Автореферат и диссертация по медицине (14.00.22) на тему:Экспериментальное обоснование использования углерод-углеродного композиционного материала для создания однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава

Министерство здравоохранения Российской Федерации

Центральный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова

На правах рукописи

СОКОЛОВ Виталий Владиславович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОСНОВАНИЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УГЛЕРОД-УГЛЕРОДНОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ СОЗДАНИЯ ОДНОПОЛЮСНОГО ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА

14.00.22 - Травматология и ортопедия

Автореферат.

диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских наук

Москва - 1993

Работа выполнена в Центральном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова.

Научные руководители: член-корр. РАМН, доктор медицинских наук, профессор Ю.Г. Шапошников кандидат медицинских наук Г.Н. Берченко

Официальные оппоненты: доктор медицинских наук, профессор В.В. Кузьменко доктор медицинских наук А.И. Кавешников

р

Ведущее учреждение - Московская медицинская академия им. И.М. Сеченова.

' Защита состоится " 1993 р. в '

00

_ часов на заседании специализированного совета

К 074.02.01 в Центральном научно-исследовательском институте травматологии и ортопедии им. H.H. Приорова (125299, Москва, ул. Приорова, 10).

С диссертацией ыохно ознакомиться в научной библиотеке института,

Автореферат разослан " Мой.^^ ^ддз г>

I 1

Ученый секретарь специализированного совета доктор медицинских наук С.С. Родионова ~

УЗ

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Лишение кости ее естественной нагрузки при применении металлических конструкций в эндопроте-зировании является весьма сложной, трудноразрешимой проблемой. Феномен " sttesspiotediob- nf защита от нагрузки вызывает весьма хорошо известный эффект резорбции кости, возникающий вследствие большой разницы- модулей эластичности имплантата и кости. Это в свою очередь привело ученых к мысли о применении материалов с иэоэластичными свойствами для эндопротезирования суставов / ßoiyn J. , 1967/. Композиционные материалы на основе углерода обладают необходимыми в данном случае свойствами. Экспериментально было доказано, что углерод-углеродный композиционный материал, состоящий на 99,9^ из углерода, обеспечивает большую передачу нагрузки на кость по сравнению с металлическими конструкциями и по своей прочности эндопротезы из . такого материала не уступают металлическим 1987/.

Еще одной важной стороной в эндопротезировании~"суставов является контакт кости с имплантатом, который чаще всего происходит через фиброзную капсулу, степень развития которой играет непоследнюю роль в асептическом расшатывании конструкции /Шерепо K.M., 1990/. Известно, что вследствие определенных физико-химических свойств поверхность углеродных материалов обладает биологической активностью» что при контакте с костью характеризуется в большей степени прямым костно-имплантацион-ным взаимодействием без фиброзной интерпозиции /Р. , 1987/* Данное явление многие авторы характеризуют как биологическую фиксацию имплантата; особенно если последний имеет пористую, шероховатую поверхность, что подтверждается тестом

на выталкивание /dLue-dt-tncurn, , Cook ,

1986/.

Не менее важной характеристикой композиционных материа- • лов на основе углерода, а в особенности углерод-углеродного композиционного материала является отсутствие биологической агрессивности продуктов их механического износа в отличие от металлов и полимеров, что было доказано многими эксперимен-" тальными и клиническими исследованиями /Муссалатов Х.А., 1990/. Пднако.все-же рекомендуется применять специальные покрытия, защищающие структуру углеродсодержащего композиционного материала, каковыми являются: гидроксиапатит, кальций-фосфат, пиролитич^ский углерод, полисульфон и некоторые другие устойчивые к механическим воздействиям материалы /¿бг/S-

Р. , 1967/.

Учитывая зги важные особенности композиционных материа-^ лов,была проведена работа по изучению биосовместимости пред-Чл ложенного НПО "Композит" углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ).

Цель исследования. Экспериментально обосновать возмож-

I

ность использования углерод-углеродного композиционного материала для создания однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава. ' * .

Задачи исследования.

1. Изучить поверхностную микроструктуру углерод-углеродного композиционного материала.

2. Исследовать механические свойства эндопротезов тазобедренного сустава человека, изготовленных из УУКМ.

3. Провести сравнительное морфологическое исследование.' биосовместимости УУКМ без покрытия, покрытого карбином или

ч

пнроуглеродом при имплантации его в мышечную и костную ткани.

4. Использовать экспериментальную' модель эндопротезиро-вания тазобедренного сустава однополюсными эндопротеэами из УУШ и титанового сплава ВТ5-1 для сравнительного изучения влияния эндопротезов на окружающие ткани в условиях ранней биомеханической нагрузки.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Сравнительное морфологическое исследование реакции мышечной и костной ткани на имплантированный углерод-углеродный композиционный материал б.ез покрытия и с нанесенным на его поверхность карбином или пнроуглеродом показало, что изученные материалы являются биоинертными и вызывают однотипную реакцию со стороны окружающих тканей. Углерод-углеродный композиционный материал не препятствует формированию и созреванию на его поверхности костной ткани и элементов кроветворного костного мозга.

2. При имплантации эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала отмечается меньшее число случаев нестабильности ножки по сравнению с эндопротеэами из титанового сплава в условиях ранней биомеханической нагрузки на ко-нбчность, что является статистически достоверным. Шероховатая повепхность ножек эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала и близость величины модуля упругости данного материала и компактной кости способствуют увеличению стабильности имплантата.

3. Независимо от вида материала при нестабильности эндо-протеза вокруг нее формируется толстая фиброзная или фиброзно-хрящевая ткань, окруженная прерывистой слабо развитой костной манжеткой, сохраняющей участки незрелой костной ткани в позд-

■ - 6 -

ние сроки исследования. При стабильной фиксации ножки эндопро-теза вокруг имплантата обычно формируется непрерывная костная манжетка, представленная зрелой костной тканью пластинчатого' строения. Однако,в некоторых случаях между костной манжеткой и имплантатом формируется тонкая соединительнотканная прослойка, что наблюдается значительно реже при использовании эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала.

Научная новизна. Впервые в эксперименте было изучено взаимодействие углерод-углеродного композиционного материала отечественного, производства с тканями организма (мышечная, костная) и доказаны преимущества эндопротезов из- данного материала по сравнению с таковыми из титанового сплава.

Полученные данные показали, что конструкции из углерод-углеродного композиционного материала отечественного производства не уступают зарубежным аналогам по изоэластическим характеристикам, влияющим на костное ремоделированйе и по своей способности к более надежной стабилизации в кости за счет биологической фиксации имплантата.

Одновременно, помимо достоинств конструкций из этого материала были выявлены конструктивно-технологические недостатки, при преодолении которых этот материал может быть допущен для изготовления эндопротезов тазобедренного сустава.

Практическая ценность. Результаты проведенного исследования являются экспериментальным обоснованием возможности клинического применения эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала производства НПО "Композит" после преодоления конструктивно-технологических недостатков.

Использованная в работе экспериментальная модель эндо-протеэирования тазобедренного сустава может быть применена

для изучения вопросов эндопротезирования с использованием других видов новых материалов в больших сериях экспериментов на кроликах.

I

Личный вклад диссертанта.. Автором были самостоятельно выполнены оперативные вмешательства на подопытных животных (имплантация образцов УУКМ в ыышцу и бедренную кость, эндопроте-зирование тазобедренного сустава кролика), произведены рентгенологические исследования результатов эндопротезирования, а также исследования секционного материала, полученного после забоя животных.

Публикации.' По материалам диссертации опубликовано 3 печатных работы.

Структура и объем работы. Текст диссертации изложен на 185 машинописных страницах, состоит из введения, обзора литературы, двух глав собственных исследований, заключения и выводов. Диссертация иллюстрирована 5 таблицами и 77 рисунками. • Библиография включает 42 отечественных и 197 зарубежных источников. 1

СОБСТВЕННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Поверхностная микроструктура углерод-углеродного композиционного материала (УУКМ) изучалась при' помощи электронного сканирующего микроскопа -Ib^JE-OiL (Япония). Было изучено три вида образцов материала: УУКМ без покрытия поверхности; УУКМ, покрытый карбином; УУКМ, покрытый пироуглеродом.

' Изучаемые образцы были выполнены в виде цилиндров 0,3х х0,5 см, которые в последующем предполагалось имплантировать подопытным животным.

- 0 - .

Необходимо было сравнить и оценить поверхности трех об- . разцов для выявления достоинств и недостатков, так как по данным литературы известно, что открытое волоконно-матриксное пространство композиционного материала при взаимодействии с агрессивной средой организма в комплексе с механическими воздействиями чаще подвергается разрушению, вбледствие чего рекомендуют применять специальные покрытия / ¿Ме^ан-сА-о

, 1983/. НПО "Композит" для этой цели'предложило покрытие -карбин, представляющее собой углерод особой линейной структуры, образуемый в процессе химической карбонизации.

Изучение поверхностной микроструктуры предложенных образцов показало, что материал без покрытия отличается наибольшей шероховатостью и неоднородностью поверхности. Выступающие на поверхность материала окончания волокон делают эту поверхность неустойчивой к механическим воздействиям (учитывая хрупкость материала) и могут служить источником распространения продуктов поверхностного износа.

Материал, покрытый карбином, демонстрирует также неоднородную поверхность с наличием дефектов самого покрытия, его вицимой недостаточной толщины, что также должно приводить к неустойчивости такого покрытия. Тот факт, что НПО "Композит" предложило использовать покрытие из углерода, является весьма перспективным и важным, так как углерод, будучи высоко устойчивым к агрессивной среде организма, а также мелкие частицы которого, возникающие в процессе неизбежного износа любого эн-допротеза, не оказывают вредного влияния на ткани организма, может обеспечить хороший результат приживления эндопротеза. Однако,полученные данные говорят о серьезных недоработках в нанесении этого вида покрытия, которое не отвечает предъявляв-

- 9 -

мым'к нему требованиям /¿к/И-Н-ел* ИВ. % 1908/.

Образец с пиролитическим покрытием имеет однородную мелкозернистую поверхность без наличия каких-либо дефектов и является наиболее удачным из всех трех разновидностей представленного материала. Он использовался э нашем исследовании в качестве контроля, так как по многим публикациям он зарекомендовал себя как устойчивый )С<оок£г). , 1909/-.

Были проведены испытания механической прочности эндопро-теза тазобедренного сустава человека, изготовленного из УУКМ. •

Испытания проводились в аппарате ЦВИК-1464 в лаборатории полимеров ЦИТО. Пользуясь международным стандартом 7206/3-88 гг. для испытания бедренных компонентов эндопротезов, точка приложения механического воздействия при тесте на трехточечный изгиб ножки была выбрана на расстоянии 90 мм от центра головки эндопротеза.

Испытываемый образец располагался на двух опорах, наружной поверхностью ножки, после чего в указанной точке производилось механическое воздействие со скоростью 5 мм/мин. Гра-дуировочная шкала записывающего устройства была установлена на максимальную величину силы 5 кН (500 кгс).

Было испытано б эндопротезов из УУКМ. Ножки всех образцов были одинаковой длины и толщины. Результаты испытаний сравнивались с таковыми для ножек эндопротезов Мура-ЦИТО, Мовшовича, Мовшовича-Гаврюшенко.

Эндопротезы из УУКМ продемонстрировали хрупкий тип перелома с косой линией излома, соответствующей наклону слоя углеродной арматуры, а также с наличием разволокнений в пластах композита. Сила, при которой происходило разрушение, составляла от 865 Н до 2110 Н (х=1614,17 ; <У =448,74). Для

- 10 - .

эндопротеза Мура-ЦИТО рта сила составила 3325 Н, для эндо- ; протеза Мовшовича - 4448 Н, а для эндопротеза Мовшовича-Гав-рюшенко сила величиной более 5000 Н вообще оказалась недо-.• статочной, чтобы произвести какую-либо деформацию.

Из данного исследования видно, что существенные колебания в силе разрушения для углеродных эндопротезов говорят о неоднородности структуры предложенных образцов. При изучении плоскости излома видно, что нарушение структуры конструкции происходит между слоями арматуры, в которых волокна ориентированы тетрааксиально. Низкий уровень разрушающей силы по сравнению с контрольными образцами свидетельствует о .наличии определенных дефектов, в структуре материала, снижающих его прочностные свойства, в то время как зарубежные аналоги по механической прочности не уступают металлическим эндопротезам / CA.iJ.siei? P. t 1987/. Таким образом, в создании подобных эндопротезов отсутствует единый теоретический и технологический подход, что не позволяет получить эндопротезы, отвечающие предъявляемым к ним требованиям.

Биологическая совместимость УУКМ с тканями организма была изучена в экспериментально-морфологическом исследовании, включавшем в себя три раздела.

В первый раздел входили опыты на 105 крысах-самцах, разделенных на три группы, в которых изучалась реакция мышечной' ткани на имплантированные^ в мышцы спины цилиндры•размером 0,3x0,5 см. В. первой группе имплантировались цилиндры из УУКМ без покрытия, во второй - покрытые карбином, в третьей - покрытые пиролитическим углеродом. Реакция мышечной ткани изучалась на 3, б, 10, 15, 30, 90, 150' сутки после имплантации.

- II -

Во второй раздел входили опыты на 36 кроликах, разделенных на три группы, в которых исследовалась реакция костной ткани на имплантированные цилиндры выше указанных характеристик. С этой целью в межвертельной области бедренной кости производилось фрезевое отверстие, в которое вводился исследуемый образец. Реакция костной ткани изучалась через 2, 4, б, 8 месяцев после операции.

Проведенное сравнительное морфологическое исследование реакции мышечной ткани на УУКМ с различными покрытиями и без покрытия показало, что изученные материалы являются высоко биоинертными и вызывают однотипную слабовыраженную реакцию со стороны окружающих имплантат тканей.

Действительно, в ранние сроки (З-б суток) после имплантации УУКЫ в мышечную ткань вокруг последнего формируется тонкая соединительнотканная капсула, содержащая незначительное количество нейтрофильных лейкоцитов и макрофагов.'Мышечная ткань подвержена незначительной деструкции, воспалительные изменения выражены слабо. Различия в строении капсулы, формирующейся вокруг сравниваемых материалов, не определяется.

К 10-30 суткам после имплантации УУКМ прогрессировали явления фиброзирования соединительнотканной капсулы. При этом к 30 суткам вокруг иыплантатов определяется тонкая фиброзная капсула, основными клеточными элементами которой являлись немногочисленные малоактивные фиброциты. Отдельные макрофаги встречаются лишь во внутренней части капсулы. В соединительнотканной капсуле, а также с наружной ее стороны определяются отдельные мелкие частицы УУКМ. Клеточной реакции на эти части-

цы на светооптическом уровне не обнаруживается. Гигантские . многоядерные клетки инородных тел не выявлялись.

К 90-150 суткам вокруг имплантатов формируется тонкая соединительнотканная прослойка. В последней выявляются немногочисленные фиброциты, тогда как макрофаги почти не выявляются. Между соединительнотканной капсулой и мышечной тканью иногда определяются частицы УУКМ, клеточной реакции вокруг них не выявляется. Гигантские многоядерные клетки инородных тел не обнаруживаются. Соединительнотканная капсула,формирующаяся вокруг имплантатов, имела однотипный клеточный состав и степень зрелости в независимости от вида исследуемого материала. Сле- ■ дует отметить, что присутствующие в тканях.частицы материала появились там не вследствие каких-либо специфических причин, возникающих при взаимодействии имплантата с тканями,а. в процессе укладки имплантата, при взятии его инструментом и т.д. возникало повреждение'поверхности образца, в особенности это V касалось цилиндров без покрытия. Подтверждением тому является локализация частиц на внешней стороне соединительнотканной капсулы по отношению к имплантату.

Идентичность тканевой реакции на все три вида имплантированных образцов можно объяснить их одинаковым химическим составом в независимости от наличия или отсутствия покрытия и технологии его изготовления. Этот факт полностью совпадает с имеющимися литературными данными /Я^^^еь Н.В, ( 1988/.

Проведенное сравнительное морфологическое исследование реакции костной ткани на УУКМ трех вышеуказанных разновидностей показало, что изученные материалы являются высоко биоинертными, не ингибирущими формирование на их поверхности костной ткани.'

ч

- 13 -

Действительно, ко 2-4 месяцу после имплантации материала в кость вокруг последнего фондируются н'овообразованные костные балки, рядом с которыми располагаются клеточные элементы кроветворного костного мозга. В отдельных случаях между импланта-том и новообразованной костной тканью встречаются участки, содержащие тонкие соединительнотканные прослойки. Признаков воспалительной реакции и резорбции костной ткани вокруг импланта-тов не определялось. В ранние сроки исследования (2 месяца после' имплантации) вокруг имплантатовг покрытых пироуглеродом или карбином, формировались более развитые костные трабекулы. Этот факт нельзя однозначно объяснить, хотя по данным литературы известно, что, помимо высокой инертности углеродных материалов, они отличаются определенной биологической активностью, способствующей образованию на поверхности подобных материалов костной ткани /Ккашев Г.С. с соавт., 1983/, хотя в то же время пиролитический углерод отличается своей неадгезивной природой и применяется в сосудистой хирургии как тромборезистентный материал.

К 6-8 месяцу после имплантации прогрессируют явления созревания и ремоделирования сформированных вокруг имплантатов костных трабекул. Имплантаты окружены новообразованными костными трабекулами, имеющими пластинчатую структуру, а также клеточными элементами -кроветворного костного мозга. В некоторых случаях между костными балками и имплантатом обнаруживаются тонкие.тяжи фиброзной соединительной ткани. В прилежащих к имплантату тканях остеокласты и гигантские многоядерные клетки инородных тел,' а также признаки воспалительной реакции не обнаруживаются. Частицы УУКМ встречаются менаду имплантатом и прилежащей к имплантату кости.

- 14 -

Полученные данные по этому разделу совпадают со многими литературными публикациями, связанными с этой пооблемой / Wood ZU, 1990/.

Эндопротезирование тазобедренного сустава было произведено 28 кроликам, разделенным на две группы. В первую входили кролики, которым устанавливался эндопротез,"изготовленный из УУКМ '(основная группа), во вторую - из традиционного титанового сплава BT5-I (контрольная группа).' Была принята однополюсная модель эндопротеза типа Коде, но с удлиненной ножкой, фиксируемой в бедренном канале по методике Моррея ¡Me>t-ггу B.F. , 1989/. Данная модель явилась наиболее оптимальной в целях наиболее .щадящего' оперативного вмешательства, когда не требовалось осуществлять широкий, травматичный доступ. Это яелялось весьма важным вопросом, так как кролик в отличие от традиционного животного - собаки, используемого для моделирования эндопротезирования тазобедренного сустава / Ссок 8.0. , 1989/, не способен передвигаться на трех лапах в ближайшие сроки после операции с целью полного щажения конечности. Еще одним моментом, требующим минимальной травматичности операции, является состояние вертлужной впадины кролика, а именно: еще большая вертикальная ось наклона по сравнению с вертлужной впадиной собак и еще меньшая ее глубина. Таким образом , возникла необходимость наиболее надежного крепления эндопротеза как со стороны бедренного компонента, вследствие возникающей максимально ранней нагрузки на конечность, так и со стороны вертлужной впадины, состояние которой грозило возникновением послеоперационного вывиха, что, следовательно, требовало наиболее тщательной пластики сустава. Пластика сустава осуществлялась из остатков рассеченной капсулы, коротких приводящих

мышц и путем восстановления прежнего мышечного равновесия в суставе за сиет возвращения на прежние места крепления головки четырехглавой мышцы и малой ягодичной путем перехлеста через костный гребень большого вертела и фиксации их к сухожильной. порции большой ягодичной мышцы. Бедренный компонент энцо-протеза надежно фиксировался в бедренном канале по методике Моррея. Особенно хорошо фиксировалась ножка эндопротеэа из УУКМ за счет шероховатости своей поверхности, что проверялось интраоперационно путем потягивания за головку эндопротеза в обратном направлении. Однако,ранняя нагрузка на оперированную конечность, свойственная кролику, несмотря на все предпринимаемые меры по обеспечению надежности крепления конструкции, должна неизбежно приводить к появлению микро- и, вероятно, даже макродвижениям бедренного компонента эндопротеза в бедренном канале. Этот момент в свою очередь и проявил себя впоследствии как рентгенологически, так и при морфологическом, исследовании.

• После операции производилось динамическое рентгенологическое наблюдение на сроках от одного до 12 месяцев.

Выведение животных из эксперимента производилось в сроки 4, б, 8, 12 месяцев после операции.

Рентгенологическое наблюдение в динамике показывает, что с- первого'месяца после операции отмечается появление кистовидной перестройки проксимального отдела бедра как в основной, так и в контрольной группах, которая далее не отмечает прогресеиро-вания. Последнее можно объяснить прекращением микродвижений ножки на определенном этапе и, пользуясь термином из методики оценки рентгенологической стабильности эндопротезов по Энгху и Глазману, можно заключить, что наступает надежная фиброзная

- 16 - •

стабилизация ножки эндопротеза / Я. , 1990/. Од-

нако, существует различие в количестве стабильных и нестабильных эндопротезов основной и контрольной групп. Признаками, río которым можно судить о стабильности ножки эндопротеза явились: наличие тонких реактивных линий,контурирующих бедренный компонент нерентгеноконтрастного эндопротеза (основная груипа) и тонкий, умеренно развитый "пьедестал", т.е. костные разрастания, которые охватывают дистальную часть ножки эндопротеза. Эти признаки имели место на всех сроках наблюдения, кроме одного случая в 4 месяца после операции, что составило 6,6% от общего числа эндопротезов основной группы.

В контрольной группе большинство эндопротезов также было стабильно.. Наличие плотно прилежащих к ножке реактивных линий костного уплотнения, образование мостовидных тяжей, охватывающих ножку, наличие тонкого- и плотно облегающего конструкцию "пьедестала" - все это также говорило о стабильности эндопротезов. Однако,помимо этого, особенно в срок 4 месяца, отмечалось большее количество нестабильных эндопротезов, что проявлялось в виде наличия толстых волнообразных, нечетких линий остеосклероза вокруг ножки с участками сплошного или прерывистого просветления на границе имплантат-кость, наличие толстого булавообразно расширенного "пьедестала". Процент нестабильных эндопротезов в контрольной группе составил 38,4$. Эта разница между основной и контрольной группой явилась статистически достоверной (р<0,05).

Следующий рентгенологический признак - уменьшение рентге--нологической плотности кортикальной кости, что имело место как в основной, так и в контрольной группах. Отмечается тенденция к прогрессированию этого признака с течением времени, особенно

в контрольной группе животных. Этот факт является подтверждением данных литературы о влиянии различия модулей упругости имплантата и кости на развитие перестройки кортикальной кости j'frotyn-iö, , 1967/.

Таким образом, шероховатая поверхность ножек зндопроте-зов из УУКМ в комбинации с изоэластическими свойствами данного материала, приводящими к уменьшению перестройки кортикальной кости по. сравнению с группой, где использовались металлические зндопротеэы, обеспечивает большую стабильность эндопротезов из УУКМ в кости, что полностью совпадает с данными литературы / Зг-ул^и W.J. f 1981/.

• Данные рентгенологических исследований по поводу стабильности ножек эндопротезов при изучении макропрепаратов бедренных костей, полученных после выведения животных из эксперимента, полностью были подтверждены, когда нестабильные ножки легко извлекались из бедренного канала, а стабильные не извлекались даже при помощи инструмента (зажим Кохера).

Загрязнение тканей продуктами износа эндопротеза противоречит традиционному представлению об этом эффекте, т.-е. обычно э^от феномен усиливается с течением времени, однако,в'нашем исследовании имела место совершенно обратная картина. На ранних сроках отмечались наиболее загрязненные ткани" продуктами .износа эндопротезов из УУКМ. В контрольной группе этого эффекта не наблюдалось, т.е. износа металлических эндопротезов вообще не происходило.

' Изменения со стороны суставной поверхности'вертлужной впадины имели- все признаки прогрессирующего износа: в более ранние сроки (4-6 месяцев) в центре впадины имелось красно-

I ■коричневое пятно, которое постепенно исчезало к 12 месяцам,

превращаясь в матовую, рубцово -измененную поверхность. По-

добные признаки износа суставной поверхности также имеют место и при контакте с высококлассно обработанной поверхностью головок однополюсного эндопротеза, изготовленного из углеродного . материала и покрытого пиролитическим углеродом, что было показано в зарубежных публикациях / Cook §.£>. , 1989/.

При сравнительном гистологическом исследовании срезов бедренной кости и вертлужной впадины обнаружено, что в обеих группах имеется перестройка компактной кости бедра, ее спонгизация, однако,выраженная в большей степени в контрольной группе- и прогрессирующая с течением времени. Этот факт подтверждает опреде- • ленную близость модуля упругости эндопротеза из УУКМ и кости, что сглаживает вредный эффект "защиты от нагрузки". Этот важнейший факт, подтвердивший рентгенологические данные и ради чего, собственно, и были начаты подобные исследования композиционных материалов на основе углерода, можно назвать основополагаю-V, щим в нашей работе, который позволяет заключить, что данный материал оправдывает свои свойства в качестве изоэластичного им-плантата, незначительно лишающего кость ее физиологической нагрузки по сравнению с эндопротезами из металла. Все это позво-

*

ляет уменьшить вероятность асептического расшатывания эндопро-тезов /Янсон Х.А., 1966/.

Эндопротезы основной и контрольной frpynn имеют раннюю нестабильность ножки, которая подтверждается наличием кист в губчатой кости, окружающей имплантат, полнокровных сосудов в соединительнотканной капсуле и в формировании вокруг ножки эндопротеза многочисленных кррвоизлияний, образованием остеофитов на поверхности бедра.

При нестабильности ножки эндопротеза как из УУКМ, так и ' из титана вокруг нее формируется толстая фиброзная или фиброз-но-хрящевая манжетка, окруженная прерывистой, слабо развитой

костной тканью, Сохраняющей участки незрелой кости в поздние сроки исследования. Следует отметить, что при увеличении содержания хрящевого компонента в этой капсуле, формирование костных трабекул протекает более активно, в то время как наименьшее развитие костной манжетки определяется в капсулах с преобладанием фиброзной ткани. При стабильной фиксации ножки эндопротеза вокруг имплантата обычно формируется непрерывная костная манжетка, представленная зрелой костной тканью пластинчатого строения. Однако,в некоторых случаях между костной манжеткой и имплантатом формируется тонкая соединительнотканная прослойка, что наблюдается значительно реже при использовании эндопротезов из УУКМ.

. Вокруг ножки и головки эндопротезов из УУКМ встречается значительное количество частиц УУКМ, однако,отсутствие выраженной на светооптическом уровне клеточной реакции на продукты износа конструкции говорит о высокой биоинертности данного материала, к тому же находившегося в режиме интенсивной механической нагрузки. В то же время в контрольной группе, где. продуктов поверхностного износа выявлено не было, часто в соединительнотканной капсуле на границе с имплантатом обнаруживались группы макрофагов, плазматических клеток, лимфоцитов. Таким образом, это существенное отличие в поведрний тканей по отношению-к имплантату говорит в пользу конструкций из УУКМ, подтверждая литературные данные об отсутствии агрессивности продуктов механического износа УУКМ &. , 1977/.

Воздействие головок эндопротезов на суставную поверхность вертлужной впадины выражалось массивным износом хряща и серьезной травматизацией субхондральных костных структур. Этот эффект вполне закономерен вследствие низкого качества обработки голо-

вок экспериментальных эндопрогезов. Эндопротезы из УУКМ показали еще большую степень износа сустава вследствие участия в процессе истирания частиц поверхностного износа материала. Действительно, по сравнению с контрольной группой отмечается более обширная площадь оголенной субхондральной кости, лишь в самых периферических участках суставной впадины сохраняется видоизмененный гиалиновый суставной хрящ, он подвержен значительным дистрофическим изменениям: ра'зволокнёния, узурирова-г ние, отсутствие бесклеточной пластинки хряща, прорастание в хрящ соединительнотканного паннуса. В некоторых костных трабе-кулах, прилежащих к суставной поверхности, определяются приз--наки перестройки и дистрофии, о чем свидетельствует потеря пластинчатой структуры,, усиление базофилии и увеличение числа остеоцитов и расширение их лакун. Значительная часть костных трабекул утолщена, что свидетельствует, о развитии остеосклероза. Частицы УУКМ в основной группе определяются в большом

Чл

г количестве в пальцевидных выростах-утолщенной синовиальной оболочки, в мягких тканях вертлужной впадины и костномозговых каналах субхондральной кости.

Таким образом, проведенное экспериментальное исследование, несмотря на определенные важные технические и технологические недостатки конструкций из углерод-углеродного композиционного материала, предложенных НПО "Композит", показало пре-

I

имущества данного материала перед традиционными титановыми сплавами, применяемыми для создания эндопротезов суставов.

■■т -21-

выводи

1. Использованная экспериментальная модель энцопротезиро-вания тазобедренного сустава однополюсным эндопрЬтезом из уг~ лероц-углероцного композиционного материала или из титанового сплава позволила изучить влияние эндопротеза йа окружающие ткани бедра и вертлужной впадины в условиях ранней биомеханической нагрузки на конечность.

2. Сравнительное морфологическое исследование реакции мышечной и костной тканей на имплантированный углерод-углеродный композиционный материал без4 покрытия и с нанесенным на его поверхность карбином или пироуглеродом показало, что изученные материалы являются биоинертными и вызывают однотипную реакцию со стороны окружающих тканей.

Углерод-углеродный композиционный материал не препятствует формированию и созреванию на его поверхности костной ткани и элементов кроветворного костного мозга.

3. При имплантации эндопротезов из углерод-углеродного ■ композиционного материала отмечается меньшее число случаев нестабильности ножки по сравнению с эндопротезами из титанового сплава в условиях ранней биомеханической нагрузки на конечность, что является статистически достоверным. Шероховатая поверхность ножки эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала и 'близость величины модуля упругости данного материала и компактной кости способствуют увеличению стабильности имплантата.

4. Независимо от вида материала при нестабильности ножки эндопротеза вокруг нее формируется толстая фиброзная или фиб-розно-хрящевая ткань, окруженная прерывистой, слабо развитой костной манжеткой, сохраняющий участки незрелой костной ткани

- 22 - ,

в поздние сроки исследования. При стабильной фиксации ножки. . эндопротеза вокруг имплантата обычно формируется, непрерывная костная манжетка, представленная зрелой костной тканью пластинчатого строения. Однако,в некоторых случаях мевдг костной манжеткой и имплантатом формируется тонкая соединительнотканная прослойка, что наблюдается значительно реже при использовании эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала.

Вокруг ножки эндопротеза из углерод-углеродного композит ционного материала определяются менее выраженные дегенеративные изменения костной ткани, проявляющиеся в перестройке и спонги-зации компактной кости.

5. Экспериментальное однополюсное эндопротезирование тазобедренного сустава эндопротезами из углерод-углеродного композиционного материала или из титанового сплава сопровождается дегенерацией суставного хряща и его истончением вплоть до образо-

~ вания костных шлифов, формированием зоны склероза субхондраль-

V >

V ной кости, что в значительной степени обусловлено воздействием на суставную поверхность некачественно обработанной поверхности головок эндопротезов.

6. Специальное покрытие карбин для защиты поверхности углерод-углеродного композиционного материала отличается недоста-

и •

точной толщиной и множественными микроскопическими дефектами, что не предотвращает распространение продуктов поверхностного износа конструкций из углерод-углеродного композиционного материала, покрытых карбином.

7. Эндопротезы -тазобедренного сустава человека, изготовленные из углерод-углеродного композиционного материала характеризуются относительно низкой механической прочностью, а также неоднородностью своей структуры, о чем свидетельствуют зна-

- 23 -

, »

чительные колебания величины силы, необходимой для разрушения ножки эндопротезов.

8. Для использования эндопротезов из углерод-углеродного композиционного материала в клинической практике разработчикам данного материала необходимо улучшить конструктивно-технологические условия изготовления эндопротезов, добиваясь повышения их механической прочности и поверхностной устойчивости к трению.

9. Высокая биологическая инертность?углерод-углеродного композиционного материала, отсутствие агрессивности со стороны продуктов поверхностного износа, а также близость величины модуля упругости с таковым компактной кости позволяет рекомендовать его как перспективный материал для создания эндопротеза тазобедренного сустава.

СПИСОК РАБОТ, ОПУБЛИКОВАННЫХ ПО.ТЯМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Экспериментально-морфологическое обоснование использования углерод-углеродного композиционного материала в эндопро-тезировании //Тезисы докладов У съезда травматологовг-ортопедов республики Узбекистан с участием иностранных специалистов. -

1992. - С. 197-198 (в соавт. с Ю.Г. Шапошниковым, Г.Н. Берчен-ко).

2. Экспериментально-морфологическое исследование биосовместимости углерод-углеродного композиционного материала //Эн-допротезирование в травматологии и ортопедии. - М.: ЦИТО. -

1993. - С. 99-103(в ооавт. с Г.Н. Берченко).

3. Изучение реакции костной ткани на имплантированный углерод-углеродный композиционный материал //Тезисы докладов У1 съезда травматологов-ортопедов СНГ. - Ярославль, 1993. -.

С. 2С0~г£{ (в соавт. с Г.Н. Берченко).