Журнал «Травма» Том 12, №2, 2011

Внутрикостный остеосинтез длинных костей является в настоящее время одним из наиболее интенсивно развивающихся и востребованных направлений восстановительной хирургии как при лечении переломов длинных костей (А.В. Калашников [3], И.М. Рубленик [4]), так и при удлинении длинных костей с использованием полностью погружаемых в кость конструкций (А.И. Блискунов (Украина) [1]; В.В. Драган (Украина) [2]; R. Baumgart, A. Betz (Fitbon, Германия) [5, 6]; J.M. Guichet (Albizzia, Франция) [7]; S. Hankemeier, А.Н. Simpson (ISKD, США) [8, 9]).

Вышеупомянутые внутрикостные дистракционные устройства, кроме непосредственно функции остеосинтеза, выполняют функцию удлинения.

Разработка метода удлинения голени, в частности конструкции полностью имплантируемого дистракционного аппарата, связана с рядом частных задач, требующих изучения и решения на практике.

Их специфика заключается в принципиальном отличии удлинения голени приводным внутрикостным аппаратом и определяется в первую очередь ограниченным пространством для размещения аппарата, что обусловлено анатомией большеберцовой кости и, во-вторых, тем, что голень относится к наиболее нагружаемым фрагментам опорно-двигательного аппарата, что предъявляет повышенные требования к прочности имплантируемого дистракционного аппарата. Таким образом, необходимо решение дилеммы, обусловленной, с одной стороны, необходимостью создания достаточно прочного аппарата, с другой стороны, конструкторские параметры его ограничены размерами костно-мозговой полости большеберцовой кости.

Цель работы — оценка сопротивления образца (внутрикостного аппарата) циклическому осевому сжатию, а также сжатию с кручением, имитирующему усилия в большеберцовой кости человека при ходьбе.

Материалы и методы

Испытания полностью имплантируемого дистракционного аппарата для удлинения голени, внешний вид и чертеж которого представлены на рис. 1, были проведены в лаборатории механических испытаний Института проблем прочности им. Г.С. Писаренко НАН Украины.

Испытания образцов на усталость выполнялись на универсальных сервогидравлических машинах Instron 8802 и BiSS Bi-00-701.

Испытания на циклическое сжатие выполнялись на сервогидравлической машине Instron 8802 фирмы Instron (Великобритания, 2005) с максимальным усилием 250 кН (рис. 2). Машина оснащена цифровой системой управления на базе контроллера Instron FastТrack 8800 с лицензионным программным обеспечением MAX (версия SAX применительно к одноосному нагружению) для испытания при циклически повторяющихся нагрузках.

Испытания на циклическое сжатие с кручением выполнялись на сервогидравлической машине Bi-00-701 фирмы BiSS (Индия, Бангалор, 2008) с максимальным осевым усилием 100 кН и максимальным крутящим моментом 1,2 кНм (рис. 3). Машина оснащена цифровой системой на базе контроллера BiSS Imacon 2350 с лицензионным программным обеспечением MTL32, а также прикладным программным приложением Test Builder V2 для испытаний при сложном нагружении.

Образец модуля «кость — аппарат» представляет собой две металлические трубки, имитирующие большеберцовую кость, диаметром 30 мм, внутри которых располагается внутрикостный аппарат, фиксируемый с трубками тремя винтами в проксимальной части образца и двумя винтами в дистальной части.

Испытывалось два типа идентичных образцов, отличающихся диаметром блокирующих болтов:

— тип 1 — болты с резьбой М6 (далее обозначены «образцы М6»);

— тип 2 — болты с резьбой М7 (далее обозначены «образцы М7»).

Для удержания хвостовиков образцов в захватах машины при испытаниях на циклическое сжатие с кручением к машине BiSS Bi-00-701 изготовлена технологическая оснастка в виде втулочных переходников шпилечного типа.

Образцы устанавливались в захваты испытательных машин, и запускалась программа испытаний.

Частота нагружения при сжатии была принята фиксированной и составляла 10 Гц, а при сжатии с кручением 5 Гц, форма цикла синусоидальная. Минимальная нагрузка сжатия и минимальный крутящий момент при испытаниях на циклическое сжатие с кручением был равен –1,5 кН. Базовое число циклов, после которого испытания текущего этапа завершались независимо от состояния образца, составляло 100 000.

Результаты и их обсуждение

Экспериментальные работы выполнялись поэтапно — сначала при нагрузке, условно принятой за 100 %. К испытаниям второго этапа переходили после того, как образец выдерживал без видимых повреждений испытания первого этапа. Нагрузка на втором этапе увеличивалась до 125 %.

На первом этапе испытаний образца М6 на циклическое сжатие нагрузка изменялась в диапазоне от –1,5 до –5,25 кН, что условно принято за 100 %. Повреждения образца М6 после 100 000 циклов первого этапа не зафиксированы, и испытания образца были продолжены на более высоком уровне нагружения.

На втором этапе испытаний образца М6 максимальную нагрузку сжатия увеличили на 25 % — до –6,56 кН. До 34 000 циклов сжатия состояние образца М6 оставалось стабильным. При циклической нагрузке сжатия от –1,5 до –6,56 кН (125 %) у образца М6 после 34 000 циклов разрушился один из крепежных болтов. Поврежденный образец был снят с дальнейших испытаний.

Образец М7 на первом этапе испытания выдержал 100 000 циклов сжатия при нагрузке от –1,5 до –5,25 кН (100 %). На втором этапе нагрузка на образец М7 была увеличена до 125 %. После 100 000 циклов сжатия при нагрузке 125 % повреждений образца выявлено не было. После завершения второго этапа образец М7 был подвергнут циклическому сжатию с кручением.

Осевая нагрузка на образец составляла 100 % и изменялась в пределах от –1,5 до –5,25 кН. При этом нагрузка на деталь от крутящего момента была равна нагрузке от сжатия. Исходя из этого, минимальное и максимальное значения крутящего момента составили 9,75 и 34,125 Нм соответственно. Максимальная осевая нагрузка совпадала по фазе с максимальным крутящим моментом для моделирования наиболее опасной ситуации. Разрушение образца М7 произошло после 9570 циклов вследствие развития усталостной трещины от отверстий для болтов на трубке аппарата. Участок образца с усталостным разрушением показан на рис. 4.

Выводы

1. В режиме циклического сжатия под номинальной максимальной нагрузкой –5,25 кН образец М6 выдержал 100 000 циклов без признаков механического повреждения. При повторном испытании под нагрузкой –6,56 кН, что составляет 125 % от первоначальной, после 34 000 разрушился один из крепежных болтов.

2. В режиме циклического сжатия образца М7 под нагрузкой –6,56 кН, составляющей 125 % от номинальной, при наработке 100 000 циклов не заметно признаков механического повреждения.

3. В режиме циклического сжатия с кручением под синфазной нагрузкой –6,56 кН, составляющей 125 % от номинальной, образец М7 после 9570 циклов разрушился вследствие развития усталостной трещины от отверстий для болтов на внутренней трубке аппарата.

4. Конструкция аппарата внутрикостного с крепежными болтами М7 прочнее.

5. По предварительным данным, одновременное воздействие циклического сжатия и кручения снижает долговечность аппарата более чем на порядок по сравнению с нагружением только циклическим сжатием. Вместе с тем количественную сравнительную оценку долговечности можно получить только на большем числе образцов.

6. Учитывая данные, полученные при проведенных испытаниях, целесообразно использование аппарата с блокирующими винтами М7 с увеличенной прочностью внешнего корпуса за счет увеличения толщины его стенки.