Современные возможности применения аддитивных технологий при эндопротезировании



Ключевые слова: эндопротезирование, аддитивные технологии, 3D-моделирование, индивидуальный имплант.

В настоящее время отмечается повсеместный рост оперативных вмешательств по эндопротезированию суставов. При эндопротезировании актуальной проблемой является устранение сложных по геометрической форме костных и суставных дефектов и восстановление анатомической структуры поврежденного участка. На данный момент одним из основных методов решения является использование аддитивных технологий, в основе которых лежит изготовление индивидуальных имплантов с учетом анатомических особенностей пациента.

По оценкам Всемирной организации здравоохранения за 2019 г. 0,7 % мирового населения нуждаются в эндопротезировании [4].

За последние 12 лет среднее число всех видов операций по эндопротезированию выполненных в НИИ КО НМИЦ онкологии им. Н. Н. Блохина выросло в три раза [7].

На основании данных ФГБУ «НМИЦ ТО им. Р. Р. Вредена» Минздрава России более 1000 пациентов нуждаются в выполнении ревизионной хирургии крупных суставов в год с применением аддитивных технологий [7].

В данной статье мы рассматриваем применение аддитивных технологий и 3D-моделирование в эндопротезировании. Лучшее понимание данного метода позволит повысить эффективность лечения, которая заключается в полноценном восстановление анатомической структуры поврежденного участка и биомеханики сустава.

Цель работы — изучить и проанализировать данные по использованию аддитивных технологий в эндопротезировании и выявление преимуществ данного метода.

Материалы и методы

Литературной базой являются зарубежные и российские исследования по применению аддитивных технологий в травматологии и ортопедии, опубликованные на сайтах: Pubmed, Cyberleninka, Google Academia за 2014–2024 годы.

Аддитивные технологии — это метод создания трехмерных объектов, путем послойного добавления материала. Устройство, работающее на основе аддитивных технологий — 3D-принтер. Более распространенными, названиями аддитивных технологий является 3D-технологии и 3D-печать.

В травматологии и ортопедии данный метод нашел применение в следующих направлениях медицины — создание 3D-макетов для обучения врачей, для демонстрации и наглядного объяснения предоперационного планирования; изготовление индивидуальных пресс-форм, которые используются для резекционных операций, печать ортезов; индивидуальных имплантатов для замещения костных и суставных дефектов.

Совместная работа врача-травматолога и биоинженера, позволяет спроектировать, исходя из анатомических особенностей строения, конструкцию эндопротеза, соблюдая все силовые линии и анатомические ориентиры. В процессе создания индивидуальных эндопротезов используются современные технологии: компьютерная томография, трехмерное сканирование, трехмерная печать. В дальнейшем эндопротез изготавливается из титанового сплава с помощью селективного лазерного плавление — это метод, с помощью которого спекают металлические порошковые материалы с помощью луча лазера [6].

Рис 1. Планирование операции с помощью 3D-моделирования: А — 3D-модель дефекта; В — 3D-модель плана операции, красным обозначены зоны резекции; С— модель изделия после установки [5]

К преимуществам компонентов созданных с использованием 3D-технологий относят: прочность фиксации, высокая точность анатомической фигуры протеза и более точное замещение дефектов по форме [10].

В сочетании с персональными анатомическими данными, полученными с помощью компьютерных технологий, и 3D-моделирования позволяют проектировать и создавать сложные пористые имплантаты необходимой формы для костной регенерации.

Показания к индивидуальному эндопротезированию:

– пациенты, не входящие в стандартный диапазон в отношении размера импланта;

– отсутствие доступного модульного протеза для реконструкции кости;

– группа пациентов, у которых ожидается лучший функциональный результат после операции с использованием индивидуальных эндопротезов по сравнению с применением стандартного эндопротеза;

– возможность сохранить сустав при сохранении адекватной костной площадки, которая при стандартном эндопротезировании не предполагается.

В центре травматологии и ортопедии ГВКГ им. Н. Н. Бурденко Минобороны России имеется практика с применением аддитивных технологий. Первая операция по замещению дефекта переднего отдела стопы с использованием индивидуальных эндопротезов, изготовленных методом 3D-принтирования, проведена в 2016 году. В 2019 году выполнено эндопротезирование таранной кости [3].

Также на базе этого центра проведена операция по замещению левого локтевого сустава индивидуальным эндопротезом. Пациент поступил с осколочным сквозным ранением левой верхней конечности, многооскольчатым внутрисуставным переломом обеих костей предплечья с первичным костным дефектом локтевой и лучевой костей. Проведено хирургическое лечение. В процессе восстановления, после оперативного вмешательства, возникли жалобы на боль при движении и ограничение подвижности в локтевом суставе. На рентгенографических снимках левого локтевого сустава, спустя 6 недель с момента ранения, деформация сустава сохранялась. С учетом послеоперационного результата и жалоб пациента было решено выполнить эндопротезирование левого локтевого сустава с использованием индивидуального импланта, изготовленного с помощью аддитивных технологий, с целью восстановления двигательной функции локтевого сустава. Через 5 недель получен ожидаемый функциональный результат [3].

Перспективы использования аддитивных технологий в травматологии:

– усовершенствование фиксации протеза к кости;

– совмещение индивидуального компонента со стандартным эндопротезом; создание эффективной модели лечения группы больных, нуждающихся в индивидуальном эндопротезе;

– разработка оперативных вмешательств и дизайна эндопротезов, учитывающих биомеханику и осевую нагрузку;

– поиск новых материалов для реконструкции, близких к костной ткани.

Заключение

Аддитивные технологии открывают новые возможности в травматологии и ортопедии, благодаря которым возможно создание персонализированного импланта. С каждым годом увеличивается число клиник, использующих 3D-технологии в эндопротезировании и восстановлении костных дефектов, так как данный метод позволяет достичь высокой эффективности от оперативного лечения, улучшения клинико-функциональных показателей в сравнении с традиционными методиками эндопротезирования.

Литература:

1. Головин М. А., Янковский В. М., Клименко Ф. Н., Черникова М. В., Фогт Е. В., Суфэльфа А. Р., Петраускас М. В., Щербина К. К. Применение аддитивных технологий при первичном протезировании конечностей. Журнал Современные наукоемкие технологии. — 2023. — № 2 — С. 36–44.
2. Горбатов Р. О., Малышев Е. Е., Романов А. Д., Карякин Н. Н. Тотальное эндопротезирование коленного сустава с использованием виртуального прототипирования и аддитивных технологий // Соврем. технол. мед. 2018. № 3.
3. Довыдов Д. В., Брижань Л. К., Керинов А. А., Кукушко Е. А., Хоминец И. В., Казанбаева А. А., Синегубов О. Н. Аддитивные технологии при замещении огнестрельных костных дефектов различной локализации, совместная работа врача и инженера. Opinion Leader. 2023. № 59.
4. Мадалиев А. И., Иванов В. М. Применение аддитивных технологий в передовом протезировании // SAEC. 2019. № 1.
5. Попков А. В., Кононович Н. А., Горбач Е. Н., Попков Д. А. Эффективность использования 3D-имплантов с биоактивными свойствами для замещения обширных дефектов костей: экспериментальное исследование // Травматология и ортопедия России. 2021. № 1.
6. Попович А. А., Суфияров В. Ш., Полозов И. А., Борисов Е. В., Масайло Д. В., Вопиловский П. Н., Шаронов А. А., Тихилов Р. М., Цыбин А. В., Коваленко А. Н., Билык С. С. Применение аддитивных технологий для изготовления индивидуальных компонентов эндопротеза тазобедренного сустава из титановых сплавов. Медицинская Техника / № 3. 2016. С. 43–46.
7. Тихилов Рашид Муртузалиевич, Кобякова Ольга Сергеевна, Обухова Ольга Валерьевна, Шубняков Игорь Иванович, Кадыров Фарит Накипович, Денисов Алексей Олегович, Зеленова Ольга Владимировна, Абрамов Сергей Иванович, Чилилов Абдула Магомедович. Научное обоснование внедрения в клиническую практику нового вида высокотехнологической помощи по профилю травматология и ортопедия // Современные проблемы здравоохранения и медицинской статистики. 2023. № 1.
8. Тихилов Р. М., Конев В. А., Шубняков И. И., Денисов А. О., Михайлова П. М., Билык С. С., Коваленко А. Н., Старчик Д. А. Аддитивная технология в полном восстановлении функции сустава при эндопротезировании (экспериментальное исследование). Хирургия. Журнал им. Н. И. Пирогова. 2019. № (5). С:52‑56.
9. Banerjee S, Kulesha G, Kester M, Mont MA. Emerging technologies in arthroplasty: additive manufacturing. J Knee Surg. 2014 Jun;27(3):185–91.
10. Laubach M, Hildebrand F, Suresh S, Wagels M, Kobbe P, Gilbert F, Kneser U, Holzapfel BM, Hutmacher DW. The Concept of Scaffold-Guided Bone Regeneration for the Treatment of Long Bone Defects: Current Clinical Application and Future Perspective. J Funct Biomater. 2023 Jun 27;14(7):341.