Скрябин владимир Леонидович новые углеродные материалы в реконструктивной хирургии костей и суставов

Вид материала

Автореферат

Содержание Экспериментальные исследования.

Подобный материал:

• А. В. Каплан повреждения костей и суставов, 4718.34kb.
• Стандарт медицинской помощи больным злокачественным новообразованием костей, суставов, 784.39kb.
• Методика исследования костной системы и суставов, 263.18kb.
• Программа по пластической и реконструктивной хирургии предназначена для цикла тематического, 218.61kb.
• Программа по пластической и реконструктивной хирургии предназначена для цикла тематического, 287.62kb.
• Основные направления программы Организация оказания хирургической помощи раненым, 54.84kb.
• Углеродные наноматериалы (Фуллерены, нанотрубки и материалы на их основе) симпозиум, 518.27kb.
• Опыт использования отечественных титановых имплантатов в реконструктивной хирургии, 69.42kb.
• 6-ая Международная конференция, 95.18kb.
• А. В. Гераськин 20 г. Расписание, 48.55kb.

Экспериментальные исследования.

Изучение продольных деформаций кортикального слоя бедренной кости. С целью исследования распределения нагрузок на границе кость-имплантат совместно с кафедрой теоретической механики Пермского государственного технического университета была построена компьютерная модель поведения костной ткани при контакте с материалами, имеющими различный модуль упругости. Для построения такой модели использовали метод конечных элементов. Экспериментальные исследования по распределению нагрузок в костной ткани при имплантации ножки эндопротеза тазобедренного сустава проводили на стендах лаборатории механики сплошных сред на испытательном приборе 1925ПА-10М.

Влияние напряжённо – деформированного состояния системы кость – имплантат на процессы, происходящие в кортикальном слое бедренной кости, их количественная оценка изучены на модели эндопротеза тазобедренного сустава. Исследуемая область имеет сложную геометрическую форму и неоднородное распределение анизотропных механических свойств, поэтому для определения пространственного напряженно-деформированного состояния системы кость-имплантат применим метод конечных элементов. С помощью построенной пространственной конечно-элементной модели системы бедро-эндопротез были рассчитаны поля продольных деформаций бедренной кости. Для расчета напряженно-деформированного состояния данной системы с помощью метода конечных элементов использованы следующие параметры конечно-элементной аппроксимации: количество элементов – 54128; количество узлов – 84546. Механическое поведение системы, описывается следующими уравнениями линейной теории упругости:

, (1)

, (2)

, (3)

, (4)

, (5)

, (6)

где , ,   тензор напряжений;    тензор упругих деформаций;  – тензор упругих свойств.

Для проверки адекватности построенной модели было проведено исследование продольных деформаций наружного слоя бедренной кости при воздействии на нее вертикальной нагрузки 3000N. В результате проведенного эксперимента, были получены данные о перемещениях в 40 участках бедренной кости. Анализ результатов эксперимента показал линейно-упругое поведение системы бедро-имплантат при внешних нагрузках, аналогичное компьютерному прогнозированию. Совпадение данных стендовых испытаний и результатов, полученных методом конечных элементов напряжённо-деформированного состояния системы эндопротез–кость для металлических имплантатов, позволили построить виртуальную модель взаимодействия ножки протеза тазобедренного сустава с изоэластичными свойствами костной ткани. Оказалось, что нагрузки на кость в области конца изоэластичной ножки протеза значительно превышают критический порог. Это ведёт к резорбции кости вокруг имплантата.

Была создана обратная математическая модель, при которой нагрузки вокруг ножки протеза распределяются равномерно. Таким условиям отвечает конструкция ножки протеза с переменным модулем упругости, низким на конце ножки протеза и высоким в её средней части.

Таким образом, математическая модель поведения костной ткани при взаимодействии с металлической ножкой протеза тазобедренного сустава показала, что образуются участки, где давление на костную ткань значительно повышается. Зоны резорбции костной ткани в клинической практике совпадают с математическим моделированием в эксперименте. Ножка эндопротеза с изоэластическими свойствами также ведёт к возникновению в окружающей кости зон повышенной концентрации напряжений, создавая угрозу нестабильности системы кость-имплантат. Математическое моделирование показало, что равномерное распределение нагрузок вокруг ножки протеза возможно при условии переменной жёсткости имплантата. Композиционная структура углеродного материала позволяет создавать имплантаты, в которых модуль упругости меняется на протяжении. Следующим шагом стало изучение возможности применения углеродных материалов in vivo.

Экспериментальный этап работы на животных выполнялся на базе Центральной научно-исследо­вательской лаборатории и на кафедре топографической анатомии и оперативной хирургии Пермской государственной медицинской академии им. ак. Е.А. Вагнера. ВПЯУ изучался на 15 беспородных собаках весом от 4 до 8 кг. УУКМ исследовали на 60 кроликах весом от 1,5 до 3-х кг. Все оперативные вмешательства у животных были выполнены под общим обезболиванием. Эксперимент проведён в соответствии с Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментальных или иных научных целей (Страсбург, 1986).

Вы­полнено 2 серии опытов. В первой серии граница кость-имплантат изучалась при имплантации высокопористого ячеистого углерода. Для изучения взаимодействия ВПЯУ и кости в мыщелках бедренной кости собаки формировали дефект размерами 1,5х 1 см, куда имплантировали блок пористого углерода. Во второй серии изучали УУКМ. Были выполнены та­кие варианты имплантации, как накостная фиксация пластин и внутрикостное введение стержней. Препараты, представляющие собой прочный костно-углеродный блок исследовали в отраженном свете оптического микроскопа на установке «Олимпус» (Япония). 18 шлифов были изучены под электронным сканирующим микроскопом при увеличении до 1500 крат с предварительным серебрением.