Металлы, используемые в производстве имплантатов (винтов, пластин, интрамедуллярных стержней, эндопротезов суставов), должны обладать жесткостью, прочностью, устойчивостью к коррозии, быть биологически инертными и легко стерилизоваться. Наиболее часто применяются нержавеющая сталь, кобальт-хромовые сплавы и сплавы титана. Идеального материала, подходящего для решения всех задач, не существует.

Нержавеющие стали, благодаря своей пластичности, могут подвергаться холодной обработке. Этот процесс, в котором изменяются размеры либо форма металла обычно при комнатной температуре, приводит к увеличению жесткости и прочности материала. В ортопедической хирургии используется нержавеющая сталь марки 316L.

Наряду с железом данный сплав содержит хром, который образует оксидную пленку, предотвращающую развитие коррозии, углерод, увеличивающий жесткость, но требующийся в малых концентрациях (поэтому в маркировке сплава используется буква L — «low»; в противном случае снизятся антикоррозионные свойства материала), никель и молибден в качестве главных компонентов сплава.

Пластичность нержавеющей стали позволяет моделировать пластины без существенного изменения прочности.

Кобальт-хромовые сплавы широко используются в изготовлении эндопротезов суставов. Хром добавляется к кобальту для пассивирования; оксидная пленка, образованная хромом, обеспечивает коррозийную устойчивость также, как у нержавеющей стали. Иногда, для улучшения упругости и возможности обработки, добавляются другие элементы, например, вольфрам и молибден. Эти сплавы имеют длительный срок службы в тканях человека благодаря высокой биосовместимости и прочности, достигаемой ковкой и холодной обработкой.

Титановые сплавы применяются в изготовлении конструкций для остеосинтеза переломов и эндопротезов суставов. Они обычно содержат алюминий и ванадий в низких концентрациях для прочности; пассивация (и устойчивость к коррозии) обеспечивается путем образования титановой оксидной пленки. Модуль упругости металла близок к таковому у кости, что снижает концентрацию нагрузки, которая часто возникает при использовании конструкций из нержавеющей стали или кобальт-хромового сплава.

Коррозийная устойчивость, которая выше, чем у двух вышеописанных сплавов, увеличивает биосовместимость этого металла. Недостатком титанового сплава является его хрупкость; это проявляется при царапинах или слишком острых углах во время изготовления или установки имплантата усталостными переломами конструкций.

а) Переломы конструкций. Металлические конструкции могут ломаться по ряду причин:
1) дефекты производства;
2) некорректный выбор имплантата для конкретной локализации;
3) воздействие повторяющихся высоких нагрузок при неправильном положении конструкции или из-за длительных нагрузок, превышающих предел выносливости материала, например, при замедленном сращении перелома.

б) Коррозия. Коррозия неизбежна, если имплантируемый металл не подвергали специальной обработке, например, пассивированию, которая образует защитный инертный слой. Обычно это оксидная пленка, полученная химической обработкой. У нержавеющей стали и кобальт-хромового сплава содержащийся в них хром участвует в создании оксидной пленки, титан сам образует оксидную пленку.

Сплавы, применяемые в ортопедии и подвергшиеся пассивированию, редко подвергаются коррозии. Это может произойти в исключительных ситуациях при повреждении инертного слоя, которое случается при абразивных повреждениях или трещинах на поверхности конструкции при усталостных изменениях материала.

Даже при отсутствии данных повреждений может иметь место так называемая «щелевая» коррозия, при которой процесс усугубляется низкой концентрацией кислорода в щели, например, под головками винтов и пластинами, либо стрессовой коррозией, когда повторяющаяся незначительная нагрузка в коррозийной среде ведет к разрушению конструкций до развития усталостных переломов. Продукты коррозии, ионы металлов и дебрис, являются причиной развития местного воспаления и ускоряют расшатывание конструкций.

в) Применение разных металлов. Разные металлы, погруженные в раствор, при контакте друг с другом приводят к возникновению гальванической коррозии с ускоренным разрушением наиболее активного (основного) металла. В первые дни после операции при использовании материалов подверженных сильной коррозии, такой же процесс происходит и в организме. Однако в пассивированных сплавах, которые используются в настоящее время, такого явления не происходит (титан особенно устойчив к химическому воздействию).

Поэтому традиционные опасения коррозии при одновременном использовании костных имплантов из разных металлов вероятно преувеличены.

г) Трение и износ. Эти технические понятия необходимы для понимания функции сустава и дизайна протезов. Трение между двумя скользящими поверхностями не зависит от площади их контакта или скорости движения, но зависит от приложенной нагрузки. Поэтому две любые поверхности могут иметь коэффициент трения, определяемый силой их взаимодействия. Он рассчитывается как соотношение силы необходимой для начала скольжения и нормального сжимающего усилия.

Нормальные суставы человека имеют коэффициент трения примерно в десять раз меньший, чем, например, различные комбинации пар трения металл-металл. Пара трения металл-ультравысокомолекулярный полиэтилен имеет более низкий коэффициент трения, который можно еще улучшить, заменив металл на керамику, например, алюминиевую или циркониевую.

Важным модулятором характеристик скольжения суставных поверхностей является смазка. Синовиальная жидкость снижает коэффициент трения, либо формируя слой жидкости, сглаживающий поверхностные неровности нормального суставного хряща (жидкая смазка в виде пленки), либо при отсутствии такого промежуточного жидкостного слоя, молекулярное покрытие, противостоящее износу хряща (пограничная смазка). Оба метода имеют место при различных условиях нагрузки на сустав.

Трение и смазка являются факторами, влияющими на износ—потерю вещества поверхности при скользящих движениях под нагрузкой. Износ пропорционален степени нагрузки и объему движений между поверхностями. Износ поверхностей может быть абразивным (более жесткая поверхность истирает мягкую), адгезивным (когда частицы трущихся поверхностей взаимодействует сильнее, чем в пределах одной из них) или вызванным дебрисом, который вызывает истирание при попадании в щель между поверхностями (износ третьим телом).

Частицы износа металла могут быть причиной развития местного воспаления и формирования рубцов, вызывать токсические или аллергические реакции; однако самое главное, они могут быть причиной развития нестабильности после поглощения их макрофагами и активации остеокластической резорбции. Также было отмечено наличие ионов металла в лимфатических узлах и других органах на удалении от имплантата; значимость данного факта пока не определена. В естественных условиях износ суставного хряща частично восстанавливается, хотя с возрастом эта способность снижается; очевидно, что этот механизм не наблюдается при функционировании эндопротеза.

д) Инфекция. Металлы не являются причиной развития инфекции. Сплавы титана показали меньшую восприимчивость к развитию воспаления при контакте с бактериями (в сравнении с нержавеющей сталью), однако причина такого различия не установлена. После инфицирования существует несколько механизмов поддержания инфекции:
1) имплантированный металл является инородным некровоснабжаемым телом и таким образом лишен иммунных механизмов защиты;
2) имплантат обеспечивает образование биопленок, изолирующих колонии бактерий, тем самым создавая барьер для действия иммунных механизмов и антибиотиков;
3) имплантат затрудняет кровообращение в тканях.

е) Малигнизация. Имеются сообщения о нескольких случаях развития опухолей после имплантации металлических конструкций, однако количество сообщений настолько мало в сравнении с общим числом имплантаций, что эти данные можно не учитывать.

- Вернуться в оглавление раздела "Травматология"

1. Методы фиксации кости
2. Методы трансплантации (пересадки) кости
3. Виды искусственных заменителей кости - аллотрансплантаты
4. Методика дистракционного остеогенеза методом Илизарова
5. Методика выравнивания длины ног
6. Варианты операций на суставах - артротомия, артродез, артропластика
7. Микрохирургия и пришивание (реимплантация) конечности
8. Показания и методы ампутации конечности
9. Протезы культи и осложнения от их применения
10. Осложнения металлических имплантов костей - винтов, пластин, штифтов, эндопротезов