Исследование напряженно-деформированного состояния в системе «имплантат — кость» на модели алокомпозитного эндопротеза проксимального отдела бедренной кости

Abstract

Актуальность. Восстановление массивных послерезекционных дефектов длинных костей — одна из основных задач, которая стоит перед хирургом при лечении больных с опухолевыми поражениями костей. Поэтому разработка оптимальных имплантатов для замещения дефектов костей и суставов продолжается уже многие десятилетия. Для подбора идеального имплантата, который должен соответствовать требованиям биосовместимости, механической стабильности и быть безопасным, нужно проводить множество различных исследований и тестов. Именно метод алокомпозитного эндопротезирования представляет интерес для углубленного проведения исследований. Цель: обосновать методику алокомпозитного эндопротезирования на основании математического моделирования методом конечных элементов. Материалы и методы. Проведено изучение методом конечных элементов математической модели бедренной кости с «опухолевым» эндопротезом. Изучено напряженно-деформированное состояние модели при выполнении резекции бедренной кости прямым сечением и сечением в виде ступеньки. Смоделирована ситуация в разные сроки после оперативного вмешательства — через 3 и 6 месяцев. Для каждого типа резекции моделировали цементный и бесцементный варианты фиксирования ножки эндопротеза. Результаты. При поперечной остеотомии и бесцементном способе фиксации ножки максимальные по величине напряжения (92,3 МПа) возникают в зоне остеотомии. В диафизарной части бедренной кости зона максимальных напряжений располагается по медиальной стороне, они принимают значения 10,5 и 10,1 МПа в дистальной и проксимальной частях соответственно. Использование ступенчатой остеотомии в сочетании с бесцементной фиксацией ножки эндопротеза в ближайший послеоперационный период позволяет снизить уровень напряжений в зоне остеотомии до 59,1 МПа. В процессе увеличения прочности костного регенерата после использования поперечной остеотомии в сочетании с бесцементной фиксацией ножки наблюдается снижение уровня напряжений в зоне остеотомии — 75,6 МПа. В диафизарной части бедренной кости они определяются в пределах от 9,5 до 10,0 МПа. При использовании ступенчатой остеотомии и бесцементного крепления ножки эндопротеза диапазон напряжений в диафизарной части бедренной кости определяется от 7,9 до 13,8 МПа. Использование цемента в сочетании с поперечной остеотомией в послеоперационный период 3 месяца не ведет к принципиальным изменениям в напряженно-деформированном состоянии модели. Максимальная величина напряжений (77,1 МПа) определяется в зоне остеотомии. При использовании ступенчатой остеотомии наличие цементного слоя между ножкой эндопротеза и стенкой костно-мозгового канала позволяет снизить уровень напряжений в зоне остеотомии до отметки 31,5 МПа. Выводы. В результате проведенного математического моделирования обнаружено, что выполнение ступенчатой остеотомии бедренной кости позволяет вдвое снизить уровень механических напряжений в зоне остеотомии по сравнению с моделями с поперечной остеотомией. Использование костного цемента для фиксации ножки эндопротеза в теоретической модели также позволяет значительно снизить уровень напряжений во всех вариантах исследованных моделей за счет образования демпферного слоя между металлом и костной тканью. Увеличение прочности костного регенерата со временем приводит к выравниванию величин напряжений как между контрольными точками каждой из моделей, так и между моделями с различными видами остеотомии бедренной кости.