Механическое взаимодействие аддитивно изготовленных металлических решётчатых структур и кости при сжатии: значение для экранирования нагрузки в ортопедических имплантатах

Одной из основных биомеханических причин асептической несостоятельности ортопедических имплантатов является экранирование нагрузки. Оно возникает вследствие неравномерного распределения нагрузки в кости, обычно обусловленного наличием жёсткого металлического компонента протеза, и приводит к резорбции перипротезной кости и расшатыванию имплантата. Для уменьшения экранирования нагрузки и улучшения остеоинтеграции были разработаны биосовместимые пористые структуры, пригодные для применения в ортопедии. Целью исследования было создание новой модели in vitro для оценки механического взаимодействия металлических решётчатых структур и кортикальной кости крупного рогатого скота при сжатии. Анализ распределения деформаций между металлической структурой и костью позволяет оценить потенциальное экранирование нагрузки в ортопедических имплантатах с такой же геометрией пористого каркаса. Механические свойства образцов сплошной плотности и решётчатых структур, полученных методом лазерного сплавления порошкового слоя из порошка CoCrMo с повторением кубических элементов с ребром 1,5 мм, исследовали с помощью стандартного испытания на сжатие. Две пористые геометрии характеризовались размером пор 750 и 1000 мкм; номинальная пористость составляла 43,5 и 63,2% соответственно. Локальную деформацию и деформации металлических образцов, соединённых с образцами свежей кортикальной кости крупного рогатого скота, оценивали методом цифровой корреляции изображений вплоть до разрушения при сжатии. Визуализацию и количественную оценку градиента локальной деформации на границе раздела металл–кость использовали для выявления различий в механическом поведении структур, которые могли быть связаны с экранированием нагрузки. Общая жёсткость и локальные механические свойства решётчатых структур и кости были сопоставимы у всех образцов. Образцы сплошного металла, по-видимому, жёстко передавали сжимающую силу кости, которая подвергалась значительным деформациям — 2,2 ± 0,3% при нагрузке 15 кН. Более высокая пористость решётчатых структур была связана с меньшими жёсткостью и модулем сжатия, а также с более плавной передачей нагрузки кости. Несмотря на ограниченное число образцов, предложенная модель in vitro продемонстрировала устойчивость и воспроизводимость при оценке локального механического взаимодействия металлических образцов, пригодных для ортопедических применений, с костной тканью. Каркасы из CoCrMo с кубическими ячейками и порами размером 1000 мкм могут обеспечивать более плавную передачу нагрузки кости при использовании в качестве конструкционного материала ортопедических имплантатов.