Universitatea POLITEHNICA din BucureştiUniversitatea POLITEHNICA din BucureştiFacultatea INGINERIE MEDICALĂFacultatea INGINERIE MEDICALĂ

ŞTIINŢA ŞTIINŢA MATERIALELOR MATERIALELOR

METALICEMETALICE

Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian Titular curs: S.L.dr.ing. ANTONIAC Iulian VasileVasile

Ştiinţa Materialelor MetaliceŞtiinţa Materialelor Metalice

CURS 8CURS 8

APLICAAPLICAȚII ALE BIOMATERIALELOR ȚII ALE BIOMATERIALELOR METALICE ÎN ORTOPEDIEMETALICE ÎN ORTOPEDIE

1. Structura şi funcţiile osuluiOsul este un organ complex, având o structură de rezistenţă adaptată mecanicii aparatului

locomotor. Înţelegerea structurii,compoziţiei şi vascularizaţiei, mai precis a dinamicii, a modelării şi remodelării interne şi externe, prezintă o importanţă majoră în aplicarea tratamentului afecţiunilor sistemului osteoarticular .

Pentru a-şi îndeplini funcţiile mecanice sau de protecţie a structurilor vitale (creier, organe intratoracice), oasele au forme diferite: tubulare (oasele lungi ale membrelor), scurte (oasele carpului şi tarsului) sau plate (oasele craniului).

Fig. 1. Vedere în secţiune a unui os lung

În structura unui os lung diafiza are un cortex format din os compact cu grosimea maximă în zona medie rezistentă la forţele de încovoiere. Diafiza se lărgeşte spre extremităţi şi formează metafiza alcătuită din ţesut spongios acoperită de un ţesut cortical subţire care să reziste la forţele de compresiune.

Fig. 2. Structura unui os lung

1 - Colul femural 2 - Suprafaţa articulară3 - Trohanterul mare4 - Epifiza (capul femural)5 - Trohanterul mic6 - Os compact diafizar

Fig. 3. Reprezentarea schematică a anatomiei femurului

AO (Asociaţia pentru studiul osteosintezei) a propus o clasificare codificată, care poate sistematiza totalitatea fracturilor. Codificarea, efectuată după studiul a 150 000 de fracturi tratate prin osteosinteză, uşurează crearea unui limbaj comun pentru toate centrele de traumatologie. Deşi nu este încă unanim admisă, clasificarea AO a început să se impună

Clasificarea se bazează pe un cod de 5 simboluri. Primele 2 simboluri definesc localizarea fracturii. Prima cifră reprezintă localizarea la nivelul scheletului.

Fig. 4. Codificarea regiunilor anatomice (după clasificarea AO)

Implante pentru osteosintezImplante pentru osteosintezăă

Diferite cerinDiferite cerinţţe clinice e clinice pentru fiecare tip de implant de pentru fiecare tip de implant de osteosintezosteosintezăă ! !

• Factorii care ţin de pacient• Tipuri de fracturi (clasificarea AO)• Deprinderi chirurgicale (alegerea procedurii clinice)• Necesităţi clinice

Cerinţe biomecanice Reacţii de interfaţă Stabilitate biologică şi vindecare

Implant pentru Implant pentru osteosintezosteosintezăă

Design Design BiomaterialBiomaterial SuprafaSuprafaţţăă ImplantImplant

Aspecte clinice medicale

OSTEOSINTEZA = aducerea segmentelor osoase fracturate intr-un aliniament adecvat in vederea vindecarii ulterioare.

Exemple de iExemple de implanturi mplanturi pentru pentru osteosintezaosteosinteza

Biomateriale utilizate Biomateriale utilizate îîn ortopedien ortopedie : :

Biomateriale utilizate Biomateriale utilizate îîn osteosintezn osteosintezãã

Implante pentru osteosintezImplante pentru osteosintezăă

2.1. Oţeluri inoxidabile

Aliajele chirurgicale din oţel inoxidabil au un istoric îndelungat în folosirea pentru confecţionarea dispozitivelor ortopedice. Aceste aliaje, ca şi aliajele de titan, sunt utilizate cel mai frecvent în stare forjată şi tratate termic, ceea ce le conferă duritate şi ductilitate ridicate. Aliajele de fier din grupa celor inoxidabile, cu utilizare limitată în aplicaţii biomedicale, sunt prezentate în Tabelul 1.

Material F 138* F 745

F 1314

F 1586

Densitate (gr/cm3) 7,9 - 7,98 -E (GPa) 200 - 200 200

Duritate (HV) 350 - 205 365σ0.2% (MPa) 690 207 380 975

σUTS (MPa) 860 483 690 1090Alungire (%) 12 30 35 14,5

Tabelul 1. Proprietăţile mecanice ale unor oţeluri inoxidabile biocompatibile

Cel mai frecvent utilizat tip de oţel inoxidabil folosit pentru implante este cel tip 316L (conform AISI), respectiv F 138 (conform ASTM), care conţine 17-19% Cr, 13-15,5% Ni, şi mai puţin de 0,03%C.

2. Biomateriale metalice

Alierea cu crom generează un oxid protector auto-regenerant care rezistă la perforare şi are un grad înalt de rezistivitate electrică, asigurând astfel o protecţie foarte bună împotriva coroziunii; formarea stratului pasiv de oxid de crom este facilitată de imersia aliajului într-o soluţie concentrată de acid nitric. Nichelul creşte rezistenţa la coroziune şi uşurează procesul de fabricaţie. Adăugarea de molibden îmbunătăţeşte rezistenţa la coroziunea de tip „pitting”.

Fig 5. Imagine de microscopie optică - microstructură tipică a unui oţel inoxidabil

austenitic 316L deformat prin laminare, mărire 200x.

Fig. 6. Imagine de microscopie electronică - evidenţierea microstructurii şi a stării

incluzionare a unui oţel inoxidabil austenitic

deformat prin laminare, marire 1000x.

2.2. Titan comercial pur şi aliaje de titan

În ultimii ani, titanul şi aliajele sale au început să fie folosite pe scară foarte largă ca biomateriale metalice. Titanul este unul din cele mai răspândite metale în natură. Concentraţia titanului în scoarţa terestră, exprimată în procente masice, este 0.63%, acesta ocupând locul 7, după Al (8.8%), Fe (5.1%), Ca (3.6%), Na (2.64%), K (2.6%) şi Mg (2.1%). Tehnologia de obţinere a titanului este scumpă pentru că titanul este puternic legat chimic în compuşii existenţi ca minerale (minereuri de titan); titanul reacţionează puternic cu multe elemente chimice; titanul absoarbe gaze; elementele magneziu şi sodiu utilizate la reducerea metalotermică a TiCl4 sunt scumpe; obţinerea titanului de înaltă puritate prin electroliză sau prin metoda iodurii este scumpă.

Fig. 7. Aspecte microstructurale caracteristice pentru titanul pur (ISO 5832-4/12)

Aliajul de titan cel mai des utilizat este de tip Ti6Al4V. Modulul de elasticitate al aliajului este puţin mai mare decât al titanului, fiind de aproape cinci, şase ori mai mare decât al osului compact. În general, titanul şi aliajele de titan au demonstrat, pentru implantele şi protezele introduse în organism, prezenţa unor interfeţe descrise ca fiind “osteointegrate” .

Titanul şi aliajul tip Ti6A14V sunt utilizate pentru excelenta lor rezistenţă la coroziune şi pentru modulele lor de elasticitate care sunt aproximativ jumătate din cele ale oţelului inoxidabil austenitic. Aceste module mai scăzute duc la obţinerea unor dispozitive cu o rigiditate mai mică care pot fi avantajoase pentru anumite aplicaţii, cum sunt cele de implantare. Problemele legate de titan sunt sensibilitatea mare la fracturare şi rezistenţa slabă la uzură care pot conduce la eliberarea unor resturi de materiale, dacă acesta nu este testat atent în vederea fabricării implantelor.

Fig. 8. Microstructura tipică a unui aliaj tip Ti6Al4V: (a) imagine de microscopie optică, mărire 500x; (b) imagine de microscopie electronică, mărire 1000x

a) b)

Osteosinteză cu placă metalică

înşurubată

Osteosinteză cu sistem şurub-placă DHS

(pentru fracturi de col femural)

Osteosinteză cu şuruburi

(pentru fragmente osoase)

Osteosinteză cu tije centromedulare zăvorâte

(fracturilor diafizare ale oaselor lungi)

Tipuri de implante pentru osteosintezãTipuri de implante pentru osteosintezãExistă două concepţii de tratament pentru fracturile diafizare ale oaselor lungi:- conceptul fixării rigide, cu focar deschis, reprezentată prin excelenţă de către şurub şi placa în compresiune care vor permite o sudură autogenă; -conceptul fixării elastice, în care zona fracturată este tratată prin abord cu focar închis; introducerea unei tije în axul neutru al diafizei.

3. Implante pentru osteosinteză

Acest tip de osteosinteză urmăreşte fixarea fracturii printr-un sistem mecanic simplu ca principiu, dar care lucrează în asimetrie pe o substanţă osoasă eterogenă ca structură şi comportament mecanic. Ea permite reluarea precoce a mişcărilor active, cu refacerea integrităţii osului în forma sa primară prin sudura „per primam” a fragmentelor osoase. Efectele biologice ale utilizării plăcii înşurubate sunt numeroase, de exemplu sub placa montată pe os apar tulburări vasculare.

Astfel, în prima zi post-operator cea mai mare parte a corticalei nu este vascularizată. Începând din ziua a 15-a, aproape toată corticala este revascularizată prin intermediul

vaselor care provin din canalul medular, cu condiţia ca focarul să fie stabil şi să nu fi existat micromişcări la acest nivel.

Fig 9. Aspecte ale osteosintezei cu plăci (pentru fracturile de tibie)

3.1. Osteosinteza cu placă metalică înşurubată

Sub placă, ţesutul cortical se transformă în 4-7 săptămâni în ţesut spongios datorită noilor condiţii biomecanice locale. Corticala dispare deoarece, placa, datorită slabei sale plasticităţi supraprotejează osul din punct de vedere mecanic, făcând să dispară astfel solicitările necesare organizării şi construcţiei osului. În zona corticală subdiacentă unei plăci, pierderea mecanică variază între 50-80%, pierderea cea mai mare datorându-se plăcii cele mai groase. Osul „se apără” construind de o parte şi de alta a marginilor plăcii pereţi de ţesut cortical care rigidizează segmentul osos. Acestea nu trebuiesc îndepărtate când se practică suprimarea materialului de osteosinteză deoarece există riscul producerii unei noi fracturi.

Fig.10. Aspecte ale osteosintezei cu plăci (fixarea plăcii cu şuruburi)

Majoritatea leziunilor diafizare sau epifizare necesită o osteosinteză solidă. O fixare rigidă, făcând inutilă contenţia externă, impune utilizarea unui material foarte solid şi, dacă este posibil, a unei compresiuni puternice între cele două fragmente, pentru a evita orice mobilitate în focar. Utilizarea plăcilor în compresiune face posibilă un asemenea tip de osteosinteză.

Fig. 11. Aspecte ale osteosintezei cu plăci (plăci de compresiune adaptate)

Fig.12. Aspecte ale osteosintezei cu plăci (plăci de fixare pentru fracturile epifizare)

Pentru fracturile situate la extremităţi se utilizează sistemele de şurub-placă sau lamă-placă monobloc, introduse la joncţiunea diafizo-epifizară. Ele asigură o bună osteosinteză a fracturilor epifizare printr-un bun sprijin diafizar asigurat de lama şi şuruburile corticale care o susţin, în timp ce lama sau şurubul fixează bine epifiza fracturată.

Dintre toate sistemele de cui-placă, lamă-placă sau şurub-placă utilizate curent, doar sistemele moderne de şurub-placă în compresiune, tip DKP, DHS (pentru extremitatea superioară a femurului) sau DCS (pentru extremitatea inferioară a femurului), pot lupta eficient împotriva penetraţiei cefalice a materialului datorită resorbţiei osoase în focar şi pot asigura în acelaşi timp compresiunea intrafocală eficientă şi permanentă.

Fig. 13. Aspecte ale osteosintezei cu sistem şurub-placă DHS (pentru fracturi de col femural)

3.2. Osteosinteză cu sistem şurub-placă

Şuruburile se utilizează pentru osteosinteza izolată a unor fragmente osoase care trebuiesc apropiate. Există în principiu două mari categorii de şuruburi: şuruburi corticale, cu diametre diferite pentru toate segmentele membrelor şi şuruburi de spongie, care au un pas profund ce permite ancorarea în epifiză. Şuruburile de spongie au un filetaj în formă de elice cu pas larg, fapt ce face tarodajul prealabil inutil. Şuruburile corticale există în multiple dimensiuni, atât în lungime cât şi în grosime, mergând de la un micro-şurub de 1,5mm la şuruburi de 5mm diametru.

Figura 14. Aspecte ale osteosintezei cu şuruburi

3.3.Osteosinteză cu şuruburi

Există două tipuri principale de şuruburi:

autotarodante adică acele şuruburi care, după forarea orificiului cu burghiul, îşi creează singure filetajul în os (placa Sherman, Vitallium, Maconor);

cele care necesită forarea orificiului cu burghiul şi un tarodaj prealabil (şurubul AO).

Începuirea centromedulară este o metodă de osteosinteză care se adresează fracturilor diafizare ale oaselor lungi. Modelul clasic este tija canulată Küntscher cu aspect de treflă pe secţiune, care poate fi introdusă în maniera clasică, cu focar deschis, sau, mai modern, cu focar închis, cu sau fără blocaj. După controlul radiografic al reducerii în focarul de fractură se introduce tija cea mai lungă şi cu diametrul cel mai mare posibil, evitând rotaţia segmentelor. Calitatea reducerii şi a osteosintezei se verifică întotdeauna radiografic.

Dezavantajul acestei tehnici constă în faptul că nu pot fi osteosintezate astfel decât fracturile situate în treimea medie a diafizelor, cu traiect transversal sau spiroid. În plus, introducerea centromedulară a tijei afectează vascularizaţia endostală şi creează riscul redutabil al unei infecţii generalizate a osului (pandiafizită), cu consecinţe grave asupra rezultatului osteosintezei.

Fig.15. Aspecte ale osteosintezei cu tije centromedulare zăvorâte

3.4.Osteosinteză cu tije centromedulare zăvorâte

Fig. 16. Aspecte ale osteosintezei cu tije centromedulare elastice

Cercetările de fotoelasticitate au demonstrat că, graţie sistemului de osteosintezǎ în arc secant , se realizează încărcarea cea mai apropiată de normal a osului fracturat. Osteosinteza în arc secant este contraindicată în fracturile instabile şi mai ales cominutive, dacă nu i se adaugă un mijloc supli mentar de stabilizare (un fixator extern în concepţia autorului).

Avantajele osteosintezei centromedulare:

Parametrii cParametrii careare influenţează influenţează biofunctionalitatea tijelor biofunctionalitatea tijelor

centromedularecentromedulare

PPaacciieenntt

MMeeddiicc

SSiisstteemm

ooss--iimmppllaanntt

IImmppllaanntt TTeehhnniiccăă cchhiirruurrggiiccaallăă PPoozziiţţiioonnaarree iimmppllaanntt OOrriieennttaarree iimmppllaanntt FFiixxaarree iimmppllaanntt IInnffeeccţţiiee

MMaatteerriiaall PPrroocceessaarree DDeessiiggnn SStteerriilliizzaarree

SSttrruuccttuurrăă oossooaassăă GGrreeuuttaattee AAccttiivviittaattee zziillnniiccăă CCiinneemmaattiiccăă

SSoolliicciittăărrii mmeeccaanniiccee UUzzuurrăă CCoorroozziiuunnee OObboosseeaallăă OOsstteeoolliizzăă PPaarrttiiccuullee ((ddeebbrriiss)) IIoonnii mmeettaalliiccii

3.5. Broşele Kirschner -sunt utilizate pentru osteosinteză provizorie a unor fracturi cu fragmente osoase complexe sau instabile sau pentruosteosinteză definitivă la oasele mâinii şi a piciorului. Se mai utilizează în diverse procedee ce presupun ancorare osoasă, cum ar fi de exemplu tracţiunea-extensie continuă.

3.6.Firele metalice de sârmă – permit osteosinteza prin cerclaj simplu sau ancadrament sprijinit pe broşe (procedeul de hobanaj). Cerclajul simplu pe fracturi diafizare, tehnică clasică la începuturile osteosintezei, este actualmente proscrisă datorită riscului de necroză a osului prin lezarea vascularizaţiei periostice pe care acest tip de osteosinteză îl antrenează. Se utilizează în special în cerclajul sau hobanajul fracturilor de rotulă sau olecran, sau pentru reinserţia trohanterului după trohanterotomie.

3.7.Agrafele – sunt utilizate pentru osteosinteza epifizelor după osteotomii de sustracţie, la reinserţia ligamentelor smulse cu pastilă osoasă sau pentru fixarea focarului de artrodeză în unele intervenţii de acest tip pe mână sau picior. Ele nu permit o osteosinteză fermă, necesitând adesea contenţie complementară cu gips.

Vă mulţumesc pentru atenţie !Vă mulţumesc pentru atenţie !

Va urma: Va urma: CURSUL 9CURSUL 9