さまざまな骨材料試験における前十字靱帯再建用の生体吸収性マグネシウム干渉スクリューの機械的特性

Scientific Reports volume 13、記事番号: 12342 (2023) この記事を引用

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メトリクスの詳細

前十字靱帯（ACL）の断裂は、膝の安定性と運動学に悪影響を及ぼします。 干渉ネジ (IS) は、ACL 再建におけるグラフトの固定に使用され、グラフトと骨の統合プロセス中の患者の活動に耐える十分な固定強度を提供します。 マグネシウムは、その強度と生体吸収性を考慮して、IS の製造に使用される新しい素材です。 これまでの研究では、選択されたマグネシウムISデザインは、その形状設計と表面状態により、従来のISデザインと比較して優れた固定性能を示しました。 この研究では、生体吸収性マグネシウム IS の挿入 (挿入トルクと IS を実装するための回転数) および固定性能 (引き出しおよび動的テスト) がテストされました。 IS 性能の信頼できる初期評価を得るために、IS は 15 個の PCF (1 立方フィート) あたりの Sawbones ポリウレタン フォーム ブロック、17 個の PCF フォーム コアを備えた Sawbones 生体力学的脛骨モデル、およびヒト死体脛骨に移植されました。 フォームブロックの引き抜き試験ではブタの腱が使用され、靱帯グラフト材料自体の影響を防ぐために、他のすべての試験設定ではナイロンロープが使用されました。 引抜き試験では、グラフトに 6 mm/min の速度で引張応力を加えました。 動的テストでは、0 ～ 200 N の間で 1000 サイクルが実行され、その後、最終的な引抜テストが行​​われました。 各テストの後、挿入部位のトンネルのアスペクト比を測定することにより、トンネルの拡張パターンが観察されました。 挿入トルクは、IS の通常の挿入トルクおよび挿入前の平均靭帯張力の範囲内に収まります。 フォームブロックのセットアップでは、ナイロンロープはブタの腱よりも高い引き抜き力を示しました。 動的試験後の引き抜きと引き抜きの両方にナイロンロープを使用した各セットアップの比較では、フォームブロックと死体のセットアップの間に大きな違いはありませんでした。 ただし、すべての脛骨モデルのセットアップは、皮質層の影響により、予想外に高い引き抜き力を示します。 フォームブロックとブタの腱の構造とフォームブロックとナイロンロープの構造の間には、トンネルの拡張に統計的に有意な差はありませんでした。 マグネシウム IS の引き抜き抵抗は、日常活動中の典型的な ACL 張力範囲内に収まります。 マグネシウムISの試験結果は骨材質ごとに異なりますが、マグネシウムISは材料破壊がなく、十分な固定性と挿入時の作業性を示します。

前十字靱帯（ACL）は膝関節の安定性と運動学に影響を与えます1。 ACL の断裂は一般的であり 2、膝関節内およびその周囲にさらなる病理学的変化を引き起こす可能性があります 3。 干渉ネジ (IS) によるグラフトの固定を伴う ACL の関節内再建は日常的に行われており 4,5,6 の成功率は 75 ～ 95% 3,7 です。 ドイツでは、外科医の 81% が IS、できれば生体吸収性 IS (60%) による固定を好み、特に主に失敗が起こる脛骨 8 に対しては 9 を好みました。 永久金属 (チタンなど) およびポリマー IS が使用されていますが、臨床転帰に大きな違いはありません 10,11。 金属製 IS はグラフトの損傷を引き起こし、トンネルの拡張を引き起こす可能性があります3。 ポリマー材料は金属よりも弱いため、挿入中にネジの破損が発生する可能性があります3,12。

軽金属であるマグネシウムは、標準的な金属材料の優れた代替品であり、いくつかの特性が研究されています3、13、14。 生体吸収性および生体適合性と高強度の組み合わせは、他の材料と比較して有利です15。 さらに、マグネシウム合金は、機械的特性 (ヤング率、ポアソン比) が人間の皮質骨の特性と類似しているため、骨折インプラントの代替生分解性材料として使用されています 16。 マグネシウムは、骨に匹敵する材料特性と制御された吸収率を示し、放射線透過性があり、MRI アーチファクトが低く、ヒトへの移植後の適切なグラフト固定強度と生分解性を備えています。 材料の選択に加えて、傾斜プロファイルや表面状態などの IS 設計パラメータも IS の性能に影響を与えます。 以前の研究では、この研究のために選択されたマグネシウム IS 設計は、その傾斜プロファイルと表面状態を考慮すると、従来の IS 設計と比較して有望な結果をもたらしました14。 マグネシウム IS の機械的性能は、挿入トルクと固定強度の 2 つのパラメータを考慮して評価できます。 IS の性能試験方法は、十字靱帯および靱帯再建の in vitro 試験のガイドラインに近似しており、金属製医療用骨ねじの標準仕様および試験方法 (ASTM F543) から適応されました。 固定強度は、引抜試験（荷重破壊試験）および動的試験によって決定されます。 引抜試験は、5 ～ 1000 mm/min の範囲の引張速度で実行できます17。 動的テストは 1,000 サイクルにわたって実行され、IS グラフト構造の初期応答を評価できます 17。 靱帯は、たとえば、N18 を 0 ～ 50 回の範囲で 20 サイクル行うなど、低周期低負荷の方法でプレコンディショニングする必要があります。 IS テストには、ポリウレタン フォーム ブロック、Sawbones 脛骨モデル、および人間の死体膝の 3 つの材料が一般的に使用されます 3、4、19、20、21、22。 ネジの設計、骨の材質、試験設定などの点で試験が異なるため、ある試験のすべての結果を別の試験と比較することは困難です。