of consultant oral and maxillofacial surgeons towards removal of miniplate components after jaw fracture
fixation: pilot study / I. R. Matthew, J. W. Frame // Brit. J. Oral & Maxillofac. Surg. - 1999. - Vol. 37. - P. 110-112.
11. Menon S. Evaluation of bioresorbable vis-a vis titanium plates and screws for craniofacial fractures and osteotomies / S. Me-
non, S. K. R. Chowdhury // MJAFI. - 2007. - Vol. 63, № 4. - Р 331-333.
12. Miniplate removal in trauma and orthognatic surgery - a retrospective study / M. R. Mosbah, D Oloyede, D. A. Koppel [et al.] // Int. J. Oral & Maxillofac. Surg. - 2003. - Vol. 32. - P. 148-151.
13. Resorbable plates for the fixation of mandibular fractures: a prospective study / Laughlin R. M., Block M. S., Wilk R. [et al.] // J. Oral Maxillofac. Surg. - 2007. - Vol. 65, № 1. - Р 89-96.
14. Risk factors contributing to symptomatic plate removal following saggital split osteotomy / T. Theodossy, O. Jackson, A. Petrie, T. Lloyd // Int. J. Oral & Maxillofac. Surg. - 2006. - Vol. 35, № 7. - Р 598-601.
УДК 616. 716-089. 844: 615. 462
РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ БИОДЕГРАДИРУЕМОГО ПОЛИМЕРА, ИСПОЛЬЗУЕМОГО В РЕКОНСТРУКТИВНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ХИРУРГИИ КОСТЕЙ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ
Маланчук В. А., Астапенко Е. А., Галатенко Н. А., Рожнова Р. А.
Резюме. B CTa^e oтoбpaжeны дaнныe иccлeдoвaния физикo-мexaничecкиx cвoйcтв биopeзopбиpye-мoгo эпoкcипoлиypeтaнoвoгo кoмпoзициoннoгo мaтepиaлa биoaктивнoгo дєйствия, raTOpbM иcпoльзyeтcя в peкoнcтpyктивнo-вoccтaнoвитeлы^oй xиpypгии чeлюcтнo-лицeвoй oблacти. Былo ycтaнoвлeнo, что фи-зикo-мexaничecкиe cвoйcтвa мaтepиaлa пoзвoляют изгoтaвливaть из Hera нaкocтныe rrnac™Hbi для octo-ocинтeзa. Дoбaвлeниe в эпoкcипoлиypeтaнoвyю гамгюзицию (ЭПУ 50/50) гидpoкcиaпaтитa и лeвaмизoлa нecкoлькo cнижaeт пpoчнocтныe xapaктepиcтики мaтepиaлa, ho гфи этом пoвышaeт era элacтичнocть, что пoзвoляeт лучшє aдaптиpoвaть фикcиpyющиe кoнcтpyкции к cлoжнoй пoвepxнocти кocтeй лицeвoгo чepeпa. Aвтopы peкoмeндyют иcпoльзoвaть нaкocтныe плacтины для ocтeocинтeзa для фикcaции кocтныx фpaгмeн-тoв пpи пepeлoмax в зoнax, He пoдвepжeнныx знaчитeльным биoмexaничecким нaгpyзкaм.
Ключевые слова: чeлюcтнo-лицeвaя xиpypгия, ocтeocинтeз, пoлимepный мaтepиaл, физикo-мexaни-чecкиe cвoйcтвa.
УДК 616. 716-089. 844: 615. 462
РЕЗУЛЬТАТИ ДОСЛІДЖЕННЯ ФІЗИКО-МЕХАНИЧНИХ ВЛАСТИВОСТЕЙ БІОДЕГРАДУЮЧОГО ПОЛИМЕРУ, ЯКИЙ ВИКОРИСТОВУЄТЬСЯ В РЕКОНСТРУКТИВНО-ВІДНОВНІЙ ХІРУРГІЇ КІСТОК ЩЕЛЕПНО-ЛИЦЕВОЇ ДІЛЯНКИ
Маланчук В. О., Астапенко О. О., Галатенко Н. А., Рожнова Р. А.
Резюме. У ^гатл вiдoбpaжeнi дaнi дocлiджeння фiзикo-мexaнiчниx влacтивocтeй бiopeзopбiвнoгo eno^ cипoлiypeтaнoвoгo кoмпoзицiйнoгo мaтepiaлy бioaктивнoЇ дії, який викopиcтoвyєтьcя в peкoнcтpyктивнo-вiднoвнiй xipypriV щeлeпнo-лицeвoЇ ділянки. Бугю вcтaнoвлeнo, щo фiзикo-мexaнiчнi влacтивocтi мaтepiaлy дoзвoляють вигoтoвляти з ньoгo Ha^cHi плacтини для ocтeocинтeзy. Дoдaвaння в eпoкciпoлiypeтaнoвi кoмпoзицiю (EПУ 50/50) гiдpoкcиaпaтитy i лeвaмiзoлy тpoxи знижує міцнюні xapaктepиcтики мaтepiaлy, aлe пpи цьoмy підвищує йoгo eлacтичнicть, щo дoзвoляє кpaщe aдaптyвaти фiкcyючi кoнcтpyкцiЇ дo c^r^Ho'! пoвepxнi кicтoк лицeвoгo чepeпy. Aвтopи peкoмeндyють викopиcтoвyвaти нaкicнi плacтини для ocтeocинтeзy для фiкcaцiЇ кicткoвиx фpaгмeнтiв пpи пepeлoмax в зoнax 6єз нaдмipнoгo бioмexaнiчнoгo нaвaнтaжeння.
Ключові слова: щeлeпнo-лицeвa xipypгiя, ocтeocинтeз, пoлiмepний мaтepiaл, фiзикo-мexaнiчнi влacтивocтi.
UDC 616. 716-089. 844: 615. 462
Dates of the Research of Physical and Mechanical Properties of Biologically Degradable Polymer used in Reconstructive and Reparative Surgery of Maxillofacial Area
Malanchuk V. O., Astapenko O. O., Galatenko N. A., Rojnova R. A.
Summary. Authors designed bioiogicaiiy degradabie poiymer materiai (epoxy-poiyurethane composition which inciudes ievamisoie and hydroxyapatite) that permits creation of osseous piates and screws for osteosynthesis. These fixing constructions resorbe after consoiidation and mineraiization of bone fragments, don’t render negative infiuence on human organism. The aim of the work was to research physicai and mechanicai properties of our proposed materiai, define indications for the using of fixing constructions for osteosynthesis in maxiiiofaciai area.
Strength characteristics of three species of poiyurethane composition were researched according requirements that are iodged to poiymer for medicai appiying.
The group inciuded unfiiied epoxy-poiyurethane (EPU 50/50) as the basis of poiymeric composition; 2- epoxy-poiyurethane composition with hydroxyapatite; 3- epoxy-poiyurethane composition which inciudes hydroxyapatite and ievamisoie.
Authors hoid physicai and mechanicai probations of this materiai according standard methodic: strength on fiection was determined by GOST 4648, strength on rupture - by GOST 14236, density by Shur - by GOST 24621 with the aim to evaiuate strength characteristics of poiymeric composite materiai (epoxy-poiyurethane composition which inciudes hydroxyapatite and ievamisoie) from which was pianned to manufacture osseous piates and screws for osteosynthesis.
Hoid researches iet to make the next conciusion:
1. It is possibie to create materiai with reguiated physicai and mechanicai properties by reguiation of correiation of poiyurethane/ epoxide oiigomer, hydroxyapatite and ievamisoie.
2. The addition of hydroxyapatite and ievamisoie to the epoxy-poiyurethane composition (EPU 50/50) a iittie bit deciine strength characteristics of materiai but increase its eiasticity, what aiiow adapting of fixing construction to the difficuit surface of faciai bones.
3. Osseous piates for osteosynthesis made from epoxy-poiyurethane composition which inciudes hydroxyapatite and ievamisoie ( EPU-HAP-LEV) are recommended for fixation of bone fragments in fractures in zones, which are not subjected to high biomechanicai ioads, particuiariy in fracture of upper and middie zone of faciai skuii and biomechanicaiiy favorabie fractures of iower jaw.
4. Osseous piates and screws for osteosynthesis made from ( EPU-HAP-LEV) are not recommended for fixation of bone fragments in functionaiiy unstabie fractures of the iower jaw subjected to high biomechanicai ioads as a singie method of fixation. It is appropriate to add osteosynthesis by intermaxiiiary fixation of jaws , in separate cases it is better to reject from poiymeric osteosynthesis compieteiy and use metaiiic osteosynthesis.
Key words: maxiiiofaciai surgery, osteosynthesis, poiymeric materiai, physicai and mechanicai properties.
Рецензент - проф. Король Д. М.
Стаття надійшла 9. 04. 2013 р.
