Углеродная пара трения в эндопротезировании крупных суставов человека

УДК 617-089.844

А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, А. В. Вертаев, М. А. Ксенофонтов

УГЛЕРОДНАЯ ПАРА ТРЕНИЯ В ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ КРУПНЫХ СУСТАВОВ ЧЕЛОВЕКА

Аннотация.

Актуальность и цели: исследование и экспериментальное обоснование преимуществ узла подвижности с парой трения из изотропного пиролитического углерода в эндопротезировании крупных суставов человека.

Материалы и методы. Разработана экспериментальная модель эндопротеза тазобедренного сустава с углеродной парой трения. Проводилось математическое моделирование в среде ANSYS 5.7 для определения запаса прочности материала. С помощью специальной установки, соответствующей ГОСТ 703863 и национальному стандарту РФ ГОСТ 52640-2006, исследованы физикомеханические свойства материалов.

Результаты. При изучении полученных данных выяснилось, что материал превосходит по ряду характеристик современные материалы, используемые в эндопротезировании крупных суставов. Трибологические характеристики удовлетворяют требованиям, предъявляемым к парам трения, используемым в эндопротезировании суставов человека.

Выводы. Физико-механические и трибологические свойства материала позволяют рекомендовать его для использования в эндопротезировании крупных суставов.

Ключевые слова: пара трения, изотропный пиролитический углерод, тазобедренный сустав.

A. N. Mitroshin, A. S. Kibitkin, A. V. Vertaev, M. A. Ksenofontov

CARBON FRICTION PAIR IN ENDOPROSTHESIS REPLACEMENT OF LARGE JOINTS

Abstract.

Background. The researchers are to research and to give experimental evidence of the benefits of the mobility node with a friction pair of isotropic pyrolytic carbon arthroplasty of major human joints.

Materials and methods. The authors developed an experimental model of a hip joint with a carbon friction pair. Mathematical modeling was conducted in the «ANSYS 5.7» environment to determine the material’s margin of safety. Using a special device meeting the GOST 7038-63 standard and the Russian national standard GOST 52640-2006, the researchers studied the physical and mechanical properties of the materials.

Results. The study reveals that the material by a number of characteristics exceeds the modern materials, used to replace large joints. Tribological characteristics meet the requirements imposed on friction pairs used in joint replacement.

Conclusion. Physical, mechanical and tribological properties of the material allow us to recommend it for usage in replacement of large joints.

Key words: friction pair, isotropic pyrolytic carbon, hip joint.

Введение

Особенности биомеханики крупных суставов человека приводят к необходимости постоянно совершенствовать как конструкции эндопротеза,

так и используемые в них материалы. Существует множество конструкций эндопротезов крупных суставов, каждая из которых имеет свои особенности и показания к использованию. Основные материалы, применяемые в них, -металл, керамика и полиэтилен. Важную роль играют и трибологические свойства пары трения эндопротеза, от которых зависит надежность, безопасность и долговечность искусственного сустава.

Несмотря на постоянное совершенствование и улучшение эндопротезов и материалов, частота ревизионных эндопротезирований не уменьшается, по мнению ряда авторов, она достигает 20 % [1, 2]. Основной причиной для выполнения данного рода вмешательства является асептическое расшатывание компонентов эндопротеза, которое достигает 90 % от всех ревизионных вмешательств [3-6].

К асептическому расшатыванию приводят несоответствие трибологических свойств искусственного сустава, физико-механических характеристик материалов, а также макрофагальная реакция на частицы износа материалов эндопротеза.

Таким образом, актуальной проблемой остается поиск нового материала и конструктивных решений для изготовления узла подвижности эндопротезов крупных суставов, который бы обладал трибологическими свойствами, близкими к здоровому суставу человека.

Цель исследования - экспериментальное обоснование использования углеродного материала в узле подвижности крупных суставов.

1. Материалы и методы

С целью исследования физико-механических и трибологических свойств материала была изготовлена экспериментальная модель эндопротеза тазобедренного сустава с узлом подвижности из монолитного пиролитического углерода.

Узел подвижности состоял из следующих компонентов:

1) головка из пироуглерода с армирующей титановой втулкой (рис. 1);

2) вкладыш из высокомолекулярного полиэтилена со вставкой из пироуглерода (рис. 2).

а) б)

Рис. 1. Головка узла подвижности: а) схема; б) внешний вид;

1 - монолитный пироуглерод; 2 - титановая втулка с евроконусом

Для определения запаса прочности узла подвижности из пироуглерода использовалось математическое моделирование, которое проводилось методом конечных элементов в среде ЛК8У8 5.7.

Математическое моделирование выполнялось при нагрузке в узле подвижности из пироуглерода в 2250 Н.

2 1

а) б)

Рис. 2. Вкладыш с углеродной вставкой: а) схема; б) внешний вид;

1 - вставка; 2 - полиэтиленовый адаптер

В соответствии с ГОСТ Р 52640-2006 проводилось определение долговечности работы узла трения эндопротеза тазобедренного сустава методом оценки крутящего момента. В результате этого испытания образцы сохранили свою целостность. Крутящий момент не превысил 1,5 Нм, на поверхности образцов отсутствовали свободные продукты износа, что полностью соответствует требованиям ГОСТ Р 52640-2006.

Выполнены исследования по определению физико-механических свойств материалов. Для этого была использована специальная установка, удовлетворяющая нормам требований ГОСТ 7038-63 и национальному стандарту РФ ГОСТ 52640-2006, предназначенная для испытания функциональных характеристик узла подвижности. В результате работы были получены данные о моменте сопротивления движению, модуле упругости, плотности, пределе прочности, коэффициенте Пуассона.

Проведены испытания по биологической совместимости и токсикологической безопасности пироуглерода.

2. Результаты

По результатам проведенного математического моделирования были получены данные о величине напряжения и запасе прочности пироуглерода. Средняя величина напряжения растяжения составила 40,7 МПа, а напряжения сжатия - 79,6 МПа, запаса прочности - 5,8

В ходе испытаний и последующего вычисления значение крутящего момента в паре трения из пироуглерода составило 1,15 Нм. В здоровом суставе этот показатель равен 1,5 Нм.

Максимальное значение напряжения растяжения локализовалось в буртике втулки головки и составляло 85,3 МПа, что в девять-десять раз меньше минимального предела прочности на растяжение сплава титана.

Максимальное значение напряжение сжатия локализовалось во втулке головки и составило 131 МПа, что в шесть раз меньше минимального предела прочности на сжатие сплава титана.

При сравнении физико-механических свойств материалов, составляющих различные пары трения, значение модуля упругости и плотности пироуглерода близки к таковым у здоровой костной ткани, чем он выгодно отличается от других использующихся материалов (табл. 1).

Таблица 1

Физико-механические свойства материалов

Материал Модуль упругости, ГПа Плотность, кг!м3 Предел прочности, МПа Коэффициент Пуассона

Титан 110 4,5 х103 600 0,32

Керамика 350 3,99х103 500 0,3

Костная ткань 15 2,4х103 100 0,3

Пироуглерод 20-23 (1,8-2,1)х103 450 0,3

Испытания по биологической совместимости и токсикологической безопасности пироуглерода показали, что материал отвечает требованиям, предъявляемым к изделиям медицинского назначения, имеющим контакт с тканями организма. В условиях эксперимента материалы изделий проявили достаточную химическую стабильность. Вытяжки из них не оказали неблагоприятного воздействия на биологические объекты.

Вывод

1. Физико-механические и трибологические свойства углеродной пары трения позволяют рекомендовать данный материал для использования в узле подвижности эндопротезов крупных суставов.

2. Использование для изготовления пары трения изотропного пиролитического углерода улучшит выживаемость тотальных эндопротезов крупных суставов.

Список литературы

1. Revision hip arthroplasty: infection is the most common cause of failure / S. M. Jafari et al. // Clin. Orthop. - 2010. - № 468. - P. 2046-2051.

2. Эндопротезирование при ранениях, повреждениях и заболеваниях тазобедренного сустава / В. К. Николенко, Б. П. Буряченко, Д. В. Давыдов, М. В. Николенко. - М. : Медицина, 2009. - 356 с.

3. Загородний, Н. В. Эндопротезирование тазобедренного сустава. Основы и практика / Н. В. Загородний. - М. : ГЭОТАР-Медиа, 2012. - 704 с.

4. Наш опыт ревизионных операций тазобедренного сустава / В. П. Абельцев и др. // Кремлевская медицина. - 2002. - № 2. - С. 46-47.

5. Прохоренко, В. М. Первичное и ревизионное эндопротезирование тазобедренного сустава / В. М. Прохоренко - Новосибирск : Клиника НИИТО, 2007. -348 с.

6. Акулич, А. Ю. Определение параметров структуры губчатой кости проксимального отдела бедра человека по оптической плотности рентгеновского изображения / А. Ю. Акулич, Ю. В. Акулич, А. С. Денисов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2007. - № 1. - 152 с.

References

1. Jafari S. M. et al. Clin. Orthop. 2010, no. 468, pp. 2046-2051.

2. Nikolenko V. K., Buryachenko B. P., Davydov D. V., Nikolenko M. V. Endoproteziro-vanie pri raneniyakh, povrezhdeniyakh i zabolevaniyakh tazobedrennogo sustava [Endoprosthesis replacement in cases of wounding, injuries and diseases of hip joints]. Moscow: Meditsina, 2009, 356 p.

3. Zagorodniy N. V. Endoprotezirovanie tazobedrennogo sustava. Osnovy i praktika [Hip joint replacement. Fundamentals and practice]. Moscow: GEOTAR-Media, 2012, 704 p.

4. Abel'tsev V. P. et al. Kremlevskaya meditsina [Kremlin medicine]. 2002, no. 2, pp. 4647.

5. Prokhorenko V. M. Pervichnoe i revizionnoe endoprotezirovanie tazobedrennogo sus-tava [Primary and revision replacement of hip joints]. Novosibirsk: Klinika NIITO, 2007, 348 p.

6. Akulich A. Yu., Akulich Yu. V., Denisov A. S. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Povolzhskiy region. Meditsinskie nauki [University proceedings. Volga region. Medical sciences]. 2007, no. 1, 152 p.

Митрошин Александр Николаевич

доктор медицинских наук, профессор, директор, Медицинский институт, Пензенский государственный университет

E-mail: an-mitroshin@mail.ru

Кибиткин Андрей Станиславович

старший преподаватель, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет

E-mail: kibitkinas@mail.ru

Вертаев Алексей Вячеславович директор, ООО «Эндокарбон»

E-mail: vertaev@mail.ru

Ксенофонтов Михаил Анатольевич

ассистент, кафедра травматологии, ортопедии и военно-экстремальной медицины, Медицинский институт, Пензенский государственный университет

E-mail: MAKsenofontov@mail.ru

Mitroshin Aleksandr Nikolaevich Doctor of medical sciences, professor, director of the Medical Institute, Penza State University

Kibitkin Andrey Stanislavovich

Senior lecturer, sub-department of traumatology, orthopedics and military medicine, Medical Institute, Penza State University (40 Krasnaya street,

Penza, Russia)

Vertaev Aleksey Vyacheslavovich Director of “Endocarbon” Ltd.

Ksenofontov Mikhail Anatol'evich Assistant, sub-department of traumatology, orthopedics and military medicine,

Medical Institute, Penza State University

УДК 617-089.844 Митрошин, А. Н.

Углеродная пара трения в эндопротезировании крупных суставов человека / А. Н. Митрошин, А. С. Кибиткин, А. В. Вертаев, М. А. Ксенофонтов // Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Медицинские науки. - 2014. - № 1 (29). - С. 21-26.