Металлы и сплавы в эндопротезировании

Содержание

Металлы и сплавы в эндопротезировании

Металлы и сплавы в эндопротезировании

На рынке изготовления качественных, удобных и долговечных эндопротезов хорошо зарекомендовал себя:

  • американский производитель Zimmer, производящий чашки «Зиммер»;
  • Stryker, выпускающий систему Omnifit;
  • DePuy, выпускающий ножки эндопротезов тазобедренных суставов Corail, имеющие гидроксиапатитовое покрытие.

По качеству и долговечности протезы Zimmer или DePuy почти идентичны, но все же между ними есть отличия:

  • метод фиксации;
  • материалы покрытия;
  • диаметр резьбы для винтов.

Операция по постановке суставного протеза главным образом показана при старческом переломе шейки бедренной кости, ревматоидном артрите, хроническом артрите, травмах и АНГБК. Материал, из которого изготавливают эндопротез, в основном представляет собой сплав различных металлов, пластмассу, акриловую смолу (также называемую костным цементом), фарфор, силикон и углерод.

Суставной протез должен соответствовать следующим требованиям:• быть совместимым с костной тканью и сохранять суставное пространство;• быть химически стабильным и не оказывать токсического действия на ткани в организме человека;

• не должен разрушаться при различных сложных напряжениях;• не должен подвергаться коррозии в теле человека;• не должен вызывать воспалений или реакций на инородное тело;• не должен приводить к аллергическим реакциям;

• не должен способствовать опухолевому росту.В настоящее время в мире пока ещё не найдено материала, способного полностью удовлетворять названным вышетребованиям. Существующие материалы различаются степенью наносимого ими вреда и тканевой реакции, а также способностью удовлетворять большинство больных.

Независимо от того, из какого материала сделан протез головки бедренной кости, какова его структура и технология изготовления, его металлическая часть должна закрепляться в костно-мозговой полости с помощью костного цемента или другого связующего вещества.

В Китае и других странах учёные обнаружили, что материалы, используемые для протеза, вызывают гистологические изменения в костно-мозговой полости.Willert и другие учёные также выяснили, что в течение нескольких недель после операции окружающие костныйцемент ткани отмирают и их структура изменяется.

Постановка протеза нарушает местное кровообращение, смоламетакриловой кислоты в процессе полимеризации нагревается до 72°С, неполимеризованная смола оказывает непосредственное токсическое действие на ткани.

Нередко вокруг эндопротеза и костного цемента происходит некроз кости. В повреждённых некрозом костных тканях обычно отмечается реактивная гиперемия, и макрофаги и другие клетки обеспечивают врастание новых капилляров в омертвевшие ткани, и, в конце концов, некротические ткани заменяются волокнистой тканью.

После постановки эндопротеза головки бедренной кости сжатие и растяжение бедренной кости уже передаютсяне через её шейку, а непосредственно на её диафиз, и под влиянием нагрузки в расположении трабекул происходятизменения, провоцирующие асептическую нестабильность, поэтому воссоздание кости может длиться годами.

После постановки эндопротеза головки бедренной кости также возникает очаговый некроз трабекул и появляется грануляционная ткань, в ранний период возможен рост нового костного вещества.

Очень быстро развивается остеопороз, у некоторых больных отмечается рост вверх внешнего края большого вертела и соединение его с внешнимкраем вертлужной впадины, в результате чего ограничивается функция тазобедренного сустава.

Абразивные обломки от него имеют диаметр 0,5—5 мкм, представляя собой чёрные зёрна неправильной формы.Иногда встречаются обломки с диаметром свыше 100 мкм. Окружающие металлический протез мягкие ткани окрашиваются в чёрно-коричневый цвет.

Под микроскопом в засорённых обломками тканях видны инфильтрация макрофагов, поглощающих металлические зёрна, а также небольшое количество гигантских клеток инородного тела.Можно увидеть также некроз тканей суставной капсулы, особенно при чрезмерном скоплении абразивных обломков.

Vernon-Robert считает, что изменения в кровеносных сосудах являются проявлением аллергии на металл и, возможно, это один из факторов, вызывающих некроз тканей. В тканях вокруг протеза из нержавеющей стали часто фиксируют большое количество железных зёрен, Winter считает это специфическим изменением.

Эндопротезы из сплава делают из различных металлов, но пропорция компонентов разных металлов в протезе необязательно совпадает с пропорцией этих металлов в абразивных обломках, попадающих в сустав. Например, в эндопротезе из cплава кобальта и хрома доля кобальта составляет примерно 62%, а хрома — 28%, но содержание хрома в обломках, находящихся в тканях, намного выше, чем кобальта.

Возможно, в абразивных металлических частицах в процессе коррозии в жидкости тела происходят дальнейшие преобразования или же жидкость тела может растворять некоторые вещества, тем самым влияя на пропорциональное содержание металлов в тканях.

Причин для расшатывания эндопротеза много, в обобщённом виде они представляют собой следующие:• плохое соприкосновение поверхностей сустава;• неправильная постановка эндопротеза;• ненормальное восприятие нагрузки частями сустава;

• возникновение срезывающего или крутящего момента;• инфекция;• чрезмерная нагрузка и увеличение массы тела;• чрезмерное истирание сустава;• остеопороз.Вследствие возрастания количества абразивных обломков появляются большое количество местных макрофагов иреакции гигантских клеток на инородные тела.

Эти клетки могут поглощать цемент и костное вещество вокруг эндопротеза, в результате чего разрушается костное основание и эндопротез расшатывается. Вызванные разными причинами фрагментация и разрушение цемента также могут приводить к расшатыванию эндопротеза.

Когда подвижность эндопротеза превышает прочность фиброзной ткани, то происходят её разрыв, кровотечение и экссудация белков плазмы, что ослабляет прочность костного цемента и может способствовать перелому металлического материала.

Большое количество лабораторных материалов подтверждает канцерогенное действие на грызунов почти всех материалов, из которых сделаны эндопротезы. Например, кобальт и хром способны индуцировать саркому у крыс;

ортопедические трансплантаты суставов — остеопластическую саркому и фибросаркому у кошек и собак, а костный цемент — новообразования у мышей. Кремнийорганический каучук вызывает опухоли у крыс, а полиэтилен, нейлон, тефлон и полистирол — саркому у грызунов.

Stinson обнаружил, что пластинки из нержавеющей стали и акриловая смола способны спровоцировать саркому у крыс.Физические свойства эндопротезов из пластмассы также играют большую роль в образовании опухолей.

Bates и Klein доказали, что саркомы возникают чаще при подкожном введении животным пластинок из полиэтилена с гладкой поверхностью, чем с грубой. Sinibaldi (1976) наблюдал трёх больных саркомой, развившейся после имплантации эндопротеза: один представлял собой гемангиоэндотелиому, другой — саркому Ewing, а третий — остеопластическую саркому.

Все эти опухоли возникли в месте постановки эндопротезов или в близлежащих костных тканях.Инкубационный период опухоли, вызванной эндопротезом сустава, может составлять 4—30 лет, а число больных,у которых обнаружена опухоль, становится всё больше.

Раньше больные, которым ставили суставные эндопротезы, в основном были старше 60 лет, поэтому по разным причинам они умирали раньше, чем у них диагностировали опухоли.В дальнейшем в связи с более широким применением операций по постановке эндопротезов эта проблема стала привлекать всё больше внимания, став темой дальнейших научных исследований.

Их цель — совершенствование искусственных материалов для эндопротезов, уменьшение их токсического действия, недопущение аллергическихреакций в клетках тканей, ещё большее приближение эндопротезов к свойствам и физиологическим функциям кости с тем, чтобы физические и биологические свойства материалов, а также их биомеханическая структура были более рациональными.

Все пластины, штифты и эндопротезы, которые используются в современной травматологии и ортопедии, состоят из разнообразных сплавов. Отметим, что разные импланты содержат различное количество парамагнетиков и ферромагнетиков. Именно от состава и зависят свойства каждого эндопротеза, штифта или пластины.

Далеко не все протезы на 100% состоят из металла. Большая их часть имеет в составе керамику или полиэтилен. Последний не взаимодействуют с магнитным полем, следовательно – никак не влияет на результаты МРТ и ход процедуры.

Возможные сочетания материалов в эндопротезах:

  • керамика керамика;
  • керамика полиэтилен;
  • металл полиэтилен;
  • металл керамика;
  • металл металл.

Состав искусственных суставов:

  • кобальт;
  • хром;
  • молибден;
  • титан;
  • цирконий;
  • тантал;
  • ниобий.

Ознакомившись с составом, можно понять, как он поведет себя в резонансном томографе.Магнитные свойства каждого эндопротеза определяются не только материалом, из которого он изготовлен, но также его формой и размером. Разогреваться выше допустимых пределом могут стальные штифты и пластины длиной более 20 см.

Из чего сделаны имплантаты?

  • Металл-металл. В этом случае эндопротезы тазобедренного сустава или коленного изготавливают из сверхлегких и прочных металлических сплавов. Хорошо зарекомендовали себя титановые протезы, которые считаются крепкими, поэтому их устанавливают активным и подвижным пациентам.
  • Металл-полиэтилен. Имплант изготовлен из титана и пластика, поэтому он менее прочный и долговечный. Такие виды протезов устанавливаются пациентам, ведущим неактивный образ жизни.
  • Керамический. Эти протезы долговечные, безопасны и износостойкие, поэтому применяются для молодых пациентов, регулярно занимающихся спортом и ведущих активную, подвижную жизнь. Единственным минусом эндопротеза из керамики считается высокая стоимость, поэтому не каждый больной может его себе позволить.
  • Керамика-пластик. Материалы, используемые для изготовления такого вида протеза, не очень прочные, поэтому его устанавливают пожилым больным, которые мало двигаются и у них отсутствуют риски преждевременного изнашивания и выхождения из строя искусственного сустава.

Срок службы?

Если пациент соблюдал все рекомендации врача, следил за весом и контролировал свое здоровье, в среднем протез служит до 15—25 лет. Но срок службы эндопротеза тазобедренного сустава либо коленного зависит от многих факторов, чтобы уменьшить износ, рекомендуется соблюдать такие правила:

  • своевременно лечить инфекционные заболевания и не давать распространяться воспалению по всему организму;
  • не поднимать большие тяжести;
  • предотвращать чрезмерное сгибание искусственного сустава;
  • не допускать развития остеопороза.

После того как имплант тазобедренного сустава либо колена отслужит свой срок, назначается ревизионная операция, во время которой будет установлен новый эндопротез. Зачастую титановый протез ставят молодым и активным мужчинам и женщинам.

Обломки полиэтилена

Обломки полиэтилена прозрачны и бесцветны, поэтому их не видно под обычным микроскопом. Под фазово контрастным микроскопом они проявляют довольно сильную способность к рефракции света. Размер обломков неодинаков, диаметр 0,5—50 мкм, они образуют форму пыли, зёрен или осколков.

Под микроскопом в синовиальных тканях можно видеть реакцию макрофагов и гигантских клеток инородного тела. Группы этих клеток, а также большое количество обломков и омертвевших тканей фиксируются в довольно глубоко расположенных соединительных тканях суставной капсулы.

Как выбрать?

Подобрать подходящие виды коленных эндопротезов либо тазобедренных, поможет хирург, который будет проводить протезирование. Но стоит отметить, что качество российских протезов существенно уступает иностранным.

Для совершенствования конструкции и устранения недостатков необходимо современное технологическое оборудование. Но отечественные производители пока не в состоянии себе такое позволить. Поэтому американские фирмы, изготавливающие искусственные имплантаты, более популярны и предпочтительны.

Пациенту выбирать и покупать протез на свое усмотрение не рекомендуется. Для безопасного проведения операции важен не только сам эндопротез, к нему необходимо иметь соответствующий набор инструментов, которого у хирурга может и не оказаться. Если больной не согласен с предлагаемым вариантом, врач всегда сможет подобрать альтернативу.

Зёрна силикона

В последние годы эндопротез из искусственного каучука и силикона, в основном, используют при операциях на суставах кисти. Установлено, что силикон внутри суставов может приводить к синовиту, что выражается в воспалительной реакции в виде гранулёмы.

Зёрна силикона имеют форму жемчужин, обладают способностью преломлять свет и могут рассеиваться в тканях, а также поглощаться макрофагами. Результаты опытов подтвердили, что через 14 дней после имплантации эндопротезов из силикона кроликам в тканях обнаруживают инфильтрацию большим количеством макрофагов.

Композитные материалы из фарфора в искусственном эндопротезе при стирании и выпадении в виде микрочастиц могут приводить не только к острой воспалительной реакции в суставе, но и к росту числа покровных клеток в синовиальной сумке, а также к фиброзу тканей.

Зёрна фарфора можно также обнаружить в дренажных лимфатических сосудах. При увеличении инородных тел во внутренних стенках синовиальной оболочки могут образовываться условия для развития некроза мягких тканей.

При чрезмерном истирании металлических эндопротезов и эрозии жидкости тела содержание металла в окружающих тканях повышается, что способствует проявлению аллергии на металл. Evans обнаружил в кожных пробах у больных с аллергией на металл довольно высокую вероятность расшатывания сустава.

Чаще всего такое расшатывание происходит в суставах при трении металла о металл.Nаter обнаружил, что у отдельных больных после имплантации эндопротеза из металла и полиэтилена возникала аллергия на никель или кобальт, но не было расшатывания суставов.

Источник: https://endarterit.ru/endoprotez/metally-splavy-endoprotezirovanii/

Аллергия на металлы эндопротеза: причины, диагностика, лечение

Металлы и сплавы в эндопротезировании

Актуальным вопросом, не менее предопределяющим исход эндопротезирования, является взятие контактных проб перед операцией у ортопедических больных на компоненты сплавов эндопротеза.

Процедура на возможную непереносимость организмом химического состава материалов, входящих в конструкцию искусственного сустава, на протяжении уже нескольких десятилетий в странах с высокоразвитой медициной является обязательной на этапе предоперационного обследования.

В нашей стране аналогичная стратегия на обязательном уровне, к сожалению, до сих пор не входит в отечественные форматы эндопротезирования.

Два импланта установленные одному пациенту.

Реальность такова, что в большинстве случаев в России перед предстоящей установкой эндопротеза никаких аллергопроб на его качественный состав не проводится.

Отсюда – завышенный процент осложнений в РФ, связанных с отторжением имплантата, материалы которого вступают в конфликт с окружающими биологическими тканями организма. Реакция гиперчувствительности в доминирующем количестве носит замедленное течение, может проявить себя спустя долгое время.

Нередко, выявленный патогенез лечащие врачи сначала недоуменно расценивают как «поздний нагноительный процесс по неизвестной причине». 

Да, конечно же, современные эндопротезы изготовлены из уникальных сплавов металлов, которые отличаются высокой биосовместимостью с человеческим организмом и прочими отменными характеристиками. По различным данным, у 90-98% пациентов организм не воспринимает протез за чужеродное тело, что позволяет искусственному суставу благополучно прижиться в костно-мышечной системе.

Кожные высыпания в области колен.

Однако риски аллергии на эндопротез, пусть и невысокие, но они есть.

Степень аллергенности высокотехнологичных сплавов металлов до предела минимизирована, но фактор возможной индивидуальной непереносимости никогда нельзя исключать.

Все это должно учитываться еще в ходе подготовки пациента к вмешательству, что позволит обойти стороной неудовлетворительные результаты после эндопротезирования коленного или тазобедренного сустава, связанные с аллергией.

Эндопротезирование колен в Чехии: гарантии, цены, реабилитация, отзывы и статистика.

Узнать подробнееМалоинвазивное эндопротезирование в Чехии: врачи, реабилитация, сроки и цены.
Узнать подробнее

Исследуя имплантационные материалы (металлы) и клинические случаи пациентов, специалисты установили, что самой высокой степенью иммуногенности обладает никель (Ni). В чистом виде этот металл не применяется в эндопротезах, он может присутствовать, например, в таких в соединениях: 

  • Co-Ni-Cr-Mo (Ni содержится 35% от общей массы сплава); 
  • Co-Cr-W-Ni (10%); 
  • Co-Ni-Cr-Mo-W (20%); 
  • Co-Ni-Cr (27%). 

Эндопротез сустава с металлическим сплавом, включающим никель, для человека с аллергией на данный элемент может сыграть злую шутку, даже при минимальном количественном проценте содержания Ni в используемом производителем материале. Акцентируем, что Ni в контексте агрессивного элемента обозначается условно, так как никелевой аллергии в глобальном понимании подвержены единицы.    

Приблизительно в 5 раз реже специфическая реактивная реакция иммунной системы провоцируется кобальтом (Co).

Индекс аллергенности хрома, молибдена, таких же распространенных составляющих имплантов, примерно в 2 раза ниже, чем у кобальта, соответственно в 10 раз меньше, чем у никеля.

Чтобы было понятнее: из 100 % всех обследуемых пациентов с диагнозом «гиперчувствительность на эндопротез» в 80% случаев диагностируется аллергия на никель, примерно в 16% – на кобальт, в 8% – на хром/молибден.

Наименьшую степень риска представляют изделия из титана и с титановым напылением. По словам специалистов, титан является самым безопасным («спокойным») металлическим элементом, материалом выбора, особенно для людей с непереносимостью вышеуказанных металлов.

Титановые изделия более прочные и более устойчивы к коррозии в условиях агрессивных биологических сред организма, не сопряжены высокими канцерогенными рисками. На их поверхностях происходит образование оксидной пленки, препятствующей высвобождению ионов титана.

Тем не менее, и на титан, который надежно зарекомендовал себя в ортопедии/эндопротезировании как самый гипоаллергенный металл, были зафиксированы аллергические реакции.

Симптомы аллергии на эндопротез

Протезы суставов длительно функционируют в условиях биосреды макроорганизма, совершая множество фрикционных движений, при этом постоянно контактируя с биологическими жидкостями, мягкими и костными тканями.

Естественно, абсурдно будет отрицать возможность формирования металлического дебриса, попадания металлочастиц в кровоток, выделения ионов металлов и насыщения ими окружающих тканей. Как правило, подобные процессы переносятся организмом легко, не доставляя проблем со здоровьем.

Но если только речь не идет о пациентах со сверхчувствительностью к тому или иному виду металла.

Негативные реакции аллергической природы сопровождаются локальными воспалениями, которые приобретают хронический характер. В основном воспалительные процессы клинически проявляются дерматозами (кожными поражениями), преимущественно в зоне, где установлен эндопротез. Аллергию на эндопротез с металлическими деталями можно заподозрить по одному или нескольким симптомам:

  • покраснение, отечность кожных покровов в районе искусственного сустава;
  • зуд и раздражение в области операционного поля;
  • болевой синдром разной выраженности, может ощущаться глубоко или поверхностно, распространяться по конечности, достигая даже дистальных отделов ног/рук;
  • выделение выпота из поврежденных участков кожи, возможно, присоединение вторичной парапротезной гноеродной инфекции;
  • сыпь, чаще в виде экземы, у некоторых появляется крапивница;
  • ухудшение работоспособности прооперированной ноги;
  • местная гипертермия, иногда повышается общая температура тела;
  • общее недомогание.

Внешний симптом в области ТБС.

Реактивное состояние в ответ на металлоимплант характеризуется развитием аллергической реакцией поздней фазы (при продолжительном контакте с аллергеном) с участием макрофагов.

При захвате макрофагами антигенов, клетками высвобождаются специфические медиаторы воспаления. Медиаторы не только уничтожают чужеродные клетки, но и периимплантатные ткани, так как являются мощными провокаторами воспаления.

Манифестация симптомов аллергии на суставной протез может произойти через несколько недель, месяцев и даже лет. 

Два самых плачевных последствия, которые способна повлечь контактная аллергия на расположенный внутри организма металлический протез: 1) парапротезная инфекция; 2) отторжение искусственного заменителя сустава с потерей его стабильности вследствие развившегося остеолиза кости. 

Как лечат аллергию после замены сустава?

Основной лечебный принцип – хирургическое вмешательство по удалению всех конструктивных элементов, в сплаве которых присутствует металл-аллерген.

Только таким образом реально достичь полного купирования аллергической симптоматики, нарушающей качество жизни пациента.

После снятия проблемного протеза и тщательной санации воспаленных структур хирург подбирает и ставит самый приоритетный для человека новый эндопротез, не содержащий опасных включений, которые организм не переносит. 

Чтобы рекомендовать и провести ревизионную операцию, гиперчувствительность на металлические протезы должна быть полностью подтверждена клиническими исследованиями.

Абсолютным показанием к проведению ревизионных хирургических манипуляций по данному поводу является наличие специфических симптомов аллергии в сочетании с положительным результатом выполненного теста на непереносимость к определенному типу металла.

Иногда может потребоваться проведение пункции соединительнотканных фрагментов вблизи имплантата с целью гистологического анализа и оценки особенностей металлоза.

Асимптомные пациенты, даже при позитивном результате накожных патч-тестов на повышенную чувствительность к присутствующему в эндопротезе металлу, чаще требуют наблюдения, операция может быть отложена.

Людям с выраженной аллергией, но которым в силу определенных обстоятельств противопоказано оперативное вмешательство, назначается специфическая паллиативная терапия. Базовая составляющая поддерживающего лечения для неоперабельной группы больных – использование средств противоаллергического, противоболевого и противовоспалительного действия.

В ряде случаев пациентам с абсолютными противопоказаниями к извлечению неблагополучного эндопротеза врачами прописывается специальная схема терапии преднизолоном или его заменителями.

Предварительное прохождение кожных патч-проб перед первой операцией, поможет избежать серьезных реакций в послеоперационном будущем и освободит от необходимости раньше срока идти на очередную процедуру протезирования.

Бдительность и предусмотрительность важно вовремя «включать» не только специалистам, но и пациентам! Все, кто планирует в скором времени пройти первичное эндопротезирование, обязательно настаивайте на соответствующем лабораторном анализе.

Тем более, если вы ранее уже сталкивались с проявлениями аллергии после контакта тела с какими-нибудь металлическими предметами.

Источник: https://msk-artusmed.ru/endoprotezirovanie/allergija-na-endoprotezy/

Эндопротезирование

Искусственные механизмы, имплантируемые хирургическим путем в костную ткань, называются эндопротезами.

Наибольшее распространение получило эндопротезирование суставов – тазобедренного, плечевого, локтевого, коленного, голеностопного и т.д.

Процесс эндопротезирования всегда представляет собой сложную операцию, когда часть не подлежащего естественному восстановлению сустава удаляется с последующей ее заменой на имплантат-эндопротез.

К металлическим компонентам эндопротезов предъявляется ряд серьезных требований. Они должны одновременно обладать свойствами жесткости, прочности, эластичности, возможностью создания необходимой поверхностной структуры, стойкостью к коррозионным воздействиям со стороны организма, исключающей риск отторжения, другими полезными качествами.

Для изготовления эндопротезов могут быть использованы различные биоинертные металлы. Ведущее место среди них занимают титан, тантал и их сплавы.

Эти долговечные, прочные и удобные в обработке материалы обеспечивают эффективную остеоинтеграцию (воспринимаются костной тканью как естественные ткани организма и не вызывают с его стороны негативных реакций) и быстрое срастание костей, гарантируя стабильность протеза на длительные сроки, исчисляемые десятилетиями. На рис. 5 представлено применение титана в артропластике бедра.

Рисунок 5. Титановый эндопротез тазобедренного сустава.

При эндопротезировании как альтернативу использованию цельнометаллических конструкций широко используют метод плазменного напыления на поверхность неметаллических компонентов протеза защитных биосовместимых покрытий на основе оксидов Ti и Та.ПОДРОБНОСТИ:   Как правильно ходить с тростью после эндопротезирования

Чистый титан и его сплавы. В сфере эндопротезирования находят широкое применение как чистый Ti (напр. CP-Ti с содержанием Ti 98,2-99,7 %), так и его сплавы.

Наиболее распространенный из них Ti-6AI-4V при высоких показателях прочности, характеризуется коррозиестойкостью и биологической инертностью.

Сплав Ti-6A1-4V отличается особенно высокой механопрочностью, имея торсионно-аксиальные характеристики, предельно близкие к аналогичным параметрам кости.

К настоящему времени разработан целый ряд современных титановых сплавов. Так, в химическом составе сплавав Ti-5AI-2,5Fe и Ti-6AI-17 Niobium не содержится токсичный V, кроме того, они отличаются низким значением модуля упругости.

А сплаву Ti-Ta30 присуще наличие модуля терморасширения, сопоставимого с аналогичным показателем металлокерамики, что обуславливает его устойчивость при длительном взаимодействии с металлокерамическими компонентами имплантата.

Тантало-циркониевые сплавы.

В сплавах Та Zr совмещаются такие важнейшие для эндопротезирования свойства, как биосовместимость с тканями организма на основе коррозионной и гальванической стойкости, поверхностная жесткость и трабекулярная (пористая) структура металлической поверхности. Именно благодаря свойству трабекулярности возможно значительное ускорение процесса остеоинтеграции – наращивания на металлической поверхности имплантата живой костной ткани.

Эластичные эндопротезы из проволочной титановой сетки.

Благодаря высокой пластичности и легкости в современной восстановительной хирургии, других медицинских отраслях активно используются инновационные эластичные эндопротезы в виде тончайшей проволочной титановой сетки-«паутины». Упругая, прочная, эластичная, долговечная и сохраняющая свойство биоинертности, сетка является идеальным материалом для эндопротезов мягких тканей (рис. 6).

Рисунок 6. Сетчатый эндопротез из титанового сплава для пластики мягких тканей.

«Паутину» уже успешно опробовали в таких сферах, как гинекология, челюстно-лицевая хирургия и травматология. По мнению специалистов, сетчатые титановые эндопротезы не знают себе равных в плане стабильности при практически нулевом риске побочных проявлений.

Сегодня в различных сферах медицины находят широкое распространение сплавы из никелида титана, имеющие т. наз. с эффект запоминания формы (ЭЗФ). Данный материал применяют для эндопротезирования связочно-хрящевой ткани опорно-двигательного аппарата человека.

Никелид титана (международный термин нитинол) представляет собой интерметаллид TiNi, который получают путем сплавления в равных пропорциях Ti и Ni. Важнейшей характеристикой никелид-титановых сплавов является свойство сверхупругости, на котором и базируется ЭЗФ.ПОДРОБНОСТИ:   После эндопротезирования тазобедренного сустава

Сущность эффекта состоит в том, что образец при охлаждении в определенном диапазоне температур легко деформируется, причем деформация самоустраняется при повышении температуры до первоначального значения с возникновением сверхупругих свойств.

Другими словами, если пластину из сплава нитинол изогнуть при пониженной температуре, то в этом же температурном режиме она будет сохранять свою новую форму сколь угодно долго.

Однако стоит лишь повысить температуру до исходной, пластина вновь выпрямится подобно пружине и обретет первоначальную форму.

Образцы продукции медицинского назначения из сплава нитинол показаны на представленных ниже рис. 7, 8, 9, 10.

Рисунок 7. Набор имплантатов из никелида титана для травматологии (в виде скоб, скреп, фиксаторов и т.д.).

Рисунок 8. Набор имплантатов из никелида титана для хирургии ( в виде зажимов, дилататоров, хирургического инструментария).

Рисунок 9. Образцы пористых материалов и имплантатов из никелида титана для вертебрологии (в виде эндопротезов, изделий пластинчатой и цилиндрической конфигурации).

Рисунок 10. Материалы и эндопротезы из никелида титана для челюстно-лицевой хирургии и стоматологии.

Помимо этого, никелид-титановые сплавы, как и большинство изделий на титановой основе, биоинертны вследствие высокой коррозие- и гальваностойкости. Таким образом, это идеальный по отношению к организму человека материал для изготовления биомеханически совместимых имплантатов (БМСИ).

Стентами (от англ. stent) — в медицине называют специальные, имеющие вид упругих сетчатых цилиндрических каркасов, металлоконструкции, помещаемые внутрь крупных сосудов (вен и артерий), а также прочих полых органов (пищевод, кишечник, желче- мочевыводящие протоки и др.) на патологически суженных участках с целью их расширения до необходимых параметров и восстановления проходимости.

Наиболее востребовано применение метода стентирования в такой сфере, как сосудистая хирургия, и, в частности, коронарная ангиопластика (рис. 11).

Рисунок 11. Образцы титановых и танталовых сосудистых стентов.

Требования, предъявляемые к сосудистым стентам, призваны обеспечить их безупречную функциональность, а потому многообразны и весьма высоки.

Данные изделия должны быть:

  • биосовместимыми с тканями организма;
  • гибкими;
  • эластичными;
  • прочными;
  • рентгеноконстрастыми и т.д.

Основными материалами, используемыми сегодня при изготовлении металлостентов являются композиции благородных металлов, а также Та, Ti и его сплавы (ВТ6С, ВТ8, ВТ 14, ВТ23, нитинол), полностью биоинтегрируемые с тканями организма и сочетающие в себе комплекс всех прочих необходимых физико-механических свойств.

Периферические нервные стволы, поврежденные в результате различных механических травм или осложнений тех или иных заболеваний, нуждаются для восстановления в серьезном хирургическом вмешательстве. Положение усугубляется тем, что обычно подобные патологии наблюдаются на фоне травмирования сопутствующих органов, таких, как кости, сосуды, мышцы, сухожилия и др.

В этом случае разрабатывается комплексная программа лечения с наложением специфических швов. В качестве же исходного сырья для изготовления шовного материала – нитей, скреп, фиксаторов и т.д. – используются титан, тантал и их сплавы, как металлы, обладающие химической биосовместимостью и всем комплексом необходимых физикомеханических свойств.

На представленных ниже рисунках изображены примеры подобных операций.

Рисунок 12. Сшивание кости титановыми скрепами.

Рисунок 13. Сшивание пучка нервных волокон с применением тончайших танталовых нитей.

Рисунок 14. Сшивание сосудов с применением танталовых скрепок.

Противопоказания к процедуре

Если протезы, штифты и пластины прочно соединены с костной тканью и не могут двигаться, то импланты иной локализации способны с легкостью смещаться под воздействием магнита. Следовательно, проводить магнитно-резонансную томографию при их наличии КАТЕГОРИЧЕСКИ ЗАПРЕЩЕНО.

Импланты, при наличии которых нельзя делать МРТ:

  • искусственные клапаны сердца;
  • стенты и клипсы на сосудах любой локализации;
  • имплантаты среднего или внутреннего уха;
  • электрокардиостимуляторы;
  • искусственный хрусталик;
  • аппарат Иллизарова;
  • инсулиновая помпа;
  • большие металлические имплантаты.

Возможные осложнения и меры предосторожности

МРТ при наличии электронных имплантатов может всерьез навредить человеку или даже привести к его гибели.

Выполнение исследования лицам с коронарными стенками и клипсами на сосудах головного мозга может спровоцировать массивное кровотечение, которое приведет к летальному исходу.

Эндопротезы из некоторых сплавов во время МРТ могут смещаться с места или нагреваться, вызывая ожоги.

Людям с некоторыми видами имплантов делать магнитно-резонансную томографию категорически запрещено. А вот пациентам с имплантами из «опасных» сплавов все-таки можно попробовать выполнить исследование. В качестве меры предосторожности в руку человеку дают кнопку. Если он чувствует сильное жжение, то нажимает на нее, и исследование прекращают.

https://www..com/watch?v=1gh5JJDvdiQ

Источник: https://TvoiSustavi.ru/endoprotezirovanie/metally-splavy-endoprotezirovanii/

Материалы для эндопротезирования

Металлы и сплавы в эндопротезировании

Разработки на уровне космической техники – так характеризуется эндопротезирование суставов в Германии.

Подразумеваются и высокотехнологичные конструкции суставных протезов, в полной мере отвечающих принципам биогармонии, и современные материалы, из которых они изготовлены.

Материаловедческие аспекты во многом определяют тот широкий круг клинических возможностей, в котором развивается эндопротезирование суставов.

Выбор материалов для суставных протезов имеет большое значение. Материалы должны отвечать самым разным (и весьма строгим) условиям – таким как:

  • прочность;
  • легкость;
  • долговечность;
  • химическая чистота;
  • взаимная сочетаемость и безусловная сочетаемость с живой тканью.

Крайне строги и те специфические требования, которые предъявляются по результатам продолжительных клинических наблюдений за состоянием пациентов с протезированными суставами. Так, применяемые материалы:

  • не должны представлять токсической опасности;
  • не должны быть аллергенами;
  • не должны разрушаться (истираться) внутри организма, отражаться на обмене веществ, а уж тем более нарушать его.

Нейтральные металлы и безопасное эндопротезирование суставов

В ответ на эти требования делаются важные поправки в материаловедческих решениях, на которых основаны новейшие протезные системы.

Так, в Германии изъяты из клинического оборота протезы на основе никеля (поскольку этот металл – аллерген).

Значительно снижено содержание в сплавах других металлов, за которыми признана потенциальная аллергическая опасность.

На первый план выходят такие химически чистые и не раздражающие живую ткань компоненты, как хром, кобальт, молибден. Основным материалом стал весьма комфортный для живой ткани титан.

При этом следует иметь в виду, что для каждой анатомической зоны тщательно подобраны свои комбинации сплавов и технические приемы обработки металлов (формирования изделий).

Анатомически проработанный подбор сплавов и методов обработки гарантирует дополнительную комфортность имплантата в конкретном месте его вживления.

Гарантируется и повышенная стойкость имплантата к характерным для данной анатомической зоны нагрузкам.

Не стоит поэтому удивляться, что, например, материал протезов тазобедренного сустава отличается от материалов в коленных протезах.

Различия в материалах обусловлены даже принципом установки протеза. На костный цемент устанавливаются металлические крепежи из одних сплавов, непосредственно на кость – из других сплавов.

Вот несколько примеров.

Крепежи (вживляемые в кость) эндопротезов тазобедренного сустава различаются между собой следующим образом:

  • устанавливаемые на цемент – сплавы кобальта, хрома, молибдена (ковка);
  • бесцементные – сплавы титана, алюминия и ванадия, либо титана, алюминия и ниобия (ковка).

Элементы коленного протеза (устанавливаемые на эпифизы бедренной и большеберцовой костей):

  • сплавы титана с различными компонентами (ковка);
  • сплавы кобальта, хрома и молибдена (ковка).

Важнейший раздел – подбор материалов для взаимодействующих частей полных суставных протезов. Это так называемые ТЕР (тотальные эндопротезы). Они воспроизводят не только сустав, но и его функции. ТЕР подвижен в той же мере, что и живой здоровый сустав. Поэтому тотальный эндопротез включает в себя хитроумную комбинацию трущихся друг о друга, скользящих, прокатывающихся друг по другу частей.

Новейшие инновационные решения, исключающие истирание и разрушение взаимодействующих элементов, таковы:

  • сплав кобальта, хрома, молибдена контактирует с полиэтиленом;
  • керамика – с керамикой;
  • керамика – с полиэтиленом;
  • кобальт, хром, молибден – с аналогичным сплавом.

Пластик с прочностью металла

Кому-то функциональное взаимодействие металла и полиэтилена в искусственном суставе может показаться «неравноценным». Мол, твердый металл раздавит или разорвет мягкую пластиковую «подкладку». На самом деле это не так: в суставных протезах применяют полиэтилен с особыми свойствами.

И прежде всего с особыми свойствами поверхности: минимальное трение, максимальная устойчивость к разрушению. Структуру полиэтилена специально усиливают. Материал с усиленной структурой называют XUHMWPE (cross-linked UHMWPE), то есть поперечно протянутые нити высокомолекулярного полиэтилена.

Высокомолекулярный полиэтилен (Ultra-High-Molecular-WeightPolyethylene, или UHMWPE) отличается от обычного повышенным количеством полимерных связей в молекулах. Отсюда – повышенная прочность полимерных молекулярных нитей.

UHMWPE чрезвычайно прочен на разрыв.

Что же касается XUHMWPE, то его молекулярные нити сориентированы перпендикулярно друг к другу, благодаря чему высокомолекулярный полиэтилен становится чрезвычайно прочным не только на разрыв, но и на отслаивание.

Для того, чтобы продольно вытянутые молекулярные нити переориентировать во взаимно поперечных направлениях, высокомолекулярный полиэтилен подвергают электромагнитной или нуклеарной «ковке» (обрабатывают гамма-лучами или бета-частицами).

Еще одна инновация: в последние три-четыре года в состав полиэтиленовых деталей добавляют некоторую (не более одного процента общего веса) долю антиоксидантов – например, витамина Е. Это в течение продолжительного времени препятствует окислению искусственного сустава.

Словом, все решения, принимаемые в сфере с названием эндопротезирование суставов – действительно на уровне космической техники. Но речь здесь не только о материалах. И не столько о них.
Прежде всего здесь видна особая профессиональная забота о пациентах, нуждающихся в протезировании суставов.

Она – действительно на уровне тех многосложных мер, которые принимаются для жизнеобеспечения космонавтов на орбите.

Источник: https://www.wp-german-med.ru/endoprotezirovanie-sustavov/materialy-dlya-endoprotezirovaniya.html

Глава 8. Эндопротез. Возможные реакции организма на эндопротез || Эндопротезы суставов человека материалы и технологии монография

Металлы и сплавы в эндопротезировании

В ответ на эти требования делаются важные поправки в материаловедческих решениях, на которых основаны новейшие протезные системы.

Так, в Германии изъяты из клинического оборота протезы на основе никеля (поскольку этот металл – аллерген).

Значительно снижено содержание в сплавах других металлов, за которыми признана потенциальная аллергическая опасность.

На первый план выходят такие химически чистые и не раздражающие живую ткань компоненты, как хром, кобальт, молибден. Основным материалом стал весьма комфортный для живой ткани титан.

При этом следует иметь в виду, что для каждой анатомической зоны тщательно подобраны свои комбинации сплавов и технические приемы обработки металлов (формирования изделий).

Анатомически проработанный подбор сплавов и методов обработки гарантирует дополнительную комфортность имплантата в конкретном месте его вживления.

Гарантируется и повышенная стойкость имплантата к характерным для данной анатомической зоны нагрузкам.

Не стоит поэтому удивляться, что, например, материал протезов тазобедренного сустава отличается от материалов в коленных протезах.

Различия в материалах обусловлены даже принципом установки протеза. На костный цемент устанавливаются металлические крепежи из одних сплавов, непосредственно на кость – из других сплавов.

Вот несколько примеров.

Крепежи (вживляемые в кость) эндопротезов тазобедренного сустава различаются между собой следующим образом:

  • устанавливаемые на цемент – сплавы кобальта, хрома, молибдена (ковка);
  • бесцементные – сплавы титана, алюминия и ванадия, либо титана, алюминия и ниобия (ковка).

Элементы коленного протеза (устанавливаемые на эпифизы бедренной и большеберцовой костей):

  • сплавы титана с различными компонентами (ковка);
  • сплавы кобальта, хрома и молибдена (ковка).

Важнейший раздел – подбор материалов для взаимодействующих частей полных суставных протезов. Это так называемые ТЕР (тотальные эндопротезы). Они воспроизводят не только сустав, но и его функции.

ТЕР подвижен в той же мере, что и живой здоровый сустав. Поэтому тотальный эндопротез включает в себя хитроумную комбинацию трущихся друг о друга, скользящих, прокатывающихся друг по другу частей.

Новейшие инновационные решения, исключающие истирание и разрушение взаимодействующих элементов, таковы:

  • сплав кобальта, хрома, молибдена контактирует с полиэтиленом;
  • керамика – с керамикой;
  • керамика – с полиэтиленом;
  • кобальт, хром, молибден – с аналогичным сплавом.

Высокомолекулярный полиэтилен (Ultra-High-Molecular-WeightPolyethylene, или UHMWPE) отличается от обычного повышенным количеством полимерных связей в молекулах. Отсюда – повышенная прочность полимерных молекулярных нитей.

UHMWPE чрезвычайно прочен на разрыв.

Что же касается XUHMWPE, то его молекулярные нити сориентированы перпендикулярно друг к другу, благодаря чему высокомолекулярный полиэтилен становится чрезвычайно прочным не только на разрыв, но и на отслаивание.

Для того, чтобы продольно вытянутые молекулярные нити переориентировать во взаимно поперечных направлениях, высокомолекулярный полиэтилен подвергают электромагнитной или нуклеарной «ковке» (обрабатывают гамма-лучами или бета-частицами).

Еще одна инновация: в последние три-четыре года в состав полиэтиленовых деталей добавляют некоторую (не более одного процента общего веса) долю антиоксидантов – например, витамина Е. Это в течение продолжительного времени препятствует окислению искусственного сустава.

Словом, все решения, принимаемые в сфере с названием эндопротезирование суставов – действительно на уровне космической техники. Но речь здесь не только о материалах. И не столько о них.
Прежде всего здесь видна особая профессиональная забота о пациентах, нуждающихся в протезировании суставов.

Она – действительно на уровне тех многосложных мер, которые принимаются для жизнеобеспечения космонавтов на орбите.

8.1. Основные требования к эндопротезу

Операция по постановке суставного протеза главным образом показана при старческом переломе шейки бедренной кости, ревматоидном артрите, хроническом артрите, травмах и АНГБК. Материал, из которого изготавливают эндопротез, в основном представляет собой сплав различных металлов, пластмассу, акриловую смолу (также называемую костным цементом), фарфор, силикон и углерод.

Суставной протез должен соответствовать следующим требованиям:• быть совместимым с костной тканью и сохранять суставное пространство;• быть химически стабильным и не оказывать токсического действия на ткани в организме человека;• не должен разрушаться при различных сложных напряжениях;• не должен подвергаться коррозии в теле человека;

• не должен вызывать воспалений или реакций на инородное тело;• не должен приводить к аллергическим реакциям;• не должен способствовать опухолевому росту.

В настоящее время в мире пока ещё не найдено материала, способного полностью удовлетворять названным вышетребованиям.

Существующие материалы различаются степенью наносимого ими вреда и тканевой реакции, а также способностью удовлетворять большинство больных.

8.3. Влияние продуктов трения эндопротеза на окружающие ткани

Независимо от того, из какого материала сделан протез головки бедренной кости, какова его структура и технология изготовления, его металлическая часть должна закрепляться в костно-мозговой полости с помощью костного цемента или другого связующего вещества. В Китае и других странах учёные обнаружили, что материалы, используемые для протеза, вызывают гистологические изменения в костно-мозговой полости.

Willert и другие учёные также выяснили, что в течение нескольких недель после операции окружающие костныйцемент ткани отмирают и их структура изменяется. Постановка протеза нарушает местное кровообращение, смоламетакриловой кислоты в процессе полимеризации нагревается до 72°С, неполимеризованная смола оказывает непосредственное токсическое действие на ткани.

Нередко вокруг эндопротеза и костного цемента происходит некроз кости. В повреждённых некрозом костных тканях обычно отмечается реактивная гиперемия, и макрофаги и другие клетки обеспечивают врастание новых капилляров в омертвевшие ткани, и, в конце концов, некротические ткани заменяются волокнистой тканью.

После постановки эндопротеза головки бедренной кости сжатие и растяжение бедренной кости уже передаютсяне через её шейку, а непосредственно на её диафиз, и под влиянием нагрузки в расположении трабекул происходятизменения, провоцирующие асептическую нестабильность, поэтому воссоздание кости может длиться годами.

После постановки эндопротеза головки бедренной кости также возникает очаговый некроз трабекул и появляется грануляционная ткань, в ранний период возможен рост нового костного вещества.

Очень быстро развивается остеопороз, у некоторых больных отмечается рост вверх внешнего края большого вертела и соединение его с внешнимкраем вертлужной впадины, в результате чего ограничивается функция тазобедренного сустава.

Эндопротез из сплава кобальта и хрома и нержавеющей стали

Абразивные обломки от него имеют диаметр 0,5—5 мкм, представляя собой чёрные зёрна неправильной формы.Иногда встречаются обломки с диаметром свыше 100 мкм.

 Окружающие металлический протез мягкие ткани окрашиваются в чёрно-коричневый цвет.

Под микроскопом в засорённых обломками тканях видны инфильтрация макрофагов, поглощающих металлические зёрна, а также небольшое количество гигантских клеток инородного тела.

Vernon-Robert считает, что изменения в кровеносных сосудах являются проявлением аллергии на металл и, возможно, это один из факторов, вызывающих некроз тканей. В тканях вокруг протеза из нержавеющей стали часто фиксируют большое количество железных зёрен, Winter считает это специфическим изменением.

Эндопротезы из сплава делают из различных металлов, но пропорция компонентов разных металлов в протезе необязательно совпадает с пропорцией этих металлов в абразивных обломках, попадающих в сустав. Например, в эндопротезе из cплава кобальта и хрома доля кобальта составляет примерно 62%, а хрома — 28%, но содержание хрома в обломках, находящихся в тканях, намного выше, чем кобальта.

Зёрна фарфора

В последние годы эндопротез из искусственного каучука и силикона, в основном, используют при операциях на суставах кисти. Установлено, что силикон внутри суставов может приводить к синовиту, что выражается в воспалительной реакции в виде гранулёмы. Зёрна силикона имеют форму жемчужин, обладают способностью преломлять свет и могут рассеиваться в тканях, а также поглощаться макрофагами.

Композитные материалы из фарфора в искусственном эндопротезе при стирании и выпадении в виде микрочастиц могут приводить не только к острой воспалительной реакции в суставе, но и к росту числа покровных клеток в синовиальной сумке, а также к фиброзу тканей. Зёрна фарфора можно также обнаружить в дренажных лимфатических сосудах.

При увеличении инородных тел во внутренних стенках синовиальной оболочки могут образовываться условия для развития некроза мягких тканей.При чрезмерном истирании металлических эндопротезов и эрозии жидкости тела содержание металла в окружающих тканях повышается, что способствует проявлению аллергии на металл.

Evans обнаружил в кожных пробах у больных с аллергией на металл довольно высокую вероятность расшатывания сустава. Чаще всего такое расшатывание происходит в суставах при трении металла о металл.Nаter обнаружил, что у отдельных больных после имплантации эндопротеза из металла и полиэтилена возникала аллергия на никель или кобальт, но не было расшатывания суставов.

8.4. Асептическая нестабильность эндопротеза

Причин для расшатывания эндопротеза много, в обобщённом виде они представляют собой следующие:• плохое соприкосновение поверхностей сустава;• неправильная постановка эндопротеза;• ненормальное восприятие нагрузки частями сустава;• возникновение срезывающего или крутящего момента;• инфекция;• чрезмерная нагрузка и увеличение массы тела;

• чрезмерное истирание сустава;• остеопороз.Вследствие возрастания количества абразивных обломков появляются большое количество местных макрофагов иреакции гигантских клеток на инородные тела. Эти клетки могут поглощать цемент и костное вещество вокруг эндопротеза, в результате чего разрушается костное основание и эндопротез расшатывается.

Вызванные разными причинами фрагментация и разрушение цемента также могут приводить к расшатыванию эндопротеза. Когда подвижность эндопротеза превышает прочность фиброзной ткани, то происходят её разрыв, кровотечение и экссудация белков плазмы, что ослабляет прочность костного цемента и может способствовать перелому металлического материала.

8.5. Опухоли, вызванные эндопротезом

Большое количество лабораторных материалов подтверждает канцерогенное действие на грызунов почти всех материалов, из которых сделаны эндопротезы.

Например, кобальт и хром способны индуцировать саркому у крыс; ортопедические трансплантаты суставов — остеопластическую саркому и фибросаркому у кошек и собак, а костный цемент — новообразования у мышей.

Кремнийорганический каучук вызывает опухоли у крыс, а полиэтилен, нейлон, тефлон и полистирол — саркому у грызунов.

Stinson обнаружил, что пластинки из нержавеющей стали и акриловая смола способны спровоцировать саркому у крыс.Физические свойства эндопротезов из пластмассы также играют большую роль в образовании опухолей. Bates и Klein доказали, что саркомы возникают чаще при подкожном введении животным пластинок из полиэтилена с гладкой поверхностью, чем с грубой.

Sinibaldi (1976) наблюдал трёх больных саркомой, развившейся после имплантации эндопротеза: один представлял собой гемангиоэндотелиому, другой — саркому Ewing, а третий — остеопластическую саркому.

Все эти опухоли возникли в месте постановки эндопротезов или в близлежащих костных тканях.

Инкубационный период опухоли, вызванной эндопротезом сустава, может составлять 4—30 лет, а число больных,у которых обнаружена опухоль, становится всё больше.

Раньше больные, которым ставили суставные эндопротезы, в основном были старше 60 лет, поэтому по разным причинам они умирали раньше, чем у них диагностировали опухоли.В дальнейшем в связи с более широким применением операций по постановке эндопротезов эта проблема стала привлекать всё больше внимания, став темой дальнейших научных исследований.

Их цель — совершенствование искусственных материалов для эндопротезов, уменьшение их токсического действия, недопущение аллергическихреакций в клетках тканей, ещё большее приближение эндопротезов к свойствам и физиологическим функциям кости с тем, чтобы физические и биологические свойства материалов, а также их биомеханическая структура были более рациональными.

Источник: https://mebellclub.ru/endoprotezirovanie/endoprotezy-sustavov-cheloveka-materialy-tekhnologii-monografiya/

Поделиться:
Нет комментариев

    Добавить комментарий

    Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.