[1]Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к конструкции вертлужных компонентов (чашек) эндопротезов тазобедренного сустава, и может быть использована в травматологии и ортопедии для замещения деформированной или разрушенной вертлужной впадины при первичном и ревизионном эндопротезировании тазобедренного сустава.
[2]В Российской Федерации потребность первичного эндопротезирования тазобедренного сустава составляет порядка 50000 хирургических вмешательств ежегодно, а потребность в эндопротезировании тазобедренного сустава у подростков и активных молодых граждан достигает уровня 150 операций по имплантации. Процент осложнений и неудовлетворительных результатов имплантации при операциях эндопротезирования тазобедренного сустава остается по-прежнему на высоком уровне. Увеличить эффективность таких операций возможно путем повышения уровня биосовместимости эндопротезов при использовании новых конструкционных материалов и покрытий, а также путем разработки высокотехнологичных конструкций эндопротезов.
[3]Поверхности, контактирующие с биоструктурами, должны обладать высокой суммарной открытой пористостью и морфологической гетерогенностью, что необходимо для эффективного прорастания клеток костной ткани и прочного остеоинтеграционного закрепления имплантируемых конструкций в организме.
[4]Однако высокая открытая пористость покрытий характеризуется пониженной механической прочностью, что является сильным ограничением в разработке высокопористых имплантационных систем. Поэтому создание внутрикостных металлических конструкций с пористыми биосовместимыми покрытиями, обладающими повышенной прочностью, является актуальным в современной имплантологии и биоинженерии поверхности.
[5]При действии агрессивной биологической среды ввиду отсутствия физико-механических условий, обеспечивающих эффективное интеграционное (на микро- и наноуровне) взаимодействие поверхности эндопротеза с прилегающими костными структурами, происходят процессы воспаления прилегающих тканей и отторжения установленных конструкций. Поэтому для повышения эффективности использования эндопротезов рекомендуют применение биосовместимых покрытий с антимикробными и антитромбоцитарными свойствами.
[6]Известна конструкция эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава фирмы LOGEEKs MS (http://3dmed.logeeks.ru/), которая предлагает компоненты для эндопротезирования тазобедренного сустава, в частности линейку типоразмеров вертлужных компонентов Tuberlocktm, выполненных по аддитивной технологии методом лазерного спекания порошков титановых сплавов. Чашки имеют шероховатую поверхность и гладкие отверстия со сферическими углублениями под шляпку винта. Аддитивная технология изготовления позволяет учесть особенности геометрии дефекта кости.
[7]Недостатком данной конструкции является отсутствие на внешней стороне чашки, взаимодействующей с костной тканью, биосовместимого гетерогенного покрытия, обладающего антимикробными и антитромбоцитарными свойствами и высокой механической прочностью.
[8]Известна конструкция эндопротеза вертлужного компонента (чашки) пресс-фит фирмы ALTIMED (каталог имплантатов для остеосинтеза фирмы ALTIMED) (http://www.altimed.by/uploads/userfiles/files/altimed_catalogue_2012_russian.pdf). Эндопротез имеет сферическую форму и пористую структуру поверхности, что обеспечивает стабильную первичную и вторичную фиксацию. Кроме того, поверхность чашки покрыта защитным коррозионностойким слоем диоксида титана, который повышает биосовместимость и предотвращает миграцию микропримесей в организм.
[9]Недостатком данной конструкции является отсутствие на внешней стороне чашки, взаимодействующей с костной тканью, биосовместимого гетерогенного покрытия, обладающего антимикробными и антитромбоцитарными свойствами и высокой механической прочностью.
[10]Наиболее близким по технической сущности предлагаемой полезной модели является конструкция эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава [Патент РФ №202646, МПК A61F 2/34 (2006.01), опубл. 01.03.2021], которая выполнена монолитной в форме полусферы из титанового сплава по аддитивной технологии методом лазерного спекания, с отверстиями, имеющими сферические углубления, под шляпку костного винта. Стенка эндопротеза выполнена толщиной 4 мм и содержит радиальные сквозные ячейки шестигранной формы. Диаметр вписанной окружности каждой ячейки – 1,5 мм, стенка ячейки имеет поперечные сквозные поры. Наружная поверхность и стенки ячеек содержат биоактивное покрытие из гидроксиапатита толщиной 40 мкм и шероховатостью Ra=2,38 мкм с микропорами и с антибиотиком.
[11]Недостатком данной конструкции является отсутствие на внешней стороне чашки, взаимодействующей с костной тканью, биосовместимого гетерогенного покрытия, обладающего антимикробными и антитромбоцитарными свойствами и высокой механической прочностью.
[12]Задачей полезной модели является создание эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава с механически высокопрочным биосовместимым гетерогенным покрытием, обладающим антимикробными и антитромбоцитарными свойствами.
[13]Технический результат полезной модели заключается в создании высокопрочного биосовместимого гетерогенного покрытия, взаимодействующего с костной тканью, в результате газотермического оксидирования на воздухе и последующего синтеза на сформированном биосовместимом оксидном покрытии углеродной алмазоподобной пленки и придания ей антимикробных и антитромбоцитарных свойств за счет его ионно-лучевого модифицирования ионами серебра и ионами лантана.
[14]Поставленная задача решается за счет того, что предлагаемый эндопротез вертлужного компонента тазобедренного сустава с ячеистой структурой и биоактивным покрытием, который выполнен монолитным в виде чаши, имеющей форму полусферы из титанового сплава по аддитивной технологии методом лазерного спекания с отверстиями со сферическими углублениями под шляпку костного винта, стенка выполнена толщиной 4 мм, содержит радиальные сквозные ячейки шестигранной формы, диаметр вписанной окружности каждой ячейки – 1,5 мм, стенка ячейки имеет поперечные сквозные поры, наружная поверхность чаши и стенки ячеек, согласно новому техническому решению, имеют биосовместимое гетерогенное оксидное покрытие толщиной 20 мкм и шероховатостью Ra=1,4 мкм с микропорами размером 12 мкм, полученное в результате газотермического оксидирования на воздухе с последующим синтезом на его поверхности углеродной алмазоподобной пленки, полученной в процессе ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа (СО2) пучком ионов аргона (Ar+) и модифицированной ионами серебра (Ag+) и ионами лантана (La+) в процессе ионно-лучевой обработки.
[15]Изготовление предлагаемого эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава может осуществляться путем литья, обработки давлением, механического формообразования отверстий, газотермического оксидирования на воздухе (получение биосовместимого гетерогенного оксидного покрытия), ионно-лучевой обработки (синтез на сформированной поверхности оксидного покрытия углеродной алмазоподобной пленки, полученной в процессе ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона, модифицирование ионами серебра и ионами лантана в процессе ионно-лучевой обработки). Материалами для изготовления эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава могут служить: титан, тантал, цирконий и сплавы на их основе.
[16]Полезная модель поясняется 3D-моделью. На фиг. 1 приведена предлагаемая конструкция эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава, включающая чашку с ячеистой структурой, выполненную монолитной из титанового сплава и имеющую биоактивное покрытие из гидроксиапатита, содержащую радиальные сквозные ячейки 7 и поры (каналы) 2, позволяющие сохранять возможность внутрикостного кровоснабжения, свободного перемещения тканевой жидкости. Чашка выполнена по аддитивной технологии методом лазерного спекания из сплава титанового порошка и имеет вид полусферы с отверстиями 3 под фиксирующие костные винты (на фигуре не показаны). Стенка чашки выполнена толщиной 4 мм, имеет радиальные сквозные ячейки 1 шестигранной формы с толщиной стенки от 1 до 1,5 мм, диаметр вписанной окружности каждой ячейки 1,5 мм, стенка ячейки 1 имеет поперечные поры (каналы) 2 диаметром 300 мкм. Внешняя поверхность чашки и стенки ячеек 1 содержат биосовместимое гетерогенное оксидное покрытие 4 толщиной 20 мкм и шероховатостью Ra=1,4 мкм с микропорами размером 12 мкм, полученное в результате газотермического оксидирования на воздухе, и сформированную на поверхности оксидного покрытия 4 углеродную алмазоподобную пленку 5, полученную в процессе ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона, модифицированную ионами серебра 6 и ионами лантана 7.
[17]Углеродная алмазоподобная пленка 5 имеет повышенные показатели механической прочности и толщину 25-75 нм, которая обусловлена технологическими режимами синтеза в процессе ионно-лучевой обработки в вакуумной среде углекислого газа пучком ионов аргона. При этом углеродная алмазоподобная пленка 5 воспроизводит рельеф поверхности биосовместимого гетерогенного оксидного покрытия 4, не снижая его общую суммарную открытую микропористость и остеоинтеграционную способность.
[18]Исследования показали, что оптимальными значениями параметров проведения процесса газотермического оксидирования на воздухе являются следующие: температура нагрева t=500°С; время выдержки τ=1,5 ч. При газотермическом оксидировании на воздухе образование покрытия на поверхности происходит за счет физико-химического взаимодействия металлической матрицы с кислородом реакционной среды. В результате такого реакционного взаимодействия на обрабатываемой поверхности формируются металлокерамические оксидные соединения, которые придают ей комплекс повышенных физико-химических и механических свойств, отличных от свойств основного металла. Происходит также диффузионное термоупрочнение модифицированных поверхностных слоев изделия при сохранении химического состава основной металлической матрицы.
[19]При уменьшении значений указанных параметров газотермического оксидирования на воздухе не наблюдается образование гетерогенного оксидного покрытия, а при их превышении получаемое покрытие характеризуется повышенной склонностью к трещинообразованию. В указанном диапазоне параметров газотермического оксидирования на воздухе происходит формирование биосовместимого гетерогенного оксидного покрытия толщиной 20 мкм с величиной твердости 7-8 ГПа, что на 36% превышает твердость немодифицированной поверхности. Для упрочнения биосовместимого гетерогенного оксидного покрытия на его поверхности имеется углеродная алмазоподобная пленка с повышенными показателями твердости.
[20]Исследования показали, что оптимальными дозами ионов аргона, необходимыми для процесса формирования углеродной алмазоподобной пленки при ионно-лучевой обработке, являются: доза ионов аргона Ф=6⋅1016-2,4⋅1017 ион/см2; энергия E=75 кэВ, так как при дозах ионов аргона менее 1,6⋅1016 ион/см2 и более 2,4⋅1017 ион/см2 не происходит формирование углеродной алмазоподобной пленки. Углеродная алмазоподобная пленка 5 обладает антимикробными свойствами за счет ее ионно-лучевого модифицирования ионами серебра 6 в процессе ионно-лучевой обработки, что подтверждается экспериментально полученными результатами исследования, которые показали, что оптимальными дозами ионов серебра, необходимыми для придания пленки антимикробных свойств, являются 1,2⋅1016-1,8⋅1016 ион/см2 с ускоряющим напряжением 50 кВ. При дозах ионов серебра менее 1,2⋅1016 ион/см2 и более 1,8⋅1016 ион/см2 не проявляются антимикробные свойства. Антимикробные свойства обусловлены комплексом терапевтических свойств, присущих серебросодержащим покрытиям и препаратам серебра: широким антибактериальным спектром в отношении патогенной флоры, в том числе устойчивой к антибиотикам, сложностью вырабатывания у патогенных микроорганизмов защитных механизмов к действию ионов серебра, хорошо выраженным ранозаживляющим действием.
[21]Углеродная алмазоподобная беспористая пленка 4 обладает антитромбоцитарными свойствами за счет ее ионно-лучевого модифицирования ионами лантана 7 в процессе ионно-лучевой обработки, что подтверждается экспериментально полученными результатами исследования, которые показали, что оптимальными дозами ионов лантана, необходимыми для придания покрытию антитромбоцитарных свойств, являются 1,2⋅1016-1,8⋅1016 ион/см2 с ускоряющим напряжением 50 кВ. При дозах ионов лантана менее 1,2⋅1016 ион/см2 и более 1,8⋅1016 ион/см2 не проявляются высокие антитромбоцитарные свойства. Антитромбоцитарные свойства обусловлены комплексом терапевтических свойств, присущих лантансодержащим покрытиям и лантансодержащим препаратам, и способствуют снижению процессов отторжения имплантатов за счет уменьшения риска образования тромбов капилляров и мелких кровеносных сосудов, прилегающих к раневой поверхности.
[22]Процесс установки предлагаемого эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава состоит в следующем.
[23]После подготовки костного ложа устанавливают чашку, причем для достижения «press-fit» эффекта размер имплантата должен превышать внутренний размер вертлужной впадины после ее обработки фрезами на 2 мм. Внедрение в вертлужную впадину контролируют под ударами молоткового инструмента по направителю, учитывая сопротивление костной ткани и уменьшение диастаза (расстояния между дном чашки и костной тканью) через отверстия для установки костных винтов. Плотность посадки чашки определяют путем легкого покачивания за направитель. В случаях, когда прочность первичной фиксации оказывается недостаточной, целесообразно укрепить чашку одним или двумя спонгиозными костными винтами (на фиг. 1 не показаны), выполненными из титана и покрытыми гидроксиапатитом по технологии микродугового оксидирования (диаметр костных винтов составляет 6,5 мм). Винты должны вводиться через отверстия 3 в подвздошную кость в задневерхнем секторе. Вторичная фиксация обеспечивается активным процессом остеоинтеграции, формированием костного вещества внутри ячеек 1 и пор 2 чашки. Уже в течение первого месяца после операции формируется прочный костно-имплантационный блок, который обеспечивает стабильное положение чашки на длительное время. Покрытие титанового имплантата и фиксирующих винтов, состоящее из биосовместимого гетерогенного оксидного покрытия 4 и высокопрочной биосовместимой углеродной алмазоподобной пленки 5, стимулирует процесс остеоиндукции, и структура окружающей костной ткани значительно уплотняется. Последнее имеет огромное значение для профилактики расшатывания элементов эндопротеза при выраженном остеопорозе. Процесс остеоиндукции важен и при заполнении небольших дефектов кости, например сохраняющегося диастаза (1-1,5 мм) между чашкой и костным ложем впадины.
[24]Дальнейшие этапы операции включают установку бедренного компонента эндопротеза. После проверки объема движений и длины конечности устанавливается дренаж, и рана послойно ушивается.
[25]В процессе приживления эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава высокопрочная углеродная алмазоподобная пленка 5 обеспечивает высокий уровень биологической совместимости поверхности и интеграционное взаимодействие с костной тканью, а затем при функционировании эндопротеза создает необходимые биотехнические условия для эффективной работы имплантата при действии функциональных весовых нагрузок за счет повышенной механической прочности поверхности вертлужного компонента, в частности твердости - 10-12 ГПа, что значительно выше твердости костной ткани (0,5-0,6 ГПа). Углеродная алмазоподобная пленка 5 модифицирована ионами серебра 6 и ионами лантана 7, которые придают ей комплекс антимикробных и антитромбоцитарных свойств, что способствует быстрой и надежной остеоинтеграции имплантата с биологическими тканями за счет наименьшего процента их отторжения.
[26]Таким образом, предложенная конструкция эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава создает наилучшие условия для эффективного интеграционного взаимодействия поверхности имплантата с костной тканью и надежного функционирования эндопротеза в организме при длительном действии механических нагрузок благодаря синтезу на гетерогенной поверхности оксидного покрытия углеродной алмазоподобной пленки. Данная углеродная алмазоподобная пленка обладает повышенной биосовместимостью и обеспечивает повышенную механическую прочность поверхности конструкции эндопротеза. За счет модифицирования углеродной алмазоподобной пленки ионами серебра поверхность эндопротеза вертлужного компонента тазобедренного сустава обладает выраженными антимикробными и антитромбоцитарными свойствами.
