Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 21, №1, 2020

Експериментальне дослідження механічних властивостей матеріалів у вигляді гранул та чипсів для заповнення кісткових дефектів

Авторы: Філіпенко В.А., Мезенцев В.О., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. Одним з ускладнень при виконанні ендопротезування є наявність кісткових дефектів у зоні встановлення компонентів ендопротеза. Цей факт негативно впливає на міцність їх фіксації та взаємоорієнтацію між компонентами ендопротеза та кістками. Для заповнення таких дефектів використовують авто- або алокістку, цемент, кераміку, метал, вуглець, полімери та ін. Для заповнення відносно невеликих дефектів використовують ці матеріали у вигляді сипучої субстанції: чипси, гранули. Але міцнісні властивості матеріалів у вигляді гранул та чипсів значно відрізняються від цільного блоку з того ж матеріалу. Мета: вивчити в експерименті механічні властивості матеріалів у вигляді гранул та чипсів для заповнення кісткових дефектів. Матеріали та методи. Досліджували такі матеріали: губчасту кістку, гідроксилапатитну кераміку, біфазну кераміку, та суміші: кортикальна + губчаста кістка, гідроксилапатитна кераміка + губчаста кістка, біфазна кераміка + губчаста кістка. Усі матеріали були представлені у вигляді кулеподібних гранул діаметром 6–8 мм. Під час експерименту випробували по 5 зразків кожного матеріалу. Результати. У результаті проведеного експериментального дослідження було отримано значення величин просадки сипучих матеріалів для заповнення кісткових дефектів під впливом стискаючого навантаження та розраховано величини відносної деформації для кожного матеріалу. Проведений дисперсійний аналіз засвідчив, що за показниками відносної деформації матеріали, які досліджували, статистично значущо відрізнялись один від одного при кожній величині навантаження. Це можна пояснити великою різницею міцнісних властивостей кераміки та кісткової тканини, що може призводити до часткового руйнування кісткових гранул під впливом великих стискаючих навантажень. Висновки. Результати проведеного дослідження показали, що під впливом стискаючих навантажень серед досліджених сипучих заповнювачів кісткових дефектів найменшу величину відносної деформації показали кулі з гідроксилапатитної (6,37 %) та біфазної (10,2 %) кераміки. Найбільшу відносну деформацію показали заповнювачі на основі кісткової тканини губчастої (до 17,46 %) та кортикально-губчастої (до 16,89 %). Кістково-керамічна суміш за величиною відносної деформації (15,71 %) займає проміжну позицію, але позицію ближче до заповнювачів із кісткової тканини.

Актуальность. Одним из осложнений при выполнении эндопротезирования является наличие костных дефектов в зоне установки компонентов эндопротеза. Этот факт негативно влияет на прочность их фиксации и взаимоориентацию между компонентами эндопротеза и костями. Для заполнения таких дефектов используют ауто- или аллокость, цемент, керамику, металл, углерод, полимеры и др. Для заполнения относительно небольших дефектов используют эти материалы в виде сыпучей субстанции: чипсы, гранулы. Но прочностные свойства материалов в виде гранул и чипсов значительно отличаются от цельного блока из того же материала. Цель: изу-чить в эксперименте механические свойства материалов в виде гранул и чипсов для заполнения костных дефектов. Материалы и методы. Исследовали такие материалы: губчатую кость, гидроксилапатитную керамику, бифазную керамику, и смеси: кортикальная + губчатая кость, гидроксилапатитная керамика + губчатая кость, бифазная керамика + губчатая кость. Все материалы были представлены в виде шарообразных гранул диаметром 6–8 мм. В эксперименте испытывали по 5 образцов каждого материала. Результаты. В результате проведенного экспериментального исследования были получены значения величин просадки материалов для заполнения костных дефектов под влиянием сжимающей нагрузки и рассчитаны величины относительной деформации для каждого материала. Проведенный дисперсионный анализ показал, что по показателям относительной деформации исследуемые материалы статистически значимо отличались друг от друга при каждой величине нагрузки. Выводы. Результаты проведенного исследования показали, что под воздействием сжимающих нагрузок среди исследованных сыпучих заполнителей костных дефектов наименьшую величину относительной деформации показали гранулы из гидросилапатитной (6,37 %) и бифазной (10,2 %) керамики. Наибольшую относительную деформацию показали заполнители на основе костной ткани губчатой (до 17,46 %) и кортикально-губчатой (до 16,89 %). Костно-керамическая смесь по величине относительной деформации (15,71 %) занимает промежуточную позицию, но ближе к заполнителям из костной ткани.

Background. One of the complications when performing endoprosthetics is the presence of bone defects in the installation area of the components of the endoprosthesis. This fact negatively affects the strength of their fixation and mutual orientation between the components of the endoprosthesis and the bones. Auto or allograft bone, cement, ceramics, metal, carbon, polymers, etc. are used to fill such defects. To fill relatively small defects, these materials are used in the form of granular substance: chips, granules. But the strength properties of materials in the form of granules and chips significantly differ from a solid block of the same material. Purpose: to study experimentally the mechanical properties of materials in the form of granules and chips for filling bone defects. Materials and methods. The materials studied were: spongy bone, hydroxyapatite ceramics, biphasic ceramics, and cortical + spongy bone mixtures, hydroxyapatite ceramics + spongy bone, biphasic ceramics + spongy bone. All materials were presented in the form of spherical granules with a diameter of 6–8 mm. In the experiment, 5 samples of each material were tested. For research, the materials were filled into a 35-mm high steel cylinder and 16-mm internal diameter. The samples were tested for compression. The load was carried out with a steel cylindrical rod with a diameter of 15 mm. The loads were increased from 0 to 400 N. The deformation values of the samples were fixed at the following load values: 150, 200, 250, 300, 350, and 400 N. Results. As a result of the experimental study, the values of the material sagging values for filling bone defects under the influence of a compressive load were obtained and the relative strain values for each material were calculated. The analysis of variance performed showed that, according to the relative deformation indices, the stu-died materials statistically significantly differed from each other at each load value. The magnitudes of the relative deformation of the materials to fill the bone defects were determined by the modulus of their total elasticity, which will be used in further studies of the stress-deformed state of the system “bone-filler defect-endoprosthesis” by the method of finite elements. Сonclusions. The results of the study showed that under the influence of compressive loads among the studied loose aggregates of bone defects, granules of hydroxyapatite (6.37 %) and biphasic (10.2 %) ceramics showed the lowest relative deformation. The greatest relative deformation was shown by placeholders based on spongy bone tissue (up to 17.46 %) and cortical spongy bone (up to 16.89 %). The bone-ceramic mixture in terms of relative strain (15.71 %) holds an intermediate position, but closer to the bone aggregates.

Ключевые слова

заповнення кісткових дефектів; гранульовані матеріали; механічні властивості

заполнение костных дефектов; гранулированные материалы; механические свойства

filling of bone defects; granular materials; mechanical properties

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.1.21.2020.197795

Вступ

Сьогодні ендопротезування стало стандартом у лікуванні наслідків травм та захворювань суглобів. Одним з ускладнень при виконанні оперативного втручання є наявність кісткових дефектів у зоні встановлення компонентів ендопротеза. Цей факт негативно впливає на міцність їх фіксації та взаємоорієнтацію між компонентами ендопротеза та кістками. Для заповнення таких дефектів використовують авто- або алокістку [1], цемент [2] кераміку, метал [3, 4], вуглець [4–9], полімери [10, 11] та ін. [1, 12–14]. Для заповнення відносно невеликих дефектів використовують ці матеріали у вигляді сипучої субстанції: чипсів, гранул. Але міцнісні властивості сипучих матеріалів значно відрізняються від цільного блоку з того ж матеріалу.

Мета: вивчити в експерименті механічні властивості матеріалів для заповнення кісткових дефектів у вигляді гранул та чипсів.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» були проведені експериментальні дослідження величин відносної деформації різних заповнювачів кісткових дефектів у вигляді гранул та чипсів. Досліджували таки матеріали: губчасту кістку, гідроксил-апатитну кераміку, біфазну кераміку, та суміші: кортикальна + губчаста кістка, гідроксилапатитна кераміка + губчаста кістка, біфазна кераміка + губчаста кістка. Усі матеріали були представлені у вигляді кулеподібних гранул діаметром 6–8 мм. Під час експерименту випробували по 5 зразків кожного матеріалу. Механічна схема експерименту наведена на рис. 1.

Для проведення досліджень матеріали засипали в сталевий циліндр вишиною 35 мм та внутрішнім діаметром 16 мм. Проводили випробування зразків на стискання. Навантаження здійснювали сталевим циліндричним штоком діаметром 15 мм. Навантаження збільшували від 0 до 400 Н. Величину деформації зразків фіксували при таких величинах навантаження: 150, 200, 250, 300, 350 та 400 Н.

Величину навантаження вимірювали за допомогою тензодинамометричного датчика SBA-100L та результати фіксували пристроєм реєстрації даних CAS типу CI-2001A (рис. 2).

Величину деформації зразків вимірювали за допомогою мікрометричного індикатора часового типу.

Величину відносної деформації зразків визначали за формулою [15]:

де L — початкова довжина зразка; ∆l — величина деформації зразка.

Отримані експериментальні дані були оброблені статистично методами описової статистики (середнє (М) та стандартне відхилення (SD)), порівняльний аналіз виконували методом однофакторного дисперсійного аналізу (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана. Розрахунки проводили в пакеті статистичних програм SPSS 20.0 [16].

Результати та обговорення

У результаті проведеного експериментального дослідження було отримано значення величин просадки матеріалів для заповнення кісткових дефектів у вигляді гранул та чипсів під впливом стискаючого навантаження та розраховано величини відносної деформації для кожного матеріалу, які зведено в табл. 1.

Проведений дисперсийний аналіз ANOVA засвідчив, що за показниками відносної деформації матеріали, що досліджували, статистично значущо відрізнялись один від одного при кожній величині навантаження.

Більш наочне уявлення про зміни величини відносної деформації матеріалів під впливом стискаючого навантаження можна отримати за допомогою графіка, що наведений на рис. 3.

Як видно на графіку, найбільший приріст величини відносної деформації спостерігається при малих величинах навантаження, що може бути результатом упорядкування гранул сипучих матеріалів під тиском. Із збільшенням величини стискаючого навантаження приріст деформації всіх матеріалів уповільнюється, що говорить про поступове включення механічних властивостей матеріалу до опору навантаження.

Дисперсійний аналіз з апостеріорним тестом Дункана дозволив визначити статистично значущі відмінності між матеріалами при кожній величині навантаження.

У табл. 2 наведені результати порівняльного аналізу величини деформації зразків при навантаженні в 150 Н.

Апостеріорний тест Дункана розподілив усі матеріали на окремі підгрупи, що є доказом наявності статистично значущої різниці між величинами відносної деформації цих матеріалів під впливом навантаження в 150 Н.

Результати порівняльного аналізу величини деформації зразка при навантаженні в 200 Н, за даними апостеріорного тесту Дункана, наведені в табл. 3.

За даними апостеріорного тесту Дункана, при навантаженні в 200 Н всі матеріали статистично значущо відрізняються один від одного за величиною відносної деформації.

До табл. 4 зведено результати порівняльного аналізу величини деформації зразка при навантаженні в 250 Н.

Під впливом стискаючого навантаження в 250 Н величини відносних деформацій всіх матеріалів мають статистично значущі відмінності, про що свідчить їх розташування в окремих підгрупах за результатами апостеріорного тесту Дункана.

З результатами порівняльного аналізу величини деформації зразків при стискаючому навантаженні величиною 300 Н можна ознайомитись за допомогою табл. 5.

Дисперсійний аналіз з апостеріорним тестом Дункана визначив статистичну значущість відмінностей на рівні 5% похибки між всіма матеріалами за критерієм відносної деформації при навантаженні в 300 Н.

У табл. 6 наведені результати порівняльного аналізу величини деформації зразків при навантаженні в 350 Н.

Апостеріорний тест Дункана розподілів всі матеріали на окремі підгрупи, що є доказом наявності статистично значущої різниці між величинами відносної деформації цих матеріалів під впливом навантаження в 350 Н.

Результати порівняльного аналізу величини деформації зразка при навантаженні в 400 Н за даними апостеріорного тесту Дункана наведені в табл. 7.

Порівняльний аналіз величин відносної деформації зразків різних матеріалів при максимальному навантаженні в 400 Н не став винятком із загальної картини, традиційно розподіливши всі матеріали на окремі підгрупи, що свідчить про наявність статистичної значущості між ними.

Таким чином, результати проведеного дослідження показали, що під впливом стискаючих навантажень серед досліджених заповнювачів кісткових дефектів у вигляді гранул та чипсів найменшу величину відносної деформації показали кулі з гідроксилапатитної (6,37 %) та біфазної (10,2 %) кераміки. Найбільшу відносну деформацію показали заповнювачі на основі губчастої (до 17,46 %) та кортикально-губчастої (до 16,89 %) кісткової тканини. Кістково-керамічна суміш за величиною відносної деформації (15,71 %) займає проміжну позицію, але позицію ближче до заповнювачів із кісткової тканини. Це можна пояснити великою різницею міцнісних властивостей кераміки та кісткової тканини, що може призводити до часткового руйнування кісткових гранул під впливом великих стискаючих навантажень.

Для подальшого моделювання напружено-деформованого стану системи «кістка — заповнювач — ендопротез» при заповненні дефектів різними матеріалами у вигляді гранул та чипсів нам необхідно визначити їх загальний модуль пружності, отже, цей показник при використанні матеріалу в сипучому вигляді значно відрізняється від аналогічного для цільного блоку.

Згідно з [1] модуль пружності є тангенсом кута нахилу прямої, яка характеризує залежність величини відносної деформації матеріалу від величини стискаючого навантаження (рис. 4).

Математично це можна визначити як відношення величини сили до величини викликаної нею деформації зразка матеріалу, поділене на площу його перетину:

де F — максимальна величина сили, що прикладена до зразка; S — площа перетину зразка; ε — величина відносної деформації, яка викликана прикладеною силою.

Після проведення відповідних розрахунків на підставі даних, отриманих в експерименті, були визначені величини модуля пружності для всіх матеріалів заповнювачів кісткових дефектів. Результати розрахунків наведено в табл. 8.

Таблиця 8. Величини модуля загальної пружності матеріалів заповнювачів кісткових дефектів

Таким чином, на підставі даних про величини відносної деформації матеріалів для заповнення кісткових дефектів були визначені величини модуля їх загальної пружності, які будуть використані в подальших дослідженнях напружено-деформованого стану системи «кістка — заповнювач дефекту — ендопротез» методом скінченних елементів.

Висновки

Результати проведеного дослідження показали, що під впливом стискаючих навантажень серед досліджених заповнювачів кісткових дефектів у вигляді гранул та чипсів найменшу величину відносної деформації показали кулі з гідросилапатитної (6,37 %) та біфазної (10,2 %) кераміки. Найбільшу відносну деформацію показали заповнювачі на основі губчастої (до 17,46 %) та кортикально-губчастої (до 16,89 %) кісткової тканини. Кістково-керамічна суміш за величиною відносної деформації (15,71 %) займає проміжну позицію, але позицію ближче до заповнювачів із кісткової тканини.

Конфлікт інтересів. Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів та власної фінансової зацікавленості при підготовці даної статті.

Список литературы

1. Карпинский М.Ю., Суббота И.А., Карпинская Е.Д., Зацепин А.В. Механические свойства метафизарной кости после заполнения дефекта имплантатом Тутопласт. Медицина и ... 2008. № 3(21).

2. Філіпенко В.А., Карпінський М.Ю., Бондаренко С.Є. та ін. Міцність кістково-металевого блока для різних типів поверхонь імплантатів за умов нормального стану кісткової тканини та при моделюванні остеопорозу в експерименті на щурах. Травма. 2016. № 4. С. 60-65. DOI: 10.22141/1608-1706.4.17.2016. 77491.

3. Філіпенко В.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Міцність кістково-металевого блоку для різних типів поверхонь імплантатів за умов нормального стану кісткової тканини та остеопорозу в щурів. Ортопедия, травматология и протезирование. 2016. № 1. С. 72-77. DOI: 10.15674/0030-59872016172-77.

4. Климовицький В.Г., Хадрі Вадид, Гончарова Л.Д. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2009. Т. 11. № 1.

5. Іванов Г.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Вивчення впливу матеріалу імплантатів на деструктивні процеси у хребцевих сегментах. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня 2010. С. 95.

6. Іванов Г.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Вивчення змін у суміжних хребцевих сегментах при імплантації різних матеріалів. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня, 2010. С. 96.

7. Ашукіна Н.О., Іванов Г.В., Карпінський М.Ю. та ін. Вивчення реакції шкіри та кісткової тканини на введення вуглецевого імплантату. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня, 2010. С. 97.

8. Дедех Н.В., Карпинский М.Ю., Чжоу Лу, Малышкина С.В. Регенерация и механическая прочность кости в условиях имплантации углеродного материала. Ортопедия, травматология и протезирование. 2016. № 3. С. 41-47. DOI: 10.15674/0030-59872016341-47.

9. Хвисюк О.М., Павлов О.Д., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. Дослідження тривалості збереження жорсткості фіксації кісткових уламків біодеградуючими накістковими пластинами на основі полілактиду. Травма. 2018. Т.19. № 5. С. 102-109. DOI: 10.22141/1608-1706.5.19.2018.146652.

10. Стойко И.В., Бэц Г.В., Бэц И.Г., Карпинский М.Ю. Исследование механических свойств материалов для функциональной стабилизации при переломе пилона. Клінічна хірургія. 2014. С. 45-48.

11. Продан А.И., Грунтовский Г.Х., Попов А.И. и др. Биомеханическое обоснование оптимального состава композитного материала для чрескожной вертебропластики. Хирургия позвоночника. 2006. № 2.

12. Дегтярь В.А., Зацепин А.В., Карпинский М.Ю. и др. Экспериментальное исследование прочности костной ткани после заполнения костного дефекта биоимплантатами тутопласт. Медицина и ... 2007. № 3–4(18). С. 31-35.

13. Карпинский М.Ю., Суббота И.А., Карпинская Е.Д., Попов А.И. Экспериментально-теоретическое обоснование состава композитного материала для заполнения костных дефектов. Медицина и ... 2008. № 3(21).

14. Карпинский М.Ю., Нехлопочин А.С., Нехлопочин С.Н. и др. Особенности напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника при замещении тел позвонков искусственными имплантатами разных конструкций. Травма. 2016. № 3. С. 22-23.

15. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. Москва: Высшая школа, 2000. 560 с.

16. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. Санкт-Петербург: Питер, 2011. 400 с.