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 studies of strength characteristics of interbody cages made of carbon-carbon composite material

Authors: Корж М.О., Куценко В.О., Попов А.І., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д., Суббота І.А.
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. При хірургії хребта для виконання міжтілового спондилодезу використовують переважно титанові імплантати, що бувають цільними або складаються з декількох сегментів. Для онкоконтролю використовуються не тільки лабораторні методи обстеження, але й комп’ютерна томографія (КТ), магнітно-резонансна томографія (МРТ). На КТ у післяопераційному періоді з використанням металоконструкції визначається ефект збільшення жорсткості випромінювання або розмите зображення, а на МРТ — артефакт магнітної сприйнятності. Одним із перспективних матеріалів, що відповідає вимогам біосумісності, міцнісним властивостям та не має протипоказань для променевої діагностики, є вуглець-вуглецевий композит. Мета: вивчити в експерименті міцнісні характеристики міжтілових кейджів різних конструкцій із вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. Матеріали та методи. Проведене експериментальне дослідження міцнісних властивостей міжхребцевих імплантатів для заміщення видалених хребців. Усі імплантати були виготовлені з вуглець-вуглецевого композитного матеріалу. Було досліджено чотири типи фіксаторів хребців по три зразки: різьбове з’єднання гвинта зі стаканом, штифт з опорою на шайби, штифт з опорою на шплінт, штифт із закріпленням кістковим цементом. Результати. Аналіз отриманих експериментальних даних показав, що конструкції з різьбовим з’єднанням витримують навантаження 956,7 ± 165,0 Н. Основною поломкою є зрізання різьби та просідання гвинта. Зразки з 1 шайбою розширення витримують найбільше навантаження до руйнування 5000,0 ± 150,0 Н, із 2 шайбами розширення були зруйновані навантаженням 4250,0 ± 88,9 Н, із 3 шайбами — при навантаженні 3083,3 ± 160,7 Н, тобто кожна додаткова шайба розширення в конструкції статистично значущо зменшує величину руйнівного навантаження. Зразки зі шплінтом витримують руйнівне стискаюче навантаження в середньому величиною 2833,3 ± 208,2 Н, яке призводило до розтрощування стакана майже навпіл саме шплінтом, що викликало просідання штифта. Випробування зразків без шплінта показали, що вони здатні витримати статистично значущо більше руйнівне навантаження в 5100,0 ± 100,0 Н. Найбільше стискаючі навантаження витримують цілісні конструкції, які не мають дрібних конструктивних елементів — різьби чи шплінта. Випробування зразків із цементом показали, що при розсуванні на 5 та 7 мм не відбулося ніяких руйнівних змін при максимально можливому для експериментальної установки навантаженні в 6000 Н. Висновки. Найгіршими виявилися конструкції з різьбовим з’єднанням, конструкції зі шплінтом витримували втричі більше навантаження до руйнування. І хоча різьбові конструкції вважаються доволі міцними, особливості матеріалу (вуглець) не відповідають вимогам, які надають різьбовим з’єднанням. Вуглецеві матеріали доволі крихкі, тому і конструкції зі шплінтом також виявилися недосконалими. Конструкції з шайбами розширення показали себе доволі непогано, але збільшення висоти розширення імплантату призводило до зменшення міцності конструкції і, як наслідок, зменшення здатності витримувати навантаження. Цілісні конструкції виявилися найбільш витривалими, а додаткова міцність, надана цементом, перетворила їх у монолітні надміцні вироби.

Актуальность. При хирургии позвоночника для межтелового спондилодеза используют преимущественно титановые имплантаты, которые бывают цельными или состоят из нескольких частей. Для онкоконтроля используют не только лабораторные методы обследования, но и компьютерную томографию (КТ) и магнитно-резистентную томографию (МРТ). На КТ в послеоперационном периоде с использованием металлоконструкции определяется эффект увеличения жесткости излучения или размытое изображение, а на МРТ — артефакт магнитной восприимчивости. Одним из перспективных материалов, который соответствует требованиям биосовместимости, прочностным свойствам и не имеет противопоказаний для лучевой диагностики, является углерод-углеродный композит. Цель: изучить в эксперименте прочностные характеристики межтеловых кейджей различных конструкций из углерод-углеродного композитного материала. Материалы и методы. Проведено экспериментальное исследование прочностных свойств межпозвонковых имплантатов для замещения удаленных позвонков. Все имплантаты были изготовлены из углерод-углеродного композитного материала. Было исследовано четыре типа фиксаторов позвонков по три образца: резьбовое соединение винта со стаканом, штифт с опорой на шайбы, штифт с опорой на шплинт, штифт с закреплением костным цементом. Результаты. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что конструкции с резьбовым соединением выдерживают нагрузки 956,7 ± 165,0 Н. Основной поломкой являются срезание резьбы и проседание винта. Образцы с 1 шайбой расширения выдерживают наибольшую нагрузку разрушения — 5000,0 ± 150,0 Н, с 2 шайбами расширения образцы были разрушены нагрузкой 4250,0 ± 88,9 Н, с 3 шайбами — при нагрузке 3083,3 ± 160,7 Н, то есть каждая дополнительная шайба расширения в конструкции статистически значимо уменьшает величину разрушающей нагрузки. Образцы со шплинтом выдерживают разрушительную сжимающую нагрузку в среднем 2833,3 ± 208,2 Н, которая приводила к разрушению стакана шплинтом, что вызвало проседание штифта. Испытания образцов без шплинта показали, что они способны выдержать статистически значимо большую разрушающую нагрузку в 5100,0 ± 100,0 Н. Больше всего сжимающие нагрузки выдерживают цельные конструкции, не имеющие мелких конструктивных элементов — резьбы или шплинта. Испытания образцов с цементом показали, что при раздвижении на 5 и 7 мм не произошли никакие разрушительные изменения при максимально возможной для экспериментальной установки нагрузке в 6000 Н. Выводы. Худшими оказались конструкции с резьбовым соединением, конструкции из шплинтов выдерживали втрое большую нагрузку до разрушения. И хотя резьбовые конструкции считаются довольно прочными, особенности материала (углерод), не соответствуют требованиям, которые предъявляют резьбовым соединениям. Углеродные материалы довольно хрупкие, поэтому и конструкции из шплинта также оказались несовершенными. Конструкции с шайбами расширения показали себя довольно неплохо, но увеличение высоты расширения имплантата приводило к уменьшению прочности конструкции, и как следствие, к уменьшению способности выдерживать нагрузки. Цельные конструкции оказались самыми выносливыми, а дополнительная прочность за счет цемента превратила их в монолитные сверхпрочные изделия.

Background. In spinal surgery for interbody fusion, titanium implants are used predominantly, they can be integral or consist of several parts. For cancer monitoring, not only laboratory examination methods are used, but also computed tomography and magnetic resonance imaging. On computed tomography in the postoperative period using metal structures, the effect of increasing the radiation hardness or blurry image is determined, and on magnetic resonance imaging — an artifact of magnetic susceptibility. One of the promising materials that meets the requirements of biocompatibility, strength properties and the absence of contraindications for radiation diagnosis is carbon-carbon composite. Purpose was to study in the experiment the strength characteristics of interbody cages of various designs made of carbon-carbon composite material. Materials and methods. An experimental study of the strength properties of intervertebral implants to replace removed vertebrae was carried out. All implants were made of carbon-carbon composite material. Four types of vertebral retainers of 3 specimens each were examined: a threaded connection of a screw with a cup, a pin with support on the washers, a pin with support on a cotter pin, a pin with fixation with bone cement. Results. An analysis of the obtained experimental data showed that structures with a threaded joint can withstand loads of 956.7 ± 165.0 N. The main breakdown is thread cutting and screw sagging. Samples with one expansion washer withstand the highest fracture load of 5000.0 ± 150.0 N, with 2 expansion washers, the samples were destroyed by a load of 4250.0 ± 88.9 N, with 3 washers — under a load of 3083.3 ± 160.7 N, that is, each additional expansion washer in the design statistically significantly reduces the value of the breaking load. Samples with a cotter pin withstand a destructive compressive load on average of 2833.3 ± 208.2 N, which led to the destruction of a cup with a cotter pin, which caused the pin to sag. Tests of samples without a cotter pin showed that they are able to withstand a statistically significantly greater breaking load of 5100.0 ± 100.0 N. Solid structures that do not have small structural elements — thread or cotter pin — withstand highest compressive loads. Tests of samples with cement showed that when spreading by 5 and 7 mm, there were no destructive changes at the maximum possible load of 6000 N for the experimental installation. Conclusions. Structures with a threaded connection turned out to be the weakest; constructions with a cotter pin withstood three times as much load before breaking. And although the threaded structures are considered quite durable, the features of the material (carbon) do not meet the requirements that are applied to threaded joints. Carbon materials are quite fragile, therefore, cotter pin designs also turned out to be imperfect. Designs with expansion washers proved to be quite good, but an increase in the expansion height of the implant led to a reduction in the structural strength and, as a result, to a decrease in the ability to withstand loads. The solid structures turned out to be the most durable, and the additional strength due to cement turned them into monolithic heavy-duty products.


Keywords

вуглець-вуглецевий композитний матеріал; кейдж; міжтіловий спондилодез, міцність

углерод-углеродный композитный материал; кейдж; межтеловой спондилодез; прочность

carbon-carbon composite; cage; interbody fusion; durability


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


Bibliography

1. Stradiotti P., Curti А., Castellazzi G., Zerbi A. Metal-related artifacts in instrumented spine. Technigues for reducing artifacts in CT and MR: State of the art. Eur. Spine J. 2009. 18. Supple 1. Р. 102-8.

2. Корж М.О., Куценко В.О., Тимченко І.Б. та ін. Використання комп’ютерних технологій при розробці імплантату хребців для заднього спондилодезу у грудному відділі хребта. Травма. 2019. Т. 20. № 3. С. 23-31.

3. Климовицький В.Г., Хадрі Вадід, Гончарова Л.Д., Гурін І.В. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. 11(1).

4. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Математичне моделювання механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня
2010. С. 45.

5. 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.

6. Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Дослідження механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки на математичній моделі. Ортопедия, травматология и протезирование. 2011. № 1. С. 35-39. DOI: 10.15674/0030-59872011135-39.

7. Тяжелов О.А., Карпинский М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Новий спосіб лікування метафізарних і метадіафізарних переломів довгих кісток. Науково-практична конф. «Сучасні дослідження в ортопедії та травматології (перші наукові читання, присвячені пам’яті академіка О.О. Коржа)», 6–7 жовтня 2011 р.: Тези доповідей. Харків, 2011. С. 197-199.

8. Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2011. 400 с.

Similar articles

Use of computer techniques in the development of vertebral implants for posterior spinal fusion of the thoracic spine
Authors: Корж М.О.(1), Куценко В.О.(1), Тимченко І.Б.(1), Попов А.І.(1), Гаращенко Я.М.(2), Бєлий Є.Г.(2)
(1) — ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
(2) — Національний технічний університет «ХПІ», м. Харків, Україна

"Тrauma" Том 20, №3, 2019
Date: 2019.07.14
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
Обгрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів
Authors: В.Г.Климовицький, Хадрі Вадид, Л.Д.Гончарова, І.В.Гурін, О.А.Тяжелов, М.Ю.Карпінський, І.А.Суббота - НДІ травматології та ортопедії Донецького національного медичного університету ім.М.Горького, Донецьк, Україна
"Тrauma" Том 11, №1, 2010
Date: 2011.08.26
Categories: Traumatology and orthopedics
Sections: Clinical researches
The Strength of Bone-Metal Block for Different Types of Implants Surfaces under the Conditions of Normal Bone and Osteoporosis in Experimental Rats
Authors: Філіпенко В.А., Бондаренко С.Є., Карпинський М.Ю., Жигун А.І., Танькут В.О., Аконджом М. - ДУ «Інститут патології хребта та суглобів ім. проф. М.І. Ситенка НАМН України», м. Харків, Україна
"Тrauma" Том 17, №4, 2016
Date: 2016.10.05
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

Back to issue