Složení a mechanické vlastnosti kostí, fixace zlomenin ortopedickými náhradami Zdeněk Novotný A13N0173P KMM/BM 27.4.2014

Obsah Kost Složení, struktura Biomechanika kostí Biomateriály pro fixaci zlomenin Kovové materiály Keramika Ostatní (pHDPE, PEEK, PMMA)

Složení s struktura kostí

Kost Tvrdá mineralizovaná struktura na oporu těla a ochranu orgánů V lidském těle cca 206 kostí 65% hmotnosti kosti je minerální složka Krystaly fosforečnaun vápenatého, hydroxyapatitu Ty jsou vázány na kolagenní vlákna

Kost Makroskopické rozdělení Okostice Kostní dřeň kompaktní (hutná) a spongiózní (houbovitá - 20% skeletu) Okostice pevná vazivová blána -> výživa kosti, hojení zlomenin,.. Kostní dřeň tvořena hemopoetickou tkání a probíhá v ní krvetvorba (červená, žlutá, šedivá)

Kost Funkce kostí mechanická, kdy kosti jsou podpěrný systém těla a zároveň tvoří pákový systém pro přenos sil fyziologická, kdy kosti chrání orgány těla (mozek,..). krvetvorba (hemopoéza) Napomáhají také udržování vnitřní rovnováhy (homeostázy) minerálů (P,Na,K,Zn,Mg,Ca).

Biomechanika kostní tkáně

Biomechanika kostní tkáně Mechanický pohled na kost nehomogenní, anizotropní materiál žlutobílé barvy skládající se z organické a anorganické složky (kompositní materiál) Organická složka buňky a matrice - vláknitá část = kolagen a interfibriální část pružnost a odolnost na ohyb Anorganická (minerální ) složka Fosvorečnan váp., hydroxyapatit pevnost a tvrdost

Mechanická odezva kostní tkáně Kostní buňky jsou schopné odpovědět na mechanické podráždění změnou tvaru, orientace a velikosti. Takzvaně se remodelují. Při větší zátěží se kosti zhutňují a přestavuje se spongiózní pórovitá struktura. Při nedostatku zátěže (nebo v důsledku stáří) kosti slábnou.

Některé materiálové parametry kostí Pro připomenutí Elastický modul oceli je 21*10^4 MPa.

Některé materiálové parametry kostí

Biomateriály pro fixaci zlomenin

Biomateriály pro fixaci zlomenin Kovové implantáty materiály na bázi železa, kobaltu, niklu, titanu, tantalu, zirkonu, stříbra, zlata a vzácných kovů. Ale tantal a ušlechtilé kovy (včetně zlata a stříbra) nemají dostatečné mechanické vlastnosti pro účely implantátů a zirkon je příliš drahý .

Nerezová ocel 18% chrómu, 8% niklu, vyžadována odolnost proti korozi implantátu, přidává se molybden (3%). slitiny z nerezové oceli tvoří cca 60% implantátů používaných ve Spojených státech.

Slitiny kobaltu Slitiny na bázi kobaltu, mají rovnováhu mezi mechanickými vlastnostmi a biologickou kompatibilitou. Jsou lepší než nerezové oceli v pevnosti a odolnosti proti korozi a abrazi, ale dražší na výrobu. Litá varianta je kobalt-chrom-molybden. Používá se např. pro totální náhrady kyčelního kloubu.

Slitiny titanu Jiný referát Slitiny na bázi titanu jsou materiály pro pacienty s přecitlivělostí na některou ze složek z nerezavějící oceli nebo kobalt-chrom slitiny.

Tantal Obr. dole: Lebeční implantát vytisknutý na laserové 3D tiskárně z tantalu

Keramika z anorganických nekovových materiálů obvykle vysokou pevnost v tlaku a nízkou tažnost vysoká odolnost proti deformaci, ale křehké Složení Fosforečnany vápenaté, sírany vápenaté, bioaktivní sklo ve formě pevné předem vytvořené struktury nebo v injekční formě

Pevné keramické implantáty destičky, granule, prášek, nebo třeba se strukturou pórů Obr. napravo: Klínová předpřipravená matrice využita k zaplnění defektu po osteotomii hexagonální keramické destičky, které navzájem Implantáty vytvořené s tímto designem prý urychlují hojení tím, že dovolují krvi a ostatním tělním tekutinám lépe proudit ke tkáním.

Injekční keramické matrice schopnost přizpůsobit se a úplně vyplnit poškozenou kost v kapalném stavu nebo v gelové formě tvrdne ve vodném prostředí při teplotě 37°C minimalizace nutného chirurgického zákroku.

pHDPE (porous high-density polyethylene) Výhodou pHDPE je, že okolní tělní tkáň vrůstá do porézní matrice, takže implantát se stává integrovaný.

PEEK (polyetheretherketon) Obr. dole: Lebeční implantát vytisknutý na laserové 3D tiskárně z PEEK

Polymethylmetakrylát (PMMA) "akrylový cement„ pod interní fixace zlomenin, aby pomáhal lépe distribuovat síly podél rozhraní kost-destička při totální náhradě kyčelního kloubu, fixaci zlomeniny páteře a jako pevná náhrada kosti při léčbě patologických zlomenin polymerační proces 6 nebo 7 minut. Reakce je mírně exotermní, teploty až 122˚C Když plně vytvrzený silný ale křehký. má nízkou tažnost a vysokou citlivost na vznik trhlin špatné adhezní vlastnosti, nefunguje jako cement, spíše jako náplň

Děkuji za pozornost