Пары трения в протезе тазобедренного сустава
- Общие сведения
- Пара трения полиэтилен — металл
- Пара трения металл — металл
- Пара трения керамика — керамика
- Какая пара трения лучше?
Общие сведения
Любой движущийся механизм подвержен износу. Эндопротезы суставов — не исключение. Во время ходьбы пациента головка эндопротеза постоянно трется о вертлужный компонент («чашку»), отделяя от него микроскопические частицы материала.
Это нормальный процесс старения искусственного сустава, полностью избавиться от которого пока невозможно. Скорость износа эндопротеза напрямую зависит от материалов, из которых изготовлены головка и чашка. Сочетание этих материалов именуется «парой трения» эндопротеза.
Сегодня при производстве искусственных суставов применяют разнообразные металлические сплавы, пластик (полиэтилен), а также керамику в различных комбинациях. Рассмотрим подробнее пары трения современных эндопротезов и узнаем их преимущества и недостатки.
Скорость износа эндопротеза сустава максимальна для пары трения «стандартный полиэтилен-металл» и минимальна для полностью керамической пары трения. Данные на схеме приблизительные. Реальная скорость износа зависит также от массы пациента и его уровня физической активности.
Пара трения полиэтилен — металл
Это самая распространенная на сегодняшний день пара трения. По данным авторитетнейшего Шведского регистра артропластики, на ее долю приходится порядка 80% операций по эндопротезированию тазобедренного сустава.
В такой паре трения, головка эндопротеза металлическая. Обычно это сплав кобальта и хрома. Вертлужный компонент (или его вкладыш) изготавливается из пластика, а точнее сверхвысокомолекулярного полиэтилена высокой плотности (UHMWPE — ultra-high molecular weight polyethylene).
Данный пластик бывает двух разновидностей:
- стандартный полиэтилен (conventional PE)
- сшитый полиэтилен (cross-linked PE)
Скорость износа стандартного полиэтилена в среднем равна 200 микронам в год, сшитого — 20 микронам в год. Таким образом, за 15 лет эксплуатации будет утрачено около 3 мм толщины чашки для стандартного полиэтилена и около 0,3 мм — сшитого. Как видим, износ сшитого полиэтилена примерно в 10 раз меньше.
Так выглядит изношенный полиэтиленовый лайнер на рентгенограмме. Синие стрелки показывают его толщину в наиболее (вверху) и наименее (внизу) нагружаемых частях.
Однако, что плохого в том, что за 15 лет службы чашка протрется на 3 мм? Ведь ее толщина, как правило, не менее 7 мм и остается хороший запас еще лет на 15…
Проблема в том, что долговечность эндопротеза не равна сроку полного износа чашки.
Частицы пластика (тот самый «песок» на картинке выше) попадают в организм пациента и запускают сложную иммунологическую реакцию. Она приводит к частичному разрушению костей, к которым закреплен сустав. Через некоторое количество лет (обычно от 10 до 20) фиксация сустава нарушается настолько, что возникает необходимость его замены. Износ чашки при этом может быть еще сравнительно небольшим.
Таким образом, чем меньше скорость износа полиэтилена, тем дольше прослужит сустав и тем позже потребуется его замена на новый.
В общем, сшитый полиэтилен, безусловно предпочтительнее стандартного, хотя и дороже его. А когда имеет смысл применять стандартный полиэтилен? В тех случаях, когда:
- ожидаемая продолжительность активной жизни пациента не превышает 15 лет
- пациент имеет небольшую массу тела и (или) ведет малоподвижный образ жизни
- пациент не в состоянии приобрести более «продвинутую» пару трения
Важное замечание. Данные о скорости износа пар трения, представленные на рисунке в начале статьи, очень приблизительные. Реальная скорость износа может быть существенно выше:
- у пациентов с избыточной массой тела
- у пациентов, занимающихся тяжелым физическим трудом
Пара трения металл — металл
В общем-то, писать тут много не придется. На картинке в начале статьи видно, что износ этой пары в 2 раза меньше, чем у сшитого полиэтилена. Казалось бы, вот он, прорыв? Увы, попытка широкого внедрения пары трения «металл — металл», которая имела место в середине нулевых годов, выявила ее серьезные недостатки.
Не буду вдаваться в медицинские и технические подробности. Если вкратце, то ионы металлов, попадая в мягкие ткани вокруг сустава, приносят больше вреда, чем «гора» полиэтиленовых опилок от стандартной пары трения «полиэтилен — металл».
В настоящее время эта пара трения практически не используется. По данным того же Шведского регистра артропластики, с 2010 года в этой стране не было произведено ни одной операции по замене тазобедренного сустава с использованием полностью металлической пары трения.
Пара трения керамика-керамика
Наиболее совершенной на сегодняшний день парой трения эндопротезов тазобедренного сустава является «керамика — керамика». Она обеспечивает минимальный износ — менее 1 микрона в год. А это всего лишь 0,02 мм за 20 лет эксплуатации!
Керамическая пара трения — наиболее совершенная на сегодняшний день. Ее использование особенно уместно у молодых и физических активных пациентов.
Именно поэтому полностью керамическая пара трения особенно уместна у молодых и физически активных пациентов. Малый темп износа позволяет таким людям сравнительно безопасно эксплуатировать эндопротез под существенными нагрузками длительное время.
Какие же у керамической пары трения недостатки?
- высокая стоимость
- очень небольшое число пациентов в определенных положениях ноги может слышать механический звук, похожий на скрип
- меньшая прочность в сравнении с другими парами трения
Последний пункт требует пояснения. Некоторые пациенты считают, что керамическая пара трения по прочности сродни керамическому цветочному горшку или тарелке. Малейшая нагрузка, прыжок или что-то подобное приведет к катастрофе — эндопротез расколется.
Керамический лайнер значительно прочнее обычной тарелки. Он не выйдет из строя даже у тучных или физически активных пациентов.
Конечно же, это не так. Современные керамические компоненты эндопротеза очень прочные и в процессе обычной физической активности расколоться не могут (даже у тучных пациентов). Со временем, на них могут появляться трещины и сколы. Однако даже в этом случае срок их службы будет гораздо больше, чем у пары трения «полиэтилен — металл».
В качестве промежуточного звена между полностью керамической парой трения и парой трения «полиэтилен — металл» выступает пара трения «полиэтилен — керамика». Ее цена ниже «керамики — керамики», а скорость износа примерно в 2 раза меньше «полиэтилена — металла».
Какая пара трения лучше?
Я рекомендую использовать пару трения «керамика — керамика» (лучше всего) или «сшитый полиэтилен — керамика» (также очень неплохо). Если же Вы не можете приобрести эндопротез с такими парами трения, то расстраиваться не стоит.
Ведь даже в наиболее развитых странах мира на более доступную пару трения «сшитый полиэтилен — металл» приходится 80% операций эндопротезирования тазобедренного сустава. Это говорит о том, что данная пара трения совсем не плохая. Просто есть более совершенные пары трения.
Представьте себе последние марки автомобилей Мерседес и Фольксваген. Автомобилисты знают, что Фольскваген — прекрасный автомобиль, на котором можно проехать десятки тысяч километров без всяких поломок. Но они также знают, что Мерседес несколько лучше. Примерно также обстоит дело и с парами трения эндопротезов…
И еще одно замечание. Не всегда существует техническая возможность использовать продвинутые пары трения. В некоторых ситуациях применяется только пара трения «полиэтилен — металл».
Дата публикации: 17.09.2019
Автор: доктор А. В. Вакуленко
Источник
Образование:
В 2007 году окончил с отличием Северный Государственный Медицинский Университет в г. Архангельске.
С 2007 по 2009 г. проходил обучение в клинической ординатуре и заочной аспирантуре на кафедре травматологии, ортопедии и ВПХ Ярославской Государственной Медицинской Академии на базе больницы скорой медицинской помощи им. Н.В. Соловьева.
В 2010 году защитил диссертацию на соискание ученой степени кандидата медицинских наук на тему «Лечебная иммобилизация открытых переломов бедренной кости». Научный руководитель — д.м.н., профессор В.В. Ключевский.
Профессиональная деятельность:
С 2010 по 2011 год работал врачом травматологом-ортопедом в ФГУ «2 Центральный Военный Клинический Госпиталь им. П.В. Мандрыка».
С 2011 года работает в клинике травматологии, ортопедии и патологии суставов Первого Московского Государственного Медицинского Университета им. И.М. Сеченова (Сеченовского Университета), являясь доцентом кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф.
Ведет активную научную работу.
Автор 76 научных работ, из них 35 — в рецензируемых журналах ВАК и Scopus. Имеет 2 патента на изобретения и полезные модели.
Стажировки:
15-16 апреля 2008 года АО курс «AO Symposium Pelvic Fractures».
28-29 апреля 2011 года — 6-й образовательный курс «Проблемы лечения часто встречающихся переломов костей нижних конечностей», Москва, ГУ МОНИКИ им. М.Ф. Владимирского.
6 октября 2012 года — Атромост 2012 «Современные технологии в артроскопии, спортивной травматологии и ортопедии».
2012 год – обучающий курс по эндопротезированию коленного сустава, prof. Dr. Henrik Schroeder-Boersch (Германия), Куропаткин Г.В. (Самара), г. Екатеринбург.
24-25 февраля 2013 года — обучающий курс «Принципы тотального эндопротезирования тазобедренного сустава», ФГБУ «РНИИТО им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, г. Санкт-Петербург.
26-27 февраля 2013 года – обучающий курс «Основы тотального эндопротезирования тазобедренного сустава», ФГБУ «РНИИТО им. Р.Р. Вредена» Минздрава России, г. Санкт-Петербург.
18 февраля 2014 года – практикум по ортопедической хирургии «Эндопротезирование коленного и тазобедренного суставов», Dr. Patrick Mouret, Klinikum Frankfurt Hoechst, Germany.
28-29 ноября 2014 года — обучающий курс по эндопротезированию коленного сустава. Профессор Корнилов Н.Н. (РНИИТО им. Р.Р. Вредена, г. Санкт-Петербург), Куропаткин Г.В., Седова О.Н. (г. Самара), Каминский А.В. (г. Курган). Тема «Курс по балансу связок при первичном эндопротезировании коленного сустава», Морфологический центр, г. Екатеринбург.
28 ноября 2015 года — Артромост 2015 «Современные технологии в артроскопии. спортивной травматологии, ортопедии и реабилитации».
23-24 мая 2016 года — конгресс «Медицина чрезвычайных ситуаций. Современные технологии в травматологии и ортопедии, обучение и подготовка врачей».
19 мая 2017 года — II Конгресс «Медицина чрезвычайных ситуаций. Современные технологии в травматологии и ортопедии».
24-25 мая 2018 года — III Конгрессе «Медицина чрезвычайных ситуаций. Современные технологии в травматологии и ортопедии».
Ежегодная научно-практическая конференция с международным участием «Вреденовские чтения — 2017» (21 — 23 сентября 2017 года).
Ежегодная научно-практическая конференция с международным участием «Вреденовские чтения — 2018» (27-29 сентября 2018 года).
2–3 ноября 2018 года в Москве («Крокус Экспо», 3-й павильон, 4-й этаж, 20-й зал) конференция «ТРАВМА 2018: Мультидисциплинарный подход».
Ассоциативный член Международного общества ортопедической хирургии и травматологии (SICOT — фр. Société Internationale de Chirurgie Orthopédique et de Traumatologie; англ. — International Society of Orthopaedic Surgery and Traumatology). Общество основано в 1929 году.
В 2015 году отмечен благодарностью ректора за личный вклад в развитие университета.
С 2015 по 2018 гг. являлся соискателем кафедры травматологии, ортопедии и хирургии катастроф лечебного факультета Сеченовского Университета, где изучал проблему эндопротезирования коленного сустава. Тема диссертационной работы на соискание ученой степени доктора медицинских наук: «Биомеханическое обоснование эндопротезирования коленного сустава при структурно-функциональных нарушениях» (научный консультатнт, д.м.н., профессор Кавалерский Г.М.)
Защита диссертационной работы состоялась 17 сентября 2018 года в диссертационном совете Д.208.040.11 (ФГАОУ ВО Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Минздрава России (Сеченовский Университет), 119991, Москва, ул. Трубецкая, д.8, строение 2). Официальные оппоненты: д.м.н., профессора Королев А.В., Брижань Л.К., Лазишвили Г.Д.
Является врачом высшей квалификационной категории.
Научные и практические интересы: эндопротезирование крупных суставов, артроскопия крупных суставов, консервативное и оперативное лечение травм опорно-двигательного аппарата.
Источник
Впервые керамические эндопротезы тазобедренного сустава были использованы в Европе еще в 1980-х годах, но в США они получили одобрение на имплантацию пациентам не так давно. Керамические материалы являются неплохой альтернативой разного рода сплавам. У керамики есть свои уникальные свойства, особо ценные при создании протезов, продлевающие срок их службы и улучшающие функциональные характеристики.
Малоинвазивное эндопротезирование в Чехии: врачи, реабилитация, сроки и цены.
Узнать подробнее
Виды керамики
Разные виды керамики.
Типы материала тела сустава:
- инертная. Не дает костным тканям врастать и сохраняет свою форму;
- биоактивная. Ассимилируется с костными тканями, но форма остается прежней;
- биодеградируемая. Полностью растворяется и замещается.
Типы керамики:
- На оксидах алюминия, цинка и титана. Такие протезы относятся к биоинертным. Они прочные, характеризуются высокой степенью биосовместимости. Обычно идут в узлах трения керамика-полиэтилен и керамика-керамика.
- Циркониевая. Диоксид циркония не уступает металлу по прочности. Однако в компании с примесью иттрия несколько токсичен для организма.
- Карбоновая (C-Si, С). Биоинертный материал повышенной прочности, обладающий отличной биологической совместимостью. Часто используется при изготовлении вкладышей в ацетабулярные чашки, стержней имплантатов.
- На основе фосфатов кальция и алюминатов. Биоактивный, но не деградируемый материал. Изделия из него могут выступать посредниками между костью, имплантатами и другими биоматериалами. А также используются в качестве носителей различных активных веществ с быстрым поверхностным высвобождением.
- На основе сульфатов кальция, фосфатов и алюминатов. Биодеградируемый материал. Может быть носителем активных веществ с медленным поверхностным высвобождением.
- Композитный керамический материал BIOLOX delta. Представляет собой инновационный сплав из оксида алюминия (82%), диоксида циркония (17%) и прочих элементов. Оксид алюминия обладает очень высокой плотностью за счет мелкозернистой структуры матрицы. Изделия отличаются высокой биосовместимостью, износостойкостью, химической и гидротермальной стабильностью.
Пара трения на основе керамики
Узел трения образуется головкой и имплантатом вертлужной впадины – модульной чашей (ацетабулярный компонент). Ацетабулярная чаша состоит из металлической полусферы, которая выпуклой частью фиксируется в вертлужной впадине (на цемент или методом пресс-фит), а также керамического вкладыша, который крепится внутри чаши с помощью специального механизма блокировки (конус Морзе). Именно внутри этого ложа будет скользить головка при движении.
Также есть моноблочные ацетабулярные чаши, в которых вкладыш изначально закреплен на заводе. При установке такого имплантата риск расколоть прокладку отсутствует.
Вкладыши из керамики обладают очень высокой прочностью, поэтому значительно тоньше остальных. Могут идти в паре с головками больших размеров, что означает повышенную стабильность сустава.
Многие западные хирурги сходятся во мнении, что при имплантации тазобедренных суставов у пациентов в возрасте до 75 лет следует использовать монокерамическую пару трения. Поскольку такая совместимость почти не подвержена стиранию и образованию дебриса в отличие от металла, где частички, попадая в кровоток, могут вызвать аллергию и различные патологии почек. В зависимости от состава керамики, компоненты протеза могут быть цветными: если использована алюмиевая (Al2O3) керамика − желтые, а если композитная (смесь алюминия и циркония) − розовые.
Преимущества имплантатов с монокерамической парой трения
- высокая биоинертность;
- повышенная износостойкость;
- антикоррозийность;
- подходят для беременных;
- керамические головки более гладкие, чем металлические;
- можно изготавливать головки больших диаметров;
- высокая чистота обработки поверхности.
Недостатки керамики
Раскол чашки Biolox.
- жесткость;
- иногда в процессе эксплуатации появляется характерный скрип;
- возможность разрушения либо по причине неправильной техники установки, либо сама по себе из-за нарушенной технологии производства имплантата;
- колкость (преимущественно в монокерамической паре, но в последнем поколении материалов почти не случается);
- продукты трения (дебрис) еще больше увеличивают скорость износа протеза. Также их наличие может спровоцировать растворение костной ткани в ложе имплантата. При ревизионных операциях полностью удалить все частицы довольно тяжело. Поэтому применение биоактивных видов керамики при изготовлении эндопротезов спорно.
Примеры износа керамических головок.
Еще одним недостатком эндопротезов из керамики является их высокая стоимость. Однако узел трения керамика-полиэтилен не во многом уступает монокерамическому, но цена значительно ниже.
Исследования 83-х монометаллических (46) и монокерамических (37) узлов трения на коррозийную устойчивость показали, что керамические головки существенно снижают коррозию конуса, в котором крепится ножка.
Производители керамических имплантатов
Сама технология производства керамики достаточно сложна. По этой причине большинство производителей (Zimmer, Smith&Nephew, Biomet, Aesculap, B. Braun, DePuy, Stryker) закупают материал на единственном в своем роде заводе компании немецкой компании CeramTec (выпускает керамику с 1974 года, владеет 93% рынка). За все время существования компания сменила 3 поколения и в данный момент специализируется на 4-м поколении материала − Biolox delta, из которого изготавливаются все инновационные серии имплантатов.
Особое внимание следует уделить недавней разработке российских ученых – нанокерамике. Это уникальный аналог Biolox delta, ни в чем ему не уступающий. Исследования в этой области начались в 2011 году ЗАО «НЭВЗ-керамикс», а в 2015 был имплантирован первый нанокерамический тазобедренный протез. Продукцию уже оценил такой крупный производитель как концерн Johnson&Johnson (DePuy), предложив совместное участие в проекте.
Изделие из нанокерамики может прослужить от 20 лет без замены. Отличается высокой биоинертностью и прочностью. Благодаря достаточно низкой цене в скором времени эти протезы будут широко использоваться при проведении операций по замене тазобедренных суставов в составе государственной программы выдачи квот.
Срок службы эндопротезов
На срок службы влияет не только материал изготовления и мастерство врача, но и различные заболевания типа хронического полиартрита, а также уровень физической активности, состояние костной ткани и вес пациента. Средний срок для тазобедренного имплантата – 10-25 лет. Но это только расчетное время.
Металлические головки в паре с полиэтиленом изнашиваются примерно через 10 лет, а керамические служат гораздо дольше. Керамические эндопротезы тазобедренного сустава самые прочные, со сверхнизким темпом износа (0,0001 мм в год). При благоприятных условиях могут прослужить не одно десятилетие.
Но большинство ревизионных операций проводится не из-за износа, а по причине расшатывания конструкции и дестабилизации сустава.
Источник