Лекция об эндопротезировании
Как устроены эндопротезы
Материаловед Федор Сенатов рассказывает, из чего состоит эндопротез и как изготавливаются его компоненты.
Почему люди нуждаются в эндопротезировании
Во-первых, травмы. Например, спортсмены постоянно нуждаются в лечении коленей и тазобедренных суставов. Во-вторых, бывают врожденные дефекты суставов. В-третьих, возрастные изменения.
Когда человек ломает кость, начинают работать остеобласты — клетки, которые её строят, и остеокласты — клетки, которые её разрушают. Это постоянный процесс регенерации. В хрящевой ткани меньше клеток, чем в кости, поэтому регенерация ограничена. В случае обширного повреждения сустава или его износа часто приходится прибегать к тотальному эндопротезированию.
Компоненты эндопротеза
Востребованы операции по эндопротезированию тазобедренного сустава, коленного сустава, также меняется плечо и даже пальцы. Но самые популярные — тазобедренные суставы.
Эндопротез тазобедренного сустава — достаточно сложная конструкция. Бедренный компонент вставляется в канал бедренной кости. От него идет шейка, где расположен шарик — головка эндопротеза, которая упирается в ацетабулярный компонент — это то, что находится в тазовой кости и по чему идет трение.
Ножка эндопротеза сустава обычно делается из разных металлов, это титановые сплавы или кобальт-хромовые. Материалы должны быть одновременно прочными и износостойкими, потому что ножка входит в бедренную кость и должна плотно фиксироваться. Материал ножки должен иметь одинаковые характеристики с натуральной костью.
Если материал ножки эндопротеза сустава слишком жесткий, то возникают неравномерные микронапряжения. Они скапливаются на материале, имеющем больший модуль упругости, например, на титане. Окружающая кость остается без нагрузки. Она изменяет свою структуру и пористость, становится хрупкой. Вероятно развитие трещины, повреждение костей и расшатывание ножки протеза внутри кости.
От ножки эндопротеза идет головка, на которой находятся шейка и шарик. Шейка бывает разной длины и позволяет оптимально регулировать натяжение мышц. Шарик, расположенный на шейке, изготовляется из кобальт-хромового сплава или керамики. Материал должен быть максимально износостойким, потому что в ходе трения образовываются частицы износа. Экспериментально уже подобраны условия, в которых поверхность шарика не идеально гладкая, а имеет небольшие шероховатости для его оптимального трибологического поведения.
Последняя часть эндопротеза — вкладыш, по которому идет трение шарика. Раньше он изготавливался из металлов, но клинические испытания показали, что частицы износа металлов бывают токсичны и могут приводить к остеолизу. Макрофаги запускают реакции организма, ведущие к изменениям кости, она повреждается вокруг эндопротеза и разрушается. Последние десятилетия вкладыши эндопротеза сустава изготавливаются из полимера или керамики. Главное преимущество керамики — высокая износостойкость, а у полимеров — большая ударная вязкость и дешевизна.
Самый популярный материал для эндопротезов
Самый популярный полимер — сверхвысокомолекулярный полиэтилен. Это почти как полиэтилен из пакетиков, только с длинными макромолекулами. Молекулярная масса в этом полимере — около 10-ти миллионов грамм на моль. Это колоссальная величина, поэтому механические свойства такого полиэтилена гораздо лучше, чем у пакета. При этом его модифицируют для оптимального использования в медицине.
Полиэтилен постоянно пытаются улучшать, но он уступает керамике в износостойкости. Износ пары керамика-керамика — около 0,01 миллиметра в год. Износ полиэтилена по металлу или керамике — менее 0,1 в год. В связи с тем, что материал изнашивается, приходится прибегать к ревизионному эндопротезированию, что составляет примерно 10% операций. Если протез есть у молодого спортсмена, то через 15 лет необходимо обновление, даже если протез сделан из достаточно хорошего материала.
Изготовление ацетабулярного компонента
Ацетабулярный компонент протеза испытывает основное трение. Использование сверхвысокомолекулярного полиэтилена здесь эффективно: у него достаточно хорошая износостойкость относительно других полимерных материалов. Он применяется в футеровке самосвалов, даже в виде покрытия на всепогодном катке.
Этот материал производится двумя путями. Первый способ изготовления чашечек — термопрессование. В прес-сформу засыпается порошок, прикладывается давление и высокая температура около 200 градусов. Материал приобретает нужную форму — чашечки. Проблема метода во времени: в одной пресс-форме можно сделать лишь одну чашку.
Второй и самый быстрый способ, который применяется повсеместно — экструдирование. Это плунжерная экструзия. Порошок засыпается в реактор, греется и давится поршнем. Через отверстие вылезает переплавленный прут, который потом обтачивается до формы чашечки. Такие чашки расходятся по всему миру: проводится около миллиона операций в год.
Стерилизация полимера
Три метода стерилизации чашечек: низкотемпературная плазма, этиленоксид, гамма-стерилизация. Но у последней есть проблема. Гамма-кванты обладают достаточно большой энергией: полимер разрушается, молекулы рвутся, и материал портится. Он начинает окисляться, что приводит к ухудшению механических характеристик и его структуре. Поэтому приходится искать оптимум между качественной стерилизацией и порчей материала.
Есть две основные стратегии улучшения характеристик полимера. Первая — избежать окисления. Это можно сделать, если ввести антиоксиданты, например, витамина Е. Он позволяет избежать окисления после стерилизации и в ходе эксплуатации внутри организма.
Вторая стратегия — повысить износостойкость материала для продления его срока службы. Это можно сделать с помощью химической или физической сшивки макромолекул. Химический способ — устранение водородов и сшивку отдельных связей. Физический способ — бомбардировка гамма-квантами или высокоэнергетическими электронами. Это называется сверхсшитый полиэтилен, который является основным видом материала для создания эндопротезов суставов.
Портал «Вечная молодость» http://vechnayamolodost.ru