1.3.1.6 Механика контактирующих поверхностей

При лечении перелома методом внутренней фиксации возникают контактные зоны (кость-кость и кость- имплантат). Реакция кости в зоне контакта зависит от механических условий, которые играют определяющую роль входе процесса сращения. Механические условия имеют два различных компонента: нагрузка и деформация межфрагментарной ткани.

Нагрузка на вновь образованную ткань приводит к относительно большому смещению фрагментов перелома, если регенерат между ними мягкий. Для описания механических условий относительного смещения в области щели перелома используется термин „стабильность". Практически „стабильность" более или менее означает то же самое, что и большее или меньшее „относительное смещение", которое, в свою очередь, может описывать различные степени относительной стабильности. Если поверхности перелома адаптированы и сдавлены, то смещения контактирующих поверхностей не возникает. Это мы называем „абсолютной стабильностью".

Нестабильные контактирующие поверхности

Кость под воздействием повторяющейся динамической нагрузки подвергается циклической деформации. Это поведение объясняется сходными с пружиной свойствами кости (рис. 1.24). Такая деформация была использована в эксперименте in vivo для того, чтобы вызвать смещениемежду пластиной и костью и изучить, таким образом, эффект стабильности. Шуруп (или болт) введенный со стороны незакрепленного конца пластины подвержен периодической разгрузке, в то время как другой конец пластины прочно закреплен к кости двумя шурупами. Это приводит к прерывистым минимальным смещениям в зоне контактирующей поверхности между ненагруженным шурупом (или болтом) и кортикальным слоем кости.

Два наблюдения представляются наиболее важными:

Исследуя гипотезу о том, что нестабильность вызывает рассасывание кости на поверхности, Ganz et al. (1985) создал условия небольшой нестабильности между шурупом и отверстием с нарезанной резьбой в кости. Этот эксперимент заключался в фиксации пластины к функционально нагруженной кости, когда лишь один конец пластины был фиксирован сильно затянутыми шурупами. Другой конец пластины был оставлен „свободным" после введения экспериментального шурупа лишь с небольшим крутящим моментом скорее для поддержания параллельного положения, чем для фиксации пластины к кости. Функциональная компрессионная нагрузка укорачивает сегмент кости, фиксированный пластиной

Рис. 1.24 Методика создания нестабильности в эксперименте.

Для изучения влияния управляемой нестабильности на расшатывание имплантата вследствие рассасывания костной поверхности был взят эффект циклического укорочения кости под воздействием нагрузки весом во время ходьбы. Сравнение кости с жесткой пружиной демонстрирует, как можно создать относительное смещение между свободным концом пластины и подлежащей костью. Смещение составляет лишь несколько микрометров. Другой конец пластины прочно фиксируют двумя шурупами под взаимной преднагрузкой.

A,B Схематические диаграммы без нагрузки и под нагрузкой. Пластина фиксирована одним концом к кости. Кость укорачивается при осевой нагрузке и возникает относительное смещение между свободным концом пластины и подлежащей костью.

С Первичная ситуация без функциональной нагрузки: ненагр уженная кость имеет изначальную длину. Незначительная компрессия создает предварительную нагрузку внутренней поверхности цилиндра, контактируя с костью.

D Ситуация с функциональной нагрузкой: нагруженная кость теперь короче. Небольшая первичная компрессия уменьшится, внутренняя поверхность будет периодически открываться, а наружняя - подвергаться периодическому контакту.

Е Биологическая реакция на периодическое устранение нагрузки и нестабильность: несмотря на то, что описанные выше смешения составляют всего несколько микрометров, начинается рассасывание костной поверхности. Таким образом, небольшая первичная нестабильность приводит к значительному расшатыванию вследствие биологической реакции.

менее, чем на 10 МкМ. Это смещение приводит к наклону шурупа, который недостаточно прочно введен в кость. Рис. 1.24 иллюстрирует упрощенную версию подобного эксперимента (Brennwald, личная беседа, 1976), где короткий и фиксированный болт был использован вместо расшатанного шурупа. Показаны смещение и вызываемая им резорбция кости. Первичная небольшая нестабильность приводила к вторичной выраженной нестабильности в обеих экспериментальных моделях вследствие рассасывания кости.

Stadler et al. (1982) использовали гидравлический поршень для изучения реакции поверхности кости на высокую степень напряжения в зоне контакта поверхностей (рис. 1.25). Большое напряжение на поверхности, вызванное периодически сжимающим поверхность кости поршнем, приводило к ее рассасыванию. В то же время малое напряжение, вызванное аналогичными движениями поршня с несколько большей амплитудой движений (не расстоянии от поверхности кости), не вызывало подобного явления.

Таким образом, вследствие процесса рассасывания поверхности кости из-за микродвижений, первоначально малая нестабильность будет приводить ко вторичной значительной нестабильности¹².

¹² Взаимоотношения между приложенной компрессией, результирующим укорочением и явлением минимальной резорбции показаны на рисунке 1.17. Можно увидеть, что нагрузка в 1000 N приводит к укорочению исследуемого сегмента на 10 МкМ. Минимальное рассасывание поверхности приводит к потере компрессии.

Рис. 1.25 Экспериментальное исследование реакции кости на нестабильность контактирующих поверхностей (Stadler et al. 1982).

А Гидравлические мехи с поршнем, закрепленные на U - образной раме.

B Аппарат монтирован на проксимальном метафизе большеберцовой кости.

С Поперечное сечение большеберцовой кости: на гистологическом срезе определяется выраженная резорбция поверхности кости в области периодического контакта с поршнем.

D Поперечное сечение большеберцовой кости: в случае, когда циклически двигающийся поршень не соприкасается с поверхностью кости, рассасывания не отмечается.

Механически вызванное расшатывание стержней при наружной фиксации

Стержни, используемые в наружных фиксаторах, часто расшатываются в зоне их контакта с костью. Huiskes et al.(1985) пришли к выводу, что это происходит благодаря механическому разрушению кости из-за локальной перегрузки.Хотя подобное явление может возникнуть и в метафизе кости, в настоящее время имеются убедительные данные о том, что рассасывание кортикального слоя кости, вызванное микроподвижностью, встречается гораздо чаще (см. стр. 56). Эмпирически в прошлом использовались два метода уменьшения микроподвижности:

Стержни предварительно изгибали перед закреплением к штангам (предварительная нагрузка сгибанием);

Размер тела стержня выбирали таким образом, чтобы его диаметр был больше диаметра просверленного отверстия (радиальная предварительная нагрузка) (Behrens 1982, 1989).

Эксперименты, выполненные Hyldah et al. (1988) (рис. 1.26, 1.27), ставили своей целью определить эффективность предварительной нагрузки сгибанием, однако они ясно продемонстрировали, что радиальная предварительная нагрузка может значительно уменьшить степень рассасывания кости по сравнению с наблюдениями, когда стержни вводили без предварительной нагрузки. Авторы показали, что величина допустимого несответствия между диаметром просверленного отверстия и диаметром тела стержня должна быть гораздо меньше, чем принято считать (см. стр. 60).

При использовании наружных рамочных фиксаторов, особенно для артродезов и остеотомии, микроподвижность параллельных стержней Штеймана можно уменьшить путем их сгибания по направлению друг к другу.

Механически индуцированный псевдоартроз

Нестабильные поверхности между концами костных фрагментов могут привести к появлению механически вызванного псевдоартроза даже в случае наличия ненарушенной биологической реакции (реактивного или гипертрофического псевдоартроза) (Weber and Cech 1973). В этом случае ни дифференциация тканей от мягких к более жестким тканям, ни увеличение их поперечного сечения не способны уменьшить подвижности фрагментов. Образование костной ткани на конце фрагмента приводит к сужению щели перелома и увеличению межфрагментарной деформации и, таким образом, препятствует образованию прочного сращения.

Рис. 1.26 Сравнение действия аксиального и радиального предварительного напряжения на примере винтов Шанца (для наружного фиксатора).

А Пневматически управляемый стержень наружного фиксатора, позволяющий создание цикличной сгибающей нагрузки только на правый винт. Рисунки b - d схематически иллюстрируют поперечное сечение близлежащего кортикального слоя,

B Без дополнительной нагрузки сгибание вызывает точное соответствие форме правой стороны винта, в то время как радиальная преднагрузка приводит к равному распределению преднагрузки вокруг винта,

С При дополнительной нагрузке, толкающей винт вправо, согнутый винт увеличивает щель слева. Радиально преднагруженный винт несколько уменьшает преднагрузку слева и смещение не происходит.

D При дополнительной нагрузке, толкающей влево, щель по мере изгиба винта становится меньше и радиально преднагруженный винт не смещается.

Рис. 1.27 Влияние радиальной преднагрузки винтов Шанца наружного фиксатора на предотвращение их расшатывания. Ось абсцисс (3 группы, слева направо): преднагрузка отсутствует, радиальная преднагрузка, преднагрузка сгибанием. Ось ординат: потеря костной ткани в зоне контактной поверхности в процентах. Влияние различных условий радиальной преднагруэки: слева — точно подходящий шуруп с выраженным рассасыванием контактной поверхности. В середине - несколько больший шуруп с минимальным рассасыванием. Справа - приложена сгибательная преднагрузка. Она несколько уменьшает, однако не предотвращает рассасывании кости и расшатывания имплантата.

Стабильная (сдавленная) поверхность контакта

В том же эксперименте, в котором изучались нестабильные поверхности контакта, было изучено действие предварительно изогнутых винтов в условиях стабильной компрессии (в зоне контакта фрагментов). Наблюдалось меньшее рассасывание поверхности кости. Важно отметить, что в этом эксперименте, несмотря на очень высокое напряжение сжатия, не отмечалось рассасывания кости в зоне стабильных контактирующих поверхностей. Рис. 1.28 иллюстрирует взаимосвязь между приложенной компрессией и рассасыванием поверхности перелома: сохранение стабильной компрессии подтверждает отсутствие резорбции концов фрагментов.

Рисунок 1.29 показывает, почему кровоснабжение кости не нарушается при компрессионной нагрузке. Представьте себе: в толстой кирпичной стене есть отверстие, в нем лежит шланг, и по шлангу течет вода. Поток воды остается одинаковым вне зависимости от того, находится ли стена под большей или меньшей нагрузкой. Интенсивность потока заметно изменится, если кирпичная стена сомнется, но не ранее. Данное заключение верно и для кровеносных сосудов, которые надежно защищены рамой из гидроксиапатита.

к оглавлению                  далее