Materiály pro osteosyntézu a aloplastiku
Osteosyntéza - operační léčba zlomenin
- stabilizace zlomeniny spojením kostních fragmentů kovovými implantáty (dlahy, šrouby, dráty,
hřeby, zevní fixatéry)
- kostní fragmenty jsou znehybněny tak, že je umožněn volný pohyb přilehlých kloubů (umožňuje
časnou mobilizaci) a jsou eliminovány svalové síly, působící dislokaci úlomků
Aloplastika - úplná či částečná rekonstrukce kloubu výhradně za použití cizího materiálu (kov, umělá
hmota, keramika)
Kosterní a svalový aparát, jeho konstrukce i vlastní stavba kloubů s chrupavčitým povrchem kloubních
ploch a nitrokloubní synoviální tekutinou vytváří z lidských kloubů velmi dobře fungující jednotku.
nahrazení poškozeného kloubu - radikální invazivní metoda, má navrátit bezbolestný pohyb
lidské klouby - přizpůsobeny přirozeným pohybům → vytvoření náhrady složité
kritéria pro konstrukci:
1) biomechanická (mech. namáhání, únavová pevnost mat.)
základní charakteristika - silové poměry v kloubu
síly v kloubu: dynamické, cyklické, dlouhodobé namáhání
2) biochemická (biokompatibilita)
prostředí - silně chemicky agresivní → požadavky na korozní odolnost, nedráždivost a biologickou
nezávadnost
odolnost proti opotřebení:
při pohybu kontaktních ploch po sobě dochází ke tření → požadavek minimálního opotřebení: součinitel
tření použitých materiálů kloubních ploch co nejmenší
částice, jež se při tomto degradačním procesu uvolňují, nesmějí být toxické, ale přesto někdy vyvolávají v
okolní tkáni nepříznivou reakci
kyčelní kloub
- první nahrazený kloub; jeden z nejsnáze napodobitelných kloubů v lidském těle
- kulovitý, omezený, s hlubokou jamkou, jejíž okraje omezují vzájemné pohyby kostí; tvořen hlavicí na
kosti stehenní a jamkou v kosti pánevní, kontaktní plochy jsou kryty chrupavkou
- nesou trup a balančními pohyby přispívají k udržení rovnováhy těla
- možné pohyby v kloubu: rotační pohyby hlavice v jamce; ze základního postavení (vzpřímený stoj) jsou
možné tyto rotační pohyby: flexe, extenze, abdukce, addukce, zevní rotace a vnitřní rotace
Z důvodu degenerativních vad a chorob bývá tento kloub nahrazován endoprotézami, nejčastěji totálními.
1
konec 19. stol.: pokusy o povrchové náhrady: Jones – zlatá destička, Smith - Petersen – čepička
nasazovaná na hlavici stehenní kosti
začátek 20. století: testovány různé materiály na náhrady, např. sklo, bakelit, slitiny na bázi kobaltu,
chrómu a molybdenu (vitalinum).
- 1917: první náhrada celé hlavice stehenní kosti.
- 1926: umělá náhrada hlavice i krčku, materiál slonová kost
- 1925: dutá polokoule ze skla jako náhradu za kloubní jamku
- 1940: náhrada horního konce stehenní kosti u nemocného s nádorem, materiál vitalinum
- 1946: čepová částečná náhrada kyčelního kloubu z plastu (hlavice s dříkem vyztuženým kovovým
jádrem) zaváděné do zbytku krčku
- 1950: celokovová částečná náhrada kyčelního kloubu, materiál vitalinum, za níž následovaly modifikace
- 1958: jako materiál pro jamku poprvé použit teflon, později polyethylen
- 1977: USA, první použití necementovaných jamek
2
ramenní kloub
loketní kloub
kolenní kloub
degenerativní onemocnění kolenního kloubu a jeho náhrada
3
primární náhrada kolenního kloubu - MEDIN (Walter) UNIVERZÁL
Femorální komponenta - symetrická, slitina CoCrMo
Totální tibiální plato se skládá ze dvou neoddělitelných částí
- kotvící část s dříkem (slitina CoCrMo)
- vložka tvořící kontaktní plochy (materiál UHMWPE)
materiály pro kloubní náhrady
existují mezinárodní standardy, které musí materiály kloubních náhrad splňovat (ISO)
Kovy
1565 Petronius: zlata destička na opravu rozštěpu patra
17. stol. Hieronymus Fabricius: Fe, bronzové a zlaté dráty na šití ran
1775 Francie: dráty na šití kostí
1829: první vědecké práce o reakcích živé tkáně na kovy (už známá toxicita olova); Fe bylo považováno
za vhodné pro své mech. vlastnosti a snadnou aplikaci; Fe, Au, Ag ani bronz nedokázaly při tehdejších
technikách stabilizovat zlomeniny
1875 – 83: pokrok v kovových implantátech: antiseptická operační technika – stříbrné dráty na šití kostí;
Roentgen: kostní tkáně lze zobrazit
1880: 1. kovová kostní výztuha – poniklovaná ocel (velký skok dopředu)
neúspěšné pokusy s Al a Mg
řídké pokusy s výztuhami z bronzu a mosazi
začal systematický výzkum materiálů
mosazné výztuhy s ocelovými šrouby – doporučeno pozlacení n. poniklování výztuh
1912: dlahy z vanadiové oceli – neuspokojivé
zavedení nerezové oceli (Poldi, Krupp) - potřebná kvalitativní změna, nerez dominuje od 1920
1936: nové slitiny založené na Co
1958: endoprotéza z Ti slitiny Ti-6Al-4V
nejvýznamnější vl. kovů:
tepelná a el. vodivost ( v kovech jsou mobilní, v nekovových mat. jen omezeně)
v pevné fázi jsou krystalické – prostorově (β-Ti) n. plošně(γ-Fe) centrovaná mřížka, hexagonální mřížka
(α-Ti, ε-Co)
vlastnosti kovů souvisejí se způsobem vazby jejich atomů a to je spojeno s uspořádáním atomů kovů v
krystalové mřížce
4
vlastnosti čistých kovů jen zřídka vyhovují → mechanické, chemické, technologické aj. vlastnosti se
dosahují legurami, ale ani tehdy nevyhovuje materiál všem požadavkům bez výjimky
prvky ve slitinách: Fe, Co, Ti, Ni, Cr, Mo, Mg, Mn, SI, C
Kovové mat. pro implantáty byly původně vyvinuty pro jiné než medicínské aplikace, až v poslední době
vývoj mat. speciálně pro implantace do živých tkání.
volba materiálu: znalost podmínek namáhání implantátu
typy a vlastnosti dostupných materiálů
vždy ovlivněna vývojem v jiných odvětvích průmyslu
vysoká korozivzdornost → špatné mech. vl.
vyhovující pevnost → náchylnost ke korozi n. alergenní
2 typy materiálů
A. vzácné kovy – elektrochemicky velmi stabilní
B. slitiny s pasivační schopností, tj. materiály schopné získat vlastnosti vzácných kovů za určitých
podmínek, i když ne trvale nebo ve všech jejich kombinacích
ad typ B:
materiály schopné tvořit pasivační vrstvy oxidů (i při min. množství přítomného O2): Cr, Ti
zachovávají si pasivační vl. i ve slitinách, i v malých koncentracích
nejčastěji používané skupiny kovových materiálů:
1. Korozivzdorná ocel typu Cr-Ni-Mo
E = (2 – 2,1)105MPa, Rm = (530 – 550)MPa
relativně nízká cena, snadné technologické zpracování, možnost ovlivňování mechanických vlastností v
širokém rozsahu a to jen pouhým legováním nebo tvářením
používá se ve stavu po rozpouštěcím žíhání
není náchylná na plastické lomy; únavovým lomům se bráníme zvýšením meze kluzu, pevnosti a
kladením důrazu na co největší homogenitu materiálu
Cr jako antikorozní přísada objeven 1797, ostatní dříve (Ni, Mg, Mo, Ti)
nerezi s vysokým obsahem Cr – problém s tepelným zpracováním a obráběním
pro permanentní implantáty se snižuje obsah C (snížení mezikrystalové koroze)
2. Slitiny typu Co-Cr-Mo
E = (2 – 2,2)105MPa, Rm = (660 – 760)MPa
(Protasol-2)
dobré mechanických a technologické vlastnosti, korozivzdorné a biokompatibilní, vynikající odolnost
proti opotřebení, drahé
mechanické vlastnosti lze ještě zlepšit tvářením za tepla
Kobaltové slitiny používané v ortopedii v litém, tvářeném i kovaném stavu mají obsah 30% Cr a 7% Mo.
3. Slitiny titanu
E = (2,2 – 2,4)105MPa, Rm = (850 – 1200)MPa (Protasol-10, Mo-Ni-Cr-Ti)
5
malá hustota (ρ = 4500 kg/m3), vysoká korozní odolnost (i ve velmi agresivním prostředí)
složitý technologický proces →výroba titanového polotovaru asi osmkrát dražší než nerezového tepelná
vodivost je výrazně nižší např. u Fe
čistý titan - velmi plastický, přičemž již nepatrné množství příměsí prudce zvyšuje pevnost a snižuje
plasticitu; pro svou malou pevnost, tvrdost a otěruvzdornost prakticky nepoužívá → legury zvyšující
pevnost: Al, V, Mo, Mn, Cr a C
únavová pevnost je značně závislá na obsahu příměsí: O, N a H zhoršují únavovou pevnost → výroba
titanu prováděna ve vakuu, aby nemohlo docházet k legování prvky z okolní atmosféry
Slitiny titanu jsou rovnocenné svými vlastnostmi kobaltovým slitinám i Cr-Ni-Mo ocelím.
Plasty
Plasty tvoří makromolekuly polymerních látek (přírodních nebo syntetických). Při konstrukci náhrad byly
použity ve větší míře PTFE (polytetrafluorethylen), PET (polyester) a PE (polyethylen) ve své speciální
modifikaci vysokomolekulárního UHMWPE (Ultra High Molecular Weight Polyethylene).
Polytetrafluorethylen (teflon) PTFE
symetrická lineární struktura → velmi dobré fyzikální vlastnosti (zejména vysoká chemická odolnost)
velmi nízký koeficient tření
při vyšších tlacích se vlivem deformace zvyšuje opotřebení → omezená praktická použitelnost
Částečky otěru uvolněné do okolí vyvolávají nepříznivou reakci okolní tkáně, proto se pro výrobu
kloubních náhrad nepoužívá. Poprvé byl použit v roce 1958 Charnleyem pro výrobu jamky kyčelního
kloubu, ale záhy se zjistila velmi krátká životnost a přestal se používat.
Polyethylentereftalát (polyester) PET
velmi dobré mechanické vlastnosti, dlouhodobě stálý, nízký koeficient tření
nadměrné opotřebení → z používání pro výrobu kloubních náhrad vyřazen
Polyethylen PE
vlastnosti závisí hlavně na způsobu výroby; nejvhodnější: nízkotlaký polyethylen, jehož struktura je
pravidelnější než u jiných způsobů výroby a tím získává lepší mechanické vlastnosti
hlavní výhody: snadné zpracování, biokompatibilita, malá nasákavost a nízký součinitel tření a poměrně
vysoká odolnost proti opotřebení po celou dobu použití
v současné době nejpoužívanějsí: ultravysokomolekulární polyethylen (UHMWPE) - má vysokou
hodnotu vrubové houževnatosti, nízký součinitel tření, dobrou odolnost proti opotřebení, velkou tažnost,
odolnost proti biologické korozi a malou náchylnost ke creepu; nevýhoda: nutnost sterilizace při nízké
teplotě → nejčastěji se pro jeho sterilizaci používá ozáření paprsky gama
6
Keramika
- anorganické nekovové látky z přírodních, nebo chemicky připravených sloučenin (velmi mnoho
materiálů
slinováním se dosahuje zvýšení pevnosti
rozdělení keramiky:
oxidová, tj. složení na bázi Al2O3
silikonová, na bázi SiO2
uhlíková (karbidová), na bázi SiC
zirkoniovou, na bázi ZrO2
stabilizovaná CaO
směsná
největší rozvoj a využití v aloartroplastice: oxidová (korundová) keramika a zirkonová keramika
Oxidová keramika
- chemicky identická s korundem a safírem
- vyrábí se slinováním čistého Al2O3, který je velmi stabilní
- mechanické a chemické vlastnosti u slinuté formy jsou značně závislé na čistotě, hustotě a velikosti zrn
- pětkrát až desetkrát tvrdší než jiné používané kovy a slitiny
Zirkoniová keramika
- více než 93% ZrO2, (5,1±0,25)% Y2O3, méně než 0,5% Al2O3 a některé další oxidy
- hojně používána, poprvé v roce 1970 v Německu a Francii
- hlavní přednost: stabilní biokompatibilita
- nevýhoda: křehkost
Z hlediska tribologie se jeví jako nejlepší kombinace třecích ploch keramika-keramika, tato kombinace
však přináší problémy s přenosem rázů. S ohledem na dobu životnosti a bezpečnost kloubní náhrady se
nejčastěji volí kombinace UHMWPE-keramika.
Kompozity
- materiály s velkým modulem pružnosti a vysokou pevností (tj. pevné a houževnaté)
- obecně se skládají z několika složek (tj. fází), které jsou od sebe odděleny fázovým rozhraním
- nejčastěji dvousložkové, tj. matrice s výztuhovými vlákny
velmi namáhané implantáty - byly vyvinuty tři uhlíkové materiály:
polykrystalický izotropní uhlík
uhlík vyztužený karbidem křemíku
uhlík vyztužený vlákny uhlíku
- splňují základní požadavky na pevnost i houževnatost, odolné ve fyziologickém prostředí, dají se
snadno sterilizovat
Polykrystalický uhlík v kombinaci s karbidem křemíku splňuje mechanické i tribologické požadavky
kladené při výrobě kloubních náhrad. V kombinaci uhlík-karbid křemíku v kombinaci s polykrystalickým
izotropním uhlíkem vykazují vysokou odolnost proti opotřebení a třecí součinitel nabývá hodnot 0,06,
přičemž se ukazuje, že na tuto skutečnost nemá vliv mazací médium. Kompozity používané pro výrobu
implantátů je možno najít pod obchodními názvy SEPCARB, BIOCARB či CERASEP.
7
Přirozená a umělá lubrikace přirozených kloubů
Pro přirozenou lubrikaci klubů je významná povrchová hyalinní chrupavka, která je porézní a elastická.
Tyto vlastnosti umožňují množství lubrikačních mechanismů. Základní mechanismus je ovlivněn
chemickým složením nitrokloubní synoviální kapaliny (SF – Synovial Fluid). Fyziologická SF je
dialyzátem krevní plazmy.
Předpokládaná elastohydrodynamická tloušťka mazací vrstvy pro kyčelní kloub, kolenní kloub a kloub
hlezenní se předpokládá 0,6÷1,3 μm, což je nižší než je průměrná drsnost povrchu Ra=(2÷6) μm.
Tloušťka mazacího filmu je závislá na velikosti zatížení a velikosti relativní rychlosti kontaktních ploch.
Součinitel tření ve zdravém kloubu se udává v hodnotách od 0,005 až po 0,025. O opotřebení u
přirozených kloubů nelze hovořit.
Přirozená lubrikace umělých kloubů
cca dva měsíce po operaci - kolem kloubní náhrady se vytvoří zajizvením pouzdro; SF se již nevylučuje v
původním chemickém složení → zhoršení mazacích poměrů
I v případě, že nedochází k umělé lubrikaci kloubní náhrady, je tento prostor spontánně vyplněn
kapalinou. Složení kloubní tekutiny v novém kloubním pouzdře je značně rozdílné. V některých
případech může být složení i velmi blízké původní synoviální tekutině, zejména v případě
hemiartroplastik. Tato „nová“ synoviální tekutina by patrně v mnoha případech mohla být dostatečná pro
lubrikaci přirozeného kloubu, ne však nutně pro lubrikaci jeho náhrady. V laboratorních experimentech se
ukazuje, že přirozená SF pro lubrikaci umělých kloubů není příliš vhodná.
Otěr je podstatný problém tření artikulujících ploch kloubních náhrad. Při otěru se produkují biologicky
„aktivní“ částečky, které mohou způsobit reakce živé tkáně, tzn. zánět. Způsobuje též tvarové změny,
které ovlivňují funkci kloubní náhrady, např. nárůst momentu tření, což může způsobit uvolnění
komponent a zapříčinit tak nutnou novou operaci.
nejzásadnější: otěr adhezivní, který nastává, když atomové síly vznikající na povrchu mezi dvěma
třenými materiály jsou silnější než základní mechanické vlastnosti obou povrchů (dochází ke „spékání“
obou materiálů). V kloubních náhradách vzniká adhezivní otěr obvykle tehdy, když se malé částečky
polyethylenu lepí na povrch kovový. K tomuto typu otěru jak kyčelního acetabula či tibiálního plata
dochází díky plastickému tečení polyethylenu.
Abrazivní otěr vzniká mezi povrchy s různou drsností zachytáváním se mikronerovností povrchů, které
může nastat i přes další částice, které se dostaly mezi povrchy, kdy síla působí pružné a plastické
deformace.
8
Existuje tedy jistá forma abrazivního otěru tzv. „Third-body wear“, který vzniká, když tvrdé částečky
vnikají do měkkého materiálu (obr.27).
Umělá lubrikace umělých kloubů
Zajištění vhodné lubrikace umělých kloubů je možné řešit dvojím způsobem:
1. Konstrukcí nových typů kloubních náhrad z nových matriálů, pro které je vhodná a dostatečná
spontánní lubrikace, kterou je možné zajistit v poměrech, které jsou v kloubním pouzdru po implantaci.
2. Nalezením vhodné umělé lubrikace, která by zajistila vhodnou lubrikaci u stávajících typů umělých
náhrad.
umělé kloubní náhrady: vysoká tuhosti a neporéznost → méně lubrikačních mechanismů než u
přirozených kloubů → v současné době se jeví možnost umělé lubrikace jako nejvhodnější
problémy k řešení: nalézt vhodnou lubrikační tekutinu a způsob její aplikace do kloubního prostoru,
zejména je potřebné se zaměřit na oblast pomalého pohybu. Teorie lubrikovaného tření předpokládá
právě pohyb pomalý jako rizikový.
kolenní kloub – výpočty
http://seminare.fav.zcu.cz/media/document/prednaska-spav-danek-r.pdf
9
Download

Materiály pro implantáty