Інформація призначена тільки для фахівців сфери охорони здоров'я, осіб,
які мають вищу або середню спеціальну медичну освіту.

Підтвердіть, що Ви є фахівцем у сфері охорони здоров'я.

"Тrauma" Том 21, №1, 2020

Back to issue

Experimental study of mechanical properties of materials in the form of granules and chips for filling bone defects

Authors: Філіпенко В.А., Мезенцев В.О., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д.
ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

Categories: Traumatology and orthopedics

Sections: Clinical researches

print version


Summary

Актуальність. Одним з ускладнень при виконанні ендопротезування є наявність кісткових дефектів у зоні встановлення компонентів ендопротеза. Цей факт негативно впливає на міцність їх фіксації та взаємоорієнтацію між компонентами ендопротеза та кістками. Для заповнення таких дефектів використовують авто- або алокістку, цемент, кераміку, метал, вуглець, полімери та ін. Для заповнення відносно невеликих дефектів використовують ці матеріали у вигляді сипучої субстанції: чипси, гранули. Але міцнісні властивості матеріалів у вигляді гранул та чипсів значно відрізняються від цільного блоку з того ж матеріалу. Мета: вивчити в експерименті механічні властивості матеріалів у вигляді гранул та чипсів для заповнення кісткових дефектів. Матеріали та методи. Досліджували такі матеріали: губчасту кістку, гідроксилапатитну кераміку, біфазну кераміку, та суміші: кортикальна + губчаста кістка, гідроксилапатитна кераміка + губчаста кістка, біфазна кераміка + губчаста кістка. Усі матеріали були представлені у вигляді кулеподібних гранул діаметром 6–8 мм. Під час експерименту випробували по 5 зразків кожного матеріалу. Результати. У результаті проведеного експериментального дослідження було отримано значення величин просадки сипучих матеріалів для заповнення кісткових дефектів під впливом стискаючого навантаження та розраховано величини відносної деформації для кожного матеріалу. Проведений дисперсійний аналіз засвідчив, що за показниками відносної деформації матеріали, які досліджували, статистично значущо відрізнялись один від одного при кожній величині навантаження. Це можна пояснити великою різницею міцнісних властивостей кераміки та кісткової тканини, що може призводити до часткового руйнування кісткових гранул під впливом великих стискаючих навантажень. Висновки. Результати проведеного дослідження показали, що під впливом стискаючих навантажень серед досліджених сипучих заповнювачів кісткових дефектів найменшу величину відносної деформації показали кулі з гідроксилапатитної (6,37 %) та біфазної (10,2 %) кераміки. Найбільшу відносну деформацію показали заповнювачі на основі кісткової тканини губчастої (до 17,46 %) та кортикально-губчастої (до 16,89 %). Кістково-керамічна суміш за величиною відносної деформації (15,71 %) займає проміжну позицію, але позицію ближче до заповнювачів із кісткової тканини.

Актуальность. Одним из осложнений при выполнении эндопротезирования является наличие костных дефектов в зоне установки компонентов эндопротеза. Этот факт негативно влияет на прочность их фиксации и взаимоориентацию между компонентами эндопротеза и костями. Для заполнения таких дефектов используют ауто- или аллокость, цемент, керамику, металл, углерод, полимеры и др. Для заполнения относительно небольших дефектов используют эти материалы в виде сыпучей субстанции: чипсы, гранулы. Но прочностные свойства материалов в виде гранул и чипсов значительно отличаются от цельного блока из того же материала. Цель: изу-чить в эксперименте механические свойства материалов в виде гранул и чипсов для заполнения костных дефектов. Материалы и методы. Исследовали такие материалы: губчатую кость, гидроксилапатитную керамику, бифазную керамику, и смеси: кортикальная + губчатая кость, гидроксилапатитная керамика + губчатая кость, бифазная керамика + губчатая кость. Все материалы были представлены в виде шарообразных гранул диаметром 6–8 мм. В эксперименте испытывали по 5 образцов каждого материала. Результаты. В результате проведенного экспериментального исследования были получены значения величин просадки материалов для заполнения костных дефектов под влиянием сжимающей нагрузки и рассчитаны величины относительной деформации для каждого материала. Проведенный дисперсионный анализ показал, что по показателям относительной деформации исследуемые материалы статистически значимо отличались друг от друга при каждой величине нагрузки. Выводы. Результаты проведенного исследования показали, что под воздействием сжимающих нагрузок среди исследованных сыпучих заполнителей костных дефектов наименьшую величину относительной деформации показали гранулы из гидросилапатитной (6,37 %) и бифазной (10,2 %) керамики. Наибольшую относительную деформацию показали заполнители на основе костной ткани губчатой (до 17,46 %) и кортикально-губчатой (до 16,89 %). Костно-керамическая смесь по величине относительной деформации (15,71 %) занимает промежуточную позицию, но ближе к заполнителям из костной ткани.

Background. One of the complications when performing endoprosthetics is the presence of bone defects in the installation area of the components of the endoprosthesis. This fact negatively affects the strength of their fixation and mutual orientation between the components of the endoprosthesis and the bones. Auto or allograft bone, cement, ceramics, metal, carbon, polymers, etc. are used to fill such defects. To fill relatively small defects, these materials are used in the form of granular substance: chips, granules. But the strength properties of materials in the form of granules and chips significantly differ from a solid block of the same material. Purpose: to study experimentally the mechanical properties of materials in the form of granules and chips for filling bone defects. Materials and methods. The materials studied were: spongy bone, hydroxyapatite ceramics, biphasic ceramics, and cortical + spongy bone mixtures, hydroxyapatite ceramics + spongy bone, biphasic ceramics + spongy bone. All materials were presented in the form of spherical granules with a diameter of 6–8 mm. In the experiment, 5 samples of each material were tested. For research, the materials were filled into a 35-mm high steel cylinder and 16-mm internal diameter. The samples were tested for compression. The load was carried out with a steel cylindrical rod with a diameter of 15 mm. The loads were increased from 0 to 400 N. The deformation values of the samples were fixed at the following load values: 150, 200, 250, 300, 350, and 400 N. Results. As a result of the experimental study, the values of the material sagging values for filling bone defects under the influence of a compressive load were obtained and the relative strain values for each material were calculated. The analysis of variance performed showed that, according to the relative deformation indices, the stu-died materials statistically significantly differed from each other at each load value. The magnitudes of the relative deformation of the materials to fill the bone defects were determined by the modulus of their total elasticity, which will be used in further studies of the stress-deformed state of the system “bone-filler defect-endoprosthesis” by the method of finite elements. Сonclusions. The results of the study showed that under the influence of compressive loads among the studied loose aggregates of bone defects, granules of hydroxyapatite (6.37 %) and biphasic (10.2 %) ceramics showed the lowest relative deformation. The greatest relative deformation was shown by placeholders based on spongy bone tissue (up to 17.46 %) and cortical spongy bone (up to 16.89 %). The bone-ceramic mixture in terms of relative strain (15.71 %) holds an intermediate position, but closer to the bone aggregates.


Keywords

заповнення кісткових дефектів; гранульовані матеріали; механічні властивості

заполнение костных дефектов; гранулированные материалы; механические свойства

filling of bone defects; granular materials; mechanical properties


For the full article you need to subscribe to the magazine.


Bibliography

1. Карпинский М.Ю., Суббота И.А., Карпинская Е.Д., Зацепин А.В. Механические свойства метафизарной кости после заполнения дефекта имплантатом Тутопласт. Медицина и ... 2008. № 3(21).

2. Філіпенко В.А., Карпінський М.Ю., Бондаренко С.Є. та ін. Міцність кістково-металевого блока для різних типів поверхонь імплантатів за умов нормального стану кісткової тканини та при моделюванні остеопорозу в експерименті на щурах. Травма. 2016. № 4. С. 60-65. DOI: 10.22141/1608-1706.4.17.2016. 77491.

3. Філіпенко В.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Міцність кістково-металевого блоку для різних типів поверхонь імплантатів за умов нормального стану кісткової тканини та остеопорозу в щурів. Ортопедия, травматология и протезирование. 2016. № 1. С. 72-77. DOI: 10.15674/0030-59872016172-77.

4. Климовицький В.Г., Хадрі Вадид, Гончарова Л.Д. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2009. Т. 11. № 1.

5. Іванов Г.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Вивчення впливу матеріалу імплантатів на деструктивні процеси у хребцевих сегментах. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня 2010. С. 95.

6. Іванов Г.В., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Вивчення змін у суміжних хребцевих сегментах при імплантації різних матеріалів. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня, 2010. С. 96.

7. Ашукіна Н.О., Іванов Г.В., Карпінський М.Ю. та ін. Вивчення реакції шкіри та кісткової тканини на введення вуглецевого імплантату. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня, 2010. С. 97.

8. Дедех Н.В., Карпинский М.Ю., Чжоу Лу, Малышкина С.В. Регенерация и механическая прочность кости в условиях имплантации углеродного материала. Ортопедия, травматология и протезирование. 2016. № 3. С. 41-47. DOI: 10.15674/0030-59872016341-47.

9. Хвисюк О.М., Павлов О.Д., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. Дослідження тривалості збереження жорсткості фіксації кісткових уламків біодеградуючими накістковими пластинами на основі полілактиду. Травма. 2018. Т.19. № 5. С. 102-109. DOI: 10.22141/1608-1706.5.19.2018.146652.

10. Стойко И.В., Бэц Г.В., Бэц И.Г., Карпинский М.Ю. Исследование механических свойств материалов для функциональной стабилизации при переломе пилона. Клінічна хірургія. 2014. С. 45-48.

11. Продан А.И., Грунтовский Г.Х., Попов А.И. и др. Биомеханическое обоснование оптимального состава композитного материала для чрескожной вертебропластики. Хирургия позвоночника. 2006. № 2.

12. Дегтярь В.А., Зацепин А.В., Карпинский М.Ю. и др. Экспериментальное исследование прочности костной ткани после заполнения костного дефекта биоимплантатами тутопласт. Медицина и ... 2007. № 3–4(18). С. 31-35.

13. Карпинский М.Ю., Суббота И.А., Карпинская Е.Д., Попов А.И. Экспериментально-теоретическое обоснование состава композитного материала для заполнения костных дефектов. Медицина и ... 2008. № 3(21).

14. Карпинский М.Ю., Нехлопочин А.С., Нехлопочин С.Н. и др. Особенности напряженно-деформированного состояния шейного отдела позвоночника при замещении тел позвонков искусственными имплантатами разных конструкций. Травма. 2016. № 3. С. 22-23.

15. Александров А.В., Потапов В.Д., Державин Б.П. Сопротивление материалов. Москва: Высшая школа, 2000. 560 с.

16. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. Санкт-Петербург: Питер, 2011. 400 с.

Similar articles

An experimental study of the mechanical properties of polylactide
Authors: Корж М.О. (1), Шидловський М.С. (2), Макаров В.Б. (1), Заховайко А.А. (2), Танькут О.В. (1), Карпінський М.Ю. (1), Карпінська О.Д. (1), Чуприна Д.О. (3)
1 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
2 - Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського», м. Київ, Україна
3 - Науково-виробниче підприємство «НВП А-Tech», м. Київ, Україна

"Тrauma" Том 20, №6, 2019
Date: 2020.01.08
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Experimental study of rat bone strength with a defect filled with bioglass
Authors: Шимон В.М. (1), Алфелдій С.П. (1), Шимон М.В. (1), Карпінський М.Ю. (2), Карпінська О.Д. (2), Суббота І.А. (2)
1 - ДВНЗ «Ужгородський національний університет» МОН України, м. Ужгород, Україна
2 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 20, №5, 2019
Date: 2019.12.21
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Calculation of the strength characteristics of a composite material based on polylactide, tricalcium phosphate and hydroxyapatite
Authors: Хвисюк О.М.(1), Павлов О.Д.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2)
(1) — Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
(2) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 21, №1, 2020
Date: 2020.03.18
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Specialist manual
Studying the duration of rigidity preservation in bone fragment fixation by biodegradable polylactide plates
Authors: Хвисюк О.М.(1), Павлов О.Д.(1), Карпінський М.Ю.(2), Карпінська О.Д.(2)
1 - Харківська медична академія післядипломної освіти, м. Харків, Україна
2 - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 19, №5, 2018
Date: 2018.11.27
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches

Back to issue