Как рентген влияет на углеродные стержни при лечении переломов

 Тысячи пациентов ежегодно сталкиваются с тяжелыми переломами. Для их лечения хирурги используют металлические конструкции, которые фиксируют кость до полного сращения. Чаще всего для этого применяют нержавеющую сталь. Однако у нее есть серьезный недостаток: она непрозрачна для рентгена. На снимках и КТ такие конструкции создают сильные помехи, которые «засвечивают» место перелома. Из-за этого врачу сложно оценить сращение кости и заметить смещение отломков. Сегодня в качестве альтернативы используют радиопрозрачные полимеры или композиты. Но они тоже неидеальны: под действием облучения некоторые из них теряют прочность. Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха впервые испытали углерод-углеродный композит для рентгенопрозрачных имплантов. Материал прочен и выдерживает облучение, сохраняя 88–94% свойств даже после экстремальных доз рентгена.

Статья опубликована в «Polymer Science».

Тысячи пациентов в России и мире ежегодно сталкиваются с тяжелыми переломами костей скелета. Чтобы восстановить целостность кости и вернуть человеку подвижность, хирурги традиционно используют металлические конструкции – пластины, кольца, стержни и спицы. Они выполняют роль внешнего каркаса, который прочно удерживает костные отломки в правильном положении, пока идет долгий процесс сращения.

Сегодня для этого чаще всего используют изделия из нержавеющей стали – материала, зарекомендовавшего себя благодаря своей прочности и надежности. Однако у них есть фундаментальный недостаток – они полностью непрозрачны для рентгена.

На снимках и компьютерных томограммах (КТ) металлические конструкции создают сильные помехи, которые в медицине называют артефактами. Это яркие размытые тени, которые «засвечивают» самую важную область – место перелома. При том, что за время лечения пациент проходит несколько контрольных рентгеновских исследований, хирург вынужден буквально заглядывать за этот «слепящий» экран, рискуя пропустить смещение костных фрагментов или проблемы со сращением.

Чтобы обойти это ограничение, медики и ученые ищут альтернативные подходы, но каждый из них имеет свои серьезные ограничения, требующие проведения дополнительных исследований. Например, синтетические полимеры или углеродные композиционные материалы. Они радиопрозрачны и биосовместимы, однако под действием многократного рентгеновского облучения некоторые из них со временем могут стать хрупкими и потерять несущую способность.

Для решения этой проблемы ученые Пермского Политеха впервые испытали углерод-углеродный композит, используемый при производстве «рентгенопрозрачных» имплантов, и доказали, что данный материал сочетает высокие механические свойства и сохраняет свою прочность даже после многочисленных контрольных рентген-снимков.

Испытания проводили на цилиндрических образцах из углерод-углеродного композита диаметром 4 мм, которые подобны реальным стержням аппаратов наружной фиксации – такие конструкции накладывают на сломанную руку или ногу, чтобы зафиксировать кость в правильном положении. Ранее для этих целей рентгенопрозрачные композиционные материалы не применяли.

– Образцы разделили на четыре группы. Три из них подвергли гамма-облучению кобальтом-60 радиационной дозой 5, 10 и 15 Мрад. Оставшаяся часть осталась необлученной для контроля, – рассказал Александр Сотин, кандидат технических наук, доцент, заведующий учебной лабораторией «Функциональной диагностики и прототипирования» кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ. 

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 большим запасом.

Для анализа влияния радиации на углеродный композиционный материал провели три вида механических испытаний. Образцы растягивали, сжимали и сгибали до тех пор, пока они не ломались. Это позволило оценить влияние облучения на материал в условиях, приближенных к реальной эксплуатации.

– Результаты показали, что углеродный композит не теряет прочности даже после мощного облучения (15 Мрад). Когда материал тянули или гнули, его свойства изменились всего на 6–7%. Для пациента это значит, что даже многократные рентгенологические исследования – будь то рентген или КТ – никак не скажутся на надежности импланта, – прокомментировал Владимир Онискив, доцент кафедры вычислительной математики, механики и биомеханики ПНИПУ, кандидат технических наук. 

Чтобы было понятнее, образцы противостояли нагрузке более 170 МПа. Представьте, что на спичечную головку давит гиря весом 17 кг – примерно такое давление выдержали стержни из углеродного композита.

Таким образом, незначительное падение прочности во всех режимах испытаний подтверждает, что углерод-углеродный композит пригоден для использования в аппаратах внешней фиксации. Даже после экстремальных доз облучения материал сохраняет от 88 до 94% исходных показателей и этого запаса достаточно, чтобы выдерживать вес пациента без риска разрушения. При этом углепластик полностью прозрачен для рентгена: так что врач увидит зону перелома без помех и искажений.

Следовательно, исследование пермских ученых открывает дорогу к безопасному использованию медицинских изделий нового поколения: стержней для ортопедических аппаратов (конструкций для внешней фиксации), что в будущем позволит повысить качество лечения и сократить сроки реабилитации.