Современные материалы для имплантов применяемые в лечении собак с синдромом Вобблера

Современная ветеринарная медицина активно развивается в направлении изучения и применения новейших материалов и инновационных подходов к использованию этих материалов в ортопедии и вертебрологии.

Материалы для изготовления имплантов претерпевают постоянную эволюцию, чтобы удовлетворить потребности хирургов, одновременно сочетая биомеханические принципы стабильности позвоночника и инертности [3, 4, 8].

Современный инновационный материал для изготовления имплантов должен обладать следующими свойствами: биостабильность – материал способен противостоять воздействию микроорганизмов; биосовместимость – материал интегрируется в живые ткани, не вызывая патологические процессы в них.

Сложность поиска оптимального материала заключается в определении материала с подходящим модулем упругости (также известным как модуль Юнга), жесткости и усталостной деформации.

Модуль Юнга – отношение напряжения к деформации, которое демонстрирует повышенную жесткость и хрупкость при более высоких значениях. Материалы, применяемые в ортопедии и вертебрологии, имеют различные прочностные характеристики и соответственно, различные показатели Модуля Юнга (Рисунок 1).

Рисунок 1 – Показатели модуля Юнга различных современных биоматериалов, применяемых в медицине человека и ветеринарной медицине

В качестве материала для кейджей, винтов и пластин в ветеринарной медицине наиболее широко используются нержавеющая сталь и титан [1, 5].

Нержавеющая сталь (SS) – легированная сталь, обладающая термостойкими свойствами. Различные типы нержавеющей стали могут включать углерод, азот, алюминий, кремний, серу, титан, никель, медь, селен и молибден.

В настоящее время в ортопедии и вертебрологии используют 2 основных типа стали – 304V и 316LVM. Данный материал применяется в изготовлении стержней и винтов.

Нержавеющая сталь 316LVM наиболее широко используется в медицине. Уникальное содержание никеля и хрома в данном сплаве способствует образованию поверхностного слоя оксида хрома, который делает нержавеющую сталь устойчивой к коррозии (Плотность – 7,35 г/ см3, Модуль упругости – 195 ГПа) [5].

У нержавеющей стали 304V: плотность – 8,0 г/см3, модуль упругости – 19,3 ГПа. Основными недостатками нержавеющей стали является высокая степень артефактов при магнитнорезонансной томографии. [8, 9]. Химический состав представлен в таблице 2.

Таблица 1 – Химический состав сплава 316LVM

Химический состав, %
Углерод	0,030 макс.
Марганец	2,00 макс.
Фосфор	0,025 макс.
Сера	0,010 макс.
Кремний	0,75 макс.
Хром	17.0 – 19.0
Никель	13.0 – 15.0
Молибден	2,25–3,00
Азот	0,10 макс.
Медь	0,50 макс.
Кобальт	<0,10

Таблица 2 – Химический состав сплава 304V

Химический состав, %
Углерод	0,08
Марганец	2,00
Кремний	1,00
Фосфор	0,045
Сера	0,030
Хром	18.0-20.00
Никель	8.00-10.50
Молибден	-
Медь	-
Азот	0,10

Титан (Ti) – легкий прочный металл серебристо-белого цвета, устойчив к коррозии благодаря оксидной пленке.

Использование титана во многих отраслях обусловлено тем, что его прочность примерно равна прочности стали при том, что он на 45 % легче. Титан на 60 % тяжелее алюминия, но прочнее его примерно вдвое. Титан является физиологически инертным. Его плотность – 4,54 г/см3, а модуль упругости – 50, 2 ГПа.

Чистый титан (PTi) и титановые сплавы являются наиболее предпочтительными материалами для изготовления ортопедических имплантатов. Титан обладает превосходной биосовместимостью, коррозионной стойкостью и модулем Юнга по сравнению с аналогами из нержавеющей стали и кобальта. Основная проблема с полированным или шлифованным титаном – это отсутствие у него способности к соединению с костью, поэтому было проведено больше исследований по покрытию, т.е. легированию титановых сплавов для улучшения сращения с костью. Самым распространённым титановым сплавом является сплав Ti-6Al-4V (в российской классификации – ВТ6), содержащий около 6 % алюминия и около 4 % ванадия [2, 8].

Так как титан не является рентгенопрозрачным материалом, среди недостатков стоит отметить незначительную вероятность появления артефактов на МР-изображениях. Однако импланты из титана в значительно меньшей степени создают артефакты при МР-диагностике по сравнению с имплантами из других металлов.

Титан используется в изготовлении винтов (в том числе, винтов для транспедикулярной фиксации), стержней, пластин и межтеловых кейджев.

Переход от нержавеющей стали к титану стал результатом улучшенных биомеханических свойств титана по отношению к кости (модуль упругости титана аналогичен кортикальной кости), а также улучшенной биосовместимости [4, 7].

В настоящее время вызывают большой интерес материалы, применяемые для изготовления имплантов в медицине человека, но пока ещё не нашедшие применение в ветеринарной медицине (за исключением сплавов нержавеющей стали и титана). Среди таких материалов – полиэфирэфиркетон, кобальт-хромовые сплавы, нитинол, тантал [2, 3, 6, 8]. Данные материалы имеют как преимущества, так и недостатки в сравнении со своими конкурентами.

Полиэфирэфиркетон (PEEK) представляет собой бесцветный органический термопластичный полимер из семейства полиарилэфиркетонов, его плотность – 1,32 г/см3, а модуль упругости – 3,84 ГПа. Он используется при изготовлении стержней, межпозвонковых кейджев, а также протезов дисков. Также довольно широко применяется армированный углеродным волокном полиэфирэфиркетон (CFR-PEEK).

Среди достоинств данного материала отмечено, что при дискэктомии и спондилодезе на уровне краниальных шейных позвонков, кейджи из PEEK меньше меняют угол Кобба и имеют низкую скорость оседания кейджа по сравнению с титановыми (34,5 и 5,4 %, соответственно) [1, 4].

Отметим еще одно преимущество PEEK по сравнению с титаном – улучшенное распределение нагрузки (стержни из PEEK обеспечивают больший контакт между замыкательной пластинкой и костным трансплантатом благодаря своей улучшенной биологической гибкости и эластичности).

PEEK – рентгенопрозрачный материал, благодаря чему он приводит лишь к незначительным артефактам на послеоперационной компьютерной томографии и магнитно-резонансной томографии; однако врачам труднее идентифицировать постоперационные осложнения, связанные с миграцией импланта из PEEK, поэтому в некоторых имплантах используется контрастный агент для улучшения визуализации.

Среди недостатков имплантов из PEEK следует отметить: 1) более высокую частоту отторжения в ранний постоперационный период; 2) нестабильность соединения в конструкции при фиксации имплантов из PEEK винтами из других материалов; 3) значительно более низкую прочность при стресс-компрессии по сравнению с титаном (в 2,5 раза слабее);

• 4)    импланты из PEEK не полностью срастаются с костью (так как полиэфирэфиркетон обладает гидрофобными свойствами) [1].

В последнее время при лечении заболеваний позвоночника приобрели популярность Кобальт-хромовые сплавы, из-за их повышенной твердости и эластичности по сравнению с титаном. Они содержат кобальт (55 – 65 %), хром (до 30 %) и другие легирующие элементы, такие как молибден (4 – 5 %) и реже титан (5 %). Его плотность – 8,8 г/см3, модуль упругости – 53,15 ГПа

Высокий модуль упругости материала создает преимущество в том, что имплант может быть изготовлен с более тонким поперечным сечением, сохраняя при этом необходимую жесткость. Сочетание высокого показателя модуля упругости с плотностью значительно снижает массу имплантов. Также сплавы обладают высокой степенью биосовместимости.

Основным недостатком CoCr по сравнению с титаном является высокая стоимость и увеличение количества артефактов на МРТ; однако исследование показало, что CoCr-артефакты не повлияли на анализ спинномозгового канала, собственно спинного мозга и корешков [5, 8].

Нитинол (NiTi), также называемый «металлом с памятью» – это соединение титана и никеля, в процентном соотношении: 45 % титана, 55 % никеля и с равным количеством атомов каждого вещества. Его плотность – 6,5 г/см3, а модуль упругости – 70,1 ГПа.

Особенностью нитинола является то, что данное соединение обладает свойством памяти формы. Если деталь сложной формы подвергнуть нагреву до красного каления, то она запомнит эту форму. После остывания до комнатной температуры деталь можно деформировать, но при нагреве выше 40 °C она восстановит первоначальную форму. Такое поведение связано с тем, что, фактически, этот материал является интерметаллидом, а не классическим сплавом, и свойства исходных материалов (Ni, Ti) практически в нём не выражены. Уникальным его делает свойство, благодаря которому при закалке взаимное расположение атомов упорядочивается, что приводит к запоминанию формы. Нитинол уникален по сравнению с нержавеющей сталью или титаном, так как он практически не вызывает воспалительную реакцию и, как следствие, отторжение импланта. Однако нитинол не так распространен, как титан, поскольку имеет высокую стоимость и чувствительность к физическому воздействию. В качестве материала для имплантов, не часто используется, однако можно применять для изготовления межтеловых кейджев, стержней и пластин [1, 7].

Тантал (Ta), представляет собой блестящий серебристо-белый металл со слабым свинцовым (синеватым) оттенком вследствие образования плотной оксидной плёнки. Тантал является редким металлом, в земной коре на его долю приходится 0,0002 %. Его плотность – 16,65 г/см3, а модуль упругости – 186 ГПа.

Чистый тантал хорошо поддаётся механической обработке, легко раскатывается в проволоку и тончайшие листы толщиной в сотые доли миллиметра. Однако при наличии примесей (углерод, азот, кислород, водород) механические свойства резко ухудшаются, что делает проблему получения сверхчистого металла особенно важной. Данный материал имеет превосходные физические и химические свойства, однако в изготовлении имплантов используется редко из-за высокой стоимости материала [1].

В современной ветеринарии, как и в любой другой отрасли, важным остается вопрос материальной доступности имплантов. Поэтому следует обратить внимание на стоимость перечисленных материалов, и, следовательно, понять целесообразность использования тех или иных материалов. По данным на 2021, из рассматриваемых в статье материалов, наиболее дорогим является тантал – около 16350 рублей за кг (необработанного) материала, самым дешевым нержавеющая сталь (304) – около 190 рублей за кг материала.

Заключение. Материалы для изготовления имплантатов прошли долгий путь эволюции. В настоящее время материалы, используемые для коррекции синдрома Вобблера у собак, имеют как ряд преимуществ, так и ряд недостатков. Целесообразно не останавливаться на достигнутом, а начинать внедрять новые современные материалы, используемые в медицине человека, которые обладают улучшенными биомеханическими свойствами. [1, 4, 6]

Необходимо продолжать исследование новых инновационных материалов для достижения повышенной прочности имплантируемых конструкций, снижения вероятности развития заболевания смежного сегмента позвоночного столба («эффект домино»), а также снижения рисков постоперационных осложнений, путем улучшения диапазона движений и уменьшения постоперационного болевого синдрома. Тем самым, использование новых материалов снизит вероятность проведения повторных операций у собак с синдромом Вобблера.

Синдром Вобблера или каудальная шейная спондиломиелопатия – это заболевание шейного отдела позвоночного столба у собак крупных и гигантских пород, характеризующееся динамической или статической компрессией шейного отдела спинного мозга и нервных корешков, что приводит к неврологическому дефициту различной степени и боли в шее.

В настоящее время существует множество материалов для изготовления различных имплантов, а также протезов дисков, которые успешно используются в лечении собак с синдромом Вобблера, однако у ветеринарных неврологов существует определенная неудовлетворенность результатами хирургического лечения, в результате которых отмечается ряд постоперационных осложнений. Это обуславливает необходимость использования новых материалов для изготовления имплантов.

Подавляющее большинство ветеринарных специалистов в качестве материала для кейджей, винтов и пластин используют только титан и сплавы нержавеющей стали (304V и 316LVM). Однако ряд недостатков данных материалов свидетельствует о необходимости поиска инновационных материалов с улучшенными характеристиками.

Вызывают большой интерес материалы, применяемые для изготовления имплантов в медицине человека, но пока ещё не нашедшие применение в ветеринарии (за исключением сплавов нержавеющей стали и титана). Среди таких материалов – полиэфирэфиркетон (PEEK), армированный углеродным волокном полиэфирэфиркетон (CFR-PEEK), кобальт-хромовые сплавы, нитинол, тантал. В статье отражены характеристики данных материалов для изготовления имплантов, их преимущества и недостатки.

Kozlov N.A., Kholopova A.A. Summary

Wobbler's syndrome or caudal cervical spondylomyelopathy is a disease of the cervical spine in dogs of large and giant breeds, characterized by dynamic or static compression of the cervical spinal cord and nerve roots, which leads to neurological deficits and neck pain.

Currently, there are many materials for the manufacture of various implants, as well as prosthetic discs, which are successfully used in the treatment of dogs with Wobbler syndrome, but veterinary neurologists have certain dissatisfaction with the results of surgical treatment, as a result of which a number of postoperative complications are noted. This makes it necessary to use new materials for the manufacture of implants.

Currently, the vast majority of veterinary specialists use only titanium and stainless steel alloys (304V and 316LVM) as a material for cages, screws and plates. However, a number of shortcomings of these materials indicate the need for a search new innovative materials with improved characteristics. Currently, the materials used for the manufacture of implants in human medicine are of great interest, but have not yet found application in veterinary medicine (with the exception of stainless steel and titanium alloys). Among such materials are polyether etherketone (PEEK), carbon fiber reinforced polyether etherketone (CFR-PEEK), cobalt-chromium alloys, nitinol, tantalum. The article reflects the characteristics of these materials for the manufacture of implants, their advantages and disadvantages.