Бесцементные чашки
Бесцементные чашки, точно также как и бесцементные ножки, устанавливаются в предварительно обработанной сферическими фрезами вертлужной впадине методом «плотной посадки» (press-fit).
Чашки изготавливают из титан-алюминий-ванадиевого сплава или из титан-алюминий-ниобиевого. Наружная поверхность чашки, контактирующая с костью, имеет пористое покрытие из спрессованных шариков, проволоки или трабекулярного металла. В отличие от бесцементных ножек пескоструйная обработка чашек не используется – для прочной фиксации чашки нужна более «грубая» поверхность.
Варианты наружного покрытия бесцементных чашек эндопротеза тазобедренного сустава на примере чашек линейки Pinnacle фирмы DePuy концерна Johnson&Johnson. Слева – чашка с покрытием Porocoat®, которое представляет собой слой спрессованных маленьких шариков из чистого титана. В центре – чашка с покрытием Gription®, которое разработано на основе покрытия Porocoat и отличается от него меньшим размером пор и большим коэффициентом трения. Справа – чашка с покрытием Duofix®, которое представляет собой комбинацию покрытия Porocoat с плазменным напылением гидроксиапатита, стимулирующего врастание кости (толщина слоя гидроксиапатита – 35 микрон, благодаря чему поры не закрываются)
Вы уже заметили, что бесцементные чашки могут иметь разное количество отверстий. Некоторые вообще лишены отверстий, другие (чаще всего) имеют три отверстия, а иногда чашки похожи на дуршлаг. Чем больше площадь пористого покрытия чашки, тем больше площадь контакта с костью, и, соответственно, когда позже кость врастет в покрытие чашки, то такая фиксация будет наиболее прочной. Поэтому, казалось бы, предпочтительны чашки без отверстий, так как у них площадь пористого покрытия максимальна. Но, с другой стороны, хирург, устанавливающий чашку по методу плотной посадки в случае чашки без отверстий должен действовать почти наугад – ведь он не видит, погрузил ли он чашку до конца или между костью и чашкой еще остался промежуток. Опытные хирурги при забивании чашки молотком ориентируются на звук – при достижении чашкой самого дна впадины звук ударов меняется. Но, к сожалению, изменение звука не всегда различимо, что может быть обусловлено состоянием кости (выраженность склероза, наличие кист и так далее). В таком случае хирургу бывает просто необходимо заглянуть в отверстие чашки, через которое можно четко увидеть «села» ли чашка на дно или нужно бить по направителю еще.
Кроме того, иногда склероз вертлужной впадины может быть столь сильно выражен, что несмотря даже на самое современное покрытие чашки с высоким коэффициентом трения фиксация может показаться хирургу недостаточной, и в таком случае через отверстия в чашке можно ввести один или два дополнительных винта, которые будут усиливать фиксацию. Именно поэтому больше всего распространены чашки с тремя отверстиями. Эти отверстия ориентируют сверху и чуть кзади – в этом месте кость, находящаяся за вертлужной впадиной наиболее массивная, и там нет важных кровеносных сосудов, что делает введение винтов безопасным.
В случае дефектов вертлужной впадины, при переломах вертлужной впадины может потребоваться чашка с отверстиями по всем сторонам.
Некоторые чашки имеют специальные зубчики, которые при забивании чашки усиливают стабильность и снижают риск проворачивания чашки при последующей нагрузке.
Чашки линейки Pinnacle фирмы DePuy. Слева направо. Чашка с тремя отверстиями, чашка с «зубчиками», чашка без отверстий, чашки Multihole (с отверстиями по всей поверхности)
Некоторые чашки в принципе не могут иметь отверстий, например, чашка M2a-Magnum фирмы Biomet. Дело в том, что после установки классической бесцементной чашки в нее вставляется специальный вкладыш, внутри которого и будет происходить вращение головки эндопротеза тазобедренного сустава (полиэтиленовые бесцементные чашки не имеют вкладыша – головка вращается в самой чашке). Вкладыш, внутри которого есть гладкая поверхность для вращения чашки, изготавливают из высокомолекулярного полиэтилена, металла и керамики – именно этот материал будет определять пару трения, и мы поговорим об этом подробнее позже. Вкладыш имеет определенную толщину, и поэтому диаметр головки, как правило, составляет 28-32 мм. Однако большой диаметр головки дает большую стабильность и амплитуду движений. С этой целью некоторые чашки не имеют вкладыша, а головка вращается непосредственно по внутренней полированной стороне чашки. К такому типу чашек как раз и относится чашка M2a-Magnum фирмы Biomet. Благодаря такой «безвкладышной» технологии можно применять головки диаметром 44-66 миллиметров (обычные головки, напомним, имеют диаметр 28 и 32 мм, редко – 36 мм). Такая технология используется и некоторыми другими фирмами.
Чашка M2a-Magnum фирмы Biomet с внутренней полированной частью – такой чашке не нужен вкладыш и благодаря малой толщине возможно применение головки большого диаметра.
Модульные чашки. В тех случаях, когда вертлужная впадина нестандартна, имеет дефекты (т.е. у нее отсутствуют края, крыша или дно), могут потребоваться индивидуальные эндопротезы, повторяющие индивидуальную форму вертлужной впадины. В таких случаях стандартная чашка дополняется краевыми накладками из пористого тантала (трабекулярного металла). Эти накладки, которые еще называют аугментами (т.е. укрепителями) располагают по бокам от чашки в тех местах, где отсутствует кость.
Слева – вертлужная чашка с боковой накладкой (аугмент). Справа – чашка с боковой накладкой установлены в кость. Накладка заполняет собой отсутствующую часть крыши вертлужной впадины
Боковые накладки (аугменты) выпускаются различных форм и размеров. На фотографии показаны аугменты фирмы Zimmer
Головка
Итак, мы подошли к еще одной важной характеристике эндопротеза тазобедренного сустава – паре трения. Внутрь чашки устанавливается вкладыш, а на конус ножки – головка. Именно головка вращается внутри вкладыша и материал, из которого изготовлены головка и вкладыш, определяют пару трения.
Некоторые чашки не имеют вкладыша – например, цементные чашки из высокомолекулярного полиэтилена и также бесцементные чашки для головок с большим диаметром, о которых мы писали выше (M2a Magnum фирмы Biomet и некоторые другие, например и у фирмы Zimmer есть головки диаметром 44 мм).
Крепление головки эндопротеза к ножке. Итак, на ножку эндопротеза тазобедренного сустава насаживается головка. Фиксация головки осуществляется за счет того, что на ножке эндопротеза тазобедренного сустава есть конус, и точно такой же по размерам конус есть внутри головки. Как правило, самый распространенный размер конуса – 12/14 мм, т.е. диаметр 14 мм в основании и 12 мм – на верхушке усеченного конуса:
Конус 12/14 мм на примере ножки эндопротеза тазобедренного сустава Spotorno фирмы Zimmer
Размер конуса головки точно соответствует (до сотых долей миллиметра) размеру конуса ножки, за счет чего головка садится на конус ножки «как влитая». Более того, многие производители на поверхности конуса ножки делают специальную микрорезьбу, которая при насаживании головки загибается и благодаря этому головка сидит на ножке эндопротеза очень прочно.
Микрорезьба на конусе ножки эндопротеза тазобедренного сустава. Ширина резьбы – около 100 микрометров. После установки головки верхушки резьбы загибаются и блокируют головку
Глубина погружения головки на ножку может быть различной и за счет этого хирург в ходе операции подбирает необходимую длину оффсета, которая может изменяться на 20 миллиметров!
Головки могут иметь разную глубину погружения на конусе ножки эндопротеза. Слева – «короткие» головки, справа – длинные головки. Длину головки часто подбирают в ходе самой операции таким образом, чтобы эндопротез был стабилен и в нем не было «болтанки»
В идеале длина головки должна составлять 0 мм, так как короткие головки имеют меньший запас прочности и истираемости просто потому, что толщина таких головок меньше:
Слева – «короткая» головка, справа – «нормальная». Естественно, у короткой головки запас меньше
С другой стороны, «длинные» головки имеют «юбку», чтобы увеличит площадь контакта с конусом ножки. Так вот эта юбка может ударяться о края вкладыша и чашки в крайних положениях.
«Длинная» головка с юбкой
Поверхность головок полируется, чтобы максимально уменьшить трение при движении.
Конечно же, головки имеют правильную сферическую форму, но есть и одно исключение – головка aSPHERE™ фирмы DePuy, которая имеет форму искривленной сферы, что по данным производителя позволяет уменьшить износ на 80%, но эта новая революционная технология пока еще не получила широкого признания.
Материал головки. Материал, из которого изготавливается головка, во-первых должен соответствовать материалу, из которого сделана ножка, а во-вторых, он должен соответствовать материалу, из которого изготовлен вкладыш. Головки могут быть металлическими и керамическими.
Металлические головки. Раньше головки делали из нержавеющей стали, но они оказались недостаточно прочными и достаточно сильно изнашивались. Помните, мы уже вам рассказывали о том, что и ножки раньше делали из нержавеющей стали? В настоящее время головки из обычной нержавеющей стали не делают. Иногда в рекламных буклетах можно встретить головки из нержавеющей стали, например, головка из «нержавеющей стали» выпускается фирмой Zimmer. Но на самом деле это не нержавеющая сталь, а сплав PROTASUL, который состоит из железа, хрома, никеля, марганца, молибдена, ниобия (FeCr22Ni10Mn4Mo2NNb).
Головка из обычной медицинской нержавеющей стали: за два года она практически полностью истерлась, что потребовало ее замены. Сейчас такие головки не выпускаются
Помимо стальных бывают кобальт-хромовые, кобальт-хром-молибденовые головки и головки из сплавов титана. Как мы помним, многие ножки эндопротезов тазобедренного сустава делаются из сплавов титана. Головки из кобальт-хромовых сплавов в месте контакта с конусом титанового эндопротеза могут подвергаться коррозии, а титановые головки, которые не подвергаются коррозии на титановой ножке, к сожалению, очень сильно изнашивают вкладыш, так как титановые сплавы практически невозможно отполировать. В связи с этим производители пошли по пути совершенствования кобальт-хромовых сплавов, что привело к минимизации явлений коррозии в месте контакта с титановым конусом ножки бесцементного эндопротеза и титановые головки сейчас практически не используются.
Неизбежным минусом металлических головок является то, что при трении они постепенно изнашиваются, и продукты трения в виде ионов металлов проникают в окружающие ткани (мышцы, связки, кость) и с током крови попадают в другие органы (почки, печень и др.). У пациентов, которым было выполнено эндопротезирование тазобедренного сустава с использованием металлических головок ионы металлов в крови обнаруживаются всегда, но их концентрация достаточно мала и не несет никакого вреда. Однако пропитывание окружающих тазобедренный сустав мышц ионами металлов представляет собой определенную проблему, и мы поговорим об этом позже. Конечно же, сплавы, использующиеся в производстве головок, постоянно совершенствуются, и ученые стараются сделать головки более долговечными, а продукты трения – менее токсичными. Например, в последнее время все большее распространение получают головки из циркониевых сплавов, которые обладают хорошей устойчивостью к трению, не разрушают вкладыши, меньше коррозируют в месте контакта с конусом ножки, а продукты износа малотоксичны.
Головка из циркониевого сплава Oxinium фирмы Smith&Nephew. За красивый цвет хирурги иногда называют ее «черной жемчужиной»
Однако не стоит думать, что кобальт-хромовые головки должны уйти в историю. Например, фирма Zimmer постоянно совершенствует кобальт-хромовые (Protasul, Metasul, Tribosul) и они пользуются доверием хирургов во всем мире. Аналогично и другие фирмы совершенствую свои сплавы. Например, фирма DePuy выпускает головки из современного и качественного сплава Ultamet.
Чаще всего головки имеют диаметр 28 и 32 мм. Реже встречаются головки диаметром 22 мм, 22,2 мм и 26 мм. Головки большего диаметра (36 мм, 38 мм, 44 мм и др.) дают большую амплитуду движений и увеличивают стабильность сустава, но такой диаметр приводит к уменьшению толщины вкладыша и, следовательно, его запаса. В связи с этим применение головок с большим диаметром многократно повышает требования к качеству материалов, из которого они изготовлены. Например, головки стандартных диаметров делают из одних сплавов, а большие головки – из других. Более того, головки большого диаметра менее равномерно распределяют нагрузку, но, пожалуй, эти особенности слишком сложны и интересны только профессионалам.
Керамические головки. Керамические головки в отличие от металлических гораздо меньше истираются при движении, а продукты трения керамических головок нетоксичны. Однако, к сожалению, этот материал достаточно дорог. Более того, производство керамических головок и вкладышей очень сложно, и поэтому практически все производители эндопротезов не выпускают керамические головки и вкладыши самостоятельно, а закупают их у фирмы CeramTec, медицинское подразделение которой выпускает керамические компоненты эндопротезов с 1974 года. Керамические головки изготавливаются на основе оксида алюминия или циркония, или на основе смеси оксидов этих металлов. Этот материал тоже постоянно совершенствуется и с 1974 года фирма CeramTec уже поменяла три поколения керамических компонентов и сейчас она выпускает компоненты из керамики четвертого поколения Biolox delta.
Пожалуй, у керамических головок только два недостатка. Во-первых, керамика потенциально хрупкий материал и может расколоться при установке компонентов эндопротеза или при падении, прыжке и т.д. Однако на практике такая оказия случается крайне редко: риск перелома головки составляет около 1%, причем это данные по керамике третьего поколения, а керамика четвертого поколения Biolox delta более прочная и случаи раскалывания таких головок описываются редко, притом что во всем мире к началу 2012 года уже установлено более 600 тысяч компонентов эндопротеза тазобедренного сустава Biolox delta!
Во-вторых, керамические головки могут скрипеть при движении, особенно если они используются вместе с керамическим вкладышем. Иногда этот скрип даже слышен окружающим, но, к счастью, в большинстве случаев керамика бесшумна.
Керамические компоненты других производителей на наш взгляд не заслуживают доверия, но, возможно, в будущем ситуация изменится.
Керамические головки, точно так же как и металлические головки, могут выпускаться с различным диаметром в 28, 32, 36 40 мм и др. и могут иметь разный оффсет (длину).
Керамические головки Biolox delta диаметром 28, 32, 36 40 мм
Точно как и у металлической головки, у керамической головки есть внутри конус, которым головка насаживается на конус ножки эндопротеза тазобедренного сустава. Внутренняя часть конуса головки может иметь металлическую вставку.
Керамические головки с обычным конусом (слева) и с металлическим конусом (справа). Эти особенности носят исключительно технологический характер.
Вкладыш
Вкладыш, внутри которого происходит вращение головки эндопротеза, вставляется в чашку. Вкладыши бывают полиэтиленовые (из высокомолекулярного поперечно-связанного полиэтилена), металлические и керамические. Цементные чашки, изготовленные из полиэтилена, не имеют вкладыша. Вкладыш вставляется в чашку на операции и блокируется в ней. Керамические компоненты могут раскалываться, поэтому некоторые производители выпускают моноблочные чашки, в которых керамический вкладыш вставляется в чашку на заводе и хирург не боится расколоть его при установке в ходе операции.
Полиэтиленовые вкладыши, точно так же как и полиэтиленовые цементные чашки, сделаны из высокомолекулярного поперечно связанного полиэтилена. Когда мы говорили о цементных чашках, то мы упоминали, что они могут иметь козырек, который препятствует вывихам головки эндопротеза тазобедренного сустава. Точно так же и полиэтиленовые вкладыши для бесцементных чашек могут иметь козырьки, которые устанавливаются обычно сверху и чуть кзади.
Керамические и металлические вкладыши, более устойчивые к истиранию, как правило, имеют меньшую толщину. Следовательно, они используются с головками большого диаметра (32, 38, 38 мм), которые более стабильны и, следовательно, такие вкладыши не имеют козырька.
Полиэтиленовый вкладыш без козырька (слева) и с козырьком (справа)
Качественный эндопротез тазобедренного сустава – недешевое изделие, и, конечно же, производители стараются уменьшить стоимость своей продукции. Но, конечно же, экономия не может идти в ущерб качеству. Выход из такой непростой ситуации находится в унификации компонентов. Например, к одной и той же бесцементной чашке эндопротеза тазобедренного сустава выпускаются одновременно и полиэтиленовые, и металлические и керамические вкладыши.
Внешний вид металлического, полиэтиленового и керамического вкладышей, которые одновременно подходят к одной и той же бесцементной чашке
Чашки Pinnacle фирмы DePuy с установленными полиэтиленовым, металлическим и керамическим вкладышами
Редко встречаются и комбинированные вкладыши, например, металл-полиэтиленовые и керамика-полиэтиленовые. Как правило, благодаря такой «сэндвичной» структуре вкладыша производители пытаются улучшить амортизационные свойства или усиливают соединение компонентов. В настоящее время это направление практически не развивается.
Поперечный разрез «сэндвичной» чашки monoblock Hedrocel фирмы Zimmer. Внешний слой – пористый тантал (трабекулярный металл), в который врастает кость. Внутренний слой – керамический вкладыш. Между ними – прослойка из высокомолекулярного полиэтилена, которая технологически соединяет тантал и керамику
Пара трения
Итак, именно вариант комбинации материалов головки и вкладыша определяет пару трения. Цементные эндопротезы всегда имеют пару трения металл-полиэтилен (металлическая головка и полиэтиленовый вкладыш), а пара трения в бесцементном эндопротезе может быть разной.
Варианты пары трения бесцементных эндопротезов. Слева-направо: металл-полиэтилен, металл-металл, керамика-полиэтилен, керамика-керамика, керамика-металл. Представлены ножки, чашки, вкладыши и головки разных фирм
Все пары трения, которые используются в современном эндопротезировании тазобедренного сустава, очень износостойки. Теоретически вкладыш из высокомолекулярного полиэтилена может служить 40-45 лет! Скорость износа высокомолекулярного полиэтилена составляет 0,2 мм в год, и если вкладыш имеет толщину 8-9 мм, то его как раз хватит на 40-45 лет. Логично, что более толстый вкладыш прослужит дольше. Однако толщина вкладыша определяет диаметр головки – чем толще вкладыш, тем меньше должен быть диаметр головки, и именно по этой причине с полиэтиленовыми вкладышами используются головки диаметром 28 и 32 мм. Как мы уже отмечали, чем больше диаметр головки, тем больше амплитуда движений и более стабилен сустав. Однако и тут не все однозначно и головки разного диаметра по разному распределяют силы. Более того, современные полиэтиленовые вкладыши и головки диаметром 28 и 32 мм при правильной установке эндопротеза могут дать прекрасную амплитуду движений и стабильность. Поэтому не нужно слепо стремится к головкам большого диаметра (36 и более мм).
Скорость износа пары трения керамика-высокомолекулярный полиэтилен составляет 0,1 мм в год, поэтому вкладыша толщиной 8-9 мм хватит уже на 80-90 лет!
Скорость износа пар трения металл-металл, керамика-керамика, керамика-металл еще меньше, и, теоретически, такие протезы еще более долговечны.
Казалось бы, по этому параметру любого эндопротеза хватит на всю оставшуюся жизнь, ведь большинству людей, которым выполняется эндопротезирование тазобедренного сустава больше сорока лет!
Но, опять же не все так просто. Ключевую роль в долговечности эндопротеза чаще играет не износ вкладыша или головки (хотя операции по замене головки и вкладыша из-за износа тоже выполняются), а стабильность ножки или чашки. Дело в том, что продукты трения ни исчезают в никуда, они могут раздражать кость, мышцы, всасываться в кровь, оказывать местное (только рядом с эндопротезом) или системное (по всему организму) токсическое действие.
Продукты трения высокомолекулярного полиэтилена называют дебрисом. Он не всасывается в кровь и основная проблема продуктов трения полиэтилена заключается в том, что дебрис раздражает кость, что может привести к расшатыванию ножки или чашки эндопротеза. Для того, чтобы уменьшить токсическое влияние продуктов трения высокомолекулярного полиэтилена на кость в последнее время полиэтилен стали «пропитывать» витамином E (антиоксидант). Мы надеемся, что эта технология покажет себя эффективной. Крайне редко продукты трения полиэтиленового вкладыша могут скапливаться в окружающих мышцах, приводя к так называемому псевдоопухолевому процессу, который может служить причиной болей. К счастью, псевдоопухолевый процесс при использовании современного высокомолекулярного полиэтилена практически не встречается.
Продукты трения металла меньше раздражают кость, но они активно накапливаются в окружающих мышцах и всасываются в кровь. Псевдоопухолевое поражение окружающих мышц при паре трения металл-металл встречается намного чаще, чем у пары трения металл-полиэтилен. Точная частота развития этого осложнения неизвестна, но, по всей видимости, ее можно оценить в 1-2 процента. Распространение ионов с током крови по внутренним органам обнаруживается только лабораторными анализами и не приводит к заболеваниям этих органов, но, тем не менее, этот факт нужно иметь в виду, так как это может стать проблемой при уже имеющемся заболевании этих органов. Так же пару трения металл-металл следует с осторожностью применять в тех случаях, когда планируется беременность – ионы металлов могут проникать в пуповинную кровь.
Продукты трения керамики практически нетоксичны.
Сравнение пар трения эндопротезов тазобедренного сустава
|
Плюсы |
Минусы |
Металл-полиэтилен |
|
|
Металл-металл |
|
|
Керамика-керамика |
|
|
Пожалуй, отметим еще один интересный факт. Королева Великобритании и Северной Ирландии Елизавета II перенесла эндопротезирование тазобедренного сустава в 95 лет, и пара трения в ее эндопротезе - металл-полиэтилен. Конечно же, это вовсе не означает, что металл-полиэтилен - самая лучшая пара трения, но многим "специалистам", безосновательно критикующим такую компоновку, стоит задуматься. А пациентам не стоит думать о том, что металл-полиэтилен - дешево и плохо.
Металл-полиэтилен. Подходит как мужчинам, так и женщинам, планирующим вести умеренный образ жизни без занятий спортом. Общепризнано, что эта пара трения может быть безопасно использована у людей старшей и, возможно, средней возрастных групп, однако критерии возраста определены неточно. Многие считают, что эта пара трения оправдана у людей старше 60 лет, но во многих странах ее используют и у людей старше 50 и 40 лет. Продукты износа не оказывают вредного системного действия, не всасываются в кровь, а могут только оказыввать вредное местное действие, нарушая качество кости вокруг эндопротеза и теоретически способствовать расшатыванию ножки или, реже, чашки. Технологии изготовления чашек из высокомолекулярного полиэтилена совершенствуются и современные материалы обладают гораздо большей износоустойчивостью и меньшей токсичностью продуктов трения, чем предыдущие типы медицинского высокомолекулярного полиэтилена.
При использовании этой пары трения мы рекомендуем ежегодно выполнять рентгенологический контроль для того, чтобы оценивать интенсивность износа вкладыша.
Металл-металл – больше подходит мужчинам с высоким уровнем физических запросов, например, если после операции планируется вести особенно активный образ жизни, когда нужна большая амплитуда движений. Меньше подходит женщинам (причины, по которым эта пара трения у женщин менее надежна, пока не до конца ясны). Мы настороженно относимся к этой паре трения в том случае, если после операции планируется беременность. Есть доказательства того, что ионы металлов проникают в плод (концентрация повышается на 15%), и, возможно, оказывают неблагоприятное влияние. Четких данных о вреде для ребенка нет – по крайней мере не было зарегистрировано случаев возникновения проблем развития и болезней у детей, матерям которых было выполнено эндопротезирование тазобедренного сустава с парой трения металл-металл. Но нужно быть настороженным, поскольку эта пара трения используется все чаще и отсутствие известных случаев вреда детям может быть обусловлено статистической ошибкой из-за относительно небольшого количества таких операций в прошлом.
Керамика-керамика. Подходит, пожалуй, всем пациентам всех возрастов. Целесообразность применения пары трения керамика-керамика нужно соотносить с ее стоимостью. Зачастую многим пациентам будет абсолютно достаточно более дешевых пар трения. Однако у некоторых фирм пара трения керамика-керамика стоит дешевле пары металл-металл.
Остальные варианты пар трения (керамика-полиэтилен, керамика-металл) комбинируют в себе описанные выше плюсы и, к сожалению, минусы.