Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,222

EVALUATION OF THE MAIN CHARACTERISTICS OF NEW COMBINED IMPLANTATION SYSTEMS FOR THE ARTHROPLASTY OF THE TEMPOROMANDIBULAR JOINT

Antsiferov V.N. 1 Astashina N.B. 2 Rogozhnikov G.I. 2 Kachenyuk M.N. 1 Rapekta S.I. 2
1 Scientific center of powder material science
2 Perm state medical academy named after Academician E.A. Wagner Ministry of Health and Social Development
Разработана новая имплантационная система для замещения дефекта нижней челюсти и пластики височно-нижнечелюстного сустава, выполненная с применением биологически инертных материалов: углеродного композиционного материала «Углекон М» (Project «CarBulat») и сплава титана. При оценке основных характеристик имплантационной системы изучена прочность соединения титановых штифтов с углеродным композиционным материалом. Определено, что максимальная прочность соединения титанового и углеродного компонентов наблюдается при температуре спекания 1200 С и составляет 2,32 МПа. На всех испытанных образцах происходит отрыв припечённого к штифту слоя титана от углеродного материала с некоторыми следами частиц последнего на титане. Исследование микроструктуры образцов показало, что титановое покрытие состоит из частиц размером от 10 до 100 мкм. Частицы соединены между собой шейками, образовавшимися при спекании за счёт поверхностной и объемной диффузии, обусловливающими перенос массы в область контактного перешейка и, как следствие, удовлетворительную степень адгезии. При анализе микроструктуры покрытия и переходного слоя показано, что наблюдается плотное примыкание частиц титана к углеродному композиционному материалу, отсутствие следов расслоений между покрытием и подложкой.
A new implant system to replace the defect of the lower jaw and plastic of the temporomandibular joint, made with the use of biologically inert materials: carbon composite material «Uglekon M» (Project «CarBulat») and titanium alloy. In assessing the main characteristics of the system studied implant bonding strength titanium post with a carbon composite material. It was determined that the maximum bond strength of titanium and carbon components observed at the sintering temperature of 1200 °C and is 2,32 MPa. In all the specimens is detached pripechennogo titanium layer to the pin of the carbon material with some of the last traces of the particles on the titanium. The study of the microstructure of samples showed titanium coating is composed of particles ranging in size from 10 to 100 microns. The particles are connected by tails, formed during sintering by surface and bulk diffusion that determine the mass transport in the area contact neck and as a result, an acceptable level of adhesion. In the analysis of the microstructure of the coating and the transition layer, it is shown that there is a close contiguity of titanium particles to the carbon composite material, no trace of the bundles between the coating and the substrate.
temporomandibular joint
jaw defect
implant system
carbon materials
titanium alloys
1. Astashina N.B. Perspektivy kompleksnogo podkhoda pri lechenii patsiyentov s defektami chelyustnykh kostey // Uralʹskiy meditsinskiy zhurnal. 2009. no. 5. pp. 5–8.
2. Kislykh F.I., Rogozhnikov G.I., Astashina N.B. Lecheniye bolʹnykh s defektami chelyustnykh kostey. M., 2006. 193 p.
3. Rapekta S.I. Plastika defektov nizhney chelyusti uglerodymi implantatami «Uglekon – M»: Avtoref. dis. kand. med. nauk. Permʹ, 2008. 21 p.
4. Hobdell M. Global goals for oral health 2020. International Dental Journal, 2003, no. 53. pp. 263–269.
5. Shvyrkov M.B. Elimination of lower jaw defects using dosed straction. Stomatology, 2004, no. 3, pp. 23–28.

Решение проблемы реконструкции височно-нижнечелюстного сустава (ВНЧС), проводимой после резекции нижней челюсти, при дегенеративных повреждениях, высоких внутрисуставных переломах с размозжением суставной головки, а также повышение эффективности комплексного лечения больных, перенесших оперативные вмешательства по поводу удаления новообразований, производственного и бытового травматизма, устранения воспалительно-некротических заболеваний челюстно-лицевой области остаются одними из актуальных проблем современной стоматологии [5]. Актуальность проблемы возрастает в связи с тем, что дефекты и деформации открытой части тела – лица − особенно болезненно воспринимаются больными, что диктует необходимость не только совершенствования и разработки новых методов лечения, но и поиска материалов для замещения дефектов и устранения деформаций челюстно-лицевой области. Посттравматические дефекты и деформации челюстей сопровождаются воспалительными изменениями мягких тканей, вызывают тяжёлые нарушения функции жевания, речи, глотания, дыхания, могут провоцировать слюнотечение, ведут к серьёзным изменениям внешнего вида пациентов, что оказывает отрицательное воздействие на их психологическое состояние и приводит к социальной дезадаптации. В докладе ВОЗ «Глобальные цели стоматологии 2020» отмечается, что лечение пациентов с приобретенными дефектами челюстных костей и височно-нижнечелюстных суставов должны стать важнейшей стратегической задачей современной стоматологии [4]. Именно поэтому разработка и применение новых имплантатов, выполненных из биосовместимых материалов, используемых для хирургического восстановления костных образований и рационального последующего ортопедического лечения, позволит восстановить утраченные функции у пациентов.

Актуальность проблемы обусловлена выбором наиболее адаптированного материала для замещения костных дефектов челюстей и устранения деформаций челюстно-лицевой области у больных с дефектами челюстных костей. С целью замещения утраченного участка нижней челюсти и эндопротезирования височно-нижнечелюстного сустава используются как ауто- и аллопластические, так и имплантационные материалы. Однако указанные субстанции помимо положительных свойств могут иметь серьезные недостатки, аутоматериал (часть собственного ребра или подвздошной кости пациента) не обеспечивает возможность полного восстановления анатомической формы челюсти. Основным недостатком при аутогенной пластике является необходимость проведения дополнительных операций, часто превосходящих по тяжести основное вмешательство на нижней челюсти. Метод аллотрансплантации (использование трансплантата донора) не решает указанную проблему в связи с отсутствием доступного банка трупных тканей. Создание костных банков аллотрансплантатов в последние годы ограничено в связи с распространением ВИЧ-инфекции, гепатитов В, С. В настоящее время применяются имплантаты из различных материалов для эндопротезирования (металлов, керамики, композитов). Одним из наиболее перспективных материалов для хирургического замещения дефектов челюстных костей, а также успешности последующего ортопедического лечения и реабилитации является углеродный композиционный материал «Углекон – М» (project «Cаrbulat»), отличающийся биологической совместимостью, близкий по механическим свойствам к костной ткани челюстей [1, 2, 3].

Дальнейшее совершенствование и использование биологически инертных материалов для создания конструкций имплантатов при дефектах челюстных костей, сопровождающихся разрушением височно-нижнечелюстного сустава, определило актуальность проблемы. Целью проводимого исследования явилась разработка и изучение основных свойств новых имплантационных систем, выполненных на основе биологически инертных материалов с применением современных технологий.

Учеными Пермской государственной медицинской академии имени академика Е.А. Вагнера и Научного центра порошкового материаловедения Пермского национального исследовательского университета разработана имплантационная система для замещения дефекта нижней челюсти и эндопротезирования височно-нижнечелюстного сустава.

Конструкция (рис. 1,а) состоит из челюстной части (1), выполненной из углеродного композиционного материала, например «Углекон – М», и суставной части (2), изготовленной из сплава титана, например, ВТ 5Л, состоящей из головки (3) с шейкой (4), замещающих шейку и суставную головку мыщелкового отростка нижней челюсти, и цилиндрического соединительного стержня (5). Суставную титановую часть (2) изготавливали из компактного титана методом фрезерования.

Уникальность предлагаемой системы комбинированного имплантата состоит в том, что после проведения костно-пластической операции с ее применением возможно как восстановление формы нижней челюсти и эстетики лица, так и за счет введения в конструкцию искусственной головки сустава – обеспечение нормализации жизненно важных функций: жевания, глотания, речи; снижение количества послеоперационных осложнений, сокращение периода нетрудоспособности и сроков социальной и профессиональной адаптации больных с тяжелой патологией височно-нижнечелюстного сустава.

Исследование прочности соединения титановых штифтов с углеродным композиционным материалом «Углекон-М»

Материалы и методы исследования

Для исследования прочности сцепления титановой части с углеродным композиционным материалом вытачивали штифты диаметром 5,5 мм из титанового прутка марки ВТ5, в углеродном материале формировали отверстие диаметром 6 мм и глубиной 10 мм, которое заполняли титановым шликером составов А (ПТ-6 – 85 % + TiH – 15 % + 30–50 % этилового спирта) и Б (ПТ-6 – 70 % + TiH – 30 % + 30–50 % этилового спирта). На штифт также наносили шликер, после чего вводили его в отверстие. Подготовленные образцы (рис. 2) высушивали и подвергали термообработке в вакуумной печи СНВЭ-1.3.1/16, в среде вакуума (остаточное давление в камере печи 10–2 Па), скорость нагрева составляла 10 град./мин, температура спекания − 1200, 1250, 1300 °С, изотермическая выдержка − 1 ч, охлаждение происходило вместе с печью.

а) pic_2.tifб) pic_1.tif

Рис. 1. Имплантационная система для замещения дефекта нижней челюсти и эндопротезирования височно-нижнечелюстного сустава: а − схема конструкции – челюстная часть (1), суставная часть (2), головка (3), шейка (4), цилиндрический соединительный стержень (5); б − вид готовой конструкции

pic_3.tif

Рис. 2. Вид образца для определения прочности сцепления титанового штифта с углеродным композиционным материалом

Результаты исследования и их обсуждение

В результате проведенных экспериментальных исследований 36 образцов установлено, что прочность соединения выше при температуре спекания 1200 С. Полученные показатели обусловлены меньшим охрупчиванием углеродного материала при пониженной температуре. При повышении температуры спекания происходит образование большего количества карбида титана на границе титанового и углеродного компонентов. Карбид титана, являясь хрупкой и твёрдой фазой, в условиях достаточно высокой пористости переходного слоя значительно снижает прочность соединения. На всех испытанных образцах происходит отрыв припечённого к штифту слоя титана от углеродного материала с некоторыми следами частиц последнего на титане. Таким образом, разрушение носит адгезионный характер, то есть самой непрочной составляющей соединения является переходный слой, содержащий преимущественно карбид титана. Исследование микроструктуры образцов показало, титановое покрытие состоит из частиц размером от 10 до 100 мкм. Частицы соединены между собой шейками, образовавшимися при спекании за счёт поверхностной и объемной диффузии, обусловливающими перенос массы в область контактного перешейка. Отмечается достаточно плотное примыкание частиц титанового слоя к углеродному материалу, отсутствие следов расслоений между покрытием и подложкой и, как следствие, удовлетворительная степень адгезии (рис. 3).

Заключение

1. Исследована зависимость прочности сцепления титанового штифта с углеродным композиционным материалом при соединении шликером от температуры спекания. Максимальная прочность соединения титанового и углеродного компонентов наблюдается при температуре спекания 1200 С и составляет 2,32 МПа.

2. Изучена микроструктура покрытия и переходного слоя, показано, что в результате спекания титановых шликеров образуется слой, состоящий из α + β-титана. Наблюдается плотное примыкание частиц титана к углеродному композиционному материалу.

pic_4.tif

Рис. 3. Микроструктура углеродного и титанового компонентов, спеченных с помощью шликера (спекание 1200 °С, ×1000)

Таким образом, результаты исследований показали необходимость проведения дальнейших испытаний разработанной имплантационной системы, направленных на изучение ее медико-биологических свойств.

Исследования выполнены при финансовой поддержке Министерства образования Пермского края – научный проект: «Разработка биологически инертных наноматериалов и высоких технологий в стоматологии в рамках программы комплексного лечения пациентов с дефектами зубных рядов и челюстей».

Рецензенты:

Мозговая Л.А., д.м.н., профессор, заведующая кафедрой терапевтической стоматологии, ГБОУ ВПО «Пермская государственная медицинская академия имени академика Е.А. Вагнера» Минздравсоцразвития России, г. Пермь;

Ханов А.М., д.т.н., профессор, декан механико-технологического факультета, ФГБОУ ВПО «Пермский национальный исследовательский политехнический университет Министерства образования и науки России», г. Пермь.

Работа поступила в редакцию 05.12.2012.