Журнал: "Медицина целевые проекты" статья: Углеродные материалы в хирургии | Издательский дом
#

Углеродные материалы в хирургии

 

В последние годы углеродные материалы стали широко применяться в медицине, благодаря уникальности свойств, которые обеспечивают работоспособность при замене биологической ткани до 100 лет. К таким свойствам относят: биосовместимость, отсутствие токсичности и канцерогенности, неизменность свойств под воздействием биологических сред, отсутствие коррозии и усталостных напряжений, способности стимулировать рост тканей и другие свойства, близкие к живой ткани

 

Директор Акционерного общества «Научно-исследовательский институт конструкционных материалов на основе графита «НИИграфит» Евгений Маянов

 

Академик МАЭИН, доктор технических наук Петр Золкин

 

Член-корреспондент РАЕН, кандидат технических наук Харис Аберяхимов

 

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ СТАТЬИ.DOC

 

Биосовместимость углерода с биологической тканью обеспечивают два физических свойства: электрохимический потенциал и поверхностная энергия. Биосовместимость стеклоуглерода, пирографита, золота и платины исследовали методом электрохимии с использованием в качестве электролита сыворотки крови крупнорогатого скота. Исследования показали, что электрохимический потенциал реакции на границе раздела имплантат – биосреда составил: стеклоуглерод + 0,315 мВ; пирографит + 0,346 мВ; золото + 0,340 мВ; платина + 0,332 мВ. Стеклоуглерод обладает аморфной структурой. Пироуглерод – идеальной графитовой структурой. Золото и платина – идеальными инертными свойствами. Следовательно, углерод по инертности близок к золоту и платине.

 

Поверхностная энергия графита МПГ-7 составляет 50 эрг/см2. Но при имплантации пластины графита размером 2 × 10 × 20 мм в теленка на одну неделю поверхностная энергия составила 24 эрг/см2, а ее поверхность была покрыта пленкой биологического происхождения, то есть углерод проявил своеобразную биоактивность и закрыл имплантат в капсулу, исключил его миграцию, возникновение биологических реакций, разрушающих имплантат или биологическую ткань.

Долговечность работоспособности эндопротезов и имплантатов определяют не только биосовместимость и поверхностная энергия, но и физико-химические, электрические, прочностные, поверхностные и др. свойства.

 

 

ОДНОПОЛЮСНЫЙ ТАЗОБЕДРЕННЫЙ СУСТАВ

 

Конструкция эндопротеза представлена на рис. 1. Ножку эндопротеза изготавливают из углепластика, который получают методом горячего прессования пресс-пакета, состоящего из полотна углеродной ткани марки ТГН-2М и пленки термопластичного полиамида 12/10, сложенных послойно в виде слоеного пирога. Углеродную ткань ТГН-2М получают из вискозной нити при температуре 2400 ?С, что обеспечивает высокую химическую чистоту. Для получения углепластика с высокими прочностными свойствами ткань подвергают электрохимической обработке, что увеличивает поверхностную пористость структуры ткани и повышает степень взаимодействия с полиамидным связующим веществом.

Процесс прессования пакета происходит при температуре 210–220 ?С, давлении 100 кг/см2, время выдержки 2 часа. Свойства углепластика приведены в таблице 1.

 

Таблица 1

Физико-механические свойства углепластика «Остек»
 

Наименование

Показатели

Плотность, г/ см3

1,15–1,26

Прочность при изгибе, МПа

25,0–28,0

Модуль упругости, ГПа

1,8–2,3

Содержание углерода, не менее %

99,0

Содержание золы, не более %

1,0

Головку эндопротеза изготавливают из мелкозернистого прочного графита марки МПГ-7 промышленного производства, свойства которого приведены в таблице 2.

 

 

Таблица 2

Физико-механические свойства графита МПГ-7
 

Свойства материала

Значение

Плотность, г/см3, не менее

1,85–1,90

Предел прочности при изгибе, МПа, не менее

50,0–55,0

Предел прочности на сжатие, МПа, не менее

110,0

Удельное электросопротивление, мкОм*м, не более

15,0

Массовая доля углерода, %, не менее

99,5

Массовая доля золы, не более %

0,5

 

 

Свойства углеродного эндопротеза во многом идентичны свойствам кости здорового человека. Конструкция системы «кость – имплантат» хорошо функционирует на протяжении длительного времени, когда ее части равномерно нагружены. Применение конструкции из углепластика с упругими характеристиками, близкими к характеристикам кости, гарантирует создание ситуации, при которой во время ходьбы имплантат деформируется вместе с костью. Это сводит на нет концентрацию остаточных напряжений, разрушение ножки и расшатывание ее в местах плотного контакта с костью.

 

Прочностные и поверхностные свойства углеродного эндопротеза необходимы для замещения части органа или ткани за счет механических свойств, которые будут выполнять функции утраченной ткани, не изменяя своих физико-механических и биологических свойств. Плотной фиксации ножки эндопротеза при бесцементном ее укреплении в бедренной кости способствует набухание на 2–4% углепластика в биологической среде. Такая фиксация позволяет углероду проявлять свою способность провоцировать рост соединительной тканой пленки, выступающей в роли дополнительного крепления эндопротеза в кости. Соединения головки эндопротеза с ножкой осуществляется посредством конусной посадки 12/14 во время операции после имплантирования ножки в тазобедренную кость.

 

Отечественный однополюсный эндопротез тазобедренного сустава из композиционного углеродного материала был применен у 129 больных со свежими переломами, ложными суставами шейки бедра и асептическим некрозом головки бедра после остеосинтеза. Операции осуществлялись в Первом МГМУ им. Сеченова, в Московской городской клинической больнице № 7 и других больницах по разработанным Г.С. Юмашевым, Х.А. Мусалатовым и их сотрудниками способу и хирургическому инструментарию. Предложенный способ операции исключает перелом бедра во время вправления эндопротеза и его вывих в послеоперационном периоде. Плотное бесцементное введение ножки эндопротеза и надежное укрепление капсулы сустава по предложенной методике позволило хирургам ускорить реабилитацию больных в послеоперационном периоде.

 

 

ТОТАЛЬНЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ ТАЗОБЕДРЕННЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ

 

Конструкция тотального углеродного тазобедренного эндопротеза основана на однополюсном эндопротезе, к которому добавили чашку. Тотальные тазобедренные эндопротезы предусмотрены для пациентов с заболеваниями и травмами всего аппарата тазобедренного сустава. Конструкция тазобедренного эндопротеза представлена на рис. 2.

 

С целью обеспечения больных с патологией тазобедренной области различного возрастного состава нами разработано восемь вариантов ножек, головок, чашек. Путем подбора отдельных деталей уравнивается симметричность ног согласно росту человека.

                                              

 

Таблица 3

 

Типоразмеры конструкций ножек

 

Наименование

Длина ножки, мм

А

Длина ножки, мм

В

Офсет, мм

С

Длина шейки, мм

D

Толщина, мм

Е

Ножка 9

144,3

130

38,5

20,5

14

Ножка 10

154

140

39,5

20

15

Ножка 11

159,3

145

40

20,5

15

Ножка 12

165

150

41

21

15

Ножка 13

169,3

155

41,5

20,5

15

Ножка 15

179

165

43

20

16

Ножка 18

194,2

180

44,5

20,5

18,5

Ножка 20

204

190

45,5

20

19

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 4 Таблица 5

Типоразмеры конструкций головок

Типоразмеры конструкций чашек

 

Размер до упора

А, мм

В, мм

Наименование

D, мм

минус 3

-3

19,5

Чашка 1

46

ноль

0

16,7

Чашка 2

48

плюс 3

3

16,5

Чашка 3

50

а 32 плюс 7

7

16,5

Чашка 4

52

плюс 10

10

16,5

Чашка 5

54

 

 

 

Чашка 6

56

 

 

В процессе эксплуатации в тазобедренном суставе головка из графита скользит по внутренней поверхности чашки. Исследования коэффициента трения графита по графиту показали 0,11 ± 0,01. Эрозийный износ пары графита составил (0,56 ÷ 0,84)·10?м/м (метр износа на метр пройденного пути). Такой износ пары трения графит по графиту гарантирует 100-летнюю эксплуатацию эндопротеза.

На тотальный углеродный тазобедренный эндопротез разработана нормативно-технологическая документация, и готовится опытно-промышленный выпуск медицинского изделия для лабораторных и клинических испытаний.


 

 

УГЛЕРОДНЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ ДЛЯ ЗАМЕНЫ ТРАВМИРОВАННЫХ КОСТЕЙ СВОДА ЧЕРЕПА

 

Для замещения врожденных дефектов костной ткани свода черепа или в случаях тяжелых черепно-мозговых травм разработана конструкция эндопротеза из углепластика «Остек», с размерами 90 и 130 мм диаметрами, толщиной 2 мм, выпуклостью радиусом 100 мм. Имплантат укладывается в ложе травмированной кости под встречным конусом друг к другу без дополнительного крепления, плотно прижимается кожно-апоневротическим лоскутом и тугой бинтовой повязкой.

После имплантации на границе раздела кость – имплантат в течение одной недели начинается рост соединительной пленки, герметично закрывающей свод черепа, что исключает припадки эпилепсии у страдающих ранее этой болезнью. Нарушения прочности фиксации имплантат – кость и резорбции кости на границе с имплантатом не было. Имплантирование замены травмированных костей у взрослых проводили в Первом МГМУ им. Сеченова под руководством профессора Г.С. Юмашева и Х.А.Мусалатова(более 100 пациентам), у детей в 9-й МДГБ под руководством профессора А.М.Мытникова (более 200 детей). Применение углеродных эндопротезов позволяет восстановить форму черепа и его герметичность, сократить количество койко-мест в послеоперационный период и повысить качество жизни больных. На рис. 6 представлены снимки пациентов до и после операции.

 

 

УГЛЕРОДНЫЙ ЭНДОПРОТЕЗ ДЛЯ ЗАМЕНЫ КОСТЕЙ ЧЕЛЮСТНО-ЛИЦЕВОЙ ОБЛАСТИ

 

Конструкция эндопротеза состоит из неподвижной части, дающей возможность осуществлять жевательные движения и речевые функции. Неподвижная часть эндопротеза изготавливается из углепластика «Остек», подвижная часть – из графита МПГ-7. Свойства этих материалов приведены выше. Однако у материала «Остек» имеется большой недостаток – он рентгенопрозрачен. В послеоперационный период хирург лишается возможности наблюдать расположение эндопротеза и его фиксацию в челюсти. Для устранения этого недостатка в пресс-пакет между тканью и полиамидом дозировали порошок карбида бора от 4 до 15%.

Конструкция углеродного эндопротеза для пластики височно-челюстного сустава была разработана Ф.Х. Набиевым, Р.В. Головиным (ЦНИИ стоматологии), П.И. Золкиным (НИИграфит) (рис. 7), на что получен патент.

Медицинские изделия на основе углеродных материалов используются в медицинской практике ЦНИИ стоматологии с 1995 года. На рис. 9 приведены снимки пациента до и после операции, где хорошо виден косметический эффект, по отзывам пациентов «хороший».


 

УГЛЕРОДНЫЕ ИМПЛАНТАТЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПОРНО-ДВИГАТЕЛЬНОЙ КУЛЬТИ ПОСЛЕ ЭНУКЛЕАЦИИ ГЛАЗНОГО ЯБЛОКА И ДРУГИХ ПЛАСТИЧЕСКИХ ОПЕРАЦИЙ В ОБЛАСТИ ОРБИТЫ

 

При выборе материала для изготовления опорно-двигательной культи после энуклеации глазного яблока мы совместно с офтальмологами МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца В.П. Быковым, И.А. Филатовой, М.Г. Катаевым отобрали четыре углеродных материала различной структуры и физико-химических свойств.

Было проведено 206 операций по вживлению углеродных имплантатов 100 кроликам породы шиншилла в орбиту, под кожу и конъюнктиву век и глазного яблока, а также под кожу лба и виска. Экспериментальных животных забивали по истечению эксперимента через 3 и 7 дней, через 1, 3, 6 и 12 месяцев по 4 кролика на каждый срок.

 

Все имплантаты были хорошо адаптированы:

– не наблюдалось случаев миграции, инфекции или отторжения. Уже через 3–7 дней образцы были окружены тонкой соединительной пленкой. В более поздние сроки имплантаты имели плотную капсулу.

 

Из опытных материалов:

– графит МПГ-6;

– углеродная синтактическая пена;

– углеродная ткань «Карпема»;

– углеродный войлок «Карботекстим-М».

Для удобства в хирургической практике был выбран углеродный войлок «Карботекстим-М». Конструкция медицинского изделия состоит из набора войлочных дисков в количестве 7 штук диаметрами от 12 до 22 мм, толщиной 3 мм, что показано на рис. 8.

 

 

В МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца с 1990 года и по сей день сделано более 10 тысяч операций.

По всей России сделано более 20 тысяч таких операций. Высокопористая структура войлока позволяет прорастать биологической ткани, родственной зрячему глазу, и совершать вращательные движения по четырем меридианам до 120–130°, что обеспечивает косметический эффект операции.

В таблице 6 приведены свойства углеродного войлока «Карботекстим-М».

 

Таблица 6

 Свойства войлока «Карботекстим-М»
 

Наименование

Показатели

Плотность, г/см3

0,3

Пористость, %

0,25

Содержание углерода, %

99,5

Содержание золы, %

0,5

 

 

На производство и применение «Комплекта углеродных имплантатов для формирования опорно-двигательной культи после энуклеации глазного яблока и других пластических операций в области орбиты» институт АО «НИИграфит» имеет регистрационное удостоверение № ФСР 2009/06532 от 05 июня 2013 года Росздрава РФ.

 

 

Углеродный дренаж для лечения глаукомы

 

Глаукома – это болезнь, которая медикаментозно не лечится; в перспективе слепота, а слепые умирают в 4 раза чаще зрячих.

 

Наилучший способ лечения глаукомы – хирургический с помощью дренажной системы.Материалом для дренажа может служить биосовместимое полое углеродное волокно. Для этих целей нами разработана технология производства полого волокна на основе вискозы, которая включает в себя следующие этапы:

– вискозная нить, отмытая в специальных растворах, карбонизуется при температуре 320 °С;

– проводится высокотемпературная карбонизация при 700 °С;

– высокотемпературная графитизация карбонизованной нити под натяжением с подкруткой при 1700 °С;

– поверхностная активация графитированного углеродного волокна с целью увеличения удельной поверхности и сорбционной емкости;

– нанесение на поверхность волокна аппрета и герметичная упаковка;

– стерилизация гамма-облучением.

 

 

На дренажное углеродное волокно разработаны технические условия и технологический процесс. На рис. 10 приведен снимок дренажного эндопротеза для лечения глаукомы. В МНИИ глазных болезней им. Гельмгольца проходят клинические испытания.

 

 

Свойства углеродного дренажа приведены в таблице 7.

 

 

Таблица 7
 

Наименование

Показатели

Плотность, г/см3

1,8

Сорбционная емкость, см3

125

Удельная поверхность, см2

400

Прочность при разрыве, МПа

330

Содержание углерода, %

99,5

Содержание золы, % не более

0,5

 

 

АТРАВМАТИЧЕСКИЕ УГЛЕРОДНЫЕ САЛФЕТКИ ДЛЯ ЛЕЧЕНИЯ ОЖОГОВ, ЯЗВ, ПРОЛЕЖНЕЙ И ДРУГИХ МОКРЫХ КОЖНЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ

 

ПОЛНЫЙ ТЕКСТ СТАТЬИ.DOC

 

 

111524, г. Москва, ул. Электродная, д. 2

Телефон: (495) 665-70-03

Факс: (495) 672-72-77

E-mail: niigrafit@niigrafit.org

Сайт: http://www.niigrafit.ru

 

 

 

 

 

 

 

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 


 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
&

 

Яндекс.Метрика