Механические свойства биорассасывающегося магниевого интерферентного винта для реконструкции передней крестообразной связки в различных тестируемых костных материалах

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 12342 (2023) Цитировать эту статью

57 доступов

Подробности о метриках

Разрывы передней крестообразной связки (ПКС) отрицательно влияют на стабильность и кинематику коленного сустава. Интерференционные винты (IS) используются для фиксации трансплантата при реконструкции передней крестообразной связки и обеспечивают достаточную прочность фиксации, чтобы выдерживать действия пациентов во время процесса интеграции трансплантата с костью. Магний — новый материал, используемый для производства ИС, учитывая его прочность и биоабсорбируемость. В предыдущих исследованиях выбранная конструкция IS из магния показала лучшие характеристики фиксации по сравнению с традиционной конструкцией IS благодаря своей форме и состоянию поверхности. В этом исследовании биоабсорбируемые магниевые ИС были проверены на их вставку (крутящий момент при введении и количество поворотов для внедрения ИС) и эффективность фиксации (вытягивание и динамический тест). Чтобы получить надежную первоначальную оценку производительности IS, IS были имплантированы в блоки полиуретановой пены Sawbones по 15 на кубический фут (PCF), биомеханические модели большеберцовой кости Sawbones с 17 сердцевинами из пеноматериала PCF и человеческие трупные голени. В тесте на вытягивание пенопластового блока использовались свиные сухожилия, а во всех других тестовых установках использовались нейлоновые веревки, чтобы предотвратить влияние самого материала трансплантата связки. В тесте на выдергивание трансплантат подвергался растягивающему напряжению со скоростью 6 мм/мин. Для динамического испытания было выполнено 1000 циклов в диапазоне от 0 до 200 Н, после чего было проведено окончательное испытание на выдергивание. После каждого испытания картина расширения туннеля наблюдалась путем измерения соотношения сторон туннеля в месте введения. Крутящий момент при введении находится в пределах нормального крутящего момента при введении IS, а также среднего натяжения связок перед введением. В конструкции из пеноблока нейлоновая веревка продемонстрировала более высокую силу выдергивания, чем свиное сухожилие. Сравнение каждой установки с использованием нейлоновой веревки как для вытягивания, так и для вытягивания после динамического испытания не выявило существенной разницы между установкой из пеноблока и трупной установкой. Однако все настройки модели большеберцовой кости демонстрируют неожиданно высокую силу выдергивания из-за влияния ее кортикального слоя. Не было статистически значимых различий в расширении туннеля между конструкциями веревок из пеноблока со свиным сухожилием и из пеноблока с нейлоновой веревкой. Сопротивление выдергиванию магниевых IS находится в пределах типичного диапазона напряжения передней крестообразной связки во время повседневной деятельности. Несмотря на то, что результаты испытаний магниевых IS различны для каждого костного материала, магниевые IS демонстрируют достаточную фиксационную способность и работоспособность во время установки без разрушения материала.

Передняя крестообразная связка (ПКС) влияет на стабильность и кинематику коленного сустава1. Разрывы передней крестообразной связки встречаются часто2 и могут привести к дополнительным патологическим изменениям в коленном суставе и вокруг него3. Внутрисуставная реконструкция передней крестообразной связки с фиксацией трансплантата интерферентным винтом (IS) выполняется в плановом порядке4,5,6 с успехом 75–95%3,7. В Германии 81% хирургов предпочли фиксацию с помощью ИС, предпочтительно биорассасывающихся ИС (60%), особенно для большеберцовой кости8, где в основном происходит неудача9. Использовались постоянные металлические (например, титановые) и полимерные ИС без существенных различий в клинических результатах10,11. Металлические ИС могут вызвать повреждение трансплантата и вызвать расширение туннеля3. Полимерный материал слабее металла, и во время его установки может произойти перелом винтов3,12.

Магний, легкий металл, является отличной альтернативой стандартным металлическим материалам, и некоторые его характеристики были изучены3,13,14. Его биоабсорбируемость и биосовместимость в сочетании с высокой прочностью являются преимуществом по сравнению с другими материалами15. Кроме того, магниевые сплавы использовались в качестве альтернативного биоразлагаемого материала для имплантатов при переломах, поскольку их механические свойства (модуль Юнга, коэффициент Пуассона) аналогичны свойствам кортикальной кости человека16. Магний демонстрирует свойства материала, сравнимые с костями, и контролируемую скорость абсорбции, радиопрозрачен и дает низкий уровень артефактов МРТ, с достаточной прочностью фиксации трансплантата и биоразлагаемостью после имплантации человеку. Помимо выбора материала, на характеристики IS также влияют параметры конструкции IS, такие как профиль уклона и состояние поверхности. В предыдущем исследовании магниевая конструкция IS, выбранная для данного исследования, привела к многообещающим результатам по сравнению с традиционной конструкцией IS, учитывая ее наклонный профиль и состояние поверхности14. Механические характеристики магниевого IS можно оценить по двум параметрам: крутящий момент при введении и прочность фиксации. Метод тестирования производительности ИС приближен к руководству по тестированию крестообразных связок и реконструкции связок in vitro17 и был адаптирован на основе стандартных спецификаций и методов испытаний металлических медицинских костных винтов (ASTM F543). Прочность фиксации определяют с помощью испытания на выдергивание (испытание на нагрузку до разрушения) и динамического испытания. Испытание на вытягивание можно проводить со скоростью от 5 до 1000 мм/мин17. Динамический тест проводится в течение 1000 циклов, что позволяет оценить первоначальный ответ конструкции IS-трансплантата17. Связку следует предварительно подготовить методом низкой циклической нагрузки, например, с 20 циклами в диапазоне от 0 до 50 N18. Для тестирования IS обычно используются три материала: блоки пенополиуретана, модель большеберцовой кости Sawbones и трупные колени человека3,4,19,20,21,22. Из-за различий в тестах с точки зрения конструкции винтов, костного материала и схемы тестирования трудно сравнить все результаты одного теста с другим.