RU2711753C2

RU2711753C2 - Implant for osteotomy

Info

Publication number: RU2711753C2
Application number: RU2018101752A
Authority: RU
Inventors: Юрий Николаевич Логинов; Степан Игоревич Степанов; Михаил Васильевич Гилев
Original assignee: Акционерное Общество "Наука И Инновации"
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-01-21
Also published as: WO2019132706A1; RU2018101752A; EA201800023A1; RU2018101752A3; EA038840B1

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medicine, namely to traumatology and orthopaedics. An implant for osteotomy is made of metal or alloy and has the shape of a prism with a base in the form of a rectangular triangle containing a long and short legs and a hypotenuse. Prism comprises a set of main channels creating porosity, wherein the channels are elongated along a direction orthogonal to the long leg and/or hypotenuse.

EFFECT: invention provides improved survival rate and reduced elasticity modulus when eliminating the risk of possible destruction of the implant in the form of a prism with a base in the form of a right triangle having a long and short legs and a hypotenuse.

5 cl, 6 dwg

Description

Объект относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии.The object belongs to the field of medicine, namely to traumatology and orthopedics.

Известны конструкции имплантатов, применяемых в травматологии и ортопедии, представляющие собой стержневые системы и изготовленные из титана или титановых сплавов методом литья [1] или прокатки [2]. Они применяются, в основном, для протезирования коленных суставов. Структура титанового литья или проката представляет собой сплошной (беспористый) металл, получаемый методом отливки в печах вакуумно-дугового переплава и последующей обработкой давлением, включая прессование, ковку и прокатку, а при необходимости и горячую объемную штамповку [3].Known designs of implants used in traumatology and orthopedics, which are rod systems and made of titanium or titanium alloys by casting [1] or rolling [2]. They are used mainly for prosthetics of the knee joints. The structure of titanium casting or rolling is a solid (non-porous) metal obtained by casting in vacuum arc remelting furnaces and subsequent pressure treatment, including pressing, forging and rolling, and, if necessary, hot stamping [3].

Недостатком упомянутых структур имплантатов является отсутствие пор, которые могут выполнять несколько функций. Во-первых, наличие пор снижает массу имплантата, приближая ее к массе костного материала. Во-вторых, определенная архитектура расположения пор позволяет обеспечить улучшение совместимости с костью за счет прорастания костной ткани в поровое пространство. В-третьих, пористые структуры обеспечивают более приемлемый для имплантатов уровень физико-механических свойств: упругости, демпфируемости и т.д. [4].The disadvantage of these implant structures is the absence of pores that can perform several functions. Firstly, the presence of pores reduces the mass of the implant, bringing it closer to the mass of bone material. Secondly, the specific architecture of the location of the pores allows for improved compatibility with bone due to the growth of bone tissue in the pore space. Thirdly, porous structures provide a more acceptable level of physical and mechanical properties for implants: elasticity, damping, etc. [4].

Такой недостаток устранен в других технических объектах, которые представляют собой пористые структуры, создаваемые тем или иным способом.Such a disadvantage is eliminated in other technical objects, which are porous structures created in one way or another.

Пористые структуры имплантатов неоднократно усложнялись различными методами. Патентами [5, 6] предусмотрено создание хирургического имплантата, обеспечивающего улучшение совместимости с костью и/или устойчивости к износу. Имплантат состоит из поверхностной и центральной областей. При этом доля объема пор в пределах пористой поверхностной области составляет от 20 до 50%. Поры взаимно соединены и, по существу, равномерно распределены в пределах пористой поверхностной области. По меньшей мере некоторые из пор имеют размер в диапазоне от 100 до примерно 750 мкм. Пористая поверхностная область имеет толщину по меньшей мере примерно 1 мм, а предпочтительно - от примерно 2 до примерно 5 мм. Различные области в пределах пористой поверхностной области имеют различное распределение размеров пор и/или различную долю объема пор, так что в пределах пористой поверхностной области существует градиент размеров пор и/или доли объема пор. Область сердцевины имеет плотность от 0,7 до 1,0 от теоретической плотности. Область сердцевины и/или пористая поверхностная область выполнены из титана, титана коммерческой чистоты, нержавеющей стали, сплавов на основе титана, титан-алюминий-ванадиевых сплавов, титан-алюминий-ниобиевых сплавов или сплавов на основе кобальта-хрома. Область сердцевины и/или пористая поверхностная область выполнены из сплавов Ti-6A1-4V, Ti-6Al-7Nb, Stellite 211 или нержавеющей стали 316L.The porous structures of implants have been repeatedly complicated by various methods. Patents [5, 6] provide for the creation of a surgical implant that provides improved bone compatibility and / or wear resistance. The implant consists of surface and central areas. Moreover, the proportion of pore volume within the porous surface region is from 20 to 50%. The pores are interconnected and substantially uniformly distributed within the porous surface region. At least some of the pores have a size in the range from 100 to about 750 microns. The porous surface region has a thickness of at least about 1 mm, and preferably from about 2 to about 5 mm. Different regions within the porous surface region have a different distribution of pore sizes and / or a different fraction of pore volume, so that within the porous surface region there is a gradient of pore sizes and / or fractions of pore volume. The core region has a density of 0.7 to 1.0 of the theoretical density. The core region and / or porous surface region are made of titanium, commercial grade titanium, stainless steel, titanium-based alloys, titanium-aluminum-vanadium alloys, titanium-aluminum-niobium alloys, or cobalt-chromium alloys. The core region and / or porous surface region are made of alloys Ti-6A1-4V, Ti-6Al-7Nb, Stellite 211 or stainless steel 316L.

Форма имплантатов зависит от выполняемой функции. В том числе востребованы имплантаты, имеющие форму пространственной фигуры в виде призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника. Такие имплантаты описаны, например, в публикации [7], патентах [8-10] и применяются для остеотомии большеберцовой кости для устранения деформации или улучшения функции опорно-двигательного аппарата.The shape of the implants depends on the function performed. In particular, implants in the form of a spatial figure in the form of a prism with a base in the form of a rectangular triangle are in demand. Such implants are described, for example, in the publication [7], patents [8-10] and are used for osteotomy of the tibia to eliminate deformation or improve the function of the musculoskeletal system.

Наиболее близким аналогом является описание имплантата, приведенное в патенте US 6008433 [11]. Имплантат выполнен из металла или сплава и имеет форму призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, имеющего длинный и короткий катеты и гипотенузу, Призма выполнена из сплошного материала, в качестве которого может быть применен титан.The closest analogue is the description of the implant described in patent US 6008433 [11]. The implant is made of metal or alloy and has the shape of a prism with a base in the form of a rectangular triangle having a long and short leg and hypotenuse. The prism is made of a solid material, which can be used titanium.

Следует отметить, что при исполнении имплантата из сплошного материала прочностные свойства объекта оказываются наивысшими, но отсутствие пор отрицательно сказывается на условиях приживаемости, кроме того, модуль упругости такого материала оказывается чрезмерно высоким, что снижает эффект демпфируемости. Для титана модуль упругости равен 112 ГПа, что намного превышает модуль упругости пористой костиIt should be noted that when performing an implant made of a solid material, the strength properties of the object turn out to be the highest, but the absence of pores negatively affects the survival conditions, in addition, the elastic modulus of such a material is excessively high, which reduces the damping effect. For titanium, the elastic modulus is 112 GPa, which is much higher than the elastic modulus of the porous bone

Недостатком ближайшего аналога является слишком высокий уровень жесткости конструкции и отсутствие условий для эффективного прорастания костной ткани.The disadvantage of the closest analogue is the too high level of rigidity and lack of conditions for the effective germination of bone tissue.

Технической задачей является создание условий для лучшей приживаемости и понижение модуля упругости при устранении опасности возможного разрушения имплантата.The technical task is to create conditions for better survival and lower modulus of elasticity while eliminating the risk of possible destruction of the implant.

Это достигается тем, что имплантат для остеотомии выполнен из металла или сплава в виде призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, имеющего длинный и короткий катеты и гипотенузу. Он отличается тем, что призма содержит совокупность основных каналов, создающих пористость, при этом каналы вытянуты вдоль направления, ортогонального длинному катету и/или гипотенузе.This is achieved by the fact that the implant for osteotomy is made of metal or an alloy in the form of a prism with a base in the form of a rectangular triangle having a long and short leg and hypotenuse. It differs in that the prism contains a set of main channels creating porosity, while the channels are elongated along a direction orthogonal to the long leg and / or hypotenuse.

Имплантат для остеотомии отличается тем, что призма содержит совокупность дополнительных каналов, ортогональных основным каналам. Промежутки между каналами сформированы спеченным металлическим порошком. Спеченным металлическим порошком является спеченный порошок титана. Спеченным металлическим порошком может являться спеченный порошок титанового сплава.An implant for osteotomy is characterized in that the prism contains a set of additional channels orthogonal to the main channels. The gaps between the channels are formed by sintered metal powder. Sintered metal powder is sintered titanium powder. The sintered metal powder may be sintered titanium alloy powder.

Для лучшего восприятия сущности предлагаемого решения на фиг. 1 отображен внешний вид имплантата в виде призмы с основанием 1 в виде прямоугольного треугольника ЛВС. При такой конструкции имплантата одна из кромок имплантата 2 прилегает к месту стыка гипотенузы АВ и длинного катета АС. Как видно из рисунка, угол ВАС в этом случае является наиболее острым, а прилегающая к нему кромка оказывается тонкой.For a better perception of the essence of the proposed solution in FIG. 1 shows the appearance of an implant in the form of a prism with a base 1 in the form of a right-angled LAN triangle. With this design of the implant, one of the edges of the implant 2 is adjacent to the junction of the hypotenuse AB and the long leg AC. As can be seen from the figure, the BAC angle in this case is the sharpest, and the edge adjacent to it is thin.

Важным вопросом работоспособности конструкции имплантата является его прочность. Она обусловлена не только прочностными свойствами материала, из которого изготовлен имплантат, но и его конструкцией, включая архитектуру порового пространства [12].An important issue in the health of the implant design is its strength. It is caused not only by the strength properties of the material from which the implant is made, but also by its design, including the architecture of the pore space [12].

Выполненные авторами опыты по получению методом 3D печати имплантата для остеотомии в виде призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, показали, что кромка имплантата 2, прилегающая к месту стыка гипотенузы и длинного катета, легко разрушается от воздействия малых нагрузок даже на стадии транспортировки, что показано, на фиг. 2. Это обусловлено тем, что желательно построить архитектуру имплантата в виде пористой структуры, необходимой для лучшего соединения имплантата с костной тканью. Однако наличие пор снижает прочностные свойства имплантата. В массивной части имплантата отдельные его фрагменты удерживаются большим количеством перемычек между порами. Другая ситуация создается в тонкой части имплантата, а именно в кромке имплантата, прилегающей к месту стыка гипотенузы и длинного катета. Эта ситуация показана на увеличенном изображении кромки, приведенном на фиг. 3, на котором видно, что кромка частично разрушилась в зоне 3, примыкающей к тонкой кромке 2.The experiments performed by the authors on 3D printing of an osteotomy implant in the form of a prism with a base in the form of a rectangular triangle showed that the edge of the implant 2 adjacent to the junction of the hypotenuse and the long leg, is easily destroyed by the action of small loads even at the stage of transportation, as shown in FIG. 2. This is due to the fact that it is desirable to build the implant architecture in the form of a porous structure necessary for a better connection of the implant with bone tissue. However, the presence of pores reduces the strength properties of the implant. In the massive part of the implant, its individual fragments are held by a large number of jumpers between the pores. Another situation is created in the thin part of the implant, namely, in the edge of the implant adjacent to the junction of the hypotenuse and the long leg. This situation is shown in the enlarged edge image shown in FIG. 3, which shows that the edge partially collapsed in zone 3 adjacent to the thin edge 2.

Здесь количество перемычек между порами оказывается критически малым, сечения с позиции сопротивления деформации оказываются опасными и легко разрушаются. В связи с этим желательно поры выполнять определенной направленности. Поэтому предлагается призму снабдить совокупностью основных каналов, при этом поры изготовить в форме каналов, вытянутых вдоль направления, ортогонального длинному катету или гипотенузе. В этом случае создается наименьшая опасность наступления разрушения имплантата. Наличие каналов с направлением, ортогональным длинному катету АС и/или каналов 5, вытянутых вдоль направления, ортогонального гипотенузе АВ, позволяет сформировать путь наименьшего сопротивления для прорастания костных тканей, поскольку прорастание начинается с поверхностей, примыкающих к катету АС или гипотенузе АВ.Here, the number of jumpers between pores is critically small; cross sections from the standpoint of deformation resistance turn out to be dangerous and easily destroyed. In this regard, it is desirable to perform pores of a certain orientation. Therefore, it is proposed to equip the prism with a set of main channels, with the pores being made in the form of channels elongated along a direction orthogonal to a long leg or hypotenuse. In this case, the least risk of implant failure is created. The presence of channels with a direction orthogonal to the long side of the AC and / or channels 5, elongated along the direction orthogonal to the hypotenuse AB, allows you to create the path of least resistance for the germination of bone tissue, since the germination begins with surfaces adjacent to the side of the AC or hypotenuse AB.

Можно рассмотреть также негативную ситуацию, когда каналы, выполняющие роль пор, направлены вдоль тонкой кромки призмы. Тогда тонкая кромка практически полностью перерезана этими каналами и легко отламывается от остальной части имплантата, что свидетельствует о малой прочности конструкции в целом.You can also consider the negative situation when the channels acting as pores are directed along the thin edge of the prism. Then the thin edge is almost completely cut by these channels and easily breaks off from the rest of the implant, which indicates a low structural strength as a whole.

На фиг. 1 представлен внешний вид имплантата по прототипу, показывающий его общую геометрию, На фиг. 2 приведено фото имплантата, изготовленного приемами 3D печати, на фиг. 3 приведено фото тонкой кромки имплантата с зоной разрушения. На фиг. 4 представлен общий вид предлагаемого имплантата с указанием направления каналов, ортогонального большему катету. На фиг. 5 - то же для имплантата с направлением каналов, ортогонального гипотенузе. На фиг. 6 отображено наличие пересекающихся каналов, ортогональных как большому катету, так и гипотенузе.In FIG. 1 shows the appearance of an implant according to the prototype, showing its general geometry. FIG. 2 shows a photo of an implant made by 3D printing techniques; FIG. Figure 3 shows a photo of the thin edge of the implant with a fracture zone. In FIG. 4 shows a General view of the proposed implant indicating the direction of the channels orthogonal to the larger leg. In FIG. 5 - the same for the implant with the direction of the channels, orthogonal to the hypotenuse. In FIG. Figure 6 shows the presence of intersecting channels orthogonal to both the large cathetus and hypotenuse.

Предлагаемая конструкция имплантата для остеотомии имеет форму призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника ABC (фиг. 4), имеющего длинный катет АС и короткий катет ВС, а также гипотенузу АВ. Призма содержит совокупность основных каналов 4, создающих пористость, при этом каналы вытянуты вдоль направления, ортогонального длинному катету АС. В другом варианте исполнения (фиг. 5) призма содержит совокупность каналов 5, при этом каналы вытянуты вдоль направления, ортогонального гипотенузе АВ. В еще одном варианте исполнения (фиг. 6) имеются каналы 4, вытянутые вдоль направления, ортогонального длинному катету АС и каналы 5, вытянутые вдоль направления, ортогонального гипотенузе АВ.The proposed implant design for osteotomy has the shape of a prism with a base in the form of a rectangular triangle ABC (Fig. 4), having a long catheter AS and a short catheter BC, as well as the hypotenuse AB. The prism contains a set of main channels 4, creating porosity, while the channels are elongated along the direction orthogonal to the long side of the speaker. In another embodiment (Fig. 5), the prism contains a plurality of channels 5, while the channels are elongated along a direction orthogonal to the hypotenuse AB. In yet another embodiment (FIG. 6), there are channels 4 elongated along a direction orthogonal to the long leg of the AC and channels 5 elongated along the direction orthogonal to the hypotenuse AB.

Наличие каналов с направлением, ортогональным длинному катету АС и/или каналов 5, вытянутых вдоль направления, ортогонального гипотенузе АВ позволяет сформировать путь наименьшего сопротивления для начала процесса прорастания костных тканей.The presence of channels with a direction orthogonal to the long side of the AC and / or channels 5, elongated along the direction orthogonal to the hypotenuse AB allows you to create the path of least resistance to start the process of germination of bone tissue.

После начала этого процесса направление проращивания может быть изменено. Поэтому призма может содержать совокупность дополнительных каналов, ортогональных основным каналам. Это позволяет увеличить пористость конструкции в целом, за счет чего дополнительно снижается модуль упругости системы и повышается ее демпфируемость. Из-за отсутствия каналов, параллельных тонкой кромке, не создается опасности уменьшения прочности.After the start of this process, the direction of germination can be changed. Therefore, the prism may contain a set of additional channels orthogonal to the main channels. This allows you to increase the porosity of the structure as a whole, due to which the modulus of elasticity of the system is further reduced and its damping is increased. Due to the absence of channels parallel to the thin edge, there is no danger of a decrease in strength.

Промежутки между каналами могут быть сформированы спеченным металлическим порошком. Этим порошком может являться спеченный порошок титана или спеченный порошок титанового сплава.The gaps between the channels can be formed by sintered metal powder. This powder may be sintered titanium powder or sintered titanium alloy powder.

Предлагаемая конструкция имплантата может быть получена аддитивным методом 3D печати. Для этого создают компьютерную объемную модель имплантата. С помощью установки лазерного спекания с использованием технологий 3D печати из металлического порошка, например, титанового, изготавливают нужную структуру.The proposed implant design can be obtained by the additive 3D printing method. To do this, create a computer volumetric model of the implant. Using a laser sintering system using 3D printing technology, the desired structure is made from metal powder, for example, titanium.

Техническим результатом предлагаемой конструкции пористой структуры для медицинских имплантатов является улучшение приживаемости и понижение модуля упругости при устранении опасности возможного разрушения имплантата в виде призмы с основанием в виде прямоугольного треугольника, имеющего длинный и короткий катеты и гипотенузу.The technical result of the proposed design of the porous structure for medical implants is to improve the survival rate and lower the elastic modulus while eliminating the risk of possible destruction of the implant in the form of a prism with a base in the form of a rectangular triangle having a long and short leg and hypotenuse.

Claims

1. The implant for osteotomy, made of metal or alloy, having the shape of a prism with a base in the form of a rectangular triangle having a long and short legs and a hypotenuse, characterized in that the prism contains a set of main channels that create porosity, while the channels are elongated along the direction orthogonal to the long leg and / or hypotenuse.

2. The implant for osteotomy according to claim 1, characterized in that the prism contains a set of additional channels orthogonal to the main channels.

3. The implant for osteotomy according to claim 1, characterized in that the gaps between the channels are formed by sintered metal powder.

4. The implant for osteotomy according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the sintered metal powder is sintered titanium powder.

5. The implant for osteotomy according to paragraphs. 1, 2, characterized in that the sintered metal powder is a sintered titanium alloy powder.