Anna Brzostek
Grupa I
Mechanizm zużycia endoprotezy saneczkowej stawu kolanowego.
Staw biodrowy i staw kolanowy to najbardziej obciążone stawy człowieka, stąd tak często występuje potrzeba ich rekonstrukcji poprzez zabieg alloplastyki.1
Na ryc. 1 podano rodzaje ruchów występujących w stawie kolanowym. Z analizy kinematyki stawu kolanowego wynika, iż występują tu dwa dominujące rodzaje ruchów:
toczno- ślizgowy
rotacyjny (obrotowy)
pomiędzy udem a golenią mające istotne znaczenie w procesach tarcia i zuzycia. Istotną cecha stawu kolanowego jest również to, że nie ma on stałej osi obrotu, a chwilowa oś obrotu ulega przemieszczeniu, co stanowi poważne utrudnienie przy wykonywaniu zabiegów alloplastykii kolana.
Kierunki ruchu toczno- ślizgowego i obrotowego występującego w stawie kolanowym ryc. 1:
obrót osiowy
przesuw boczny
wychylenie boczne
ruch (przesuw) do tyłu i do przodu.
1Alloplastyka, operacja wszczepienia do tkanki elementu z metalu, porcelany lub tworzywa sztucznego, mająca na celu usprawnienie działania chorego narządu
Występujące w praktyce liczne uszkodzenia stawu kolanowego stanowiły inspirację do opracowania konstrukcji różnych typów endoprotez, które można podzielić na trzy podstawowe grupy:
endoprotezy niezwiązane (non- constrained) składające się z dwu oddzielnych części takie jak: saneczkowa firmy Link, saneczkowa ST. Georg II i III generacji, policentryczna Gunstona, Geomedica,
częściowo ziązane (semi- constrained) i zawiasowe, składające się z dwu części połączonych ze sobą np. Guepar, GSP, Gemini firmy Link, Blautha firmy Aesculap, zawiasowa St. Georg firmy Link
mieszane i kinematyczne (kandylarne) w których elemanty endoprotezy są ze sobą konstrukcyjnie powiązane co zapewnia możliwość wykonywania ruchów zbliżonych
do naturalnych stawów. Do powszechnie stosowanych endoprotez tej grupy należą typy: PSC, AGC, ABPS itp. Oraz endoprotezy rotacyjne firmy Link czy też endoprotezy kinematyczne firmy Howmedica.
Główny celem alloplastyki stawu kolanowego jest:
odtworzenie konstrukcji uszkodzonego stawu przez endoproteze i zapewnienie fizjologicznej możliwości ruchu pacjenta po zastąpieniu naturalnego stawu endoprotezą,
długotrwałe utrzymanie tej funkcji poprzez właściwe umocowanie elementów endoprotezy i zapewnienie minimalnego zużycia elementów pary trącej.
Materiały i metody
O trwałości zaimplantowanej endoprotezy stawu kolanowego decyduje takiie czynniki jak:
konstrukcja endoprotezy,
właściwości mechaniczne i trybologiczne zastosowanych materiałów,
poprawność zabiegu operacyjnego,
właściwy przevieg rehabilitacji.
Zakładając iż dobrano optymalny do występującego schorzenia typ endoprotezy i w sposób właściwy przeprowadzony implantację, o trwałości endoprotezy będzie decydował przebieg procesu zużycia elementów pary trącej.
Intensywność zużycia elementów pary trącej zależy od takich czynników jak:
rodzaj materiałów skojarzenia,
rodzaj ruchu,
wartość obciażenia.
Standardowym materiałem stosowanym w endoprotezoplastyce kolana jest polietylen o wysokiej gęstości, PE-UHMW, uzyskiwany poprzez prasowanie. Materiał ten powinien posiadac takie własności jak:
granicę plastyczności >19 N/ mm2,
wytrzymałość na rozciąganie >27 N/ mm2
odkształcenia przy pełzaniu < 2%
Aby tworzywo pracowało w sposób właściwy, wykonane z niego elementy nie powinny przenosić nacisków większych niż 10 N/ mm2. Aby prześledzić zmiany zachodzące w tym tworzywie pod wpływem długotrwałego, cyklicznego obciążenia, przeprowadzono badania na symulatorze stawu kolanowego, skonstruowanym przez A. Wieczorka i wykonanym w Politechnice Częstochowskiej. Badaniom poddano 2 rodzaje endoprotez saneczkowych firmy Link, składających się z dwóch elementów:
części płaskiej, wykonanej z polietylenu na plateau tibial kości piszczelowej,
części cylindrycznej ze stopu CoCrMo na kłykcie kości udowej i różniące się geometria części ruchowej.
Badania na symulatorze przeprowadzono przy nastepujących parametrach:
obciążenie siłą normalną P= 1100N
maksymalny kąt zgięcia β= 900
pełny cykl ruchu endoprotezy na symulatorze wynosi 0,25 Hz co odpowiada 15 pełnym cyklom/ min.
Wyniki badań i ich analiza
W badanym typie endoprotezy saneczkowej w pierwszym etapie pracy występuje styk liniowy części ruchowej endoprotezy, zamocowanej w kości udowej z podkładką polietylenową zamocowaną w kości piszczeloowej, co daje niekozystny rozkład nacisków jednostkowych z występowaniem maksymalnego obciążenia w osi endoprotezy. W miarę wzrostu liczby cykli pracy styk liniowy przechodzi w styk powierzchniowy. (Ryc. 2)
W wyniku takiego styku tarciowego po pierwszym okresie współpracy elementów trących powstaje slad zuzycia w postaci wydłuzonej elipsy, spowodowany odkrztałceniem plastycznym (płynięciem) elementu o mniejszej wytrzymałości, tj. podkładki polietylenowej. Wraz ze wzrostem ilości cykli glębokość wytarcia się powieksza i następnie stabilizuje, co świadczy o tym, iż w wyniku wzrostu powierzchni rzeczywistego styku (śladu wytarcia) naciskik jednostkowe nie przekraczają wartości nacisków dopuszczalnych dla tego tworzywa. Odkształcenie plastyczne tworzywa w miejscu rzeczywistego styku jest zwiazane ze wzrostem stopnia krystaliczności.
Ryc 5 pokazano zmiane geometrii wkładki polietylenowej w obszarze tarcia, a na ryc 6 przebieg zużycia w funkcji ilosci cykli.
Jak wynika z wykresu, po wykonaniu 200.00 cykli głębokość wytarcia stabilizuje się. Po wykonaniu 1.000.000 cykli pracy, na podkładce polietylenowej zaczynaja się pojawiać wyraźne slady zuzycia w postaci złuszczeń, typowych dla zuzycia cierno- zmęczeniowego. Te produkty zuzycia, w postaci złuszczających się „płatków polietylenu” są rozprowadzane przez płyn ustrojowy i mogą powodować np. procesy zapalne.
Podsumowanie i wnioski.
Badania przeprowadzone na symulatorze pozwalają stwierdzić, iż proces zuzycia endoprotez stawu kolanowego składa się z nastepujecych etapów:
odkształcenia plastyczne obszarów bezpośredniego styku i zagęszczania się polietylenu połączone prawdopodobnie ze wzrostem stopnia krystaliczności,
powstawanie mikropeknięć zmżczeniowych w obszarze maksymalnego wytężenia materiału.
Złuszczanie się i wykruszanie czastek polietylenu o róznych rozmiarach.
O trwałości endoprotez stawu kolanowego decyduje ich najlepszy element tj. polietylenowa wkładka.
O wyniku procesów cierno- zmęczeniowych powstają produkty zuzycia stanowiące wykruszone czastki polietylenu o róznych rozmiarach, przy czym proces tworzenia tworzenia się produktów zuzycia będzie lawinowo narastał w końcowej fazie eksploatacji endoprotezy.
Aby zminimalizować intensywność zuzycia wkładek polietylenowych należy opracować metodę „uszlachetniania” powierzchni tego tworzywa.
Piśmiennictwo:
Biology of sport : Materiały XV szkoły biomechaniki (1998) Kotek k. Lublińca.