Ежегодно тысячи пациентов сталкиваются с серьезными переломами костей, требующими хирургического вмешательства. Для их лечения врачи используют металлические конструкции, которые фиксируют кости до полного сращения. Чаще всего для этих целей применяют нержавеющую сталь, однако у этого материала есть серьезный недостаток — он непрозрачен для рентгена. Это приводит к образованию сильных помех на снимках и КТ, что затрудняет врачу оценку состояния сращения костей и может скрыть смещение отломков. Как сообщает Газета Новости Кунгурского края, альтернатива — радиопрозрачные полимеры и композиты — тоже имеют свои недостатки, так как некоторые из них теряют прочность под действием облучения.
В этой связи ученые Пермского Политеха впервые испытали углерод-углеродный композит для рентгенопрозрачных имплантов, который, как показали испытания, обладает высокой прочностью и устойчив к облучению, сохраняя 88-94% своих свойств даже после экстренных доз рентгена.
Каждый год в России и других странах мира многие пациенты сталкиваются с тяжелыми переломами, которые требуют восстановления целостности кости и возвращения подвижности. Для этого хирурги используют металлические конструкции, такие как пластины, кольца, стержни и спицы, которые служат внешним каркасом, фиксируя костные отломки в правильном положении до завершения процесса сращения.
Традиционно для этих целей применяются изделия из нержавеющей стали, которые зарекомендовали себя благодаря прочности и надежности. Однако, как упоминалось ранее, их основным недостатком является полная непрозрачность для рентгеновского излучения.
На рентгеновских снимках и компьютерных томограммах металлические конструкции создают артефакты — размытые тени, «засвечивающие» зону перелома. В результате, несмотря на то что пациенты проходят несколько контрольных рентгеновских исследований в процессе лечения, хирургам сложно увидеть реальные изменения и оценить сращение костей.
С целью преодоления этого ограничения врачи и ученые ищут альтернативные решения, но каждое из них имеет свои недостатки и требует дополнительных исследований. Например, синтетические полимеры и углеродные композитные материалы являются радиопрозрачными и биосовместимыми, но под воздействием многократного рентгеновского облучения они могут стать хрупкими и потерять свою прочность.
Для решения данных проблем, ученые Пермского Политеха впервые испытали углерод-углеродный композит. Исследование показало, что данный материал сочетает в себе высокие механические характеристики и сохраняет свои свойства даже после многократного рентгеновского облучения.
Испытания проводились на цилиндрических образцах диаметром 4 мм, которые близки к реальным стержням аппаратов наружной фиксации, используемым для лечения переломов. Ранее рентгенопрозрачные композиционные материалы в таких целях не применялись.
В рамках эксперимента образцы были разделены на четыре группы: три подверглись гамма-облучению с помощью кобальта-60 с радиационной дозой 5, 10 и 15 Мрад, а одна группа осталась необлученной для контроля. Для понимания, 15 Мрад – это доза, значительно превышающая ту, что пациент получает за один рентгеновский снимок. Даже за весь курс лечения при самом частом контроле суммарная нагрузка не достигает и одного процента от экспериментальной.
Ученые намеренно создали такие условия, чтобы проверить прочность материала с запасом. Для анализа влияния радиации на углеродный композит проводились три вида механических испытаний. Образцы подвергались растяжению, сжатию и изгибу до разрушения, что позволило оценить влияние облучения на материал в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.
Результаты испытаний показали, что углеродный композит не теряет прочности даже после облучения на уровне 15 Мрад. При растяжении или изгибе свойства материала изменились всего на 6-7%. Это означает, что даже многократные рентгенологические исследования, как рентген, так и КТ, не повлияют на надежность импланта.
Чтобы лучше понять, насколько прочными были образцы, следует отметить, что они выдержали нагрузку более 170 МПа. Это соответствует давлению, при котором на спичечную головку давят гирей весом 17 кг — именно такое давление смогли выдержать стержни из углеродного композита.
Таким образом, незначительное падение прочности в ходе испытаний подтверждает, что углерод-углеродный композит пригоден для использования в устройствах наружной фиксации. Даже после экстремальных доз облучения материал сохраняет от 88 до 94% своих начальных характеристик, что достаточно для того, чтобы выдерживать вес пациента без риска разрушения. Кроме того, углепластик полностью прозрачен для рентгена, что позволяет врачу видеть зону перелома без помех.
Таким образом, исследование пермских ученых открывает новые возможности для безопасного использования медицинских изделий нового поколения, таких как стержни для ортопедических аппаратов, что в свою очередь может повысить качество лечения и сократить сроки реабилитации.