Журнал «Травма» Том 11, №1, 2010

Особливу проблему сьогодення складає лікування переломів довгих кісток, у тому числі і патологічних, у хворих похилого віку та особливо на фоні остеопорозу [1,2]. Переломи кісток кінцівок у літніх людей позбавляє пацієнтів можливості вести звичайний спосіб життя, різко порушують якість життя. У зв'язку з цим на порядку денному сучасної ортопедії гостро стоїть питання про надійне з’єднання кісткових відламків при патологічних переломах кісток кінцівок. Це питання досить добре вирішується при діафізарних переломах за рахунок блокованого остеосинтезу [3,4]. Що стосується метадіафізарних та метафізарних переломів, то тут завдання є більш складним [5-7]. В умовах остеопорозу при зменшенні мінеральної щільності кісткової тканини навіть поява сучасних методик накісткового остеосинтезу з використанням імплантатів з кутовою стабільністю гвинтів не може у повні мірі забезпечити стабільність фіксації фрагментів кісток на тривалий строк, можливість раннього функціонального навантаження кінцівки та швидкого відновлення м’язової активності до рівня, що передував операції. Ці питання досить успішно вирішує комбінований остеосинтез вуглецевими імплантатами.

Зазначені біоматеріали мають виконувати різні функції. По-перше, це надійне з’єднання кісткових фрагментів, причому надійність цього з’єднання повинна мати значний запас міцності і не може бути втрачена з часом. Ця вимога для хворих похилого віку дуже важлива, тому що імплантати часто залишаються в організмі людини похилого віку до кінця життя.

По-друге, це відновлення опороздатності верхньої кінцівки якомога швидше, в ідеалі відразу ж після операції. Ця вимога є також не менш важливою, тому що літнім пацієнтам після великих травматичних операцій відновлена опороздатність кінцівки дає змогу самообслуговування, що значно покращує якість життя. По-третє, це питання про біологічну сумісність імплантату. Якщо мова йдеться про остеосинтез у літніх хворих, імплантат повинен знаходитись у тканинах організму людині тривалий час, часто до кінця життя, тому питання про біологічну сумісність та біологічну інертність матеріалу, з якого виготовлено імплантат, стають дуже важливими.

Аналіз літературних джерел та власний досвід використання вуглецевих імплантатів на основі віскози [8-10] показав, що їхня механічна міцність недостатня для використання при остеосинтезі метафізарних переломів. Тому метою досліджень було обґрунтування використання модифікованого вуглецевого матеріалу для виготовлення імплантатів для остеосинтезу метафізарних переломів.

Матеріал і методи

Метафізарні відділи довгих кісток мають складну геометричну форму, тому використання запропонованих раніше імплантатів було неможливим. Імплантати мали відтворювати геометрію кістки, тобто повинні були фігурні пластини.

Головним елементом різних структур вуглецевих композиційних матеріалів є шар, що складається із паралельно орієнтованих елементів: волокон, ниток, джгутів. Особливості орієнтації волокон у матриці обумовлюють анізотропію властивостей конструкції та відповідно - розподіл напружень в елементах конструкції

Основним недоліком вуглецевих ниток на основі віскози можна вважати їх відносно невисоку механічну міцність та щільність. З іншого боку, віскозні волокна мають відносно невеликий модуль пружності, що дозволяє досить легко формувати фігурні конструкції майже без втрат міцносних властивостей волокон.

Більш перспективними, з точки зору міцності, можуть бути вуглецеві волокна на основі поліакрілонітрилу (ПАН), пеків та інші синтетичні вуглецеві волокна. Вуглецеві волокна на основі ПАН мають міцність у кілька разів вищу, ніж вуглецеві волокна на основі віскози. Однак при цьому суттєво підвищується і модуль пружності. Практично це призводить до того, що навіть при одноразовому перегині джгута із вуглецевого волокна на основі ПАН велика кількість (або навіть всі) елементарних волокон руйнується, що призводить до суттєвої втрати механічної міцності джгута, або до його розриву. Це значно ускладнює процес створення фігурних конструкцій та імплантатів складної форми із такого волокна.

ІФТТМТ ННЦ ХФТІ було розроблено та запропоновано для використання в ортопедії та травматології новий клас вуглецевих матеріалів – уточно в’язаний трикотаж на основі ПАН та віскозних волокон. Такий матеріал являє собою джгути ПАН-волокон, розташовані по утку, що зв’язані між собою віскозною ниттю, розташованою по основі. У запропонованому матеріалі джгути ПАН-вуглецевого волокна розташовані прямо, без перегинів, а всі перегини припадають на долю віскозної нитки, яка такі перегини витримує.

На наш погляд, запропоновані модифіковані вуглець-вуглецеві композиційні структури мають поєднувати високу механічну міцність та досить великий ступінь пластичності. Для перевірки цих властивостей найбільш демонстративним, на наш погляд, є метод визначення межи міцності на згинання.

Для проведення експериментів із кожного матеріалу були механічно вирізані зразки діаметром 14 мм та довжиною 65 мм. Такі ж зразки були вирізані і з контрольного матеріалу на основі віскозного вуглецевого матеріалу «Урал-Т22». Дослідження проводилися у відділі фізики радіаційних явищ та радіаційного матеріалознавства ІФТТМТ ННЦ ХФТІ на розривній машині 1246Р-2/2003. Швидкість навантаження була встановлена на рівні 1 мм/хв.

Результати та обговорення

На рисунку наведені типові діаграми навантаження та характер руйнування зразків.

Зведені результати досліджень механічної міцності представлені у таблиці.

Аналізуючи отримані результати (рис.), можна зробити висновки, що:

• запропонована структура уточновов’язаного трикотажу забезпечує створення матеріалу, у якому ПАН-вуглецеві джгути розташовані без перегинів, тобто зберігають свою цілісність і механічну міцність;
• віскозна вуглецева нитка не тільки зв’язує між собою джгути, але й забезпечує утворення зазорів, необхідних для проникнення вуглеводневого газу у преформу. Використовуючи джгути різної товщини, можливо регулювати ці зазори.

Результати, наведені на рисунку та у таблиці, свідчать, що запропонований модифікований матеріал не тільки має покращенні механічні властивості, але й має місце принципова зміна характеру руйнування матеріалу. При досягненні межи міцності при вигині в матеріалі починається ступеневе руйнування (розрив) окремих джгутів. Але при цьому зразки зберігають свою цілісність та працездатність. Після зняття навантаження деформація зразків зменшується майже до початкового рівня. Таким чином, запропонований матеріал може бути досить перспективним для виготовлення імплантатів.

Висновки

Аналіз літературних даних свідчить, що на даний час найбільш популярними є методи фіксації метафізарних та метадіафізарних переломів за допомогою різних видів пластин. Результати остеосинтезу пластинами задовольняють хірургів, але експериментальні дослідження часто вказують на те, що біомеханічні показники інтрамедулярних фіксаторів кращі. Їх застосування обмежують технічні труднощі фіксації стержня, ризик його проникнення в суглоб і невідповідність між діафізарним і метафізарним діаметрами кістковомозкового каналу. Щодо остеосинтезу переломів зазначеної локалізації за допомогою пластин, то досить перспективною є оптимізація малоінвазивних систем стабілізації [5-7]. Розроблено новий модифікований вуглецевий матеріал на основі віскози та поліакрілонітрилу, що поєднує у собі переваги попередніх аналогів.

Дослідження механічних властивостей зразків модифікованого вуглецевого матеріалу показало, що імплантаційний матеріал, у якому ПАН-вуглецеві джгути розташовані без перегинів, має більшу механічну міцність у порівнянні з віскозним та ступеневий характер руйнування. Розроблений модифікований вуглецевий матеріал довше зберігає свою цілісність та працездатність, тобто довше чинить опір руйнуючим навантаженням. Виготовлені з модифікованого матеріалу конструкції можуть відтворювати геометрію метафізарного відділу кістки.

Модифікований вуглецевий матеріал завдяки своїм механічним властивостям та особливостям використання може бути досить перспективним для виготовлення імплантатів.