Металлы и сплавы в эндопротезировании

Практическое применение титана и тантала в конкретных отраслях медицины

В настоящее время для скорейшего сращивания переломов все чаще применяют такую инновационную технологию, как металлический остеосинтез. С целью обеспечить стабильное положение костных осколков используют различные фиксирующие конструкции, как наружные, так и внутренние, имплантируемые в тело. Однако применяемые ранее стальные изделия показывают невысокую эффективность ввиду их подверженности коррозии под воздействием агрессивной среды организма и явления гальванизации.

Избежать нежелательных последствий позволяет изготовление титановых и танталовых фиксаторов-имплантатов, обладающих свойством биосовместимости с живыми тканями (рис. 4).

Рисунок 4. Титановые и танталовые конструкции для остеосинтеза.

Подобные конструкции простых и сложных конфигураций могут быть использованы для продолжительного или даже постоянного внедрения в организм человека. Это особенно важно для пожилых пациентов, поскольку избавляет их от необходимости операции по удалению фиксатора.

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:   Что такое сетчатый эндопротез

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:   Сроки реабилитации 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.

Металлы и сплавы в эндопротезировании

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.

ПОДРОБНОСТИ:   Симптомы и причины отторжения эндопротеза тазобедренного или коленного сустава

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.youtube.com/watch?v=1gh5JJDvdiQ

Ссылка на основную публикацию