RU111429U1 - JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY - Google Patents

JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY Download PDF

Info

Publication number
RU111429U1
RU111429U1 RU2010109902/14U RU2010109902U RU111429U1 RU 111429 U1 RU111429 U1 RU 111429U1 RU 2010109902/14 U RU2010109902/14 U RU 2010109902/14U RU 2010109902 U RU2010109902 U RU 2010109902U RU 111429 U1 RU111429 U1 RU 111429U1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
friction
joint
endoprostheses
endoprosthesis
metal
Prior art date
Application number
RU2010109902/14U
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Федорович Татаринов
Original Assignee
Валерий Федорович Татаринов
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Валерий Федорович Татаринов filed Critical Валерий Федорович Татаринов
Priority to RU2010109902/14U priority Critical patent/RU111429U1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU111429U1 publication Critical patent/RU111429U1/en

Links

Landscapes

  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

Узел трения эндопротеза сустава с элементами, выполненными с взаимодействующими гладкими поверхностями, отличающийся тем, что элементы узла трения эндопротеза изготовлены из монолитного изотропного пиролитического углерода, легированного бором. The knot of the joint endoprosthesis friction with elements made with interacting smooth surfaces, characterized in that the elements of the endoprosthesis friction knot are made of monolithic isotropic pyrolytic carbon doped with boron.

Description

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в ортопедии для замены пораженных естественных суставов человека (тазобедренного, коленного, голеностопного, пальцев ног, плечевого, локтевого, лучезапястного, пальцев рук, челюстно-лицевого, межпозвонкового диска).The invention relates to medical equipment and can be used in orthopedics to replace the affected natural joints of a person (hip, knee, ankle, toes, shoulder, elbow, wrist, fingers, maxillofacial, intervertebral disc).

Одно из самых удивительных «изобретений» природы, связанных с опорно-двигательным аппаратом человека, - суставы. Если бы все кости скелета человека просто неподвижно соединялись друг с другом, такой человек не смог бы даже пошевелиться. Подвижные соединения костей и называются суставами. Участки соприкасающихся в суставе костей (узел трения) покрыты хорошо скользящим хрящом и герметически укрыты оболочкой - суставной капсулой (сумкой). Для уменьшения трения полость, частично разделяющая кости, заполняется синовиальной жидкостью, которую выделяют ткани суставной сумки и хрящей. Стираясь при трении, хрящ также превращается в смазку. Здоровый сустав, таким образом, сам себя смазывает и поддерживает в рабочем состоянии. Есть суставы, которые могут только сгибаться и разгибаться (например, суставы между фалангами пальцев человека). Другие могут, кроме того, совершать движения в разных направлениях - в стороны и т.д. Наконец, шаровидные суставы (например, плечевой) могут еще и вращаться. Но все суставы объединяет наличие узла трения.One of the most amazing “inventions” of nature associated with the musculoskeletal system of a person is joints. If all the bones of the human skeleton were simply motionlessly connected to each other, such a person could not even move. Mobile joints of bones are called joints. Areas of bones adjoining in the joint (friction unit) are covered with well-sliding cartilage and hermetically covered by a shell - articular capsule (bag). To reduce friction, the cavity that partially separates the bones is filled with synovial fluid, which is secreted by the tissues of the joint bag and cartilage. Erasing with friction, cartilage also turns into grease. A healthy joint thus lubricates itself and maintains it in working condition. There are joints that can only bend and unbend (for example, the joints between the phalanges of a person’s fingers). Others may, in addition, make movements in different directions - to the sides, etc. Finally, the spherical joints (for example, the shoulder) can also rotate. But all joints are united by the presence of a friction unit.

Заболевания и повреждения опорно-двигательного аппарата отличаются от заболеваний и повреждений других органов, в частности, тем, что в последнем случае обычно с излечением болезненного процесса восстанавливается трудоспособность больного. При заболеваниях и повреждениях опорно-двигательного аппарата излечение процесса, если не будут приняты меры профилактики, нередко оставляет после себя «последствия» в форме контрактур, ограничения движений и т.п., требующие «долечивания», иногда очень длительного, или эндопротезирования.Diseases and injuries of the musculoskeletal system differ from diseases and injuries of other organs, in particular, in the latter case, usually with the cure of the disease process, the patient's working capacity is restored. For diseases and injuries of the musculoskeletal system, the cure of the process, if preventive measures are not taken, often leaves behind “consequences” in the form of contractures, limitation of movements, etc., requiring “aftercare”, sometimes very long, or endoprosthetics.

Эндопротезирование суставов - современный наиболее эффективный метод восстановления подвижности суставов путем их полной или частичной замены искусственными компонентами. Самыми распространенными в настоящее время являются эндопротезы тазобедренного и коленного суставов, а также подвижные эндопротезы межпозвонковых дисков. Эндопротезы других суставов человека находятся в стадии выхода на широкое применение.Joint replacement is the most modern modern method of restoring joint mobility by replacing them fully or partially with artificial components. The most common at present are hip and knee endoprostheses, as well as mobile endoprostheses of the intervertebral discs. Endoprostheses of other human joints are in the stage of widespread use.

Количество заболеваний и повреждений тазобедренного сустава по прогнозам ВОЗ будет расти с увеличением продолжительности жизни и общим старением населения. К 2025 году количество лиц в возрасте 60 лет и старше превысит один миллиард человек. Актуальность проблемы с каждым годом повышается, так как постоянно растет уровень повреждений и выяв-ляемость заболеваний тазобедренного сустава, как у основной возрастной группы, так и у стареющего населения. Удельный вес заболеваний и повреждений тазобедренного сустава среди патологии опорно-двигательной системы возрастет на 80%. Только в США ежегодно выявляется 300000 новых переломов шейки бедра.The number of diseases and injuries of the hip joint, according to WHO forecasts, will increase with increasing life expectancy and general aging of the population. By 2025, the number of people aged 60 and over will exceed one billion people. The urgency of the problem is increasing every year, as the level of damage and the detectability of diseases of the hip joint are constantly growing, both in the main age group and in the aging population. The proportion of diseases and injuries of the hip joint among the pathology of the musculoskeletal system will increase by 80%. In the United States alone, 300,000 new hip fractures are detected annually.

Аналогичная картина и с заболеваниями коленного сустава. Из-за гемофилии, которой страдают до 5% населения, поражаются коленные суставы и чаще всего единственным способом помощи является эндопротезирование сустава. В общем объеме операций на суставах эндопротезирование коленного сустава составляет более 25%.A similar picture is with diseases of the knee joint. Because of hemophilia, which affects up to 5% of the population, the knee joints are affected, and most often the only way to help is by joint replacement. In the total volume of operations on the joints, knee replacement is more than 25%.

В течение долгого времени человечество мечтало о возможности лечения позвоночника с сохранением его подвижности - функции, без которой жизнь человека не полноценна. До последнего времени это было невозможным, и только теперь, на современном уровне технологий получили развитие динамические системы стабилизации позвоночника. Эти системы обеспечивают восстановление естественной архитектоники позвоночника с сохранением его динамических свойств. Создание подвижного межпозвонкового диска для лечения позвоночника является наиболее передовым современным направлением развития медицинской науки и техники.For a long time, mankind dreamed of the possibility of treating the spine while maintaining its mobility - a function without which a person’s life is not complete. Until recently, this was impossible, and only now, at the modern level of technology, dynamic systems of stabilization of the spine have been developed. These systems provide restoration of the natural architectonics of the spine while maintaining its dynamic properties. The creation of a movable intervertebral disc for the treatment of the spine is the most advanced modern direction in the development of medical science and technology.

С развитием науки и техники сегодня становится возможным создать эндопротез любого сустава человека. И это направление медицины получает все большее развитие.With the development of science and technology today it becomes possible to create an endoprosthesis of any human joint. And this area of medicine is becoming increasingly developed.

Разработки эндопротезов велись по различным направлениям построения элементов протеза, способов фиксации, использования различных материалов, разнообразных видов обработки поверхности и разнообразных вариантов форм имплантатов.The development of endoprostheses was carried out in various directions of constructing prosthetic elements, methods of fixation, the use of various materials, various types of surface treatment and various options for the shape of implants.

Используемые сегодня материалы для эндопротезов были выбраны согласно 3 существенным критериям:Endoprosthesis materials used today were selected according to 3 essential criteria:

- биосовместимость (толерантность с человеческим организмом);- biocompatibility (tolerance with the human body);

- устойчивость против коррозии;- resistance to corrosion;

- механические свойства.- mechanical properties.

В настоящее время в узлах трения эндопротезов используют:Currently, in the friction units of endoprostheses use:

- Металлические материалы:.- Metallic materials :.

Это главным образом нержавеющие стальные или титановые сплавы, которые используют в производстве ножки и головки эндопротезов.These are mainly stainless steel or titanium alloys, which are used in the manufacture of the legs and heads of endoprostheses.

- Керамические материалы:- Ceramic materials:

Глинозем является наиболее используемым именно для производства узла трения эндопротезов ввиду его низкого коэффициента трения, что снижает риск износа.Alumina is the most used specifically for the production of a friction unit for endoprostheses due to its low coefficient of friction, which reduces the risk of wear.

- Полиэтилен:- Polyethylene:

Эта термопластическая макромолекула используется для изготовления элементов узла трения эндопротезов.This thermoplastic macromolecule is used for the manufacture of elements of the friction unit of endoprostheses.

Все известные эндопротезы локтевого, плечевого и коленного сустава для тотального эндопротезирования при патологических заболеваниях и последствиях травм, например [1], в качестве основных элементов узла трения имеют сочетание металл - высокомолекулярный полиэтилен. Частицы износа полиэтилена в период от 5 до 20 лет эксплуатации эндопротеза провоцируют костное разрушение вокруг протеза, что требует нового оперативного вмешательства (ревизионное эндопротезирование).All known endoprostheses of the elbow, shoulder and knee joints for total arthroplasty for pathological diseases and the consequences of injuries, for example [1], the combination of metal - high molecular weight polyethylene as the main elements of the friction unit. Particles of polyethylene wear during the period from 5 to 20 years of operation of the endoprosthesis provoke bone destruction around the prosthesis, which requires a new surgical intervention (revision endoprosthetics).

Известны подвижные эндопротезы межпозвонкового диска [2]. Биомеханически и с учетом типа трущихся поверхностей различают узлы трения: металл-металл, металл-керамика, металл-полиэтилен. В настоящее время известны 4 различных типа подвижных межпозвонковых эндопротезов, разрешенных к клиническому применению.Known mobile endoprostheses of the intervertebral disc [2]. Biomechanically and taking into account the type of rubbing surfaces, friction units are distinguished: metal-metal, metal-ceramic, metal-polyethylene. Currently, 4 different types of mobile intervertebral endoprostheses are approved for clinical use.

«FlexiCore» - искусственный диск (SpineCore, Inc., Summit, NJ) полуфиксированной конструкции типа металл-металл с кобальтохромомолибденовыми пластинами. Подвижная часть выполнена в виде шара диаметром 13 мм. Она является центром ротации между двумя пластинами. На внешней поверхности пластин имеются шипы для фиксации к позвонкам.FlexiCore is an artificial disk (SpineCore, Inc., Summit, NJ) of a semi-fixed metal-to-metal construction with cobalt-chromium-molybdenum plates. The moving part is made in the form of a ball with a diameter of 13 mm. It is the center of rotation between the two plates. On the outer surface of the plates there are spikes for fixing to the vertebrae.

Протез «Maverick» (Medtronic Sofamor Danek, Inc., Memphis, TN) - это полуфиксированная конструкция типа металл-металл. Конструкция протеза подобна описанной выше модели, но на его пластинах имеется выступающая поверхность с отверстиями для фиксации шурупов к телам позвонков.The Maverick prosthesis (Medtronic Sofamor Danek, Inc., Memphis, TN) is a semi-fixed metal-to-metal structure. The design of the prosthesis is similar to the model described above, but on its plates there is a protruding surface with holes for fixing screws to the vertebral bodies.

Узлы трения типа металл-металл потенциально опасны из-за металлической пыли, образующейся в процессе трения. Применение металлических имплантатов всегда осложняется гальвано-электрическими явлениями, приводящими к металлозу окружающих тканей и коррозии деталей. Металлам свойственно вызывать резорбцию костной ткани.Friction nodes of the metal-metal type are potentially dangerous due to metal dust generated during the friction process. The use of metal implants is always complicated by galvanic-electric phenomena, leading to metallosis of surrounding tissues and corrosion of parts. Metals tend to cause bone resorption.

Диск «ProDisc» (Spine Solutions, Inc., New York, NY) разработан Thierry Mamay в конце 80-х годов. «ProDisc» состоит из металлических пластин и ультравысокомолекулярного полиэтилена. Полиэтилен фиксирован к нижней пластине. Это диск полуфиксированной конструкции. В тела позвонков он фиксируется центральным гребнем, который имеется на пластинах.The ProDisc disc (Spine Solutions, Inc., New York, NY) was developed by Thierry Mamay in the late 1980s. "ProDisc" consists of metal plates and ultra-high molecular weight polyethylene. Polyethylene is fixed to the bottom plate. This is a semi-fixed drive. In the vertebral bodies, it is fixed by the central crest, which is on the plates.

Диск «Charite» (DePuy Spine, Raynham, MA) состоит из двух кобальто-хромомолибденовых пластин и свободно расположенного между ними ультравысокомолекулярного полимерного эллипсоида. Пластина фиксируются к телам шипами.The Charite disk (DePuy Spine, Raynham, MA) consists of two cobalt-chromomolybdenum plates and an ultra-high molecular weight polymer ellipsoid freely located between them. The plate is fixed to the bodies with spikes.

Узлы трения типа металл-полиэтилен могут изнашиваться со временем и обладают «холодной текучестью» и старением, типичной для пластика, что приводит к деформации и разрушению эндопротеза. Кроме того, продукты износа полимерных материалов нередко вызывают злокачественные перерождения окружающих тканей.Friction units of the metal-polyethylene type can wear out over time and have “cold flow” and aging typical of plastic, which leads to deformation and destruction of the endoprosthesis. In addition, wear products of polymeric materials often cause malignant degeneration of surrounding tissues.

На сегодняшний день основными материалами для изготовления узлов трения эндопротезов тазобедренного сустава является: для чашек - полиэтилен ультравысокомолекулярного веса UHMW РЕ ISO 5834/1 (ASTM F603), а для головок - нержавеющая сталь горячей ковки FeCrNiMoMn ISO 5832/1 (ASTM F648), CoCrMo сплав ISO 5832/4 (ASTM F75) и Al2O3 керамика ISO 6474 (ASTM F603).Today, the main materials for the manufacture of friction units for hip joint endoprostheses are: for cups - ultra-high molecular weight polyethylene UHMW PE ISO 5834/1 (ASTM F603), and for heads - hot-forged stainless steel FeCrNiMoMn ISO 5832/1 (ASTM F648), CoCrMo alloy ISO 5832/4 (ASTM F75) and Al 2 O 3 ceramic ISO 6474 (ASTM F603).

Например, известны эндопротезы тазобедренного сустава [3, 4], содержащие узел трения в виде головки и чашки, выполненных из керамики. Эти эндопротезы сустава обладают низким коэффициентом трения в шарнире и высокой износоустойчивостью. Однако для применения этих эндопротезов существуют серьезные ограничения. Естественная хрупкость керамики не позволяет сделать стенки керамического вкладыша тоньше 5 мм. Общепринятым недостатком этих протезов является слабая устойчивость к ударным нагрузкам. При прыжках, беге пациента, или при хирургических процедурах на головку и чашку эндопротеза воздействуют ударные нагрузки, вызывающие образование микротрещин в керамике, которые вырастают в процессе эксплуатации и вызывают разрушение шарнирного элемента. Кроме того керамика отличается недостаточной технологичностью.For example, hip joint endoprostheses are known [3, 4], which contain a friction unit in the form of a head and a cup made of ceramics. These joint prostheses have a low coefficient of friction in the joint and high wear resistance. However, there are serious limitations to the use of these endoprostheses. The natural fragility of ceramics does not allow to make the walls of the ceramic liner thinner than 5 mm. A common disadvantage of these prostheses is their low impact resistance. When jumping, running the patient, or during surgical procedures, shock loads affect the head and cup of the endoprosthesis, causing microcracks in the ceramics that grow during operation and cause the hinge element to fail. In addition, ceramics are not technologically advanced.

Пара трения металл-металл позволяет получить превосходные индексы трения, что снижает износ. Отрицательная сторона состоит в том, что она создает разнообразное количество частиц и, главным образом, металлические ионы. Эти обломки вызывают небольшое воспаление, но они могут иметь очень долгосрочные токсикологические последствия, особенно в области почки, печени или в костном мозге. Поэтому они противопоказаны женщинам в детородном возрасте. Применение металлических имплантатов всегда осложняется гальвано-электрическими явлениями, приводящими к металлозу окружающих тканей и коррозии деталей. Металлические эндопротезы, хотя и удобны в изготовлении и установке, не физиологичны. Если никель выводится из организма, то кобальт - лишь на 80-90%, а хром - всего на несколько процентов. Даже наиболее инертный из металлов титан через несколько месяцев после имплантирования обнаруживается в легких, печени, почках, лимфатических узлах, через 4 года после имплантирования его содержание в контактирующих тканях увеличивается более чем в 5 раз. Металлам свойственно вызывать резорбцию костной ткани. Различие физико-механических свойств металлов и костной ткани приводит к расшатыванию имплантатов и необходимости их ревизии (повторных операций).The metal-metal friction pair provides excellent friction indices, which reduces wear. The negative side is that it creates a diverse number of particles and, mainly, metal ions. These debris causes slight inflammation, but they can have very long-term toxicological effects, especially in the kidney, liver, or bone marrow. Therefore, they are contraindicated in women of childbearing age. The use of metal implants is always complicated by galvanic-electric phenomena, leading to metallosis of surrounding tissues and corrosion of parts. Metal endoprostheses, although convenient to manufacture and install, are not physiological. If nickel is excreted from the body, then cobalt is only 80-90%, and chromium is only a few percent. Even the most inert metal of titanium a few months after implantation is found in the lungs, liver, kidneys, lymph nodes, 4 years after implantation, its content in contacting tissues increases by more than 5 times. Metals tend to cause bone resorption. The difference in the physicomechanical properties of metals and bone tissue leads to loosening of the implants and the need for their revision (repeated operations).

Среди традиционных материалов комбинация полиэтилен и Al2O3 керамика считается наиболее оптимальной и наиболее широко распространена [5]. Классический узел трения эндопротеза тазобедренного сустава, выбранный нами в качестве прототипа [6], совмещает полиэтиленную чашечку и стальной шарик (хром кобальт) или лучше керамический шарик. Отрицательная сторона полиэтилена состоит в том, что он производит большое количество воспалительных микрочастиц, которые приводят к остеолизу.Among traditional materials, the combination of polyethylene and Al 2 O 3 ceramics is considered the most optimal and most widespread [5]. The classical friction knot of a hip joint endoprosthesis, which we have chosen as a prototype [6], combines a polyethylene cup and a steel ball (cobalt chrome) or, better, a ceramic ball. The negative side of polyethylene is that it produces a large number of inflammatory microparticles, which lead to osteolysis.

С применением эндопротезов стали появляться сообщения об осложнениях этого вида лечения. Основными из них были инфекционные осложнения, остеолиз, нестабильность вертлужного и бедренного компонентов, переломы ножек протезов, повышенный износ в узле трения, возникновение дебриса, металлоз и др. Самой уязвимой частью эндопротеза тазобедренного сустава является узел трения.With the use of endoprostheses, messages began to appear about the complications of this type of treatment. The main ones were infectious complications, osteolysis, instability of the acetabular and femoral components, fractures of the prosthesis legs, increased wear in the friction unit, occurrence of debris, metallosis, etc. The most vulnerable part of the hip joint prosthesis is the friction unit.

Основной причиной отказа имплантированных эндопротезов тазобедренного сустава является постепенно развивающаяся асептическая нестабильность, т.е. ослабление тугой посадки элементов эндопротеза в костном ложе, приводящее к расшатыванию. Современная концепция «запуска» биологических механизмов асептической нестабильности эндопротезов суставов состоит в том, что асептический воспалительный процесс в тканях, окружающих эндопротез, представляет собой ответ организма на «засорение» тканей продуктами изнашивания эндопротезов, интегрирующий реакции клеток, которые приводят к остеолизу. Остеолиз инициирует нестабильность фиксации компонентов эндопротезов, которая усугубляется развитием усталостных процессов в зонах крепления компонентов в костях [7].The main reason for the failure of implanted hip arthroplasty is the gradually developing aseptic instability, i.e. the weakening of the tight fit of the elements of the endoprosthesis in the bone bed, leading to loosening. The modern concept of “triggering” the biological mechanisms of aseptic instability of joint endoprostheses is that the aseptic inflammatory process in the tissues surrounding the endoprosthesis is the body’s response to tissue clogging by endoprosthesis wear products that integrates cell responses that lead to osteolysis. Osteolysis initiates instability of fixation of components of endoprostheses, which is exacerbated by the development of fatigue processes in the areas of attachment of components in the bones [7].

Можно представить, что более высокий уровень эндопротезирования будет базироваться на новых принципах конструирования узлов трения, утилизирующих продукты изнашивания, и использование «дружественных» к организму антифрикционных материалов, дисперсии которых не вызывают воспаление тканей.It can be imagined that a higher level of endoprosthetics will be based on new principles of designing friction units utilizing wear products, and the use of anti-friction materials that are “friendly” to the body and whose dispersions do not cause tissue inflammation.

Целью изобретения является повышение биосовместимости, биомеханических свойств и износостойкости узла трения эндопротезов суставов.The aim of the invention is to increase the biocompatibility, biomechanical properties and wear resistance of the friction unit of joint replacements.

Достижение цели в повышении биосовместимости, биомеханических свойств и износостойкости узла трения эндопротеза сустава, содержащего элементы, выполненные с взаимодействующими гладкими поверхностями, обеспечивается тем, что элементы узла трения эндопротеза изготовлены из монолитного изотропного пиролитического углерода, легированного бором (далее по тексту - ИПУ).Achieving the goal of increasing the biocompatibility, biomechanical properties and wear resistance of the joint endoprosthesis friction unit containing elements made with interacting smooth surfaces is ensured by the fact that the elements of the endoprosthesis friction unit are made of monolithic isotropic pyrolytic carbon doped with boron (hereinafter referred to as IPA).

Проблема разработки биосовместимых материалов для эндопротезов всегда была самой важной и трудной. Материалы, из которых изготавливают эндопротезы, должны удовлетворять ряду требований:The problem of developing biocompatible materials for endoprostheses has always been the most important and difficult. The materials from which the implants are made must satisfy a number of requirements:

- Отсутствие токсичности и коррозии;- Lack of toxicity and corrosion;

- Близкие к естественным тканям физико-механические свойства;- Physico-mechanical properties close to natural tissues;

- Прочность;- durability;

- Износостойкость;- Wear resistance;

- Технологичность.- Manufacturability.

Несоответствие материала хотя бы по одному из параметров снижает функциональную ценность имплантата и сроки его функционирования. Оптимальное сочетание характеристик материала обеспечивает биосовместимость (в т.ч. биомеханическую) имплантата.Inconsistency of the material in at least one of the parameters reduces the functional value of the implant and the duration of its functioning. The optimal combination of material characteristics ensures biocompatibility (including biomechanical) of the implant.

Развитие техники получения многочисленных видов углеродных материалов наряду с выявленной совместимостью с живой тканью привело к активизации исследований, разработке новых и композиционных материалов на основе углерода для медицины. К настоящему времени достоверно установлено, что углеродные материалы не имеют конкурентов по степени удовлетворения биохимических и физико-механических требований, предъявляемым к медицинским изделиям.The development of the technique for producing numerous types of carbon materials along with the revealed compatibility with living tissue has led to the intensification of research, the development of new and composite materials based on carbon for medicine. To date, it has been reliably established that carbon materials do not have competitors in the degree of satisfaction of biochemical and physical-mechanical requirements for medical devices.

К этим требованиям относятся:These requirements include:

- отсутствие токсичности и канцерогенности;- lack of toxicity and carcinogenicity;

- неизменность под воздействием биологических сред произволь ной активности;- invariability under the influence of biological media of arbitrary activity;

- отсутствие коррозионных явлений при контакте с живыми тканями;- the absence of corrosion phenomena in contact with living tissues;

- близость физико-механических свойств;- proximity of physical and mechanical properties;

- отсутствие усталостных напряжений и, как следствие, долговечность имплантата;- the absence of fatigue stresses and, as a consequence, the durability of the implant;

- наличие у поверхности имплантата остеогенной активности;- the presence of osteogenic activity at the surface of the implant;

- низкий износ в условиях трения и индифферентность продуктов износа, накапливающихся в лимфатических узлах;- low wear under friction and the indifference of wear products that accumulate in the lymph nodes;

- способность стимулировать рост тканей или регенерацию основ ной ткани;- the ability to stimulate tissue growth or regeneration of the underlying tissue;

- электропроводность, близкая к тканевой, без выделения ионов в окружающую среду;- electrical conductivity close to tissue, without the release of ions into the environment;

- возможность получения поверхности практически любого класса чистоты и простого изготовления пористой структуры;- the possibility of obtaining a surface of almost any class of cleanliness and simple manufacture of a porous structure;

- безусловной и быстрой стерилизации любого вида.- Unconditional and quick sterilization of any kind.

Ни один из применяемых в настоящее время для эндопротезов и имплантатов металлов, пластиков или видов керамики, не способен выполнить эти требования.None of the metals, plastics or types of ceramics currently used for endoprostheses and implants can fulfill these requirements.

Сродство углеродных материалов с биологическими тканями определяется не только низкой химической активностью, но и проявлением биоактивности, в результате которой поверхность углеродных материалов покрывается ориентированной и организованной пленкой белкового происхождения, аналогичной замещаемой ткани.The affinity of carbon materials with biological tissues is determined not only by low chemical activity, but also by the manifestation of bioactivity, as a result of which the surface of carbon materials is covered with an oriented and organized film of protein origin, similar to the replaced tissue.

Скорость и ориентация осаждаемой пленки белкового происхождения зависит от поверхностных свойств углеродного материала. Например, поверхностная энергия ИЛУ составляет 50 эрг/см2, но в контакте с плазмой крови или лимфой резко снижается до 20-30 эрг/см2. Эта величина свободной поверхностной энергии наиболее выгодна для длительного контакта с биологическими средами.The rate and orientation of the deposited film of protein origin depends on the surface properties of the carbon material. For example, the surface energy of the ILI is 50 erg / cm 2 , but in contact with blood plasma or lymph decreases sharply to 20-30 erg / cm 2 . This value of free surface energy is most beneficial for prolonged contact with biological media.

Материалы, используемые для изготовления эндопротезов и имплантатов, по величине нормального электрохимического потенциала в плазме крови можно расположить в следующий ряд: стеклоуглерод (+0,329 мВ), платина (+0,332 мВ), золото (+0,334 мВ), пирографит (+0,344 мВ). Известно, что стеклоуглерод обладает аморфной структурой, а пирографит близок к монокристаллу. Можно сказать, что таким образом все углеродные материалы с различной структурой, имея нормальный электрохимический потенциал в пределах от +0,329 мВ до +0,344 мВ, т.е. сравнимый с этими показателями наиболее пассивных из всех элементов золота и платины. Углеродные материалы наиболее близки по электрохимическому потенциалу к биологической среде живого организма.The materials used for the manufacture of endoprostheses and implants, in terms of the normal electrochemical potential in blood plasma, can be arranged in the following series: glassy carbon (+0.329 mV), platinum (+0.332 mV), gold (+0.334 mV), pyrographite (+0.344 mV) . It is known that glassy carbon has an amorphous structure, and pyrographite is close to a single crystal. We can say that in this way all carbon materials with different structures, having a normal electrochemical potential ranging from +0.329 mV to +0.344 mV, i.e. comparable with these indicators of the most passive of all elements of gold and platinum. Carbon materials are closest in electrochemical potential to the biological environment of a living organism.

Как показали морфологические исследования, проведенные на кроликах в Московском научно-исследовательском институте глазных болезней им. Гельмгольца с использованием прочного мелкодисперсного графита МПГ-6, синтактической углеродной пены, углеродного войлока Карботек-стим-М и углеродной ткани ТГН-2М, все углеродные материалы в течение года не отторгались, не изменяли своей формы и обрастали соединительной пленкой белкового происхождения.As shown by morphological studies conducted on rabbits at the Moscow Research Institute of Eye Diseases. Helmholtz using durable fine-grained graphite MPG-6, syntactic carbon foam, carbon felt Karbotek-stim-M and carbon fabric TGN-2M, all carbon materials were not torn away during the year, did not change their shape and were overgrown with a connecting film of protein origin.

Поэтому по показателям биосовместимости, токсичности и коррозии углеродные материалы являются лучшими для использования в качестве эндопротезов.Therefore, in terms of biocompatibility, toxicity and corrosion, carbon materials are the best for use as endoprostheses.

ИПУ имеет однородную, изотропную, мелкокристаллическую структуру. ИПУ благодаря своим уникальным свойствам (высокая плотность, прочность, износостойкость, биологическая совместимость с кровью и тканями организма) нашел применение в медицине. Из него изготавливают основные элементы искусственных клапанов сердца. К настоящему времени в мире изготовлены, поставлены и успешно функционируют сотни тысяч искусственных клапанов сердца. А это один из самых ответственных имплантатов человека. Запирающий элемент искусственного клапана сердца испытывает самые жесткие нагрузки. Он должен выдерживать около 40 млн. двойных ударов в год в химически активной среде нативной крови. При этом установленный экспериментально ресурс узла трения искусственного клапана сердца составляет не менее 100 лет.IPU has a homogeneous, isotropic, crystalline structure. IPU due to its unique properties (high density, strength, wear resistance, biological compatibility with blood and body tissues) has found application in medicine. The main elements of artificial heart valves are made from it. To date, hundreds of thousands of artificial heart valves have been manufactured, delivered and successfully operate in the world. And this is one of the most responsible human implants. The locking element of the artificial heart valve experiences the most severe loads. It should withstand about 40 million double strokes per year in a chemically active environment of native blood. Moreover, the experimentally established resource of the friction unit of the artificial heart valve is at least 100 years.

По коэффициенту трения в жидких средах в условиях торцевого уплотнения воды ИПУ в 5 раз превосходит углеродные материалы антифрикционного назначения традиционной технологии. Низкий коэффициент трения ИПУ в сочетании с химической инертностью и непроницаемостью для жидких сред обеспечивает работоспособность торцевых уплотнений агрессивных сред. В режиме сухого трения ИПУ не имеет следов износа после 2000 циклов пуск - останов в жестких условиях разгона до критической скорости вала газодинамического подшипника и аварийного торможенияIn terms of the coefficient of friction in liquid media under conditions of mechanical water compaction, IPU is 5 times higher than carbon materials of antifriction purpose of traditional technology. The low coefficient of friction IPA in combination with chemical inertness and impermeability to liquids ensures the performance of mechanical seals in aggressive environments. In dry friction mode, the control unit has no signs of wear after 2000 start-up-stop cycles under severe acceleration conditions to a critical speed of the gas-dynamic bearing shaft and emergency braking

Приведенный пример реализации комплекса медико-технических свойств ИПУ в качестве конструкционного материала искусственного клапана сердца дает представление о потенциальных возможностях использования его биоинженерных свойств в медицинской технике, в частности в узлах трения эндопротезов.The given example of the implementation of the complex of medical and technical properties of IPA as a structural material of an artificial heart valve gives an idea of the potential possibilities of using its bioengineering properties in medical technology, in particular in friction units of endoprostheses.

Основные физико-механические и теплофизические свойства ИПУ приведены в таблице 1. В таблице 2 показана близость физико-механических свойств кости и ИПУ, в отличие от титана и керамики.The main physicomechanical and thermophysical properties of IPA are given in table 1. Table 2 shows the proximity of the physicomechanical properties of bone and IPA, in contrast to titanium and ceramics.

Проведенные медико-биологические исследования показали, что ИПУ не токсичен для организма, не изменяет функций центральной нервной системы, печени, почек, белкового и жирового обмена, общей реактивности, не обладает канцерогенным, мутагенным, эмбриотропным и другими действиями. Коллагеноволокнистая капсула, нарастающая на имплантате, переходит в костную и мышечную ткани, структура которых сохраняет характерное для нормы строение. В отличие от металлов, электрически нейтральный ИПУ не переносится электрохимическими реакциями в лимфатические узлы и другие части тела, не вызывает иммунодепрессии и других изменений иммунной системы, не приводит к деминерализации прилегающей костной ткани. Поэтому даже те незначительные частицы износа, которые образуются при эксплуатации узла трения эндопротеза, не будут оказывать негативного воздействия на окружающие ткани.Biomedical studies have shown that IPA is not toxic to the body, does not change the functions of the central nervous system, liver, kidneys, protein and fat metabolism, general reactivity, does not have carcinogenic, mutagenic, embryotropic and other actions. The collagen-fiber capsule growing on the implant passes into the bone and muscle tissues, the structure of which retains the structure characteristic of the norm. Unlike metals, electrically neutral IPA is not transferred by electrochemical reactions to the lymph nodes and other parts of the body, does not cause immunosuppression and other changes in the immune system, and does not lead to demineralization of adjacent bone tissue. Therefore, even those minor wear particles that are formed during the operation of the friction unit of the endoprosthesis will not adversely affect the surrounding tissue.

Еще одним из преимуществ изготовления узла трения из ИПУ является технологичность и относительно низкая стоимость. ИПУ обрабатывается на токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и полировальных станках с помощью стандартных режущих инструментов. Мелкозернистая структура ИПУ позволяет изготавливать изделия толщиной 0,8-1 мм с кромками 0,03 мм и получать поверхности 12-13 класса чистоты.Another of the advantages of manufacturing a friction unit from IPA is manufacturability and relatively low cost. IPU is processed on turning, milling, drilling, grinding and polishing machines using standard cutting tools. The fine-grained structure of the IPA allows the manufacture of products with a thickness of 0.8-1 mm with edges of 0.03 mm and to obtain surfaces of grade 12-13.

Предложенное изобретение осуществляется следующим образом.The proposed invention is as follows.

ИПУ получается при пиролизе углеводородного сырья с добавлением галогенидов, содержащих бор, при высокой температуре путем отложения на внутренней поверхности специальной графитовой подложки. При плоской форме подложки получается пластина, при цилиндрической - втулка. Затем из заготовок ИПУ необходимой формы путем механической обработки изготавливают элементы узла трения эндопротеза сустава.IPA is obtained by the pyrolysis of hydrocarbons with the addition of boron-containing halides at high temperature by depositing a special graphite substrate on the inner surface. With a flat form of the substrate, a plate is obtained, with a cylindrical one, a sleeve. Then, from the blanks of the IPA of the necessary form by machining, the elements of the friction unit of the joint endoprosthesis are made.

Узел трения эндопротеза сустава, например тазобедренного, содержащий чашку и головку, работает следующим образом.The friction unit of an endoprosthesis of a joint, for example, a hip, containing a cup and a head, works as follows.

С помощью обычных хирургических процедур эндопротез тазобедренного сустава закрепляется в бедренной и тазовых костях пациента. При движении ноги пациента происходит перемещение головки эндопротеза тазобедренного сустава внутри чашки. При этом взаимодействуют гладкие, например сферические поверхности - наружная у головки и внутренняя у чашки, выполненные из ИПУ. Благодаря этому достигаются минимальные силы трения и минимальный износ трущихся поверхностей при высокой биосовместимости и оптимальных биомеханических свойствах эндопротеза сустава.Using conventional surgical procedures, the hip joint prosthesis is fixed in the patient’s femur and pelvic bones. When the patient’s leg moves, the head of the hip joint endoprosthesis moves inside the cup. In this case, smooth, for example, spherical surfaces interact - the outer one at the head and the inner one at the cup, made of IPA. Due to this, minimal friction forces and minimal wear of rubbing surfaces are achieved with high biocompatibility and optimal biomechanical properties of the joint endoprosthesis.

Таблица 1Table 1 Физико-механические и теплофизические свойства изотропного пиролитического углеродаPhysico-mechanical and thermophysical properties of isotropic pyrolytic carbon № ппNo pp ХарактеристикаCharacteristic СвойстваProperties 1one Плотность, кг/м3 Density, kg / m 3 (1,80-2,10)×103 (1.80-2.10) × 10 3 22 Микротвердость, МПаMicrohardness, MPa 1000-15001000-1500 33 Предел прочности при изгибе, МПаBending Strength, MPa 300-360300-360 4four Предел прочности при сжатии, МПаThe limit of compressive strength, MPa 450-600450-600 55 Коэффициент теплопроводности, Вт/м×°КThermal conductivity, W / m × ° K 23-2523-25 66 Коэффициент теплового линейного расширения, °К-1 (293-473°К)The coefficient of thermal linear expansion, ° K -1 (293-473 ° K) 5,5×10-6 5.5 × 10 -6 77 Удельное электросопротивление, Ом×мElectrical resistivity, Ohm × m (1,4-1,5)×10-5 (1.4-1.5) × 10 -5 Таблица 2table 2 Физико-механические свойства материаловPhysico-mechanical properties of materials Модуль упругости, ГПаModulus of elasticity, GPa Плотность, кг/м3 Density, kg / m 3 Предел прочности, МПаTensile strength, MPa Коэффициент ПуассонаPoisson's ratio МатериалMaterial 110110 4,5×103 4,5 × 10 3 600600 0,320.32 ТитанTitanium 350350 3,99×103 3.99 × 10 3 500500 0,30.3 КерамикаCeramics 15fifteen 2,4×103 2.4 × 10 3 100one hundred 0,30.3 Костная тканьBone 20-2320-23 (1,8-2,1)×103 (1.8-2.1) × 10 3 350350 0,30.3 Изотропный пиролитический углеродIsotropic pyrolytic carbon

Claims (1)

Узел трения эндопротеза сустава с элементами, выполненными с взаимодействующими гладкими поверхностями, отличающийся тем, что элементы узла трения эндопротеза изготовлены из монолитного изотропного пиролитического углерода, легированного бором. The knot of the joint endoprosthesis friction with elements made with interacting smooth surfaces, characterized in that the elements of the endoprosthesis friction knot are made of monolithic isotropic pyrolytic carbon doped with boron.
RU2010109902/14U 2010-03-17 2010-03-17 JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY RU111429U1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010109902/14U RU111429U1 (en) 2010-03-17 2010-03-17 JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2010109902/14U RU111429U1 (en) 2010-03-17 2010-03-17 JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU111429U1 true RU111429U1 (en) 2011-12-20

Family

ID=45404568

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2010109902/14U RU111429U1 (en) 2010-03-17 2010-03-17 JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU111429U1 (en)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5676701A (en) Low wear artificial spinal disc
US20050171604A1 (en) Unicondylar knee implant
US9241808B2 (en) Auxetic prosthetic implant
CN101534751A (en) Joint arthroplasty devices having articulating members
Pham et al. Material science in cervical total disc replacement
Chethan et al. Role of different orthopedic biomaterials on wear of hip joint prosthesis: A review
Poliakov et al. Current trends in improving of artificial joints design and technologies for their arthroplasty
Hallab Intervertebral disc joint replacement technology
Shepherd et al. Design considerations for a wrist implant
Affatato et al. Short history of biomaterials used in hip arthroplasty and their modern evolution
Ebied et al. (iv) Metal-on-metal hip resurfacing
Liu et al. Comparison of contact mechanics between a total hip replacement and a hip resurfacing with a metal-on-metal articulation
Poitout Biomaterials used in orthopedics
Affatato Perspectives in total hip arthroplasty: advances in biomaterials and their tribological interactions
Vuono‐Hawkins et al. Materials and design concepts for an intervertebral disc spacer. II. Multidurometer composite design
Kalayarasan et al. Material selection of acetabular component in human hip prosthesis using finite element concepts
Valentí et al. Catastrophic wear in a metal-on-ceramic total hip arthroplasty
Lin et al. Comparison of mid‐term survivorship and clinical outcomes between bipolar hemiarthroplasty and total hip arthroplasty with cementless stem: a multicenter retrospective study
RU111429U1 (en) JOINT ENDOPROTHESIS Friction ASSEMBLY
Gloria et al. Composite materials for spinal implants
Shaheen et al. Lubrication regimes in lumbar total disc arthroplasty
RU2379005C2 (en) Intervertebral movable implant from isotropic pyrolytic carbon
Ross et al. Pyrocarbon small joint arthroplasty of the extremities
Stanley et al. Replacing joints with pyrolytic carbon
Song et al. Total disc replacement devices: Structure, material, fabrication, and properties