Обзор эндопротезов тазобедренного сустава
Структура тотального эндопротеза тазобедренного сустава в зависимости от типа фиксации и материала имплантата при характерных отличиях имеет две общие составные части - головку и чашку, из которых образуется пара трения.
Эндопротезы по виду фиксации делятся на три группы (таблица 1.2) [132].
Таблица 1.2 - Три типа фиксации эндопротезов
| Тип фиксации эндопротеза | Принцип фиксации |
| Эндопротез с бесцементной фиксацией (рисунок 1.12 а)) | Фиксация протеза происходит за счет врастания кости в поверхность эндопротеза. |
| Эндопротез с цементной фиксацией (рисунок 1.12 б)) | Фиксация протеза происходит с помощью специального костного цемента. |
| Гибридный эндопротез | Чашка участвует в бесцементной фиксации, а ножка цементируется костным цементом. |
Среди молодых пациентов часто пользуется спросом эндопротез с бесцементной фиксацией (рисунок 1.12 а, б)), т.к. он более плотно прилегает к кости и имеет более благоприятные условия для проведения повторной операции по эндопротезированию в случае износа или неисправности внедренного имплантата. Вследствие уменьшения плотности и прочности бедренной кости у пациентов в пожилом возрасте чаще используются эндопротезы с цементной фиксацией (рисунок 1.12 в, г)).
По виду протезирования имплантаты тазобедренного сустава разделяются на однополюсные (протез только головки бедренной кости) и двухполюсные (замена как головки бедренной кости, так и вертлужной впадины тазобедренного сустава) [127].
Рисунок 1.12 - (а) бесцементный эндопротез с парой трения «полиэтилен-
металл»; (б) бесцементный способ фиксации; (в) эндопротез с цементной фиксацией; (г) цементный способ фиксации
На современном рынке существует несколько основных вариантов пары трения чашки и головки эндопротеза тазобедренного сустава в зависимости от выбора материала их изготовления (рисунок 1.13) [99, 107, 108, 124].
Рисунок 1.13 - Пары трения: (а) металл-полиэтилен; (б) металл-металл;
(в) керамика-полиэтилен; (г) керамика-керамика; (д) керамика-металл 25
Основные используемые биоматериалы в конструкциях эндопротеза приводятся в таблице 1.3 [137].
Таблица 1.3 - Биоматериалы эндопротезов тазобедренного сустава
| Тип материала | Материалы |
| Полимеры | Полиуретан |
| Гидрогель поливинилового спирта | |
| Ультравысокомолекулярный полиэтилен | |
| Металлы | Нержавеющая сталь |
| Титан и титановые сплавы | |
| Хром-кобальт-молибденовые сплавы | |
| Керамика | Оксид алюминия |
| Двуокись циркония | |
| Оксиниум |
Достоинства и недостатки эндопротезов с наиболее встречающимися парами трения представлены в таблице 1.4 [137].
Таблица 1.4 - Достоинства и недостатки пар трения эндопротезов тазобедренного сустава
| Пара трения | Достоинства | Недостатки |
| 1 | 2 | 3 |
| Металлполиэтилен | Низкая цена. Технологии изготовления и материалы продолжают совершенствоваться. Самый широко используемый вариант пары трения. Широкий угол наклона чашки. | Головки могут иметь относительно небольшой диаметр - до 32 мм. Относительно легко стирается. Продукты трения умеренно токсичны. |
Продолжение таблицы 1.4
| 1 | 2 | 3 |
| Металл- металл | Износостоек. Возможны головки большого диаметра - 36 и более мм, что повышает амплитуду и стабильность движений. Сплавы продолжают совершенствоваться. | Дорогостоимость. Высокая локальная токсичность продуктов трения. Пара чувствительна к ориентации чашки - наклон должен быть не более 50 градусов. |
| Керамика- керамика | Чрезвычайно износостоек. Головки могут иметь большой диаметр. Продукты трения нетоксичны. | Высокая цена. Склонен к скрипу и возможности раскола при чрезмерных нагрузках. |
Кроме основных недостатков, существуют проблемы износа эндопротеза в процессе трения головки и чашки имплантата вследствие его эксплуатации (таблица 1.5).
Таблица 1.5 - Основные проблемы эндопротезов с различными парами трения [137]
| Пара трения | Возникающая проблема |
| 1 | 2 |
| Металл-полиэтилен | Износ и усталость вызывает расслоение полимерного компонента. Маленькие субмикронные частицы вступают в отрицательную реакцию с тканью, что ведет к последующему остеолизу и ослаблению имплантата. |
| Металл-металл | Вследствие износа существенное количество кобальта, никеля и хрома может оседать в теле человека, вызывая металлоз. |
Продолжение таблицы 1.5
| 1 | 2 |
| Оксид алюминия-полиэтилен | Показатель разрушения до 1,6 % из-за хрупкости оксида алюминия. |
| Оксид алюминия-оксид алюминия | Более высокие показатели разрушения, чем у пары оксид алюминия - полиэтилен из-за хрупкости оксида алюминия |
| Двуокись цирконияполиэтилен и двуокись циркония-двуокись циркония | Гидротермическое разложение двуокиси циркония |
Сильный износ имплантата способствует повторной операции эндопротезирования, что может существенно влиять на здоровье пациента.
Вследствие этого эндопротез с лучшими показателями износа с большей вероятностью обеспечит стабильную работу замененного сустава.На основе многочисленных данных [111, 114, 120] приведены показатели среднего износа эндопротезов тазобедренного сустава in vivoс различными парами трениями (рисунок 1.14), а также возможный диапазон показателей объемного и линейного износа (таблица 1.6).
Рисунок 1.14 - Средняя скорость износа имплантатов 28
Таблица 1.6 - Типичные показатели объемной и линейной скорости износа для различных тазобедренных имплантатов [137]
Данные об износе могут варьироваться в больших пределах (таблица 1.7), что обуславливается наличием разнообразных конструктивных решений эндопротеза (таблица 1.9, 1.10). Продукты износа, их размер и биологические реакции организма вследствие трения трибосопряжения «головка - чашка» различных типов имплантатов приведены в таблице 1.7.
Таблица 1.7 - Типичные размеры продуктов износа и биологических реакций организма в различных типах тазобедренных имплантатов [137]
| Пара трения | Доминирующие диаметры частиц, мкм | Биологическая реакция |
| Полиэтилен- металл/керамика | Полиэтиленовые - (0,1 - 1) | Макрофаги, остеокласты, остеолиз |
| Металл-металл | Металлические - (0,02 - 0,1) | Слабый остеолиз, токсичность |
| Керамические (а) - (0,01 - | Биоинертность, | |
| Керамика- | 0,02) | цитотоксичность |
| керамика | Керамические (б) - (0,1 - | Макрофаги, |
| 10) | остеокласты, остеолиз | |
| а) - тестирование износа при стандартных условиях | ||
| б) | - в условиях микротрещин пары трения | |
В таблице 1.8 представлены параметры конструкций эндопротезов тазобедренного сустава с разными парами трения, где r- радиус головки; d- диаметральный клиренс; pmax- максимальное контактное давление; φ- полный угол контакта; hcp- средняя толщина смазочного материала между взаимодействующими поверхностями.
Таблица 1.8 - Основные показатели различных типов пар трения
тазобедренных эндопротезов [119].
| Пара трения | Отличительные особенности | r, мм | d, мм | Pmax, МПа | φ, град. | h cp мкм |
| Металлполиэтилен | Поддержанные металлом чашки | 11 - 16 | 0,15 - 0,36 | 10 - 23 | 80 - 100 | 0,1 - 0,2 |
| Металл- металл | Толстостенная чашка | 14 | 0,06 | 50 | 40 | 0,03 |
| Конусообразная чашка | 14 | 0,06 | 32 - 37 | 50 | 0,06 | |
| Metasul | 14 | 0,12 | 45 | 40 | 0,03 | |
| McKee-Ferrar | 17,5 | 0,16 | 20 | 50 | 0,06 | |
| Повторно очищенная поверхность | 25 | 0,3 | 57 | 24 | 0,03 | |
| Повторно очищенная поверхность | 25 | 0,1 | 19,4 | 38 | - | |
| Керамика- керамика | Идеальное состояние | 14 | 0,08 | 80 | 30 | 0,02 |
| Микроликвация | 14 | 0,08 | 300 - 400 | - |
Для конфигурации конструкции «головка - чашка» главными геометрическими параметрами являются радиус шейки бедра
и
вертлюжной чашки
или кольцевой зазор (с) между шейкой бедра и
вертлюжной чашкой.
Эти параметры могут быть объединены в один эквивалентный радиус соотношением:
Типичные эквивалентные радиусы для эндопротезов тазобедренного сустава представлены в таблице 1.9.
Таблица 1.9 - Эквивалентные радиусы и геометрические параметры
различных имплантатов тазобедренного сустава
| Пара трения | Радиус шейки бедра, мм | Кольцевой зазор, мкм | Эквивалентный радиус, мм |
| Полиуретан-металл | 16 (16 - 25) | ~250 | 1,04 (1 - 2) |
| Ультравысокомолекулярный полиэтилен-металл | 14 (11 - 16) | 150 (80 - 180) | 1,32 (0,5 - 2,5) |
| Сшитый ультравысокомолекулярный полиэтилен-металл | 14 (14 - 22) | 150 (100 - 200) | 1,32 (1 - 5) |
| Металл-металл | 14 (14 - 30) | 30 (30 - 150) | ~5 |
| Керамика-керамика | 14 (14 - 16) | 40 (10 - 40) | ~5 |
Геометрические параметры эндопротезов влияют на механические характеристики трибосопряжения двух взаимодействующих твердых тел - головки и суставной чашки эндопротеза. К главным механическим параметрам относят
площадь контакта и контактное напряжение. Контактные напряжения связаны со структурными повреждениями и усталостью, вызванной износом элементов. Большая площадь контакта, как правило, нужна для того, чтобы уменьшить контактное напряжение под воздействующей нагрузкой. Но если площадь контакта слишком большая, то контакт может быть расширен к экваториальной области и краю чашки, что приводит не только к концентрациям напряжения, ограничению нормального движения тазобедренного сустава, но также и к блокированию смазочного входа и порождению недостаточности и истощения смазочной жидкости.
Проанализировав основные характеристики, достоинства и недостатки эндопротезов с каждой парой трения, был сделан вывод, что наиболее перспективной из них, как показывает практика, является пара трения «металл- металл» ввиду ее относительно высокой износостойкости, постоянного совершенствования сплавов, из которых изготавливают конструкции, и большого диаметра трибосопряжения, обеспечивающего хорошую мобильность сустава, а также невысокой цены по сравнению с парой трения «керамика-керамика». В главе
1.2 рассмотрены основные конструкции эндопротезов тазобедренного сустава с парой трения «металл-металл».
1.2