RU2358678C1

RU2358678C1 - Osteosynthesis pin

Info

Publication number: RU2358678C1
Application number: RU2008112457/14A
Authority: RU
Inventors: Юрий Степанович Кочетков (RU); Юрий Степанович Кочетков; Олег Александрович Кашин (RU); Олег Александрович Кашин; Владимир Алексеевич Винокуров (RU); Владимир Алексеевич Винокуров; Степан Юрьевич Кочетков (RU); Степан Юрьевич Кочетков; Ольга Николаевна Кашина (RU); Ольга Николаевна Кашина
Original assignee: Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2009-06-20

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to traumatology and orthopaedics. An osteosynthesis pin as a pointed rod is coated with a developed surface-relief film plated by spark doping within tissue contact points.

EFFECT: invention provides improved bone setup stiffness both from medullary space, and from the outside.

3 cl, 1 ex, 1 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, и может быть использовано в аппаратах внешней фиксации. Изобретение обеспечивает повышение жесткости фиксации кости на спице, как со стороны костномозговой полости, так и снаружи кости.The invention relates to medicine, namely to traumatology and orthopedics, and can be used in external fixation devices. The invention provides an increase in the rigidity of fixation of the bone on the spoke, both from the side of the bone marrow cavity and outside the bone.

Известна спица, которая является неотъемлемым элементом аппарата Илизарова и жестко связывает кость с внешними опорами конструкции (а.с. СССР №538710, А61В 17/18, 1976). Однако данная спица в условиях длительного остеосинтеза вызывает лизис костной ткани, что значительно ухудшает фиксацию отломков.A knitting needle is known, which is an integral element of the Ilizarov apparatus and rigidly connects the bone to the external supports of the structure (USSR AS No. 538710, A61B 17/18, 1976). However, this spoke under conditions of prolonged osteosynthesis causes lysis of bone tissue, which significantly worsens the fixation of fragments.

Известна конструкция спицы, у которой рабочий конец выполнен в виде заостренного резьбового конуса (а.с. СССР №1205903, опубл. 22.02.86, БИ №3). Однако известный чрескостный элемент не обеспечивает достаточно жесткой фиксации кости или ее фрагмента из-за резорбции костной ткани по ходу спицевого канала, что приводит к увеличению его диаметра с потерей фиксации и управляемости положением костных фрагментов в течение всего процесса лечения.Known for the design of the knitting needle, in which the working end is made in the form of a pointed threaded cone (AS USSR No. 1205903, publ. 22.02.86, BI No. 3). However, the known transosseous element does not provide sufficiently rigid fixation of the bone or its fragment due to the resorption of bone tissue along the spoke channel, which leads to an increase in its diameter with loss of fixation and controllability of the position of the bone fragments throughout the treatment process.

Известна биметаллическая спица (патент РФ №2211002, А61В 17/60, опубл. 27.08.2003 г.), которая включает в себя стержень с пазом для размещения в нем гибкого стержня. За счет создания клина между концами указанных элементов биметаллической спицы происходит фиксация костных фрагментов и/или ее фрагментов. Однако стержень, в котором выполнен паз, уступает в прочностных и упругих свойствах обычной спице, что может привести к разрыву стержня в момент его натяжения или под воздействием сил компрессии и дистракции в системе «аппарат-кость». Причем разрыв может произойти как на протяжении стержня, так и у места фиксации его к внешним опорам чрескостного аппарата. При заклинивании биметаллической спицы в кости рабочий конец гибкого стержня врезается в костную ткань, повреждая ее, а при создании усилий растяжения (дистракции) наступает резорбция костной ткани в месте воздействия стержня с последующим прорезыванием кости, что, в конечном итоге, ухудшает фиксацию.Known bimetallic knitting needle (RF patent No. 2211002, АВВ 17/60, publ. 08/27/2003), which includes a rod with a groove for accommodating a flexible rod. Due to the creation of a wedge between the ends of these elements of the bimetallic knitting needle, bone fragments and / or its fragments are fixed. However, the rod in which the groove is made is inferior in strength and elastic properties to the conventional spoke, which can lead to rupture of the rod at the moment of tension or under the influence of compression and distraction forces in the apparatus-bone system. Moreover, a rupture can occur both throughout the rod and at the place of its fixation to the external supports of the transosseous apparatus. When the bimetallic needle is stuck in the bone, the working end of the flexible rod cuts into the bone tissue, damaging it, and when creating tensile (distraction) forces, bone tissue resorption at the site of the rod impact, followed by bone eruption, which ultimately worsens fixation.

В настоящее время в травматологии и ортопедии с целью увеличения жесткости фиксации применяются спицы и стержни с биоинертными покрытиями из гидроксилапатита (Бейдик О.В. Биокомпозиционные покрытия для наружного чрескостоного остеосинтеза // Гений ортопедии. - 1998. - №4 - С.134-136), которые являются наиболее близкими к предлагаемым спицам.Currently, in traumatology and orthopedics, in order to increase the fixation stiffness, spokes and rods with bioinert coatings of hydroxylapatite are used (Beidik OV Biocomposite coatings for external transosseous osteosynthesis // Genius Orthopedics. - 1998. - No. 4 - P.134-136 ) that are closest to the offered knitting needles.

Недостатком этих покрытий являются значительные различия свойств материала и наносимого с помощью газотермического или плазменного напыления покрытия, которые не позволяют достичь достаточной адгезии и прочности поверхностного слоя.The disadvantage of these coatings is the significant differences in the properties of the material and those applied by thermal spray or plasma spraying of the coating, which do not allow to achieve sufficient adhesion and strength of the surface layer.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка спицы для остеосинтеза.The task of the invention is the development of knitting needles for osteosynthesis.

Использование предлагаемых спиц с покрытием, имеющим развитый рельеф поверхности, позволяет достигать жесткой первичной и вторичной фиксации отломков кости на весь период лечения, а также предупреждать развитие воспалительной реакции тканей в области спицевого канала.Using the proposed spokes with a coating having a developed surface topography, it is possible to achieve rigid primary and secondary fixation of bone fragments for the entire treatment period, as well as to prevent the development of an inflammatory reaction of tissues in the area of the spoke channel.

Указанный технический результат достигается тем, что спица для остеосинтеза в виде стержня с заостренным концом имеет в местах соприкосновения с тканями организма покрытие, имеющее развитый рельеф поверхности, нанесенное методом электроискрового легирования.The specified technical result is achieved by the fact that the osteosynthesis spoke in the form of a rod with a pointed end has a coating in the places of contact with body tissues that has a developed surface relief deposited by the method of electrospark alloying.

Кроме того, для нанесения покрытия используют электроды, выбранные из группы биосовместимых металлов: титан, и/или тантал, и/или молибден, и/или ниобий, и/или серебро.In addition, electrodes selected from the group of biocompatible metals are used for coating: titanium, and / or tantalum, and / or molybdenum, and / or niobium, and / or silver.

Кроме того, покрытие имеет рельеф поверхности с шероховатостью 20-40 мкм.In addition, the coating has a surface relief with a roughness of 20-40 microns.

Сущность изобретения заключается в следующем.The invention consists in the following.

Спица для остеосинтеза в виде стержня с заостренным концом имеет на всем протяжении соприкосновения с тканями организма покрытие, имеющее развитый рельеф поверхности, высокую адгезионную прочность и представляющее собой сплав материала электрода с материалом спицы.A needle for osteosynthesis in the form of a rod with a pointed end has a coating over the entire length of contact with body tissues that has a developed surface relief, high adhesive strength and is an alloy of the electrode material with the material of the spoke.

Наносят покрытия на обычные стальные спицы Киршнера методом электроискрового легирования с использованием электродов из биосовместимых металлов: титана, и/или тантала, и/или молибдена, и/или ниобия, и/или серебра.Coatings are made on ordinary Kirschner steel knitting needles by electrospark alloying using electrodes of biocompatible metals: titanium, and / or tantalum, and / or molybdenum, and / or niobium, and / or silver.

Метод электроискрового легирования обладает рядом преимуществ по сравнению с другими технологиями аналогичного назначения, отсутствует проблема адгезии. Поскольку температура в электроискровом разряде достигает 3000 К, то материал электрода сплавляется с материалом спицы, что обеспечивает высокую адгезию покрытия. Были подобраны оптимальные электрофизические параметры процесса. Покрытия можно наносить в любом локальном месте на любой токопроводящий материал. Данные рентгеноструктурного анализа, просвечивающей электронной микроскопии, микрорентгеноспектрального анализа показывают, что покрытие имеет градиентное строение как по составу, так и по структуре. На поверхности располагается преимущественно материал электрода в квазиаморфном состоянии, ниже состав покрытия представляет собой сплав из материала электрода и материала спицы в наноструктурном состоянии, которое с глубиной переходит в субмикрокристаллическое, при этом сохраняется микроструктура основного материала спиц Киршнера. Наноструктурное состояние обеспечивает высокие прочностные и упругие свойства, что позволяет сохранить прочностные и упругие свойства основного материала. В покрытии трещины не образуются вплоть до деформации до 1%, что для спицы диаметром 2 мм соответствует радиусу изгиба 100 мм.The method of electrospark alloying has several advantages over other technologies of a similar purpose, there is no problem of adhesion. Since the temperature in the spark discharge reaches 3000 K, the electrode material is fused with the material of the spokes, which ensures high adhesion of the coating. Optimal electrophysical process parameters were selected. Coatings can be applied at any local location to any conductive material. The data of X-ray diffraction analysis, transmission electron microscopy, and X-ray spectral analysis show that the coating has a gradient structure both in composition and in structure. The electrode material is predominantly on the surface in a quasi-amorphous state; below, the coating composition is an alloy of the electrode material and the material of the spokes in the nanostructured state, which transforms into submicrocrystalline with depth, while the microstructure of the main material of the Kirchner spokes is preserved. The nanostructured state provides high strength and elastic properties, which allows you to save the strength and elastic properties of the base material. Cracks in the coating do not form until deformation up to 1%, which for a spoke with a diameter of 2 mm corresponds to a bending radius of 100 mm.

Покрытие наносят только на ту часть спицы, которая непосредственно соприкасается с тканями организма. В результате электроискрового легирования по оптимальному режиму на поверхности спицы формируют покрытие толщиной 20-50 мкм. Покрытие имеет шероховатость 20-40 мкм.The coating is applied only to that part of the spoke that is in direct contact with body tissues. As a result of electrospark alloying in the optimal mode, a coating with a thickness of 20-50 microns is formed on the surface of the spokes. The coating has a roughness of 20-40 microns.

Опыт клинического применения покрытия с малым микрорельефом (меньше чем 20 мкм) свидетельствует о недостаточной первичной фиксации имплантируемых спиц в костной ткани. Покрытие с большой шероховатостью (более 40 мкм) позволяет максимально достичь эффекта остеоинтеграции, но при удалении имплантируемых спиц происходит значительное разрушение кости по ходу спицевого канала. Наиболее приемлемым авторы считают структуру покрытия средней шероховатости 20-40 мкм, которая обеспечивает достаточную первичную фиксацию спицы в костной ткани.The clinical experience of applying a coating with a small microrelief (less than 20 microns) indicates insufficient primary fixation of implanted spokes in bone tissue. The coating with a large roughness (more than 40 microns) allows the maximum effect of osseointegration to be achieved, but when the implanted spokes are removed, a significant destruction of the bone occurs along the spoke channel. The authors consider the coating structure of average roughness of 20-40 microns, which provides sufficient primary fixation of the spokes in the bone tissue, to be the most acceptable.

Вторичная фиксация достигается за счет остеоинтеграции с открытыми порами покрытия, а врастание в покрытие спицы рубцовой ткани, исходящей из мягкотканного компонента сегмента, обеспечивает предохранение тканей от обсеменения (проникновения) микробными телами транссегментарного спицевого канала и возникновения воспалительной реакции в процессе лечения. При удалении чрескостно проведенных спиц с покрытием не происходит существенного разрушения спицевого канала, и его заживление протекает без осложнений и в обычные сроки.Secondary fixation is achieved due to osseointegration with open pores of the coating, and the growth of scar tissue coming from the soft-tissue component of the segment into the spoke spokes protects the tissues from seeding (penetration) by the microbial bodies of the transsegmental spoke channel and the occurrence of an inflammatory reaction during treatment. When removing the transversely held needles with the coating, there is no significant destruction of the spoke channel, and its healing proceeds without complications and in the usual time.

На чертеже представлены фотографии предлагаемой спицы с локально нанесенным покрытием (а) и рельеф покрытия (б).The drawing shows photographs of the proposed spokes with a locally applied coating (a) and the relief of the coating (b).

Пример. Использовали стандартные спицы Киршнера с заостренным концом, изготовленные из нержавеющей стали. Перед проведением операции на спицы в местах их соприкосновения с тканями организма методом электроискрового легирования наносили покрытие с использованием электрода из технически чистого титана. Толщина покрытия составляла 50 мкм, а шероховатость - 30 мкм. Проводили операцию закрытого чрескостного остеосинтеза аппаратом Илизарова костей левой голени пациента.Example. Used standard Kirschner spokes with a pointed end made of stainless steel. Before the operation, the needles in the places of contact with the body tissues were spray-coated using an electrode made of technically pure titanium. The coating thickness was 50 μm, and the roughness was 30 μm. Closed transosseous osteosynthesis was performed using the Ilizarov apparatus for the bones of the patient's left leg.

При наложении компрессионно-дистракционного аппарата спицы с локально нанесенным покрытием проводятся на необходимом уровне сегмента с учетом топографии сосудов и нервов. Перед проведением спиц через мягкие ткани проводится проводник с внутренним отверстием до упора в кость. В проводник вставляется спица с покрытием, и с помощью электродрели малыми оборотами, с остановками и без большого нажима она засверливается в кость и проводится через нее. С противоположной стороны мягкие ткани максимально смещаются в направлении кости, после чего спица проводится до полного ее выхода из кожи. Покрытие обеспечило прочную первичную фиксацию положения спиц в кости. Свободные концы спиц фиксируют к внешним опорам аппарата. Свободный конец спиц крепят на опоре аппарата. При демонтаже аппарата концы спиц скусываются кусачками, и с помощью легких вращательных движений вокруг оси спицы производится ее удаление.When applying a compression-distraction apparatus, spokes with a locally applied coating are carried out at the required level of the segment, taking into account the topography of the vessels and nerves. Before holding the spokes through soft tissue, a conductor with an internal hole is held until it stops in the bone. A coated needle is inserted into the conductor, and with the help of an electric drill, at low speeds, with stops and without great pressure, it is drilled into the bone and passed through it. On the opposite side, the soft tissues are maximally displaced in the direction of the bone, after which the spoke is held until it comes out of the skin completely. The coating provided a solid primary fixation of the position of the spokes in the bone. The free ends of the spokes are fixed to the external supports of the apparatus. The free end of the spokes is mounted on the support of the apparatus. When the apparatus is dismantled, the ends of the spokes are bitten together by nippers, and with the help of light rotational movements around the axis of the spokes, it is removed.

Спицы с покрытием обеспечивали жесткую первичную и вторичную фиксацию отломков кости на весь период лечения. Достигалась полная консолидация кости, лечение протекало без инфекционных осложнений в 100% операций.Coated spokes provided rigid primary and secondary fixation of bone fragments for the entire treatment period. Complete bone consolidation was achieved, treatment proceeded without infectious complications in 100% of operations.

Claims

1. A needle for osteosynthesis in the form of a rod with a pointed end, characterized in that it has a coating in the places of contact with body tissues that has a developed surface relief applied by the method of electrospark alloying.

2. The spoke according to claim 1, characterized in that for the coating using electrodes selected from the group of biocompatible metals: titanium, and / or tantalum, and / or molybdenum, and / or niobium, and / or silver.

3. The spoke according to claim 1, characterized in that the coating has a surface relief with a roughness of 20-40 microns.