Научная статья на тему 'Трибологические характеристики различных пар трения при артропластике крупных суставов'

Трибологические характеристики различных пар трения при артропластике крупных суставов Текст научной статьи по специальности «Медицина и здравоохранение»

164
43
Поделиться
Ключевые слова
ТРИБОЛОГИЯ / ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИЕ / ПАРЫ ТРЕНИЯ

Аннотация научной статьи по медицине и здравоохранению, автор научной работы — Минасов Б. Ш., Шустер Л. Ш., Якупов Р. Р., Минасов Т. Б., Асланян И. Р., Чертовских С. В., Емаев И. И.

Изучены 16 пар трения эндопротезов тазобедренного сустава в условиях биологической среды и сухого трения. В образцах с полиэтиленовым вкладышем прочность адгезионных связей и коэффициент трения были минимальными в условиях биологической среды и увеличивались при сухом трении. В образцах с металлическим вкладышем коэффициент трения достигал максимальных величин в условиях биологической среды и уменьшался при сухом трении. Оптимальными парами трения оказались «оксиниум-полиэтилен» и «алюминиевая керамика-полиэтилен» с головками большего диаметра (32мм), которые продемонстрировали минимальный коэффициент трения (0,009 … 0,010), наименьшую прочность адгезионных связей (0,2 МПа) и наименьший коэффициент упрочнения этих связей (0,006 … 0,008).

TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT PAIRS OF FRICTION DURING ARTHROPLASTY OF LARGE JOINTS

16 pairs of friction of hip prostheses have been studied in biological environment and dry friction conditions. In samples with a polyethylene liner the strength of adhesive bonds and the coefficient of friction were minimal in terms of the biological environment and increased at dry friction. In samples with a metal liner a friction coefficient reached the maximum value in a biological environment and reduced at dry friction. Optimal pairs of friction were "oxinium-polyethylene" and "aluminum ceramics-polyethylene" with the head of larger diameter (32mm), which showed a minimal coefficient of friction (0.009... 0.010), the lowest strength of adhesive bonds (0.2 MPa) and the lowest rate of hardening these bonds (0.006... 0.008).

Похожие темы научных работ по медицине и здравоохранению , автор научной работы — Минасов Б.Ш., Шустер Л.Ш., Якупов Р.Р., Минасов Т.Б., Асланян И.Р., Чертовских С.В., Емаев И.И.,

Текст научной работы на тему «Трибологические характеристики различных пар трения при артропластике крупных суставов»

1Ь-17Л и 1КК-у [7]. Уже с первых часов деструктивных процессов в тиреоцитах происходит снижение продукции тиреоидных гормонов [5], а гибель лимфоцитов лежит в основе иммунодефицита [2]. Таким образом, пред-

ставленные данные показывают однотипность процессов, происходящих в органах иммунной и эндокринной систем при эндотоксикозе, и свидетельствуют о системном механизме их развития.

Сведения об авторах статьи:

Кирьянов Николай Александрович - д.м.н., профессор, зав. кафедрой патологической анатомии ГБОУ ВПО ИжГМА Минздрава России. Адрес: 426034, г. Ижевск, ул. Коммунаров, 281. Тел./факс 8 (3412)685224. E-mail: kirnik@igma.udm.ru. Баженов Евгений Леонидович - к.м.н., доцент кафедры патологической анатомии ГБОУ ВПО ИжГМА Минздрава России. Адрес: 426034, г. Ижевск, ул. Коммунаров, 281. Тел./факс 8 (3412)685224.

Иванова Галина Семеновна - к.м.н., доцент кафедры патологической анатомии ГБОУ ВПО ИжГМА Минздрава России. Адрес: 426034, г. Ижевск, ул. Коммунаров, 281. Тел./факс 8 (3412)685224.

Митрюков Валентин Валентинович - аспирант кафедры патологической анатомии ГБОУ ВПО ИжГМА Минздрава России. Адрес: 426034, г. Ижевск, ул. Коммунаров, 281. Тел./факс 8 (3412)685224.

ЛИТЕРАТУРА

1. Калашникова, С.А. Морфологическая характеристика эндокринных органов при хронической эндогенной интоксикации/ С.А. Калашникова, Л.В. Полякова, А.И. Щёголев // Бюл. эксперим.биологии и медицины. - 2011. - Т. 151, № 2. - С.211- 214.

2. Морфофункциональные изменения иммунной системы мышей BALB/c и C57BL/6 при хроническом бактериальном грамотри-цательном эндотоксикозе/ О.В. Макарова [и др.] // Арх.патол. - 2012. - Т. 74, N° 3. - С. 43-49.

3. Патофизиологические механизмы бактериального эндотоксикоза при распространенном перитоните / Е.Г. Григорьев [и др.] // Патолог. физиология и эксперим. терапия. - 2009. - № 2. - С. 33-36.

4. Хирургический эндотоксикоз как проблема клинической гастроэнтерологии/ С.И. Емельянов [и др.] // Эксперим. и клин. гастроэнтерология. - 2010. - № 7. - С.67-73.

5. Яглова, Н.В. Морфофункциональные изменения щитовидной железы крыс при остром экспериментальном эндотоксикозе / Н.В. Яглова // Арх. патол. - 2010. - Т.72, № 3. - С. 24-28.

6. Яглова, Н.В. Синдром нетиреоидных заболеваний при остром бактериальном эндотоксикозе: патогенетические механизмы и методы коррекции / Н.В. Яглова //Вест.РАМН. - 2013. - № 3. - С.24-33.

7. Homeostatic defects in interleukin 18-deficient mice contribute to protection against the lethal effects of endotoxin/ D.M. Andrews [et al] // Immunol Cell Biol - 2011 - V.89, N 6 - P.739-746.

УДК 617.3:539.92- 77(082)

© Б.Ш. Минасов, Л.Ш. Шустер, Р.Р. Якупов, Т.Б. Минасов, И.Р. Асланян, С.В. Чертовских, И.И. Емаев, 2013

Б.Ш. Минасов1, Л.Ш. Шустер2, Р.Р. Якупов1, Т.Б. Минасов1, И.Р. Асланян2, С.В. Чертовских2, И.И. Емаев2 ТРИБОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАЗЛИЧНЫХ ПАР ТРЕНИЯ ПРИ АРТРОПЛАСТИКЕ КРУПНЫХ СУСТАВОВ

'ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа

2ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный авиационный технический университет», г. Уфа

Изучены 16 пар трения эндопротезов тазобедренного сустава в условиях биологической среды и сухого трения. В образцах с полиэтиленовым вкладышем прочность адгезионных связей и коэффициент трения были минимальными в условиях биологической среды и увеличивались при сухом трении. В образцах с металлическим вкладышем коэффициент трения достигал максимальных величин в условиях биологической среды и уменьшался при сухом трении. Оптимальными парами трения оказались «оксиниум-полиэтилен» и «алюминиевая керамика-полиэтилен» с головками большего диаметра (32мм), которые продемонстрировали минимальный коэффициент трения (0,009 ... 0,010), наименьшую прочность адгезионных связей (0,2 МПа) и наименьший коэффициент упрочнения этих связей (0,006 ... 0,008).

Ключевые слова: трибология, эндопротезирование, пары трения.

B.Sh. Minasov, L.Sh. Shuster, R.R. Yakupov, T.B. Minasov, I.R. Aslanyan, S.V. Chertovskikh, I.I. Emaev

TRIBOLOGICAL CHARACTERISTICS OF DIFFERENT PAIRS OF FRICTION DURING ARTHROPLASTY OF LARGE JOINTS

16 pairs of friction of hip prostheses have been studied in biological environment and dry friction conditions. In samples with a polyethylene liner the strength of adhesive bonds and the coefficient of friction were minimal in terms of the biological environment and increased at dry friction. In samples with a metal liner a friction coefficient reached the maximum value in a biological environment and reduced at dry friction. Optimal pairs of friction were "oxinium-polyethylene" and "aluminum ceramics-polyethylene" with the head of larger diameter (32mm), which showed a minimal coefficient of friction (0.009 ... 0.010), the lowest strength of adhesive bonds (0.2 MPa) and the lowest rate of hardening these bonds (0.006 ... 0.008).

Key words: tribology, joint replacement, friction pairs.

Артропластика, обеспечивающая раннюю бытовую, социальную и профессиональную реинтеграцию даже при тяжелых пора-

жениях суставов давно стала одной из успешных хирургических технологий в современной ортопедии [1,2]. Постоянное совершен-

ствование имплантатов позволило увеличить срок службы эндопротезов и уменьшить частоту осложнений [3,4]. Дальнейшее улучшение результатов лечения возможно за счет оптимизации качественных свойств, дизайна и инженерного совершенства имплантатов. Немаловажную роль в этом играет также выбор оптимальной пары трения. Однако на сегодняшний день у всех трибологических пар есть определенные преимущества и недостатки. При этом обилие существующих пар трения эндопротезов зачастую усложняет выбор специалиста и является доказательством отсутствия «золотого стандарта». По мнению большинства специалистов, оптимальные трибологические характеристики являются одним из важных факторов длительного функционирования эндопротеза. В связи с этим представляет научный и практический интерес сравнительная оценка различных пар трения, применяемых в широкой ортопедической практике при артропластике.

Целью данного исследования являются определение и анализ трибологических характеристик различных пар трения, используемых при артропластике тазобедренного сустава.

Материал и методы

Изучены 16 пар трения эндопротезов тазобедренного сустава различных производителей (металл-полиэтилен, металл-металл, оксиниум-полиэтилен, алюминиевая керамика-полиэтилен, циркониевая керамика-полиэтилен, алюминиевая керамика-металл) при сухом трении и в условиях биологической среды. Исследование проводилось на одно-шариковом адгезиометре Шустера-Мигранова [5] при ступенчатом изменении осевой нагрузки Р до 8,68кН на узел трения. В качестве вращающегося индентора использовались головки эндопротезов диаметром 28 и 32мм, которые помещались между двумя вкладышами соответствующих размеров.

Протоколирование стендовых испытаний проводилось с помощью аналогового цифрового преобразователя с регистрацией степени смещения самописца (Ьсамоп). По величинам Б, Р и вычислялись: давление рг на фрикционном контакте, прочность тп адгезионных связей на срез, а также величина 5м, характеризующая молекулярную (адгезионную) составляющую коэффициента трения. Биологическую среду наносили на поверхности трения кисточкой перед началом эксперимента.

Таким образом были получены зависимости тп от р для различных пар трения в

условиях присутствия и отсутствия биологической среды, что позволило определить в этих условиях величину коэффициента ^ и ее изменение.

Результаты и обсуждение

Получены характерные зависимости прочности тп адгезионных связей и коэффициента ^ от давления р на фрикционном подвижном контакте, полученные для пары трения «алюминиевая керамика - полиэтилен 1» (рис.1). Аналогичные зависимости получены для всех изучаемых пар трения.

С увеличением контактного давления р прочность тп адгезионных связей возрастает практически прямолинейно с коэффициентом упрочнения в (равным углу подъема линии х„=В(рг)) и начальным значением т0, полученным экстраполяцией линии т„=В(рг) на нулевое значение рг (рис. 1).

Известно [6], что с увеличением значения тп изнашивание твердых тел возрастает. Следовательно, трибологическая характеристика в отражает степень влияния изменения давления на изменение изнашивания три-босопряжения. Из рис. 2 видно, что для данной пары трения биологическая среда не только уменьшает прочность тп адгезионных связей, снижая изнашивание трибосопряже-ния, но и уменьшает степень влияния контактного давления на изнашивание. Как показали исследования, исключение из этого правила представляет пара трения «металл-металл», у которой биологическая среда ухудшает трибологические характеристики.

° 5 10 15 20 25 30 , МШ

Рис. 1. Влияние контактного давления на тангенциальную прочность адгезионных связей и молекулярную составляющую коэффициента трения фрикционного контакта индентора из алюминиевой керамики (шар d = 28 мм) и образцов из полиэтилена 1: 1 - сухое трение; 2 - смазка - биологическая среда

Молекулярная (адгезионная) составляющая коэффициента трения равна отношению т„ к рг, т.е.

5мО)

РГ РГ

Из соотношения (1) следует, что величина 5м зависит не только от трибохарактери-стики в и давления рг, но и от значения т0. Если оно не равно нулю, то с уменьшением дав-

ления рг коэффициент ^ может увеличиваться, что и видно на рис. 2.

Сравнение трибологических характеристик различных пар трения образцов материалов, изготовленных из стандартных эндопро-тезов тазобедренного сустава, продемонстрировало, что прочность адгезионных связей увеличивается, а коэффициент ^ трения уменьшается при повышении осевой нагрузки на фрикционный узел. Величины тп и ^ существенно уменьшаются в условиях биологической среды. Исключением явились пары трения «металл-металл», «керамика-металл», в данных парах наблюдалась обратная картина: изначально высокий коэффициент трения в условиях биологической среды увеличивался еще больше.

Самый низкий коэффициент трения при максимальной осевой нагрузке отмечался в парах трения «оксиниум-полиэтилен» (0,009), «алюминиевая керамика-полиэтилен» (0,010) с диаметром индентора 32 мм в условиях биологической среды. Наибольший коэффициент трения определялся в образцах «металл-металл» (0,236) и «алюминиевая керамика-металл» (0,302) с диаметром индентора 28 мм.

В условиях биологической среды пары трения, демонстрирующие наименьшую величину коэффициента ^ трения, обеспечивают наименьшую прочность тп адгезионных связей и коэффициента в их упрочнения (соответственно 0,2 МПа и 0,006 ... 0,008). Это указывает на то, что эти пары более износостойки и меньше подвержены влиянию внешней нагрузки.

Выводы

Проведенное исследование выявило определенные закономерности адгезионных взаимодействий между различными парами трения. В образцах с полиэтиленовым вкладышем коэффициент трения был минимальным в условиях биологической среды и уве-

личивался при сухом трении. В образцах с металлическим вкладышем коэффициент трения достигал максимальных величин в условиях биологической среды и уменьшался при сухом трении. При этом увеличение осевой нагрузки на фрикционный узел приводило к увеличению прочности адгезионных связей во всех испытуемых образцах и снижению адгезионной составляющей коэффициента трения.

Сравнение адгезионных взаимодействий инденторов различного диаметра показало, что использование головок большего диаметра (32мм) предпочтительнее, поскольку уменьшаются трибологические характеристики.

Оптимальными парами трения с точки зрения трибологических характеристик оказались «оксиниум-полиэтилен» и «алюминиевая керамика-полиэтилен» (с головками большего диаметра - 32 мм), которые продемонстрировали минимальный коэффициент трения (0,009...0,010), наименьшую прочность адгезионных связей (0,2 МПа) и наименьшую подверженность влиянию внешней нагрузки (0,006 ... 0,008).

Таким образом, выбор технологии арт-ропластики должен производиться на основе оценки трибологических свойств эндопротеза, особенностей анатомии тазобедренного сустава, качества костной ткани, индивидуальных характеристик пациента (масса тела, физическая активность, возраст). В связи с этим у лиц молодого возраста с высокими функциональными требованиями предпочтение должно отдаваться парам трения «оксиниум-полиэтилен» и «алюминиевая керамика-полиэтилен». У лиц пожилого возраста с низкой массой тела и минимальной физической активностью могут применяться другие изученные трибологические пары с учетом выбора технологии артропластики тазобедренного сустава.

Сведения об авторах статьи: Минасов Булат Шамильевич - д.м.н. профессор, зав кафедрой травматологии и ортопедии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел. 8(347)255-76-66.

Шустер Лева Шмульевич - д.т.н., профессор кафедры основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел. 8(347)273-07-34. E-mail: okmim@ugatu.ac.ru .

Якупов Расуль Радикович - к.м.н., доцент кафедры травматологии и ортопедии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел. 8(347)255-76-66.

Минасов Тимур Булатович - к.м.н., доцент кафедры травматологии и ортопедии ГБОУ ВПО БГМУ Минздрава России. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. Ленина, 3. Тел. 8(347)255-76-66.

Асланян Ирина Рудиковна - к.т.н., доцент кафедры машин и технологии литейного производства ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел. 8(347)273-77-55. E-mail: kmitlp@mail.ru

Чертовских Сергей Владимирович - к.т.н., доцент кафедры теоретической механики ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел. 8(347)273-07-27. E-mail: teor mech@mail.ru.

Емаев Илья Игоревич - аспирант кафедры основ конструирования механизмов и машин ФГБОУ ВПО УГАТУ. Адрес: 450000, г. Уфа, ул. К. Маркса, 12. Тел. 8(347)273-07-34. E-mail: okmim@ugatu.ac.ru .

ЛИТЕРАТУРА

1. Ягников, С.А. Исследование пары трения эндопротезов тазобедренного сустава для собак, представленных на отечественном рынке /С.А. Ягников, В.Н.Митин, Н.С. Гаврюшенко// Ветеринарный журнал. - 1995. - № 2. - С. 3-6.

2. Karl Knahr / Tribology in total hip arthroplasty // 2011. 242р.

3. Mutimer, J., Devane, P.A., Adams, K., Horne, J.G.: Highly crosslinked polyethylene reduces wear in total hip arthroplasty at 5 years. Clin. Orthop. Relat. Res. 468, 3228-3233 (2010)

4. Nakahara, I., Nakamura, N., Nishii, T., Miki, H., Sakai, T., Sugano, N.: Minimum five-year follow-up wear measurement of Longevity highly cross-linked polyethylene cup against cobalt-chromium or zirconia heads. J. Arthroplasty 8, 1182-1187 (2010)

5. Шустер, Л. Ш. Прибор для исследования адгезионного взаимодействия / Л. Ш. Шустер, М. Ш. Мигранов// Патент на полезную модель № 34249 от 24.06.2003 г.

6. Шустер, Л. Ш. Адгезионное взаимодействие твердых металлических тел. - Уфа: Гилем, 1999. - 198 с.

УДК 616.697-085.272.4-036.8

© В.Н. Павлов, Э.Ф. Галимова, В.А. Катаев, Р.Р. Фархутдинов, К.С. Мочалов, Ю.Л. Баймурзина, Ш.Н. Галимов, 2013

В.Н. Павлов, Э.Ф. Галимова, В.А. Катаев, Р.Р. Фархутдинов, К.С. Мочалов, Ю.Л. Баймурзина, Ш.Н. Галимов СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ АНТИОКСИДАНТНЫХ ЭФФЕКТОВ КОЭНЗИМА Q И L-КАРНИТИНА У МУЖЧИН С ИДИОПАТИЧЕСКОЙ ПАТОСПЕРМИЕЙ

ГБОУ ВПО «Башкирский государственный медицинский университет» Минздрава России, г. Уфа

Представлены результаты терапии препаратами коэнзима Q и L-карнитина 129 мужчин из бесплодных пар. Антиокси-дантный статус эякулята оценивали методом регистрации хемилюминесценции, а также колориметрическим методом по изменению окраски хромогена АВТS. Установлена выраженная антиокислительная активность препаратов при тестировании in vitro и in vivo.

Ключевые слова: мужское бесплодие, коэнзим Q, L-карнитин, антиокислительная активность.

V.N. Pavlov, E.F. Galimova, V.A. Kataev, R.R. Farkhutdinov, K.S. Mochalov, Ju.L. Baimurzina, Sh.N. Galimov THE COMPARATIVE ANALYSIS OF COENZYME Q AND L-CARNITINE ANTIOXIDANT EFFECTS IN MEN WITH IDIOPATHIC PATHOSPERMIA

The article presents the results of Coenzyme Q and L-carnitine therapy of 129 men from infertile couples. The antioxidant status was assessed by registration of chemiluminescence and by colorimetric method according to changes in the color of ABTS chromogen. The antioxidant activity of drugs in model systems in vitro and in vivo has been established. Key words: male infertility, Coenzyme Q, L-carnitine, antioxidant activity.

Патоспермия служит причиной половины случаев инфертильности в браке и представляет большую медицинскую и социальную проблему [1]. Основным фактором, снижающим мужскую фертильность, считают гиперпродукцию активных форм кислорода (АФК), которая приводит к оксидативному стрессу и повреждению мембран сперматозоидов [2,3]. Перспективными средствами коррекции про- и антиоксидантных систем организма являются препараты на основе коэнзима Q (убихинона), а также L-карнитина, молекулярные механизмы действия которых интенсивно изучаются [4, 5]. Целью настоящей работы явилась оценка эффективности применения коэнзима Q и L-карнитина у пациентов с идиопатической патоспермией.

Материал и методы

Обследованные мужчины состояли в бесплодном браке от 1 года до 10 лет. Пациенты первой группы (69 мужчин, средний возраст 28,3±4,2 года) проходили курс лечения препаратом коэнзима Q в суточной дозе 30 мг в течение 3 месяцев, что соответствует циклу сперматогенеза. Пациенты второй группы (60 мужчин, средний возраст 29,2±1,8 года) принимали L-карнитина тартрат в дозе

0,5 г дважды в сутки также в течение 3 месяцев.

Оценку состояния свободнорадикаль-ных процессов и антиокислительной активности (АОА) препаратов и эякулята проводили посредством хемилюминесцентного анализа модельных систем, генерирующих АФК и реакции перекисного окисления липидов (ПОЛ). Исследование эякулята начинали через 60 мин от момента сбора материала после наступления разжижения. Определение активности антиокислительных систем в эякуляте проводили с помощью набора «Total antioxidant status» (Великобритания), содержание ТБК-активных продуктов - с использованием набора реактивов ТБК-Агат (Россия). Для статистической обработки использовали пакет прикладных программ Statistica 8.0 for Windows (StatSoft, Inc.).

Результаты. Препараты L-карнитина и коэнзима Q дозозависимо снижают интенсивность ХЛ в модельных системах, генерирующих образование АФК и процессы ПОЛ. L-карнитин значительно подавлял свечение в модельных системах. Действие препарата коэнзима Q было менее выражено: он обладал мягким протективным эффектом (рис. 1).