RU2646580C2

RU2646580C2 - Vertebra endoprosthesis with adjacent intervertebral discs

Info

Publication number: RU2646580C2
Application number: RU2015138640A
Authority: RU
Inventors: Евгений Валентинович Пашков; Михаил Иванович Калинин
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2015-09-10
Publication date: 2018-03-05
Also published as: RU2015138640A

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine. Endoprosthesis of the vertebra with adjacent intervertebral disks contains the upper and lower axisymmetric and oppositely arranged support plates with spear-like fixation elements in the vertebral bodies formed on their outer surfaces and a support-centering element installed between them. Support-centering element has a glass, cylindrical corrugated elastic shell with annular collars at the ends and flat springs. Glass is made with a bottom in the form of a disc attached to the walls of a disc of alloplastic material with outer convex-spherical end. On inner side in the center of the lower support plate is a cylindrical spike with a concave end surface, forming spherical mobile connection with the convex end of the disk. Glass is placed inside the said shell, and the latter is connected to the outer generatrix of the cylindrical stud by one annular collar, and second - to the top of the glass. In the upper plate and in the bottom of the glass, radial slots are provided, located on the same circumference with the same circumferential pitch to secure the ends of the flat springs parallel to the axis of the glass. Cavity formed by the said shell and the outer walls of the cup is sealed and filled with a bioinert liquid with antifriction nanoparticles of unmodified carbon (fullerene), and cavity of a glass with flat springs is elastic bioinert silicone.

EFFECT: invention provides the motor functions inherent in the spine, simplification of manipulations associated with the installation, the exclusion of wear products from entering the tissues of the human body, and consequently, the absence of the need for their removal during audit operations, increase in the service life and a reduction in the duration of the surgical intervention.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в вертебрологии и нейрохирургии при лечении травм, заболеваний и повреждений позвоночника.The invention relates to medical equipment and can be used in vertebrology and neurosurgery in the treatment of injuries, diseases and injuries of the spine.

В медицинской технике известны конструкции имплантатов в виде кейджей, применяемых при хирургическом лечении остеохондроза позвоночника, представляющие собой металлические вкладыши коробчатой формы с отверстиями и полостями различной конфигурации, элементами фиксации в виде зубцов на опорных поверхностях, предназначенных для внедрения в тела позвонков, между которыми он размещается взамен удаленного межпозвонкового диска (Патент Украины №41079 А от 15.10.2001, Бюл.№9; export @gmreis.com.br - Posterior Lumbar Spacer).In medical technology, implant designs in the form of cages are used that are used in the surgical treatment of osteochondrosis of the spine, which are box-shaped metal inserts with holes and cavities of various configurations, fixation elements in the form of teeth on supporting surfaces intended for insertion into the vertebral bodies between which it is placed instead of a remote intervertebral disk (Patent of Ukraine No. 41079 A dated 10.15.2001, Bull. No. 9; export @ gmreis.com.br - Posterior Lumbar Spacer).

Основная отличительная особенность таких имплантатов заключается в том, что они жестко связывают два соседних позвонка, лишая их относительной подвижности во всех направлениях, ограничивая тем самым гибкость и функциональность позвоночного столба человека.The main distinguishing feature of such implants is that they rigidly connect two neighboring vertebrae, depriving them of relative mobility in all directions, thereby limiting the flexibility and functionality of the human spinal column.

В случае повреждения позвонков (переломы, вывихи, опухолевые поражения) для межтеловой стабилизации применяются трубчатые перфорированные титановые имплантаты (ИПТ), устанавливаемые взамен поврежденных (удаленных) позвонков и двух прилегающих к нему межпозвонковых дисков. При этом концы имплантата закрепляются в прилегающих позвонках, что существенно ограничивает двигательные возможности человека (проспект «Детского нейрохирургического центра», CHILD'S NEUROSURGICAL CENTRE (CNC), г. Киев-50, ул. Мануильского, 32, тел/факс (044) 211-77-28).In case of vertebral damage (fractures, dislocations, tumor lesions), perforated titanium implants (IPT) are used for interbody stabilization, which are installed instead of damaged (removed) vertebrae and two adjacent intervertebral discs. At the same time, the implant ends are fixed in adjacent vertebrae, which significantly limits the motor abilities of a person (prospectus of the Children's Neurosurgical Center, CHILD'S NEUROSURGICAL CENTER (CNC), Kiev-50, 32 Manuilskogo str., Tel / fax (044) 211- 77-28).

Восстановление подвижности элементов позвоночника обеспечивают эндопротезы межпозвонковых дисков, состоящие из двух оппозитно и соосно расположенных опорных пластин из проницаемо пористого сверхэластичного материала, между которыми находится промежуточный элемент из фторопласта, соединенный с пластинами с помощью буферного слоя (Патент RU №2140229 от 27.10.1999).The restoration of the mobility of the spinal elements is ensured by endoprostheses of the intervertebral discs, consisting of two opposite and coaxially located support plates of a permeable porous superelastic material, between which there is an intermediate element made of fluoroplastic, connected to the plates using a buffer layer (Patent RU No. 2140229 from 10.27.1999).

Известна также конструкция эндопротеза (имплантата) межпозвонкового диска, содержащая две опорные пластины с элементами фиксации и расположенный между пластинами диск из обладающего упругими свойствами аллопластического материала. Элементы фиксации выполнены из материала с эффектом памяти, что позволяет при их нагреве обеспечить поворот фиксаторов относительно оси и закрепление пластин в телах позвонков (Патент RU №2080841, МПК A61F 2/44, 1997).Also known is the design of an endoprosthesis (implant) of the intervertebral disc, containing two support plates with fixation elements and a disc made of alloplastic material having elastic properties located between the plates. The fixation elements are made of a material with a memory effect, which allows them to rotate the latches around the axis and fix the plates in the vertebral bodies (Patent RU No. 2080841, IPC A61F 2/44, 1997).

К недостаткам конструкции следует отнести: сложность установки; необходимость нагрева фиксаторов при установке, что неблагоприятно отражается на костной ткани позвонков; возникновение электрокоррозии из-за различных материалов частей эндопротеза, которая снижает надежность фиксации и вызывает его повышенный износ; низкую биоинертность из-за наличия никеля в материале фиксаторов, вызывающую токсическое действие на костную ткань и организм человека в целом; небольшой период времени до проведения ревизионных операций, связанных с заменой изношенного эндопротеза.The design flaws include: installation complexity; the need for heating the clamps during installation, which adversely affects the bone tissue of the vertebrae; the occurrence of electrocorrosion due to various materials of the parts of the endoprosthesis, which reduces the reliability of fixation and causes its increased wear; low bioinertness due to the presence of nickel in the material of fixatives, causing a toxic effect on bone tissue and the human body as a whole; a short period of time before conducting revision operations associated with the replacement of a worn endoprosthesis.

В качестве прототипа взята конструкция эндопротеза (имплантата) межпозвонкового диска (Патент RU №2200510 С1, МПК 7 A61F 2/44, 2003), содержащая две осесимметричные пластины и размещенный между ними диск из обладающего упругими свойствами аллопластического материала (силиконового каучука). Внутренние оппозитно расположенные поверхности опорных пластин имеют в центре вогнутость и фиксирующий кольцевой выступ, обеспечивающие поперечную фиксацию диска и возможность вращения вокруг оси. Механические свойства материала диска обеспечивают возможность угловых смещений и амортизацию пластин. Элементы фиксации относительно позвонков имеют копьеобразную форму и размещены с внешней стороны опорных пластин.The design of the endoprosthesis (implant) of the intervertebral disc (Patent RU No. 2200510 C1, IPC 7 A61F 2/44, 2003), containing two axisymmetric plates and a disc made of elastic alloplastic material (silicone rubber) between them, was taken as a prototype. The inner opposing surfaces of the support plates have a concavity in the center and a fixing annular protrusion, providing lateral fixation of the disk and the possibility of rotation around the axis. The mechanical properties of the material of the disk provide the possibility of angular displacements and shock absorption of the plates. The fixation elements relative to the vertebrae are spear-shaped and placed on the outside of the support plates.

Основными недостатками данной конструкции эндопротеза (имплантата) являются:The main disadvantages of this design of the endoprosthesis (implant) are:

- нестабильность относительного пространственного расположения и подвижности элементов эндопротеза из-за значительной эластичности силиконового диска и низкой износостойкости;- instability of the relative spatial arrangement and mobility of the elements of the endoprosthesis due to the significant elasticity of the silicone disk and low wear resistance;

- малый срок службы из-за возможности попадания продуктов износа между подвижными элементами, что приводит к их замыканию между собой, т.е. к лишению их относительной подвижности;- short service life due to the possibility of ingress of wear products between the movable elements, which leads to their closure between themselves, i.e. to deprivation of their relative mobility;

- сложность установки, связанная с обеспечением соосности всех частей эндопротеза, в труднодоступном пространстве между телами позвонков;- the complexity of the installation associated with ensuring the alignment of all parts of the endoprosthesis in the inaccessible space between the vertebral bodies;

- длительность оперативного вмешательства. Ожидаемыми от изобретения техническими результатами являются:- the duration of surgery. The expected technical results from the invention are:

- обеспечение присущих позвоночнику двигательных функций;- providing inherent in the spine motor functions;

- обеспечение целостности конструкции эндопротеза, позволяющей упростить манипуляции, связанные с его установкой;- ensuring the integrity of the design of the endoprosthesis, allowing to simplify the manipulations associated with its installation;

- исключение попадания продуктов износа в ткани организма человека, а следовательно, отсутствие необходимости их удаления при проведении ревизионных операций;- the exclusion of the ingestion of wear products in the tissues of the human body, and therefore, the absence of the need for their removal during audit operations;

- увеличение стабильности относительного расположения элементов эндопротеза;- increase the stability of the relative arrangement of the elements of the endoprosthesis;

- увеличение срока службы эндопротеза;- increase the life of the endoprosthesis;

- сокращение длительности оперативного вмешательства.- reducing the duration of surgery.

Достижение указанных результатов осуществляется за счет того, что в эндопротезе позвонка с прилегающими к нему межпозвонковыми дисками, содержащем верхнюю и нижнюю осесимметрично и оппозитно расположенные опорные пластины с выполненными на их наружных поверхностях копьеобразными элементами фиксации в телах позвонков и установленный между ними опорно-центрирующий элемент, последний имеет стакан, цилиндрическую гофрированную упругую оболочку с кольцевыми воротничками по концам и плоские пружины, стакан выполнен с дном в виде прикрепленного к стенкам стакана диска из аллопластического материала с наружным выпукло-сферическим торцом, на внутренней стороне в центре нижней опорной пластины выполнен цилиндрический шип с вогнутой торцовой поверхностью, образующей с выпуклым торцом диска сферическое подвижное соединение, стакан размещен внутри упомянутой оболочки, а последняя одним кольцевым воротничком присоединена к наружной образующей цилиндрического шипа, а вторым - к верхней части стакана, в верхней пластине и в дне стакана выполнены радиальные прорези, расположенные на одной окружности с одинаковым окружным шагом для закрепления концов плоских пружин параллельно оси стакана, при этом образованная упомянутой оболочкой и наружными стенками стакана полость выполнена герметичной и заполнена биоинертной жидкостью с антифрикционными наночастицами немодифицированного углерода (фуллереном), а полость стакана с плоскими пружинами - упругим биоинертным силиконом.The achievement of these results is due to the fact that in the endoprosthesis of the vertebra with adjacent intervertebral discs containing the upper and lower axisymmetrically and oppositely located supporting plates with spear-shaped fixation elements in the vertebral bodies made on their outer surfaces and a support-centering element installed between them, the latter has a glass, a cylindrical corrugated elastic shell with annular collars at the ends and flat springs, the glass is made with the bottom in the form of an attachment of a disk made of alloplastic material to the walls of the cup with an external convex-spherical end face, on the inner side in the center of the lower base plate there is a cylindrical spike with a concave end surface forming a spherical movable connection with a convex end face of the disk, the cup is placed inside the said shell, and the last one is circular the collar is attached to the outer generatrix of the cylindrical spike, and the second to the upper part of the glass, radial slots are made in the upper plate and in the bottom of the glass, located on the same circle with the same circumferential pitch to fix the ends of the flat springs parallel to the axis of the cup, while the cavity formed by the said shell and the outer walls of the cup is sealed and filled with bioinert liquid with anti-friction nanoparticles of unmodified carbon (fullerene), and the cup cavity with flat springs is elastic bioinert silicone.

Между совокупностью заявляемых признаков изобретения и ожидаемыми техническими результатами, обеспечиваемыми предлагаемым изобретением, существует причинно-следственная связь, заключающаяся в следующем.Between the totality of the claimed features of the invention and the expected technical results provided by the proposed invention, there is a causal relationship, which consists in the following.

Во-первых, конструкция эндопротеза обеспечивает все присущие здоровому позвоночнику двигательные функции, т.е. все четыре степени относительной подвижности (свободы) позвонков - три угловых и одно линейно-поступательное движение.Firstly, the design of the endoprosthesis provides all the motor functions inherent in a healthy spine, i.e. all four degrees of relative mobility (freedom) of the vertebrae - three angular and one linear-translational motion.

Во-вторых, отсутствие возможности попадания продуктов износа в организм человека вследствие размещения подвижного соединения с внешним трением в герметичной полости, что исключает необходимость их удаления из тканей организма при проведении ревизионных операций.Secondly, the inability to get wear products into the human body due to the placement of a movable joint with external friction in an airtight cavity, which eliminates the need for their removal from body tissues during revision operations.

В-третьих, оболочка, стакан и плоские пружины, связывающие между собой опорные пластины, обеспечивают целостность конструкции, что упрощает установку эндопротеза в межпозвонковом пространстве, уменьшает время операции и не требует сложного дорогостоящего вспомогательного инструментария.Thirdly, the shell, the cup and the flat springs connecting the support plates to each other ensure the integrity of the structure, which simplifies the installation of the endoprosthesis in the intervertebral space, reduces the operation time and does not require complicated expensive auxiliary tools.

В-четвертых, упругодеформированное состояние гофрированной цилиндрической оболочки способствует стабилизации требуемого относительного расположения опорно-центрирующих элементов сферического подвижного соединения и опорных пластин, а следовательно, и позвонков, компенсируя дестабилизирующее действие на них статических и динамических нагрузок, возникающих в процессе осуществления человеком двигательных функций.Fourth, the elastically deformed state of the corrugated cylindrical shell helps to stabilize the required relative position of the support-centering elements of the spherical movable joint and the support plates, and therefore the vertebrae, compensating for the destabilizing effect of static and dynamic loads on them arising in the process of a person performing motor functions.

В-пятых, использование в качестве смазки подвижного соединеия с внешним трением биоинертной жидкости с наночастицами немодифицированного углерода (фуллерена), обладающей высокими антифрикционными свойствами, уменьшает коэффициент трения и износ, а следовательно, увеличивает срок службы эндопротеза.Fifth, the use as a lubricant of a mobile compound with external friction of a bioinert liquid with nanoparticles of unmodified carbon (fullerene), which has high antifriction properties, reduces the friction coefficient and wear, and therefore, increases the life of the endoprosthesis.

В-шестых, применение в составе эндопротеза подвижного соединения с внутренним трением в виде пластинчато-цилиндрического торсиона обеспечивает угловую стабилизацию опорных пластин и характеризуется отсутствием размерного износа.Sixth, the use of a movable joint with internal friction in the form of a plate-cylindrical torsion in the endoprosthesis provides angular stabilization of the support plates and is characterized by the absence of dimensional wear.

В-седьмых, с помощью данного эндопротеза можно осуществить за одну установку замену сразу трех частей позвоночника - одного позвонка и двух прилегающих к нему межпозвонковых дисков, что упрощает связанные с этим манипуляции и уменьшает опереционное время.Seventhly, with the help of this endoprosthesis, it is possible to replace three parts of the spine at once in one installation - one vertebra and two adjacent intervertebral discs, which simplifies the associated manipulations and reduces operating time.

На фиг. 1 показана конструкция эндопротеза в разрезе; на фиг. 2 - вид по стрелке А на фиг. 1.In FIG. 1 shows a sectional endoprosthesis design; in FIG. 2 is a view along arrow A in FIG. one.

Конструкция эндопротеза позвонка с прилегающими к нему межпозвонковыми дисками (фиг. 1) включает в себя две оппозитно и осесимметрично расположенные опорные пластины, верхнюю 1 и нижнюю 2, между которыми установлена цилиндрическая гофрированная упругая оболочка (сильфон) 3 с кольцевыми воротничками 4 и 5 по концам. Воротничком 5 оболочка прикреплена к наружной цилиндрической поверхности шипа 6, выполненного в центре нижней опорной пластины 2. Торцовая поверхность шипа выполнена в виде вогнутой сферы и образует сферическое подвижное соединение с выпукло-сферическим торцом диска 7 из высокомолекулярного полимера «Chirulen» (перекрестно-связанный полиэтилен UHMWPE) (NEW POLYS FOR OLD: CONTRIBUTION OR CAVEAT / S. Greenwald, T.W. Bauer, M.D. Ries / American Academy of orthopaedic surgeons.-68^th Annual meeting, February 28 - March 4, 2001, San Francisco, California), закрепленного на наружной поверхности донной части стакана 8, прикрепленного своей верхней частью к кольцевому воротничку 4 гофрированной оболочки. В полости стакана, параллельно его оси, расположены плоские пружины 9, закрепленные по концам в радиальных прорезях, выполненных с расположением на одной окружности и с одинаковым окружным шагом в донной части стакана 8 и в верхней опорной пластине 1 (фиг. 2), которые образуют пластинчато-цилиндрический торсион, обеспечивающий относительное упругое угловое перемещение опорных пластин.The design of the endoprosthesis of the vertebra with adjacent intervertebral discs (Fig. 1) includes two opposed and axisymmetrically located supporting plates, the upper 1 and lower 2, between which a cylindrical corrugated elastic membrane (bellows) 3 is installed with annular collars 4 and 5 at the ends . With a collar 5, the sheath is attached to the outer cylindrical surface of the spike 6, made in the center of the lower support plate 2. The end surface of the spike is made in the form of a concave sphere and forms a spherical movable connection with the convex-spherical end face of the disk 7 made of high molecular weight Chirulen polymer (cross-linked polyethylene UHMWPE) (NEW POLYS FOR OLD: CONTRIBUTION OR CAVEAT / S. Greenwald, TW Bauer, MD Ries / American Academy of orthopedic surgeons. -68 ^th Annual meeting, February 28 - March 4, 2001, San Francisco, California), pinned by the outer surface of the bottom of the glass 8, attached to its ve rkhne part to the annular collar 4 corrugated shell. In the cavity of the cup, parallel to its axis, are located flat springs 9, fixed at the ends in radial slots, arranged with the same circumference and with the same circumferential pitch in the bottom of the cup 8 and in the upper support plate 1 (Fig. 2), which form plate-cylindrical torsion, providing relative elastic angular movement of the support plates.

Гофрированная оболочка и стакан образуют герметичную полость 10, заполненную биоинертной жидкостью с антифрикционными наночастицами немодифицированного углерода С₆₀ (фуллереном) (Чурилов Г.Н. Фуллерены: Синтез и теория образования / Г.Н. Чурилов, Н.В. Булина, А.С. Федоров, Росс. акад. наук, Сиб. отделение, Новосибирск: Изд-во СОР АН, 2007.- 230 с.), предназначенной для смазки сферического подвижного соединения, способствующего уменьшению в 8…10 раз коэффициента трения (Lashneva V.V., Dubok V.A., Tkachenko Ju.G. Physiko - chemical properties of fullerene С₆₀ based coatings // Book of abstract. VIII International Conference - ICHMS 2003, Sudak, Crimea, Ukraine, 14-20 Sept., 2003. - P. 718-721). Полость 11 стакана 8 с размещенными в ней плоскими пружинами 9 заполнена упругим медицинским силиконом, что, во-первых, повышает устойчивость пружин, находящихся под действием осевых статических и динамических нагрузок, а во-вторых, препятствует скоплению и застою тканевой жидкости.The corrugated shell and the glass form a sealed cavity 10 filled with a bioinert liquid with antifriction nanoparticles of unmodified carbon C ₆₀ (fullerene) (Churilov G.N. Fullerenes: Synthesis and formation theory / G.N. Churilov, N.V. Bulina, A.S. Fedorov, Russian Academy of Sciences, Siberian Branch, Novosibirsk: SOR AN Publishing House, 2007.- 230 p.), Intended for the lubrication of a spherical movable joint, contributing to a reduction of the coefficient of friction by 8 ... 10 times (Lashneva VV, Dubok VA, Tkachenko Ju. G. Physiko - chemical properties of fullerene C ₆₀ based coatings // Book of abstract. VIII International Conference - ICHMS 2003, Sudak, Crimea, Ukraine, 14-20 Sept., 2003. - P. 718-721). The cavity 11 of the cup 8 with the flat springs 9 located in it is filled with elastic medical silicone, which, firstly, increases the stability of the springs under the action of axial static and dynamic loads, and secondly, prevents the accumulation and stagnation of tissue fluid.

Закрепление эндопротеза в телах позвонков осуществляется с помощью копьеобразных элементов фиксации 12, являющихся частями опорных пластин, отогнутых под прямым углом к их наружным поверхностям.The endoprosthesis is fixed in the vertebral bodies with the help of spear-shaped fixation elements 12, which are parts of the support plates, bent at right angles to their outer surfaces.

Все конструктивные элементы эндопротеза выполнены из биоинертных титановых сплавов, имеющих высокие упругие свойства.All structural elements of the endoprosthesis are made of bioinert titanium alloys having high elastic properties.

Эндопротез имеет четыре степени подвижности, которые полностью воспроизводят двигательные функции позвоночника человека, а именно угловые перемещения (вращение) α_x, α_y, α_z соответственно вокруг осей X, Y, Z и линейное перемещение δ_z вдоль оси Z (фиг. 1)The endoprosthesis has four degrees of mobility that fully reproduce the motor functions of the human spine, namely the angular displacements (rotation) α _x , α _y , α _z around the X, Y, Z axes and the linear displacement δ _z along the Z axis (Fig. 1)

Установка эндопротеза осуществляется следующим образом.The installation of the endoprosthesis is as follows.

Сначала удаляют несостоятельный позвонок и прилегающие к нему межпозвонковые диски (грыжа, травма). Затем, используя ранорасширитель, создают необходимое межтеловое пространство, вводят эндопротез, располагая его в центре позвонков, и внедряют копьеобразные фиксирующие элементы в костную ткань до контакта опорных пластин с телом позвонков с помощью ранее используемого устройства.First, the failed vertebra and the adjacent intervertebral discs (hernia, trauma) are removed. Then, using a retractor, the necessary interbody space is created, an endoprosthesis is inserted, placing it in the center of the vertebrae, and spear-shaped fixing elements are inserted into the bone tissue until the supporting plates come into contact with the vertebral body using the previously used device.

Последующее остеообразование, т.е. обрастание фигурных поверхностей копьеобразных фиксирующих элементов костной тканью, а также ее прорастание в вырезы опорных пластин, надежно фиксирует эндопротез в телах позвонков.Subsequent osteogenesis, i.e. fouling of the figured surfaces of spear-shaped fixing elements with bone tissue, as well as its germination in the cutouts of the supporting plates, reliably fixes the endoprosthesis in the vertebral bodies.

Claims

Vertebral endoprosthesis with intervertebral discs adjacent to it, containing upper and lower axisymmetrically and oppositely positioned support plates with spear-shaped fixation elements in the vertebral bodies made on their outer surfaces and a support-centering element installed between them, characterized in that the support-centering element has a glass , a cylindrical corrugated elastic shell with annular collars at the ends and flat springs, the glass is made with the bottom in the form of a dis made of an alloplastic material with an external convex-spherical end face, on the inner side in the center of the lower base plate there is a cylindrical spike with a concave end surface forming a spherical movable connection with a convex end face of the disk, the glass is placed inside the said shell, and the latter is connected to the outer one with a collar forming a cylindrical tenon, and the second to the upper part of the glass, in the upper plate and in the bottom of the glass are made radial slots located on the same circle with one with a different circumferential step to fix the ends of the flat springs parallel to the axis of the cup, while the cavity formed by the said shell and the outer walls of the cup is sealed and filled with bioinert liquid with anti-friction nanoparticles of unmodified carbon (fullerene), and the cavity of the cup with flat springs with elastic bioinert silicone.