Экспериментальные исследования прочностных характеристик межтеловых кейджей из углерод-углеродного композитного материала

Abstract

Актуальность. При хирургии позвоночника для межтелового спондилодеза используют преимущественно титановые имплантаты, которые бывают цельными или состоят из нескольких частей. Для онкоконтроля используют не только лабораторные методы обследования, но и компьютерную томографию (КТ) и магнитно-резистентную томографию (МРТ). На КТ в послеоперационном периоде с использованием металлоконструкции определяется эффект увеличения жесткости излучения или размытое изображение, а на МРТ — артефакт магнитной восприимчивости. Одним из перспективных материалов, который соответствует требованиям биосовместимости, прочностным свойствам и не имеет противопоказаний для лучевой диагностики, является углерод-углеродный композит. Цель: изучить в эксперименте прочностные характеристики межтеловых кейджей различных конструкций из углерод-углеродного композитного материала. Материалы и методы. Проведено экспериментальное исследование прочностных свойств межпозвонковых имплантатов для замещения удаленных позвонков. Все имплантаты были изготовлены из углерод-углеродного композитного материала. Было исследовано четыре типа фиксаторов позвонков по три образца: резьбовое соединение винта со стаканом, штифт с опорой на шайбы, штифт с опорой на шплинт, штифт с закреплением костным цементом. Результаты. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что конструкции с резьбовым соединением выдерживают нагрузки 956,7 ± 165,0 Н. Основной поломкой являются срезание резьбы и проседание винта. Образцы с 1 шайбой расширения выдерживают наибольшую нагрузку разрушения — 5000,0 ± 150,0 Н, с 2 шайбами расширения образцы были разрушены нагрузкой 4250,0 ± 88,9 Н, с 3 шайбами — при нагрузке 3083,3 ± 160,7 Н, то есть каждая дополнительная шайба расширения в конструкции статистически значимо уменьшает величину разрушающей нагрузки. Образцы со шплинтом выдерживают разрушительную сжимающую нагрузку в среднем 2833,3 ± 208,2 Н, которая приводила к разрушению стакана шплинтом, что вызвало проседание штифта. Испытания образцов без шплинта показали, что они способны выдержать статистически значимо большую разрушающую нагрузку в 5100,0 ± 100,0 Н. Больше всего сжимающие нагрузки выдерживают цельные конструкции, не имеющие мелких конструктивных элементов — резьбы или шплинта. Испытания образцов с цементом показали, что при раздвижении на 5 и 7 мм не произошли никакие разрушительные изменения при максимально возможной для экспериментальной установки нагрузке в 6000 Н. Выводы. Худшими оказались конструкции с резьбовым соединением, конструкции из шплинтов выдерживали втрое большую нагрузку до разрушения. И хотя резьбовые конструкции считаются довольно прочными, особенности материала (углерод), не соответствуют требованиям, которые предъявляют резьбовым соединениям. Углеродные материалы довольно хрупкие, поэтому и конструкции из шплинта также оказались несовершенными. Конструкции с шайбами расширения показали себя довольно неплохо, но увеличение высоты расширения имплантата приводило к уменьшению прочности конструкции, и как следствие, к уменьшению способности выдерживать нагрузки. Цельные конструкции оказались самыми выносливыми, а дополнительная прочность за счет цемента превратила их в монолитные сверхпрочные изделия.