Мобильная версия

Журнал «Травма» Том 21, №1, 2020

Експериментальні дослідження міцнісних характеристик міжтілових кейджів із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу

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

Рубрики: Травматология и ортопедия

Разделы: Клинические исследования

Актуальність. При хірургії хребта для виконання міжтілового спондилодезу використовують переважно титанові імплантати, що бувають цільними або складаються з декількох сегментів. Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але й комп’ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ). На КТ у післяопераційному періоді з використанням металоконструкції визначається ефект збільшення жорсткості випромінювання або розмите зображення, а на МРТ — артефакт магнітної сприйнятності. Одним із перспективних матеріалів, що відповідає вимогам біосумісності, міцнісним властивостям та не має протипоказань для променевої діагностики, є вуглець-вуглецевий композит. Мета: вивчити в експерименті міцнісні характеристики міжтілових кейджів різних конструкцій із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. Матеріали та методи. Проведене експериментальне дослідження міцнісних властивостей міжхребцевих імплантатів для заміщення видалених хребців. Усі імплантати були виготовлені з вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. Було досліджено чотири типи фіксаторів хребців по три зразки: різьбове з’єднання гвинта зі стаканом, штифт з опорою на шайби, штифт з опорою на шплінт, штифт із закріпленням кістковим цементом. Результати. Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що конструкції з різьбовим з’єднанням витримують навантаження 956,7 ± 165,0 Н. Основною поломкою є зрізання різьби та просідання гвинта. Зразки з 1 шайбою розширення витримують найбільше навантаження до руйнування 5000,0 ± 150,0 Н, із 2 шайбами розширення були зруйновані навантаженням 4250,0 ± 88,9 Н, із 3 шайбами — при навантаженні 3083,3 ± 160,7 Н, тобто кожна додаткова шайба розширення в конструкції статистично значущо зменшує величину руйнівного навантаження. Зразки зі шплінтом витримують руйнівне стискаюче навантаження в середньому величиною 2833,3 ± 208,2 Н, яке призводило до розтрощування стакана майже навпіл саме шплінтом, що викликало просідання штифта. Випробування зразків без шплінта показали, що вони здатні витримати статистично значущо більше руйнівне навантаження в 5100,0 ± 100,0 Н. Найбільше стискаючі навантаження витримують цілісні конструкції, які не мають дрібних конструктивних елементів — різьби чи шплінта. Випробування зразків із цементом показали, що при розсуванні на 5 та 7 мм не відбулося ніяких руйнівних змін при максимально можливому для експериментальної установки навантаженні в 6000 Н. Висновки. Найгіршими виявилися конструкції з різьбовим з’єднанням, конструкції зі шплінтом витримували втричі більше навантаження до руйнування. І хоча різьбові конструкції вважаються доволі міцними, особливості матеріалу (вуглець) не відповідають вимогам, які надають різьбовим з’єднанням. Вуглецеві матеріали доволі крихкі, тому і конструкції зі шплінтом також виявилися недосконалими. Конструкції з шайбами розширення показали себе доволі непогано, але збільшення висоти розширення імплантату призводило до зменшення міцності конструкції і, як наслідок, зменшення здатності витримувати навантаження. Цілісні конструкції виявилися найбільш витривалими, а додаткова міцність, надана цементом, перетворила їх у монолітні надміцні вироби.

Актуальность. При хирургии позвоночника для межтелового спондилодеза используют преимущественно титановые имплантаты, которые бывают цельными или состоят из нескольких частей. Для онкоконтроля используют не только лабораторные методы обследования, но и компьютерную томографию (КТ) и магнитно-резистентную томографию (МРТ). На КТ в послеоперационном периоде с использованием металлоконструкции определяется эффект увеличения жесткости излучения или размытое изображение, а на МРТ — артефакт магнитной восприимчивости. Одним из перспективных материалов, который соответствует требованиям биосовместимости, прочностным свойствам и не имеет противопоказаний для лучевой диагностики, является углерод-углеродный композит. Цель: изучить в эксперименте прочностные характеристики межтеловых кейджей различных конструкций из углерод-углеродного композитного материала. Материалы и методы. Проведено экспериментальное исследование прочностных свойств межпозвонковых имплантатов для замещения удаленных позвонков. Все имплантаты были изготовлены из углерод-углеродного композитного материала. Было исследовано четыре типа фиксаторов позвонков по три образца: резьбовое соединение винта со стаканом, штифт с опорой на шайбы, штифт с опорой на шплинт, штифт с закреплением костным цементом. Результаты. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что конструкции с резьбовым соединением выдерживают нагрузки 956,7 ± 165,0 Н. Основной поломкой являются срезание резьбы и проседание винта. Образцы с 1 шайбой расширения выдерживают наибольшую нагрузку разрушения — 5000,0 ± 150,0 Н, с 2 шайбами расширения образцы были разрушены нагрузкой 4250,0 ± 88,9 Н, с 3 шайбами — при нагрузке 3083,3 ± 160,7 Н, то есть каждая дополнительная шайба расширения в конструкции статистически значимо уменьшает величину разрушающей нагрузки. Образцы со шплинтом выдерживают разрушительную сжимающую нагрузку в среднем 2833,3 ± 208,2 Н, которая приводила к разрушению стакана шплинтом, что вызвало проседание штифта. Испытания образцов без шплинта показали, что они способны выдержать статистически значимо большую разрушающую нагрузку в 5100,0 ± 100,0 Н. Больше всего сжимающие нагрузки выдерживают цельные конструкции, не имеющие мелких конструктивных элементов — резьбы или шплинта. Испытания образцов с цементом показали, что при раздвижении на 5 и 7 мм не произошли никакие разрушительные изменения при максимально возможной для экспериментальной установки нагрузке в 6000 Н. Выводы. Худшими оказались конструкции с резьбовым соединением, конструкции из шплинтов выдерживали втрое большую нагрузку до разрушения. И хотя резьбовые конструкции считаются довольно прочными, особенности материала (углерод), не соответствуют требованиям, которые предъявляют резьбовым соединениям. Углеродные материалы довольно хрупкие, поэтому и конструкции из шплинта также оказались несовершенными. Конструкции с шайбами расширения показали себя довольно неплохо, но увеличение высоты расширения имплантата приводило к уменьшению прочности конструкции, и как следствие, к уменьшению способности выдерживать нагрузки. Цельные конструкции оказались самыми выносливыми, а дополнительная прочность за счет цемента превратила их в монолитные сверхпрочные изделия.

Background. In spinal surgery for interbody fusion, titanium implants are used predominantly, they can be integral or consist of several parts. For cancer monitoring, not only laboratory examination methods are used, but also computed tomography and magnetic resonance imaging. On computed tomography in the postoperative period using metal structures, the effect of increasing the radiation hardness or blurry image is determined, and on magnetic resonance imaging — an artifact of magnetic susceptibility. One of the promising materials that meets the requirements of biocompatibility, strength properties and the absence of contraindications for radiation diagnosis is carbon-carbon composite. Purpose was to study in the experiment the strength characteristics of interbody cages of various designs made of carbon-carbon composite material. Materials and methods. An experimental study of the strength properties of intervertebral implants to replace removed vertebrae was carried out. All implants were made of carbon-carbon composite material. Four types of vertebral retainers of 3 specimens each were examined: a threaded connection of a screw with a cup, a pin with support on the washers, a pin with support on a cotter pin, a pin with fixation with bone cement. Results. An analysis of the obtained experimental data showed that structures with a threaded joint can withstand loads of 956.7 ± 165.0 N. The main breakdown is thread cutting and screw sagging. Samples with one expansion washer withstand the highest fracture load of 5000.0 ± 150.0 N, with 2 expansion washers, the samples were destroyed by a load of 4250.0 ± 88.9 N, with 3 washers — under a load of 3083.3 ± 160.7 N, that is, each additional expansion washer in the design statistically significantly reduces the value of the breaking load. Samples with a cotter pin withstand a destructive compressive load on average of 2833.3 ± 208.2 N, which led to the destruction of a cup with a cotter pin, which caused the pin to sag. Tests of samples without a cotter pin showed that they are able to withstand a statistically significantly greater breaking load of 5100.0 ± 100.0 N. Solid structures that do not have small structural elements — thread or cotter pin — withstand highest compressive loads. Tests of samples with cement showed that when spreading by 5 and 7 mm, there were no destructive changes at the maximum possible load of 6000 N for the experimental installation. Conclusions. Structures with a threaded connection turned out to be the weakest; constructions with a cotter pin withstood three times as much load before breaking. And although the threaded structures are considered quite durable, the features of the material (carbon) do not meet the requirements that are applied to threaded joints. Carbon materials are quite fragile, therefore, cotter pin designs also turned out to be imperfect. Designs with expansion washers proved to be quite good, but an increase in the expansion height of the implant led to a reduction in the structural strength and, as a result, to a decrease in the ability to withstand loads. The solid structures turned out to be the most durable, and the additional strength due to cement turned them into monolithic heavy-duty products.

Ключевые слова

вуглець-вуглецевий композитний матеріал; кейдж; міжтіловий спондилодез, міцність

углерод-углеродный композитный материал; кейдж; межтеловой спондилодез; прочность

carbon-carbon composite; cage; interbody fusion; durability

doi: http://dx.doi.org/10.22141/1608-1706.1.21.2020.197798

Вступ

При хірургії хребта для виконання міжтілового спондилодезу використовують переважно титанові імплантати, які бувають цільними або складаються з декількох сегментів. Інтерес становлять титанові кейджі, які дають можливість провести дистракцію оперованих сегментів та відновити опірність хребта.

Найпроблемніший контингент пацієнтів — хворі з новоутвореннями хребта, у яких після хірургічного лікування необхідно проводили контроль ділянки втручання.

Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але й комп’ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ). На КТ у післяопераційному періоді з використанням металоконструкції визначається ефект збільшення жорсткості випромінювання або розмите зображення, а на МРТ — артефакт магнітної сприйнятності [1]. Ці зображення не дозволяють визначити стан місця (ділянки) оперативного втручання (можливий рецидив пухлини). Але якщо транспедикулярна конструкція фіксує хребці, розташовані вище та нижче за зони ураження, то міжтіловий імплантат установлюється на місце ураженого хребця, і при дослідженні визначити, що навкруги імплантату та в хребцевому каналі, дуже складно, а іноді і неможливо. Отже, імплантати, окрім характеристик міцності та біосумісності, повинні відповідати вищезазначеним вимогам при дослідженні МРТ та КТ [2]. Одним із перспективних матеріалів, що відповідає вимогам біосумісності, міцнісним властивостям та не має протипоказань для променевої діагностики, є вуглець-вуглецевий композит [3–7].

Тому розробка нового телескопічного кейджа, котрий відповідає даним вимогам, є дуже актуальною.

Мета: вивчити в експерименті міцнісні характеристики міжтілових кейджів різних конструкцій із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу.

Матеріали та методи

У лабораторії біомеханіки ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України» було проведене експериментальне дослідження міцнісних властивостей міжхребцевих імплантатів для заміщення видалених хребців. Усі імплантати були виготовлені з вуглець-вуглецевого композитного матеріалу.

Конструкція складається з двох деталей: втулки у вигляді стакана та пересувного елемента, виконаного у вигляді гвинта або штифта з головкою.

Було досліджено чотири типи фіксаторів хребців:

1. Різьбове з’єднання гвинта зі стаканом (рис. 1а) — 3 зразки.

2. Штифт з опорою на шайби (1, 2 чи 3 шайби) (рис. 1б) — по 3 зразки.

3. Штифт з опорою на шплінт (рис. 1в) — 3 зразки.

4. Штифт із закріпленням кістковим цементом (рис. 1г) — 3 зразки.

Усі імплантати випробували під впливом стискаючого навантаження. Випробування проводили на стенді для біомеханічних досліджень. Стенд під час проведення випробувань препаратів та розрахункова схема експерименту наведені на рис. 2.

Під час експерименту визначали межу міцності імплантатів. Для цього стискаюче навантаження плавно підвищували до моменту руйнування імплантату. Величину навантаження в момент руйнування імплантату вимірювали за допомогою тензометричного датчика SBA-100L, контроль навантаження здійснювали пристроїм реєстрації CAS типу CI-2001A (рис. 3).

Для обробки отриманих експериментальних даних проводили статистичний аналіз. Розраховували середні (М) значення та його стандартне відхилення (SD). Порівняння параметрів між ступенями руйнування проводили для 2 вибірок за допомогою Т-тесту для незалежних вибірок, для більшої кількості вибірок — однофакторного дисперсійного аналізу (ANOVA) з апостеріорним тестом Дункана. Аналіз виконували в програмі IBM Statistic SPSS 20.0 [8].

Результати та обговорення

Випробуванням на руйнування першими були піддані зразки з різьбовим з’єднанням. Результати випробувань наведені в табл. 1.

Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що конструкції з різьбовим з’єднанням витримують навантаження 956,7 ± 165,0 Н. Основною поломкою є зрізання різьби та просідання гвинта. У подальшому від такої конструкції вирішено відмовитися.

Наступна конструкція — гладкий стакан та штифт, величину розширення імплантату регулюють за допомогою шайб, розташованих між краєм стакана й головкою штифта. Дані про величини максимально допустимих навантажень наведені в табл. 2.

Результати аналізу показали, що зразки з 1 шайбою розширення витримують найбільше навантаження до руйнування — 5000,0 ± 150,0 Н. Конструкції з 2 шайбами розширення були зруйновані навантаженням 4250,0 ± 88,9 Н, а з 3 шайбами — при навантаженні 3083,3 ± 160,7 Н. За даними дисперсійного аналізу, кожна додаткова шайба розширення в конструкції статистично значущо (F = 149,303; p < 0,001) зменшує величину руйнівного навантаження. У даній конструкції при навантаженні частіше руйнувалися шайби, у двох зразках була зруйнована головка гвинта.

Наступна конструкція, де як елемент фіксації довжини імплантату виступає металевий шплінт, що проходить через стакан й необхідний отвір штифта. А також ця ж конструкція мінімальної довжини без шплінта. Дані про величини максимально допустимих стискаючих навантажень для даної конструкції імплантату наведені в табл. 3.

Аналіз результатів експериментальних досліджень виявив, що зразки зі шплінтом витримують руйнівне стискаюче навантаження величиною в середньому 2833,3 ± 208,2 Н, що призводило до розтрощування стакана майже навпіл саме шплінтом, що викликало просідання штифта. Це можна пояснити тим, що все навантаження припадає саме на металевий шплінт, який має дуже малу площу перетину, що призводить до виникнення великих напружень навколо нього, які зростають пропорційно співвідношенню площі опор-ної поверхні імплантату і перетину шплінта. Початок руйнування конструкції припадає на навантаження величиною 1076,7 ± 232,5 Н. Випробування зразків без шплінта показали, що вони здатні витримати статистично значущо (t = –17,000; p < 0,001) більше руйнівне навантаження в 5100,0 ± 100,0 Н, що близько до конструкції з 1 шайбою розширення.

Проведений апостеріорний тест Дункана однофакторного дисперсійного аналізу показав різниці між зразками імплантатів різних конструкцій. Результати проведеного аналізу наведені в табл. 4.

Проведений аналіз показав, що найбільше стискаючі навантаження витримують цілісні конструкції, які не мають дрібних конструктивних елементів — різьби чи шплінта.

Ураховуючи отримані експериментальні дані, ми запропонували нову конструкцію, в якій фіксацію розсувного елемента (шплінта) та регулювання довжини імплантату виконували за допомогою кісткового цементу, яким за допомогою шприца заповнювали внутрішній простір у стакані через боковий отвір.

Були досліджені 3 зразки імплантатів із різною довжиною висунутого штифта. Результати випробувань наведені в табл. 5.

Випробування зразків із цементом показали, що при розсуванні на 5 та 7 мм не відбулося ніяких руйнівних змін при максимально можливому для експериментальної установки навантаженні в 6000 Н.

При величині збільшення довжини на 10 мм було зафіксовано тріск конструкції при навантаженні в 3500,0 ± ± 160,0 Н, але руйнування конструкції не відбулося.

На рис. 4 показано розподіл величини руйнівного навантаження різних конструкцій.

На діаграмі можна бачити, що чим складніша конструкція (різьба, шплінт, декілька шайб розширення), тим більше вона впливає на зниження міцності конструкцій. Зразки з найменшою кількістю деталей виявилися більш витривалими на руйнування.

Висновки

Як показали дослідження, найгіршими виявилися конструкції з різьбовим з’єднанням, конструкції зі шплінтом витримували втричі більше навантаження до руйнування. І хоча різьбові конструкції вважаються доволі міцними, особливості матеріалу (вуглець) не відповідають вимогам, які висувають до різьбових з’єднань. Вуглецеві матеріали доволі крихкі, тому і конструкції зі шплінтом також виявилися недосконалими.

Конструкції з шайбами розширення показали себе доволі непогано, але збільшення висоти розширення імплантату призводило до зменшення міцності конструкції і, як наслідок, зменшення здатності витримувати навантаження.

Цілісні конструкції виявилися найбільш витривалими, а додаткова міцність, надана цементом, перетворила їх у монолітні надміцні вироби.

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

Список литературы

1. Stradiotti P., Curti А., Castellazzi G., Zerbi A. Metal-related artifacts in instrumented spine. Technigues for reducing artifacts in CT and MR: State of the art. Eur. Spine J. 2009. 18. Supple 1. Р. 102-8.

2. Корж М.О., Куценко В.О., Тимченко І.Б. та ін. Використання комп’ютерних технологій при розробці імплантату хребців для заднього спондилодезу у грудному відділі хребта. Травма. 2019. Т. 20. № 3. С. 23-31.

3. Климовицький В.Г., Хадрі Вадід, Гончарова Л.Д., Гурін І.В. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. 11(1).

4. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Математичне моделювання механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня
2010. С. 45.

5. 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.

6. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Дослідження механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки на математичній моделі. Ортопедия, травматология и протезирование. 2011. № 1. С. 35-39. DOI: 10.15674/0030-59872011135-39.

7. Тяжелов О.А., Карпинский М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Новий спосіб лікування метафізарних і метадіафізарних переломів довгих кісток. Науково-практична конф. «Сучасні дослідження в ортопедії та травматології (перші наукові читання, присвячені пам’яті академіка О.О. Коржа)», 6–7 жовтня 2011 р.: Тези доповідей. Харків, 2011. С. 197-199.

8. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2011. 400 с.