Анотація

Мета. Незалежно визначити механічні властивості інтрамедулярних стрижнів (ІМН), блокувальних гвинтів та динамічних компресійних пластин (DCP) від п’яти поширених систем остеосинтезу та оцінити міжвиробничу варіабельність параметрів, що є важливими для безпечного раннього контрольованого аксіального навантаження (раннього навантаження масою тіла) та підвищення точності скінченно-елементного моделювання.

Методи. Для дослідження відібрано імплантати остеосинтезу від п’яти виробників (чотири китайські та один індійський). П’ять стандартних DCP-пластин із десятьма отворами, кожна від окремого виробника, випробувано на згин. П’ять ІМН від різних виробників перевірено на розтяг. Додатково п’ять блокувальних гвинтів від кожного виробника протестовано на згин, а ще п’ять — на розтяг. Проведено якісне порівняння для оцінки міжвиробничих відмінностей у механічних характеристиках цих фіксуючих елементів.

Результати. Виявлено міжвиробничі відмінності у границі плинності пластин до приблизно двократної різниці. Інтрамедулярні стрижні продемонстрували значно меншу варіабельність — границя плинності відрізнялася на близько 10–15% між виробниками, а значення модуля Юнга були відносно стабільними. Блокувальні гвинти показали проміжний рівень варіабельності, із відмінностями у границі плинності до 30%.

Висновки. Виявлені міжвиробничі відмінності у границі плинності, тимчасовій опорі та модулі Юнга можуть суттєво впливати на межі безпечного раннього контрольованого аксіального навантаження та ризик механічного відмовлення фіксаційної конструкції. Незалежно отримані експериментальні параметри є придатними для параметризації моделей створених за допомогою метода скінченних елементів та можуть бути основою для розробки індивідуалізованих протоколів навантаження під час реабілітації після переломів. Випробувані механічні властивості імплантатів остеосинтезу відповідають вимогам стандартів виробництва та не є нижчими за нормативні значення.
Ключові слова: Імпланти для остеосинтезу, механічні випробування, фіксація уламків кістки, МСЕ

Вступ

Механічна надійність імплантів для фіксації переломів визначає не лише стабільність остеосинтезу, а й безпеку раннього контрольованого осьового навантаження. Хоча точність хірургічної техніки залишається ключовим чинником успіху, саме поведінка системи «кістка – фіксатор» визначає стійкість у період ранньої мобілізації та ризик механічного зламу.

Попередні біомеханічні дослідження засвідчили значну варіабельність жорсткості та міцності фіксаторів, зумовлену геометрією, матеріалом і методикою навантаження (Zhang S et al., 2022 [1]; Okazaki Y et al., 2020 [2]). Інші роботи показали вплив модуля пружності кістки й траєкторії гвинтів на стабільність фіксації (Tsagkaris C et al., 2023 [3]) та особливості розподілу напружень у чисельних моделях (Li B et al., 2023 [4]). Як відзначили Aluede E et al., 2014 [5], навіть конструкційно схожі пластини різних виробників можуть суттєво відрізнятися за межами плинності, що безпосередньо впливає на клінічну безпеку під час навантаження.

Клінічні наслідки механічної відмови залишаються актуальними: частота зламів фіксаторів після остеосинтезу довгих кісток сягає 5–9 % (Gardner MJ et al., 2009 [6]), тоді як надмірна жорсткість може знижувати стимуляцію формування кісткового мозоля (Windolf M et al., 2017 [7]). Баланс між міцністю та гнучкістю фіксатора є вирішальним для забезпечення стабільності та достатньої механічної стимуляції зрощення.

Така варіабельність параметрів обґрунтовує потребу у незалежних bench-випробуваннях, які дозволяють отримати експериментальні дані для МСЕ-моделей і формування персоналізованих протоколів навантаження, особливо для широко застосовуваних, але недостатньо стандартизованих систем остеосинтезу.

Матеріали та методи

Об’єкти дослідження.
Досліджено п’ять систем остеосинтезу: Auxein, Jiangsu Jinlu, NX Medical (Changzhou Nanxiang Medical), Double Medical Technology та Irene. Усі імпланти виготовлені з титанової сплаву Ti-6Al-4V Grade 5 (ISO 5832-3 / ASTM F136).

Конфігурація зразків.
– Інтрамедулярні цвяхи: Ø ≥ 9 мм, L ≥ 240 мм (n = 1 для кожного виробника).
– Блокувальні гвинти: 5 × 55 мм (n = 2 для кожного виробника).
– Пластини: прямі вузькі блокувальні пластини (n = 1 для кожного виробника).

Обладнання та калібрування.
Випробування на згин та розтяг гвинтів виконували на електромеханічній розривній машині UTM-100 (СКТБ ІПМіц НАН України; Fₘₐₓ = 100 kN) за температури 23 ± 1 °C. Силовий датчик (клас 0,5) та екстензометр були попередньо відкалібровані (свідоцтво повірки № МХ/062/25 від 21.02.2025); простежуваність вимірювань підтверджена відповідною сертифікацією. Випробування на розтяг інтрмедулярних цвяхів проводили у випробувальній лабораторії ТОВ «СендЛаб» (акредитація за ДСТУ EN ISO 17025:2019 від 26.03.2022).

Методика випробування на розтяг.

Для гвинтів швидкість переміщення становила v = 4,5 мм/хв; для цвяхів випробування проводили відповідно до ISO 6892-1 у режимі контрольованого переміщення. Визначали такі параметри: σ₀.₂ (Rp₀.₂ — умовна межа плинності при 0,2% деформації), σUTS (тимчасовий опір розриву; Rₘ), максимальне навантаження (Pmax) та відносне видовження до руйнування (A).

Рис. 1 Випробування гвинтів на розтяг

a (Double Medical Technology)

 b (Auxein)

Рис. 2 Руйнування гвинтів під час випробування на (a) розтяг та (b) згин 

Протокол випробування на згин.

Випробування на згин виконували за триточковою схемою з центральним навантаженням та опорною базою L = 105 мм для пластин і L = 40 мм для гвинтів (радіуси опорних роликів R₁ = 5 мм, радіус індентора R₂ = 10 мм). Навантаження прикладалося у центрі зразка. Швидкість переміщення індентора становила v = 11 мм/хв, що відповідає квазістатичному режиму випробування при контрольованому переміщенні.
Напруження у зовнішньому волокні визначали за формулою:

де W — модуль опору перерізу, а M — згинальний момент.

Згинаючий момент був визначений за формулою:

де P це діюча сила та L це половина відстані між опорами. 

Модуль опору для гвинтів визначається за формулою:

де d = 4мм середній діаметр гвинта. 

Різьба не враховувалась під час оцінювання міцнісної здатності гвинтів. Момент опору перерізу для пластин визначали на основі КТ-сканування зразка. Отриману геометрію обробляли у програмному середовищі Simpleware (Synopsys, США), після чого експортували у формат STL для розрахунку геометричних характеристик перерізу в CAD-системі Inventor (Autodesk, США). Випробування на згин для пластин і гвинтів виконували з метою оцінки їх жорсткості та міцності за умов квазістатичного навантаження.

Рис. 3 Випробування гвинтів на згин

Рис. 4 Випробування пластин на згин

Порівняння та нормалізація.

Отримані результати порівнювали з вимогами стандарту ISO 5832-3:2021.

Пластини — випробування на згин

Модуль Юнга (E) коливається в межах від 107,2 до 128,2 ГПа, межа плинності при 0,2% деформації (σ₀.₂) — від 867,7 до 1783,4 МПа, а максимальне згинальне напруження (σmax) — від 1094 до 2055,8 МПа. Максимальне навантаження (Pmax) становило 1,02–1,92 кН. Відносне видовження до руйнування (A) коливалося в межах 6,6–8,3%.

Міжвиробничі відмінності σ₀.₂ досягали приблизно двократної різниці, тоді як модуль Юнга залишався відносно стабільним (відмінності < 20%).

 

Таблиця 1. Результати випробування пластин на згин (n = 1 від виробника)

Параметр

Auxein

Jinlu

NX

Double Medical Technology

Irene

E (GPa)

107.2

109.6

126.9

128.2

115.7

σ₀.₂ (MPa)

1627

936

868

1783

1007

σmax (MPa)

2056

1144

1094

1993

1224

Pmax (kN)

1.59

1.27

1.02

1.92

1.31

A (%)

6.6

7.9

8.3

6.6

7.7

 

Рис. 5. Модуль Юнга, межа плинності та видовження до руйнування отримані під час випробування пластин на згин.

Гвинти — розтяг

Значення σ₀,₂ коливалися в межах 889–1121 МПа, σUTS — 1056–1303 МПа, видовження до руйнування (A) — 13–26 %, максимальне навантаження (Pmax) — 14,6–16,8 кН. Усі показники перевищували мінімальні вимоги стандарту ISO 5832-3 (σ₀,₂ ≥ 795 МПа; σUTS ≥ 895 МПа).

Таблиця 2. Результати випробування гвинтів на розтяг (n = 1 від виробника)

Параметр

Auxein

Jinlu

NX

Double Medical Technology

Irene

E (GPa)

107.2

109.6

126.9

128.2

115.7

σ₀.₂ (MPa)

1627

936

868

1783

1007

σmax (MPa)

2056

1144

1094

1993

1224

Pmax (kN)

1.59

1.27

1.02

1.92

1.31

A (%)

6.6

7.9

8.3

6.6

7.7

 

Рис. 6. Модуль Юнга, межа плинності та видовження до руйнування отримані під час випробування гвинтів на розтяг.

Гвинти — згин (квазістатичний)

Випробування гвинтів на згин показали значення Rp₀,₂(згин) у межах 1234–1761 МПа та σmax(згин) у межах 1634–2515 МПа. Максимальне навантаження (Pmax) коливалося від 1253 до 1580 Н (1,25–1,58 кН).

Таблиця 2a. Результати випробування гвинтів на згин (n = 1 від виробника)

Параметр

Auxein

Jinlu

NX

Double Medical Technology

Irene

Rp₀.₂(bend) (MPa)

1234

1345

1334

1336

1761

σmax(bend) (MPa)

1634

1852

1851

1790

2515

Pmax (N)

1462

1253

1346

1447

1580

 

Рис. 7. Модуль Юнга, межа плинності та видовження до руйнування отримані під час випробування гвинтів на згин.

Інтрамедулярні стрижні — Розтяг

Для інтрамедулярних стрижнів значення σ₀,₂ коливалися від 883 до 1036 МПа, σUTS — від 1003 до 1126 МПа, а видовження до руйнування (A) — від 4 % до 13,5 %.

Таблиця 2a. Результати випробування гвинтів на згин (n = 1 від виробника)

Параметр

Auxein

Jinlu

NX

Double Medical Technology

Irene

Rp₀.₂(bend) (MPa)

1234

1345

1334

1336

1761

σmax(bend) (MPa)

1634

1852

1851

1790

2515

Pmax (N)

1462

1253

1346

1447

1580

 

Рис. 8. Модуль Юнга, межа плинності та видовження до руйнування отримані під час випробування інтрамедулярних стрижнів на розтяг.

Обговорення

Результати демонструють значну міжвиробничу варіабельність механічних властивостей імплантатів для остеосинтезу. Відмінності у межі плинності (σ₀,₂), межі міцності (σUTS) та модулі Юнга (E) відображають неоднорідність технологічних процесів виготовлення і можуть впливати на допустимі межі раннього контрольованого навантаження під час реабілітації.

Серед усіх типів імплантатів спостерігалася помірна варіабельність жорсткості (E) та суттєва варіабельність σ₀,₂, що свідчить про вплив конструктивних та технологічних факторів. Всі вироби демонстрували характеристики, сумісні з Ti-6Al-4V Grade 5; проте міжвиробничий розкид σ₀,₂ — до ~2 разів для пластин та 10–15 % для стрижнів — може істотно впливати на порогові значення безпечного навантаження у МСЕ-моделюванні та клінічних протоколах раннього навантаження.

Частота механічних відмов фіксаторів після остеосинтезу довгих кісток становить приблизно 5–9 % [6–9]. Недостатній запас міцності або надмірна жорсткість конструкції можуть призвести до поломки імплантату або затримки зрощення. Оптимальний баланс між жорсткістю та гнучкістю необхідний для забезпечення стабільності фрагментів при збереженні рівня деформацій, достатнього для стимуляції формування кісткового мозоля [7,10].

Хоча дане дослідження не спрямоване на рейтингування виробників, воно чітко демонструє, що конструктивно схожі системи імплантатів можуть мати клінічно значущі відмінності, релевантні для прийняття рішень щодо раннього навантаження.

Інтеграція експериментально визначених механічних параметрів у МСЕ-моделі дозволяє зменшити невизначеність, підвищити точність прогнозування ризику механічної відмови імплантату та сприяти обґрунтованому плануванню раннього контрольованого навантаження у клінічній практиці. Незалежні bench-випробування є цінним елементом оцінки якості ортопедичних імплантатів та розробки персоналізованих протоколів реабілітації, хоча не замінюють формальної сертифікації виробів.

Етичні аспекти
Дослідження не включало біологічних зразків та не потребувало затвердження етичним комітетом.

Конфлікт інтересів
Автори заявляють про відсутність конфлікту інтересів.

Фінансування
Дослідження виконано в рамках проєкту «ComeBackMobility». Виробники імплантатів не брали участі у розробці дизайну дослідження, проведенні випробувань, аналізі даних або інтерпретації результатів.

Література

  1. Zhang S, Li Y, Chen T, et al. Experimental testing of fracture fixation plates: a review. Proc Inst Mech Eng H. 2022;236(10):1205–1220. doi:10.1177/09544119221108540.
  2. Okazaki Y, Gotoh E, Fujishiro T, et al. Mechanical performance of metallic bone screws. Materials (Basel). 2020;13(21):4862. doi:10.3390/ma13214862.
  3. Tsagkaris C, Stathopoulos I, Vlachos P, et al. Bone density optimized pedicle screw insertion: A computational and experimental study. Front Bioeng Biotechnol. 2023;11:1270522. doi:10.3389/fbioe.2023.1270522.
  4. Li B, Ding Z, Shen J, et al. Biomechanical comparison of intramedullary nails and plates in a sheep model. Ann Transl Med. 2023;11(10):367. doi:10.21037/atm-23-1879.
  5. Aluede E, McDonald E, Jergesen H, et al. Mechanical behaviour of low-cost dynamic compression plates correlates with manufacturing quality standards. Int Orthop. 2014;38:141–147. doi:10.1007/s00264-013-2148-2.
  6. Gardner MJ, Evans JM, Dunbar RP. Failure of fracture plate fixation. J Am Acad Orthop Surg. 2009;17(4):247–257.
  7. Windolf M, Braunsberger P, Rüden C, et al. Systematic review of biomechanical studies on locking plates: How variable are stiffness and strength? Clin Biomech (Bristol, Avon). 2017;48:45–56. doi:10.1016/j.clinbiomech.2017.07.009.
  8. Bhat AK, Rao SK, Bhaskaranand K. Mechanical failure in intramedullary interlocking nails. J Orthop Surg (Hong Kong). 2006;14(2):138–141.
  9. Lenz M, Windolf M. Biomechanical concepts for fracture fixation: Variability and clinical translation. Injury. 2018;49(Suppl 1):S29–S35. doi:10.1016/j.injury.2018.11.042.
  10. Frost HM. Orthopaedic biomechanics: The law of bone adaptation. Springfield, IL: Charles C Thomas Publisher; 1973.
  11. ISO 6892-1:2019. Metallic materials — Tensile testing — Part 1: Method of test at room temperature. International Organization for Standardization, Geneva.
  12. ISO 5832-3:2021. Implants for surgery — Metallic materials — Part 3: Wrought titanium 6-aluminium 4-vanadium alloy. International Organization for Standardization, Geneva.
  13. ASTM F382, ASTM F543, ASTM F1264. Standard test methods for metallic bone plates, screws and intramedullary fixation devices. ASTM International, West Conshohocken, PA.

Smart Crutch Tips System

Book a Demo
Get Price & Spec

Smart Crutch Tips System

Book a Demo
Get Price & Spec