Twoim problemem jest to, że powszechną NICOŚĆ mylisz z osobistą PUSTKĄ
KOMPOZYTY (COMPOSITES) 2(2002)4
Jan Ryszard Dąbrowski
1
, Jarosław Sidun
3
, Szczepan Piszczatowski
4
Politechnika Białostocka, Wydział Mechaniczny, ul. Wiejska 45c, 15-351 Białystok
Jacek Sterna
2
Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego, Katedra Chirurgii Zwierząt, ul. Nowoursynowska 166, Warszawa
POROWATE KOMPOZYTY CERAMICZNO-METALICZNE
NA BAZIE STOPU Co-Cr-Mo - POTENCJALNE BIOMATERIAŁY
NA IMPLANTY KOSTNE
Przedstawiono wyniki badań wstępnych mocowania biomechanicznego w kości implantów kompozytowych na bazie proszku
Co-Cr-Mo, wykonanych w trzech wariantach: ze stopu litego, spieku z proszku oraz spieku z proszku z 10% dodatkiem Bioszkła
S-2. Badania przeprowadzono na trzech kastrowanych kozłach mieszańcach w wieku około jednego roku,
pochodzących z tego samego stada. Implantami uzupełniono ubytki trzonu kości piszczelowej. Badania RTG wykonane po dwóch
tygodniach od zespolenia wskazują na obecność kostniny, pojawiającą się wokół implantów. Dalsze badania mechaniczne i mi-
kroskopowe pozwoliły na ocenę jakości połączenia wszczepu z kością.
CERAMIC-METALLIC POROUS COMPOSITES BASED ON Co-Cr-Mo ALLOY
- POTENTIAL MATERIAL FOR IMPLANTS
The paper presents research relating osteointegration of porous implants made from Co-Cr-Mo, executed in three
variants: from solid alloy, porous Co-Cr-Mo sintered compact and porous composite with 10% addition of bioactive-glass type
S-2. The research has been made on three castrated goats in age of about one year, from this oneself herds. Decrease
of shaft of tibia bone has been supplemented by implants. RTG research has been executed after two weeks from junctions sho-
wed bone callus appearing all around implants. The postmortem mechanical and microscopic investigations has permitted for
estimation of quality of connection implants with bone.
WSTĘP
Rozwój implantów na potrzeby chirurgii kostnej
w dużym stopniu zależy od postępów w zakresie inży-
nierii biomateriałów. Chodzi przy tym o wytworzenie
biomateriałów lepiej spełniających wymagania biofunk-
cjonalności, m.in. wytrzymałości mechanicznej, odpor-
ności korozyjnej, biozgodności [1-3]. Pomimo wzrasta-
jących wymagań i potrzeb w tym zakresie rynek
krajowych materiałów dla chirurgii kostnej jest ubogi.
Oprócz niewątpliwych sukcesów w rozwoju materiałów
ceramicznych [4, 5] i kompozytowych [6], brak jest
szerszej oferty rodzimych implantów metalicznych,
szczególnie przydatnych dla ortopedii i chirurgii (np.
endoprotezy stawów, ubytki kości) oraz stomatologii
(uzupełnienia protetyczne).
Stop Co-Cr-Mo, znany szerzej pod nazwą Vitalium,
jest jednym ze standardowych metalicznych materiałów
implantacyjnych, znanym i stosowanym w praktyce od
dziesięcioleci. Interesującą alternatywę dla odlewów
i stopów do przeróbki plastycznej stwarza tu technika
metalurgii proszków [8, 9]. Pozwala ona wyeliminować
szereg wad typowych dla odlewniczych i przerabianych
plastycznie implantów metalicznych, m.in. ograniczyć
mikrosegregację oraz zmniejszyć ilość bądź zwiększyć
dyspersję wydzieleń obcych faz (głównie węglików).
Dobór odpowiednich klas ziarnowych proszku pozwala
na zwiększenie drobnoziarnistości struktury, korzystnej
z punktu widzenia właściwości mechanicznych takich
materiałów [1, 2].
W Katedrze Materiałoznawstwa Politechniki Biało-
stockiej są prowadzone badania materiałów spiekanych
na bazie proszku stopu Co-Cr-Mo. Zastosowana techno-
logia pozwala na otrzymywanie materiałów kompozy-
towych z różnymi dodatkami funkcjonalnymi, m.in.
tribologicznymi, biologicznie aktywnymi, lekami.
W niniejszej pracy są prezentowane wyniki badań fi-
zykochemiczmych i biologicznych materiałów kompozy-
towych na bazie stopu Co-Cr-Mo z wypełniaczem bio-
aktywnym.
1
dr hab. inż.,
2
dr inż.,
3
mgr inż.,
4
dr med.
168
J.R. Dąbrowski, J. Sterna, J. Sidun, S. Piszczatowski,
MATERIAŁ I METODY
WYNIKI I DYSKUSJA
Otrzymane spieki na implanty charakteryzowały się
następującymi właściwościami:
•
Materiał
Z proszków stopu Co-Cr-Mo i wypełniacza z dodat-
kami ceramicznymi otrzymano porowate spieki w zabie-
gach: prasowania, spiekania, doprasowania, obróbki
cieplnej. Z otrzymanych materiałów wykonano próbki
(implanty) do badań biologicznych. Miały one kształt
walców o średnicy 10 mm, z podtoczeniami na po-
wierzchniach czołowych na głębokości 2 mm o średnicy
6 mm w celu zakotwiczenia w jamie szpikowej.
W osi wszczepu wykonano otwór o średnicy 3 mm, zaś
na tworzącej walca wykonano żłobienia (rys. 1).
gęstość materiału litego: 8,34 ⋅ 10
3
kg/m
3
,
gęstość spieku Co-Cr-Mo: 7,24 ⋅ 10
3
kg/m
3
,
•
gęstość kompozytu z bioszkłem: 6,1 ⋅ 10
3
kg/m
3
.
•
Ocena mechaniczna
Przeprowadzone badania mechaniczne wypychania
implantów z kości wykazały najlepszą adhezję implan-
tów na bazie proszku Co-Cr-Mo z Bioszkłem S-2. Siła
potrzebna do wypchnięcia jest dwukrotnie większa niż
dla implantu wykonanego ze stopu litego (rys. 2).
Świadczy to o lepszym wrastaniu kości do powierzchni
wszczepionego elementu. Nieregularna powierzchnia
wszczepu zapewnia tu o wiele silniejsze połączenie bio-
mechaniczne z otaczającą tkanką kostną - istnieje wtedy
możliwość lepszego wrastania tkanki do wszczepu.
121
140
90,5
120
Rys. 1. Wszczepy wprowadzane w celu uzupełnienia ubytku kości
Fig. 1. Implants for bone tissue joint
100
55
80
60
40
Implanty wykonano w trzech wariantach:
20
•
litego stopu Co-Cr-Mo (z trzpienia komercyjnej en-
doprotezy stawu biodrowego typu Wellera),
0
1
spieku z proszku Co-Cr-Mo,
•
Stop lity
Spiek z proszku Co-Cr-Mo
Spiek z proszku Co-Cr-Mo+Bioszkło S-2
•
spieku z proszku Co-Cr-Mo, z zawartością 10%
masy bioszkła S-2 [10].
Rys. 2. Siły wypychania implantów z kości
Fig. 2. Push forces of implants receive from bone tissue samples
Metody
Badania przeprowadzono na 3 kastrowanych kozłach
mieszańcach w wieku około jednego roku, pochodzących
z tego samego stada. Zwierzęta zostały przed doświad-
czeniem odrobaczone. Wykonane następnie badanie
kliniczne nie wykazało żadnych objawów chorobowych.
W dalszej części badań przeprowadzono ocenę wła-
ściwości mechanicznych kostniny oraz zdolności przyra-
stania tkanki kostnej do powierzchni wprowadzonych
wszczepów. Badania przeprowadzono na uniwersalnej
maszynie wytrzymałościowej INSTRON typ TM-SM.
Do badań mechanicznych z wypreparowanej kości wy-
cięto kostninę z implantem, a następnie przygotowano do
badania adhezji implantu z kością. Adhezję badano,
rejestrując siłę wypychania implantu z kości.
Równolegle z badaniami mechanicznymi prowadzo-
no badania mikroskopowe struktury powstającej kostni-
ny na skaningowym mikroskopie elektronowym
HITACHI 3000N, wyposażonym w stolik wymrożenio-
wy do preparatów biologicznych oraz przystawkę do
mikroanalizy „Vantage di”.
4523
3973
3726
5000
4000
3000
2000
1000
0
1
Stop lity
Spiek z proszku Co-Cr-Mo
Spiek z proszku Co-Cr-Mo+Bioszkło S-2
Rys. 3. Moduły Younga kostniny powstałej w trakcie gojenia
Fig. 3. Young’s modulus of callus forming in healing bone tissue
Wyznaczone wartości modułów Younga z próby ści-
skania wskazują również na zmiany właściwości tkanki
kostnej powstałej w trakcie gojenia złamania uzupełnio-
nego implantem dokostnym. Uzyskane wyniki wskazują
na lepsze właściwości tkanki w kontakcie implantu z
bioszkłem. Wyniki badań przedstawiono na rysunku 3.
169
Porowate kompozyty ceramiczno-metaliczne na bazie stopu Co-Cr-Mo ...
Prowadzone równolegle badania mikroskopowe
kości oraz implantów wskazują na istotne różnice struk-
turalne badanych materiałów. Na rysunku 4 przedsta-
wiono zdjęcia mikroskopowe powierzchni kontaktu im-
plantów z kością. Obserwuje się na nich wyraźnie miej-
sca przyrastania kości. Najwięcej punktów przyrastania
zaobserwowano na implancie wykonanym ze spieku
proszku z dodatkiem Bioszkła S-2. Nieznacznie mniej
obserwuje się na powierzchni spieku z czystego proszku,
zaś najmniej na powierzchni implantu wykonanego ze
stopu litego. Na powierzchniach czystych spieków ob-
serwuje się dodatkowo oprócz drobnych cząstek kostni-
ny również włóknisto-nabłonkowy przyczep wokół po-
rów implantu.
Wyniki mikroanalizy chemicznej powierzchni im-
plantów wskazują na zmiany ilościowe wapnia, sodu
oraz magnezu, świadczące o powstawaniu tkanki kostnej
na powierzchni implantu.
Dla kości w kontakcie ze stopem litym obserwuje się
powierzchnię gładką, drobnoziarnistą. Miejsca kon-taktu
kości z powierzchnią wszczepu nie są zniekształcone, co
świadczy o połączeniu adhezyjnym bez bezpośredniego
wrastania tkanki kostnej w powierzchnię.
Powierzchnia dwóch pozostałych próbek jest nie-
równa i postrzępiona, wskutek zrywania punktów kon-
taktu kostniny z implantem podczas wypychania. Wystę-
pował w tych przypadkach dobry kontakt powierzchni
wszczepu z kością, zarówno adhezyjny, jak i na zasa-
dzie wrastania kości w pory próbki.
a)
Ocena kliniczna
Wszystkie rany pooperacyjne wygoiły się przez
rychłozrost. Zwierzęta po kilku dniach podjęły obarcza-
nie kończyny, a po miesiącu poruszały się galopem. W
żadnym przypadku nie obserwowano obfitego wysieka-
nia z otworów na śrubowkręty ani pogorszenia obarcza-
nia kończyny w ciągu 3 miesięcy obserwacji.
Wokół wszczepów pojawiła się kostnina widoczna
na zdjęciach RTG w przypadku wszczepu kompozyto-
wego po dwóch tygodniach, a w pozostałych przypad-
kach po 4 tygodniach.
Sekcja wykazała poza zmianami w operowanym
podudziu jedynie zmiany typowe dla eutanazji. Wokół
śrubowkrętów u wszystkich kozłów skóra była sucha
i czysta. Po odpreparowaniu tkanek miękkich widoczne
były pewne różnice. Okostna wokół wszczepów 1 i 2
odchodziła łatwo od kości i kostniny, trudno było ją
odpreparować z okolicy wszczepu 3-kompozytowego.
Powierzchnia kostniny odsłoniętej po zdjęciu okostnej w
przypadku wszczepów 1 i 2 wykazywała ślad po zro-
śnięciu się ze sobą kostniny.
b)
c)
PODSUMOWANIE
Przeprowadzone badania, zarówno kliniczne, jak też
techniczne, potwierdziły korzystny wpływ dodatku
bioszkła na procesy kościotworzenia i mocowania
implantów w kości. Wykonane badania mikroskopowe
wskazują na zróżnicowane mechanizmy tworzenia połą-
czenia tkanka kostna/implant. Uzyskanie większej ilości
miejsc kościotworzenia w przypadku kompozytów z
bioszkłem może świadczyć o istotnej roli przemian bio-
chemicznych na granicy faz. Występowanie bioszkła w
obszarze gojenia spowodowało również uzyskanie lep-
szych właściwości mechanicznych nowo tworzącej się
tkanki kostnej. Jednakże wyjaśnienie zaobserwowanego
zjawiska wymaga dalszych badań. Pozwolą one też na
Rys. 4. Powierzchnie kontaktu implantów z kością: a) ze stopu litego,
b) spieku z czystego proszku, c) spieku z proszku z dodatkiem
bioszkła S-2
Fig. 4. Implants surface contacted with bone tissue: a) solid alloy,
b) porous Co-Cr-Mo sintered compact, c) porous Co-Cr-Mo com-
posite with bioactive addition
170
J.R. Dąbrowski, J. Sterna, J. Sidun, S. Piszczatowski,
bardziej
merytoryczne
uogól-
[6]
Chłopek J., Błażewicz S., Pamuła E., Błażewicz M., Wajler
C., Carbon and polymer composits in bone surgery, (w:)
Materials for surgery, Band 2, EUROMAT’99, Verlag
1999.
[7]
Kramer K.H., Implants for surgery - a survey on metallic
materials, (w:) Materials for surgery, Band 2, EURO-
MAT’99, Verlag 1999.
[8]
Becker B.S., Bolton J.D., Youseffi M., Production of po-
rous sintered Co-Cr-Mo alloys for possible surgical im-
plants application, Powder Metalurgy 1995, 3, 201-208.
[9]
Dąbrowski J.R., Oksiuta Z., Porowaty materiał implanta-
cyjny z proszku stopu Vitalium, Inżynieria Materiałowa
2000, 4, 174-179.
[10]
Łączka M. i in., Journal of Alloys and Compound 1997,
248, 42-51.
nienia.
Praca została wykonana w ramach projektu badawczego
KBN 7T08D 03021.
LITERATURA
[1]
Cordey J., Biofunctionality and biomechanics of implant,
(w:) Biomaterials-hard tissue repair and replacement,
Elsevier Science Publ. 1992, 235-245.
[2]
Marciniak J., Biomateriały w chirurgii kostnej, Wyd. Poli-
techniki Śląskiej, Gliwice 1992.
[3]
Będziński R., Biomechanika inżynierska, Wyd. Politechni-
ki Wrocławskiej, Wrocław 1999.
[4]
Święcki Z., Bioceramika dla ortopedii, Wyd. IPPT PAN,
Warszawa 1992.
[5]
Ślósarczyk A., Piekarczyk J., Ceramic materials on the
basis of hydroxyapatite and tricalcum phosphate, Ceram
Int. 1999, 25, 561-565.
Recenzent
Jan Leżański