Что развивает и как называется тренажер?

Итак, сведение и разведение ног в тренажере сидя помогают нам в тренировке ног, но эти два движения направлены на разные мышцы: если разведение ног нацелено на тренировку мускулатуры наружной поверхности бедра, то сведение – его внутренней поверхности. Упражнение относится к изоляционным. Подходит и для женщин, и для мужчин.

Кстати, часто бывает, что тренажер способен выполнять лишь одно движение: или сведение или разведение. Это зависит от конструкции тренажера. По правде говоря, это жутко не удобно на наш взгляд, но тренажерный зал нужно же чем-то заполнять. Во многих фитнес-центрах имеются данные тренажеры. В их конструкцию входят мягкое сиденье, система рычагов, отсек для регулирования веса и два снабженных мягкими валиками упора, в которые упираются колени.

Ошибиться в выполнении этих упражнений трудно, так как они просты и понятны.

Какие мышцы работают

При разведении ног сидя какие мышцы задействованы:

• абдукторы – приводящие мышцы, средние и малые ягодичные.
• мышцы — стабилизаторы: квадратная мышца спины, мышцы-выпрямители позвоночника и мышцы живота.

Милые девушки, напоминаем, что, разрабатывая данные мышцы, вы не уменьшите количество жира в данной проблемной области. Основная задача, которую выполняет упражнение сведение и разведение ног в тренажере, заключается в укреплении мускулатуры, а не в избавлении от жировых отложений.

Статья с объяснением, почему все так несправедливо: Почему мы не худеем локально или как сжечь жир?

Мышечный атлас при сведении ног:

• аддукторы — мышцы внутренней поверхности бедер. Важный момент: в повседневной жизни они очень мало задействованы.

Техника выполнения с фото: как правильно делать?

Как мы писали выше, упражнения не сложные и не требующие каких-то особых навыков и умений. Итак, как правильно делать на тренажере и без оного:

Сидя

Выполнение сведения ног в тренажере:

1. Установите необходимый вес для отягощения на тренажере и отрегулируйте положение спинки. Примите исходное положение, при котором ноги разведены в стороны и упираются в валики или подушки тренажера, выпрямите спину и упритесь ей в спинку сидения.
2. Ноги должны быть согнуты под углом 90 градусов или более. Сделайте глубокий вдох.
3. Выдыхая, напрягите бедра и начинайте сводить ноги друг к другу. Угол сгибания ног не изменять.
4. В финишной точке (ноги полностью сведены) задержитесь в таком положении на 1-2 секунды и максимально напрягите приводящие мышцы бедра.
5. Начиная вдох, разводите ноги медленно, не рывками, соблюдая при этом технику. Не доводите ноги до точки исходного положения, дабы оставить мышцы в напряженном состоянии. Повторите движения несколько раз в соответствии с тренировочной программой.

Дорогой, я ускорила метаболизм или мифы о «раскрученном» метаболизме

Как пользоваться тренажером для разведения:

1. Примите исходное положение. Сядьте на тренажер так, чтобы бедра оказались между боковыми упорами. Возьмитесь руками за ручки, расправьте грудь и выпрямите спину. Теперь можно приступать к разведению ног в тренажере.
2. На вдохе напрягите пресс и максимально разведите ноги в стороны. На несколько секунд задержитесь в крайнем положении.
3. Медленно вернитесь в исходное положение и выдохните. Ваши ноги должны двигаться друг к другу не под давлением подушек тренажера, а как бы сопротивляясь ему. Это значит, что мышцы до конца не расслабляем и выполняем движение полностью подконтрольно.

Так как данные упражнения относятся к изоляции, не стоит гнаться за весами. Очень часто девочки окрыленные легкостью выполнения начинают немного кичится своей «силой» и быстро увеличивают веса. Изоляция — это всего лишь ваш помощник, ваш главные инструмент — это царица база (базовые упражнения). Если вы не будете делать базу или филонить при ее выполнении, то можете попрощаться с красивым телом, гарантия 100%.

Мы не утверждаем, что изоляция — это плохо, нет! Изоляционные упражнения очень помогают нам качественно нагрузить мышцу, которая предварительно утомлена базой. А то есть такие уникумы, которые в сведении и разведении делают 40 кг, а приседают через раз и еле еле.

Вывод: изоляция хорошо, но без базы все равно никуда.

Настоятельно рекомендуем вам ознакомиться с техникой выполнения базовых упражнений: Делай базу, красотка!.

В наклоне

Если тренажер позволяет менять угол наклона спинки, воспользуйтесь этим шансом. Выполняя разведение ног сидя в наклоне назад, вы максимально загрузите целевые мышцы – средние и малые ягодичные.

Сведение-разведение с наклоном вперед:

Если же вы будете держать корпус прямо или наклонитесь вперед, то подключится верхняя часть больших ягодичных мышц.Кстати, еще одно отличное упражнение на так называемый «верх ягодиц» — ягодичные махи.

В положении стоя

Для этого поворачиваемся спиной к тренажеру стоя и валикам, беремся руками за спинку кресла и упираемся в него коленями. Спина должна быть прямой, а таз немного отведен назад. На выдохе сводим ноги, опираясь ступнями о валики, а на вдохе разводим их. Ноги не должны двигаться по инерции – всегда должно присутствовать напряжение.

Или вот такой вариант.

С нижнего блока в кроссовере

Что касается зала, то заменой разведению ног может быть мах в сторону с нижнего блока, который прорабатывает мышцы бедра. Для большего эффекта можно в начале позаниматься с блоками, а затем приступить к «разводному» тренажеру.

С резинкой

Интересный вариант для упражнений в домашних условиях — настоящий домашний тренажер! Вариаций куча, все зависит от вашего удобства и фантазии. Вот идеи:

1. Разведение и сведение ног лежа на боку. Расположите резиновую ленту на голени для дополнительной нагрузки на внешнюю поверхность бедра. Поднимаем ногу, задерживаем в пиковой точке напряжения, опускаем. Не отклоняйтесь вперёд и назад и не выворачивайте бёдра внутрь или наружу. Во время движения также работают мышцы корпуса. Ступни обеих ног параллельны.Если развернуть ногу пальцами вверх, вы проработаете наружные вращатели бедра.


2. В стороны на коленях
3. Упражнение в стороны лежа на спине на полу. Займите положение лежа, выпрямите руки вдоль позвоночника, поднимите ноги вверх. Разводите и сводите их с натянутой на голенях резинкой. Подвиньте эспандер выше, если упражнение кажется слишком сложным. Можете делать еще плюсом подъем таза вверх с последующим сведением ног!
4. Сидя на стуле для женщин. Сядьте на стул/диван/скамью. Резинку расположите выше колен, на бедрах: так нагрузка ляжет намного лучше, чем когда эспандер находится чуть ниже колена. Ступни поставьте так, чтобы лента была натянута и чувствовалась нагрузка. Тело наклоните вперед. Разводите и сводите колени, задерживаясь в наивысшей точки напряжения на 3 секунды. В ней делайте пульсирующие движения, но не вперед назад, а только вперед, раздвигая ноги шире!

Разведение ног в тренажере при варикозе — читаем Правдивый ответ, можно ли заниматься спортом при варикозе

Советы для достижения максимальной пользы

• Перед выполнением упражнения разомните тазобедренные суставы и потяните паховые связки. Это позволит мышцам лучше воспринимать нагрузку, а также увеличит амплитуду движений.
  Посмотреть эффективную суставную гимнастику можно в данной статье.
• Следите за тем, чтобы спина оставалась ровной. Ни в коем случае не горбите спину на последних повторениях! Если у вас не осталось сил, сократите упражнение или помогите себе преодолеть сопротивление с помощью рук.
• Работайте медленно и избегайте резких движений. Старайтесь не использовать силу инерции.
• Важную роль играет заминка. Ваши мышцы будут достаточно эластичными только в том случае, если вы не будете пропускать растяжку после тренировки, которая способствует выводу из мышц молочной кислоты, тем самым снимая болезненные ощущения, которые обычно возникают на следующий день после тренировки.

Чем заменить?

Тренажер для сведение и разведение ног нельзя назвать очень эффективным. Его можно заменить упражнением – «Шаги с резиновой лентой в стороны» и присед плие.

1. Техника выполнения упражнения с лентой: на лодыжках закрепите ленту и, растягивая снаряд, совершайте небольшие шаги влево-вправо. Затем в стойке прямо поставьте ноги по шире плеч, в стороны смотрят носки. Держа спину прямой и опуская ягодицы, опуститесь в присед, так чтоб образовать параллель с полом бедер. Вернитесь в начальное положение. Для наглядности просмотрите видео.

   Кстати, данные упражнения помогут вам решить проблему «гулящих» в приседе коленей. Очень часто у тех, кто начинает приседать со штангой, начинают сводиться колени как только они добавят вес на спину. Это распространенная проблема, но ее можно решить именно при помощи данных упражнений. Вы укрепите мелкие мышцы и связки, удерживающие коленную чашечку и приучите себе держать колени ровно.

   Упражнение лучше оставлять на добивку, после приседа.

2. Присед плие достаточно прост в выполнении. Встаньте прямо, статически напрягите пресс и возьмите в руки гантель у основания/гирю за ручку. Поставьте ноги шире плеч, колени слегка согните и разведите стопы наружу (примерно до угла 45 градусов). Разворот ступней на 45 градусов является чисто условным, ноги нужно ставить так, насколько это позволяет гибкость тела без нарушения техники, чтобы вам было комфортно. Гантель поместите между ног. Это исходное положение.

   На вдохе начните опускаться вниз, медленно сгибая ноги в коленях. Колени не должны выходить за пределы ступней и не должны сводиться, а должны как бы уходить в стороны (работать как ножницы). Опускайтесь до положения, пока Ваши бедра не станут параллельны полу. Как только почувствуете хорошее растяжение приводящих мышц, на выдохе приведите тело в исходное положение, толкаясь пяткой от пола.

   Т.е. вдох — опускаемся, выдох — поднимаемся. Повторите заданное количество раз. В верхней точке движения не блокируйте и не запирайте колени. Правильное выполнение должно вызывать чувство напряжения квадрицепсов, внутренней поверхности бедер и ягодиц.

   На протяжении всего движения держите спину прямой, а снаряд близко к телу. Руки не должны «гулять», но и не должны тянуть вес, постарайтесь перенести всю нагрузку на ягодицы. Как это сделать? Ответ найдете в статье «Концентрация на тренировках: качаем попу головой«. Обязательно обращайте внимание на темп: делайте упражнение плавно и без рывков.

   Если возникли трудности с поддержанием равновесия, то выполняйте плие приседания, прислонившись спиной к стене. Упражнение лучше поставить в начало тренировки, а перед ним выполнить 5-10 минут разминки. Не опускайте голову вниз и не смотрите на свои ноги, лучше повернитесь боком к зеркалу и фиксируйте качество техники. Для большей глубины седа и акцентированной проработки ягодиц можно использовать степ-платформы под каждой из ног.

Эффективно качаем мадам Сижу: приседания плие и сумо

С чем комбинировать?

Упражнения на данном тренажере можно использовать как вспомогательные к основным (или реабилитационные в случае получения травм) и включать в конец тренировки, но работа только с ним не даст никакого прогресса в улучшении формы ног, помните это и не западайте на тренажер как исключительный для тренировки мышц внутренней поверхности бедра.

Думаю, возник резонный вопрос: для чего в залах устанавливают подобные не особо эффективные тренажеры. Ответ – если бы их не было, фитнес-центры отвадили бы от своего посещения большую часть женской клиентуры. Вкупе с тем, что женщины боятся свободных весов и стать слишком большими и мышечными, им проще выбрать легкую нагрузку по себе.

Поэтому, дамы, в деле улучшения форм внутренней части бедер используйте приводящий тренажер с умом и не зацикливайтесь только на нем.

Вред

Сразу попросим заметить, мы не заявляем, что этот тренажер вреден. Упражнения на данном тренажере полезны в меру с небольшими весами и малым общим месячным объемом их использования. Они действительно создают мышечный тонус отводящих и приводящих мышц бедра, улучшают тонус средних и малых ягодичных мышц, улучшают кровообращение в этих местах.

Однако они совсем не убирают лишний жир и более того, эти упражнения даже могут быть вредными.

(Степень занудства: приемлемая)

Мы уже упоминали, что амплитуда движения в этом тренажере неестественна для организма, т. е. данное движение нигде не применяется за пределами зала. Да и сами приводящие мышцы (на которые и направлено данное упражнение) не особо много работают в жизни. Эти мышцы являются комплексом мускулов глубокого залегания внутренней поверхности бедра и паха. Их трудно нащупать, т.к. они “погребены” под другими мышцами, например, четырехглавой. Вы используете эти мышцы при подъемах по лестнице, восхождении в гору и при вставании.
Прогресс в весе идет достаточно быстро, но чем он больше, тем это сильнее напрягает позвоночник. Коленная чашечка также не скажет спасибо от все возрастающей нагрузки.

Как снизить нагрузку на колени при занятиях спортом?

Таким образом получается, что как бы вы ни использовали тренажер для сведения ног, он с большой долей вероятности не изменит ваш композитный состав ног, для этих целей это бесполезный инструмент. И все дело тут в биомеханике движения. Сама по себе конструкция тренажера сидячая, поэтому мышцы бедер в таком положении никак не работают. Часто бывает, что люди приходят в зал после трудового сидячего дня, дабы разогнать кровь и привести мышцы в тонус.

И, как ни странно, выбирают сами (или по совету тренера) для тренировки мышц сидячий тренажер. Это не верно. Необходимо выбирать упражнения, в которых требуется удержать баланс и которые используют свободные веса и хождение/стояние с отягощением. В частности, сведение ног можно заменить на перекрестные выпады или отведение ноги на блоке — они позволяют добиться значительно лучшего “тюнинга” ног.

Написанное не стоит воспринимать как полную несостоятельность приводящего тренажера для проработки соответствующих мышц.

Самый главный вред состоит в том, что при разведении ног в тренажере в большом объеме и тем более с хорошими весами постепенно развиваются и спазмируются грушевидные мышцы.

Начало грушевидной мышцы на передней поверхности крестца, а прикрепляется она к бедренной кости. Функция грушевидной мышцы – отведение и супинация бедра. Под грушевидной мышцей расположен седалищный нерв — самый длинный нерв в организме, проходит от нижней части позвоночника, через ягодицы и бедра, вниз по задней поверхности ноги. Хотя этот нерв находится в обеих ногах, симптомы защемления седалищного нерва обычно проявляются только в одной ноге.

Вы никогда не чувствовали при выполнения данного упражнения, что у вас «сводит» бедро, какое то ноющая боль при разведении в стороны глубоко внутри? Нет, это не мышца, которую вы так здорово прокачали, это бедный нерв просит о милости.

Симптомы защемления:

1. Самый первый симптом защемления седалищного нерва — это боль, которая, как правило, начинается в нижней части спины и распространяется по всей протяженности нерва: через ягодицы, к бедрам и икрам. Интенсивность болевых ощущений может варьироваться от слабых до очень острых. Иногда боль проявляется в виде жжения, в других случаях может быть похожей на удары током.
2. Еще одним распространенным симптомом защемления седалищного нерва является онемение, которое охватывает часть ноги или всю ногу. Онемение в одной области может сопровождаться болью в другой. Кроме того, обычно человек при этом испытывает еще и характерное покалывание в пальцах ног.
3. Один из самых неприятных симптомов защемления седалищного нерва — это потеря контроля над мочевым пузырем или кишечником. Это состояние встречается редко и требует неотложной медицинской помощи. Иногда этот симптом защемления седалищного нерва сопровождается пояснично-крестцовым радикулитом.

Во время сведения ног в тренажере при спазмированной грушевидной мышцы происходит еще большее сдавливание седалищного нерва и ухудшение либо проявление симптомов.

Вывод: данный тренажер можно использовать в своей тренировочной программе, но с небольшими весами и максимум 1 раз в неделю.

Видео

Техника и нюансы для женщин:

Упражнения на тренажере на видео для мужчин:

«А вот я..»

• «Это мое самое любимое упражнение, мне его комфортно делать, и я к нему привыкла.»

• Привычки часто бывают вредными из-за бессознательности, особенно приносящие вред, а тренировка должна выводить вас из зоны комфорта, чтобы был какой-то толк от нее. И вообще аргумент «а мне так больше нравится/мне так удобно/я так хочу» оставляйте за пределами спортзала.

• «Мне его тренер посоветовал делать, а все женщины довольны этими упражнениями.»

• А если тренер посоветует заниматься в трусах и каске? Взвешивайте логически полученную информацию, советы, и делайте выводы сами. А тех, кто уже не доволен, вы либо не увидите в клубе, либо они будут просто страдать болями, не понимая причину, и заниматься дальше.

• Вообще не понимаю, как можно не делать эти упражнения..

• Во-первых, ясно написано, что совсем отказываться не нужно, стоит снизить рабочий вес и частоту использования. И вообще, так трудно от них отказаться? Конечно, ведь это простые и приятные упражнения, их можно делать хоть несколько часов, «чувствуя», как мышцы подтягиваются, жгут. Но давайте, всё-таки, не будем забывать, что спорт должен улучшать здоровье, а не приносить вред во имя красивой попы.

Данная статья проверена дипломированным диетологом, который имеет степень бакалавра в области питания и диетологии, Веремеевым Д.Г.

Статьи предназначены только для ознакомительных и образовательных целей и не заменяет профессиональные медицинские консультации, диагностику или лечение. Всегда консультируйтесь со своим врачом по любым вопросам, которые могут у вас возникнуть о состоянии здоровья.

Hip Simulator — обзор

10.5.6 Протезы и измерения

Испытания на износ симулятора бедра в основном касались износа суставных поверхностей и, как правило, не учитывали возможный износ других поверхностей. Это, возможно, удивительно, учитывая исследования в 1990-х годах износа конических соединений бедренной кости (Marlowe et al., 1997) и деформации вертлужной впадины, приводящей к износу задней части (Yamaguchi et al., 1999). Аналогичным образом, обработка задней части вертлужной впадины для облегчения установки на симуляторе, как было показано, вызывает деформацию вертлужной впадины, приводящую к чрезмерному износу (Kamali et al., 2008b). В ходе некоторых тестов на износ имитатора бедра головки бедренной кости устанавливались на бедренной ножке, как и предполагалось in vivo (Barbour et al., 1999), но измерение износа конусообразного соединения бедренной кости, по-видимому, игнорировалось. Несмотря на доказательства, подтверждающие тестирование полных протезов и их распознавание (Smith, 1999), тестирование на симуляторе обычно включало установку головок бедренной кости и вертлужных чашек / вкладышей на изготовленных на заказ держателях, чтобы они соответствовали симулятору. Как заметил Сайкко, «поскольку бедренную ножку трудно надежно прикрепить к симулятору, для фиксации головки на симуляторе вместо стержня использовался специальный держатель головки бедренной кости» (Saikko, 1996).

Установка компонентов in vitro, как и предполагалось in vivo, безусловно, возможна. Измерение износа различных компонентов действительно сопряжено с возможными протокольными и техническими проблемами, хотя они и не должны быть непреодолимыми. Примером этих технических проблем является измерение износа гравиметрическим методом, поскольку общая масса головки и ножки бедренной кости может быть больше, чем масса, которую можно измерить с помощью обычно используемых весов. Возможным решением может быть выполнение объемных измерений с помощью координатно-измерительной машины (КИМ) или измерение износа частиц (Kamali et al., 2008b). Другой проблемой является определение того, где происходит износ, например, на мужской цапфе или женском конусе внутри головки бедренной кости, что возможно с использованием КИМ (Langton et al., 2012; Bone et al., 2015) и должно быть возможным гравиметрически. В новом подходе к измерению износа на конусном соединении в симуляторе использовался манжет, чтобы изолировать износ в конусном соединении от износа на сочленяющихся поверхностях (Pamu et al., 2012). Следует учитывать и измерять износ всех поверхностей.

Размеры и геометрия компонентов должны быть измерены, по крайней мере, до и после испытаний с помощью КИМ. Точно так же измерения шероховатости поверхности должны проводиться, по крайней мере, до и после тестирования и не ограничиваться только сочленяющимися поверхностями, например, измерения цапфы бедренной ножки и конуса головки бедренной кости вполне уместны. Остатки износа следует хранить и анализировать по результатам испытаний, поскольку хорошо известно, что объемная скорость износа является лишь частью проблемы; материал, размер и морфология частиц являются основополагающими для индуцированного биологического ответа (Ingham and Fisher, 2000).

Керамика | Бесплатный полнотекстовый | Влияние кинематических условий и изменений в расположении компонентов на серьезность краевой нагрузки и износа керамических тазобедренных подшипников

1. Введение

Целью данного исследования было:

• Изучить возникновение и серьезность краевой нагрузки и динамического разделения при различных уровнях медиально-латерального трансляционного несоответствия при стандартном и крутом углах наклона чашки (биомеханическое исследование) при двух осях вращения. условия моделирования (без абдукции / приведения) и три оси условий моделирования вращения (с абдукцией / приведением) с различными профилями нагрузки.

• Определение износа керамико-керамических подшипников в условиях краевого нагружения при стандартном и крутом углах наклона чашки (исследование износа), в условиях моделирования вращения по двум осям (без абдукции / присоединения) и в условиях моделирования вращения по трем осям. (с отведением / приведением и разными профилями нагрузки).

2. Материалы и методы

Для исследований износа использовались 24 подшипника керамика-керамика диаметром 36 мм (часть 2). Условия двух осей вращения при углах наклона чашки 45 ° (n = 6) и 65 ° (n = 6) с поступательным несоответствием 4 мм применялись для трех миллионов циклов.Условия вращения по трем осям при углах наклона чашки 45 ° (n = 6) и 65 ° (n = 6) с поступательным рассогласованием 4 мм применялись для трех миллионов циклов.

В качестве лубриканта использовалась 25% сыворотка новорожденного теленка с добавлением 0,03% азида натрия для минимизации роста бактерий. Для исследований моделирования износа сыворотку меняли примерно каждые 330 000 циклов.

Гравиметрические и геометрические измерения проводились с интервалом в один миллион циклов. В каждом интервале измерений компоненты извлекались из симуляторов и очищались в соответствии со стандартной рабочей процедурой. Гравиметрический износ определялся с помощью микровесов (аналитические весы Mettler Toledo XP205, Грайфензее, Швейцария), точность показаний которых составляла 0.01 мг. Изменение массы было преобразовано в объемный износ с использованием плотности 4,37 × 10 ^-3 г / мм ³ для BIOLOX ^® delta. Геометрические измерения проводились на координатно-измерительной машине (Legex 322, Mitutoyo, Япония). Программное обеспечение Redlux (Саутгемптон, Великобритания) использовалось для построения трехмерной карты поверхностей вертлужной впадины и головки бедренной кости. Были определены средние значения и 95% доверительный интервал, и для статистического анализа скоростей износа использовался двухфакторный дисперсионный анализ (ANOVA) (две переменные — угол наклона и количество осей вращения) с уровнями значимости, взятыми при p <0.05.

3. Результаты

4. Обсуждение

Целью этого исследования было изучить влияние входной кинематики и изменений в расположении компонентов на серьезность краевой нагрузки и износ керамических керамических подшипников бедра на электромеханическом симуляторе тазобедренного сустава.

Метод моделирования in vitro для трибологической оценки полностью естественных тазобедренных суставов

Abstract

Использование симуляторов тазобедренного сустава для оценки трибологической эффективности тотального эндопротезирования тазобедренного сустава широко описано в литературе, однако in vitro моделирующих исследований , исследующих трибологию естественного тазобедренного сустава, ограничены описанными гетерогенными методологиями. Для этого исследования была успешно разработана система моделирования in vitro для полного естественного тазобедренного сустава, позволяющая позиционировать вертлужную впадину и головку бедренной кости с разной ориентацией при сохранении правильного центра вращения сустава.Эффективность системы моделирования оценивалась путем тестирования полных, согласованных естественных тазобедренных суставов свиней и гемиартропластических суставов свиней на имитаторе трения маятника. Результаты показали наличие двухфазной смазки с нелинейным увеличением трения, наблюдаемым в обеих группах. Более низкие общие средние значения коэффициента трения в группе полного естественного сустава, которые увеличивались с меньшей скоростью со временем, предполагают, что экссудация жидкости и переход к твердофазной смазке происходили медленнее во всем естественном тазобедренном суставе по сравнению с тазобедренным суставом с гемиартропластикой.Предполагается, что эта методология будет использоваться для исследования морфологических факторов риска развития остеоартрита тазобедренного сустава, а также эффективности раннего интервенционного лечения дегенеративного заболевания тазобедренного сустава.

Образец цитирования: Groves D, Fisher J, Williams S (2017) Метод моделирования in vitro для трибологической оценки полностью естественных тазобедренных суставов. PLoS ONE 12 (9): e0184226. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226

Редактор: Алехандро А. Эспиноза Ориас, Медицинский центр Университета Раш, США

Поступила: 14 марта 2017 г .; Принята к печати: 21 августа 2017 г .; Опубликовано: 8 сентября 2017 г.

Авторские права: © 2017 Groves et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

Доступность данных: Входные и выходные профили загрузки и движения симулятора, а также файлы данных доступны в репозитории данных Университета Лидса (DOI https://doi.org/10.5518/171).

Финансирование: Эта работа была поддержана студентами CASE Совета по инженерным и физическим наукам при поддержке DePuy Synthes. Рукопись была просмотрена DePuy Synthes. Финансирующая организация внесла свой вклад в стипендию, присужденную DG (стипендию CASE) в связи с этим исследованием.JF / SW являются оплачиваемыми консультантами, однако это не имеет отношения к данному исследованию. У спонсора не было никакой дополнительной роли в дизайне исследования, сборе и анализе данных, решении опубликовать или подготовке рукописи. Конкретные роли этих авторов сформулированы в разделе «Авторский вклад».

Конкурирующие интересы: Даун Гроувз получила стипендию EPSRC CASE, в которой ДеПуи был промышленным сотрудником. Джон Фишер — платный консультант DePuy Synthes and Simulation Solutions.Софи Уильямс — платный консультант DePuy Synthes и старший научный сотрудник Королевской инженерной академии — DePuy Synthes. Это не влияет на нашу приверженность политике PLOS ONE в отношении обмена данными и материалами.

Введение

Остеоартрит (ОА) вызывает патологические дегенеративные изменения, поражающие весь сустав [1], что приводит к боли и потере функции [2, 3]. Первичная полная замена тазобедренного сустава (THR) часто используется для облегчения боли и снижения трудоспособности, вызванных прогрессирующим остеоартрозом бедра, однако многим более молодым пациентам требуется повторная операция через 15–20 лет, и результаты после этой процедуры не всегда так благоприятны. удовлетворенности пациента и функции [2, 4].Предполагается, что трибологические исследования полных естественных тазобедренных суставов с использованием моделирования in vitro будут полезны для изучения взаимосвязи между геометрией бедра и дегенеративными заболеваниями суставов, такими как ОА, а также для исследования эффективности раннего интервенционного лечения, которое может задержать начало ОА [5–8].

Исследования моделирования in vitro , исследующие трибологию и функцию протезов THR, широко описаны в литературе, однако исследования, изучающие трение и износ между двумя контактирующими поверхностями естественного хряща, были в основном сосредоточены на исследованиях трения при возвратно-поступательном движении с использованием цилиндрических костно-хрящевых пробок [ 9–11].Несмотря на то, что естественный тазобедренный сустав является относительно конгруэнтным, контакт между двумя шарнирными поверхностями изменяется при разных условиях нагрузки, и головка бедренной кости имеет слегка сферическую форму по сравнению с более сферической вертлужной впадиной [12]. Это делает биомеханический анализ естественного тазобедренного сустава более сложным по сравнению с искусственным тазобедренным суставом, и поэтому на сегодняшний день исследования, посвященные полной трибологии естественного тазобедренного сустава in vitro , носили ограниченный и неоднородный характер [13–18].Трибология тазобедренного сустава после гемиартропластики, когда протезом заменяется только головка бедренной кости, также была экспериментально исследована с использованием методов in silico и in vitro [19–21], хотя и в меньшей степени, чем трибология THR. .

Основная цель этого исследования заключалась в разработке полной имитационной модели in vitro , первоначально с использованием тазобедренных суставов естественных свиней и имитатора трения маятника, чтобы исследовать трибологию всего естественного тазобедренного сустава.Этот метод был разработан для облегчения тазобедренных суставов с различной морфологией и легко модифицируется для использования с тканями человека и различными системами моделирования, например тренажер физиологического тазобедренного сустава. Методология была оценена путем проведения in vitro моделирования на группе полных, анатомически подобранных тазобедренных суставов свиньи и группе тазобедренных суставов свиньи с гемиартропластикой, а также с целью тестирования тазобедренных суставов, расположенных с различной ориентацией вертлужной впадины и бедренной кости в будущих исследованиях.Данные, связанные с этой статьей, доступны в хранилище данных Университета Лидса [22].

Материалы и методы

Имитатор трения маятника

Имитатор трения маятника ProSim (Simulation Solutions Ltd., Стокпорт, Великобритания), который представляет собой симулятор одиночной станции с пневматической нагрузкой, был использован для моделирования in vitro в этом исследовании (рис. 1). Тазобедренные суставы были перевернуты по отношению к анатомическому положению в симуляторе, который прикладывал осевую нагрузку через головку бедренной кости и прикладывал движение через качельку сгибания-разгибания (FE).Пьезоэлектрический датчик силы, прикрепленный к передней части самоустанавливающейся каретки для измерения трения и, следовательно, выровненный по оси FE, измерял любые силы, передаваемые между опорными поверхностями при перемещении коромысла FE взад и вперед. Сама каретка была установлена ​​на гидростатическом масляном подшипнике под давлением и была спроектирована таким образом, чтобы любой крутящий момент, создаваемый смещением образца и случайным перемещением каретки в медиально-боковом направлении, то есть не из-за трения между двумя поверхностями, возникающего в результате движения FE, был быть незначительным.Это было важно для тестирования биологической ткани, которая могла иметь неоднородную и / или симметричную геометрию, поскольку это могло вызвать дополнительный крутящий момент из-за одновременного движения каретки. Величина момента трения FE, создаваемого испытуемыми образцами, определялась путем преобразования данных о силе от пьезоэлектрического преобразователя в сигнал напряжения с помощью усилителя заряда. Преобразователь смог измерить момент трения до минимального значения 0,5 Нм (1% от максимального диапазона преобразователя, который составлял 50 Нм), с измеряемыми коэффициентами трения в диапазоне 0.01–0,5 [23].

Конструкция крепления для натуральных тканей

были разработаны для облегчения ориентации и позиционирования естественной вертлужной впадины с различными углами версии и наклона, а также для установки головок естественной бедренной кости с различными комбинациями углов во всех трех плоскостях. Риск экспериментального артефакта был снижен за счет того, что естественные бедра разных размеров могли быть размещены по центру с центром вращения (COR) головы и вертлужной впадины, выровненным с имитатором трения маятника.Положение образцов в имитаторе проверялось с помощью центрирующего стержня (поставляется производителем), который был разработан для пропускания через отверстия в коромысле КЭ и каретке измерения трения, расположенных последовательно в соответствии с COR симулятора.

Вертлужная впадина.

Тестовый горшок, обеспечивающий достаточный доступ и контроль над вертлужной впадиной во время заливки и удаления образца, а также снижающий риск столкновения компонентов во время тестирования, был разработан и изготовлен из нержавеющей стали.Была разработана методика заливки с использованием инклинометра, которая обеспечила последовательный и повторяемый способ ориентирования вертлужной впадины с одновременным контролем степени наклона и версии, применяемой к вертлужной впадине (рис. 2). Этот метод обеспечивает две независимые переменные, которые могут быть использованы в будущих симуляциях in vitro и для воспроизведения различных морфологий in vivo , например ретровертированной вертлужной впадины.

Рис. 2. Вертлужная впадина свиньи, закрытая с помощью инклинометра.

(A) Инклинометр с приспособлением, используемым для ориентирования и позиционирования вертлужной впадины, и (B) вертлужная впадина свиньи в горшке, показывающая положение образца в тестовой емкости. Дорсально-вентральное и краниально-каудальное направления соответствуют наклону и варианту углов соответственно. ПММА: полиметилметакрилат; D: спинной; V: вентральный; Cr: черепной; Ca: хвостовой.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g002

Шаблон для заливки головки бедренной кости Natural.

Зажим для заливки представляет собой модульную конструкцию со сменными приспособлениями, позволяющими правильно устанавливать головки бедренной кости разного диаметра.Были изготовлены герметизирующие диски разной глубины, предназначенные для использования с головками бедренной кости разного радиуса, и выбранный диск был выровнен вертикально по центру основания испытательного приспособления, после того как он был прикреплен к верхней планке фиксации фиксации (рис. 3A). Приспособление было сконструировано таким образом, чтобы после полной сборки расположить верхнюю поверхность естественной головки бедренной кости напротив нижней стороны диска, выровнять центр головки с центральной высотой коромысла FE, к которому был прикреплен образец бедренной кости во время операции. тест.Герметизирующий координатно включен перемещение между кольцом и рычагом (наклона), а также между приложением сборки и щелевые базовой пост (вариант), таким образом позволяя положение и ориентацию образца необходимо контролировать.

Рис. 3. Тестовый горшок для головки бедренной кости и приспособление для заливки.

Испытательный горшок головки бедренной кости и приспособление для заливки (A) с (B) головкой бедренной кости свиньи, ориентированной и позиционируемой с помощью вертлужной впадины, и (C) бедренной костью, помещенной в испытательную ванну перед цементированием, удерживаемой на месте с помощью заливочного кольца и конуса булавки.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g003

Приспособление для исследования головки бедренной кости Natural.

Испытательное приспособление состояло из испытательного горшка Delrin ^® , смещенного для компенсации анатомического смещения бедренной кости при сохранении вертикального совмещения головки с направлением осевой нагрузки от симулятора. Образцы удерживались на месте во время позиционирования и заливки с помощью заливочного кольца и конических штифтов (рис. 3B и 3C). Тест горшок был прикреплен к ® верхней пластины Delrin и нержавеющей стали опорной плиты, предназначенные для перемещения в двух ортогональных направлениях, так что различные размеры вала бедренной кости / формы и позиции могут быть размещены.

Подготовка образцов натуральных тканей.

Тазобедренные суставы правых задних конечностей свиней были взяты у 25-недельных свиней-доноров со средним весом 80 кг через 24–48 часов после убоя на местной бойне. Тазобедренные суставы, полученные с бойни, имели лишь минимальное и различное количество прикрепленных костей тазовой кости, и поэтому ориентация сустава в этом исследовании определялась отношением к системе отсчета симулятора. Горизонтальная база симулятора формировала поперечную плоскость, а переднезадняя ось и движение FE происходили в сагиттальной плоскости.Поверхность хряща поддерживалась гидратированной фосфатно-солевым буфером на протяжении всего процесса сбора урожая и посадки. Диаметр тазобедренных суставов измеряли с использованием извлеченной головки бедренной кости и набора циркулярных датчиков. Поскольку головки были слегка асферическими, выбор размера основывался на отсутствии помех головки бедренной кости от датчика в краниально-каудальном направлении, которое соответствовало направлению движения FE. Это диаметральное измерение было использовано для выбора герметичного диска правильного размера для полных исследований естественного сустава и для выбора металлической головки из кобальто-хрома (CoCr) подходящего размера для исследований гемиартропластики.

Моделирование для полных исследований естественной гемиартропластики бедра и бедра проводилось с вертлужной впадиной, расположенной с одинаковой ориентацией, чтобы можно было провести межгрупповое сравнение коэффициента трения.

Собранная ткань была помещена в горшок с использованием трехэтапного процесса, и все образцы ткани были закреплены в соответствующих тестовых горшках с использованием костного цемента из полиметилметакрилата (ПММА).

1. Вертлужная впадина была размещена и заделана поперечной вертлужной связкой вверху и центральной областью суставного хряща внизу.Образцы центрировали и выровняли с COR симулятора с помощью приспособления для заливки, ранее разработанного Lizhang [24], которое было модифицировано для размещения изготовленного тестового сосуда для вертлужной впадины [25]. Вкратце, этот заказ буровая установка состояла из опорной плиты, на которой было сосредоточено вертлужной впадины, горшок и вертикальной дорожки с подвижным воротника. Головка из CoCr соответствующего размера была прикреплена к стержню, который зажимался с помощью рычага на вертикальной направляющей и опускался на установочный блок перед фиксацией воротника на месте.Был доступен ряд установочных блоков, которые можно было использовать с головками разного радиуса, и они были спроектированы таким образом, что, когда рука опиралась на воротник, центр головки CoCr совпадал с высотой центра каретки для измерения трения, где находилась вертлужная впадина. сидя во время теста. Установочный блок был заменен горшком для вертлужной впадины, и вертлужная впадина, которая была помещена в цемент из ПММА, пока она находилась в рабочем состоянии, осторожно вдавливалась в цемент с помощью головки бедренной кости до тех пор, пока рука не опиралась на воротник.Это выровняло центр вертлужной впадины с симулятором, и инклинометр использовался для одновременного позиционирования всех образцов с нейтральной версией и углом наклона, эквивалентным 45 ° (рис. 2B). Вариант вертлужной впадины и наклон были определены как угол между плоскостью обода вертлужной впадины и сагиттальной и поперечной плоскостями симулятора соответственно. Эта ориентация вертлужной впадины воспроизводила установку по умолчанию, используемую в исследовании суставов гемиартропластики тазобедренного сустава свиней, проведенном Lizhang et al. [20], что позволяет сравнить средние значения коэффициента трения в этой группе со значениями из этого ранее опубликованного трибологического исследования.
2. Бедренные кости свиньи были размещены в герметичном кольце так, чтобы суставные поверхности головки бедренной кости и вертлужной впадины были конгруэнтными, а голова была анатомически совмещена с герметизированной вертлужной впадиной. Это было достигнуто с помощью метки выравнивания размещены напротив средней точке поперечного вертлужной связки и костистых опорной точки на шейке бедренной кости (фиг.3В). Костная контрольная точка представляла собой линейное возвышение, проходящее ниже между экватором головки бедренной кости и дистальным концом межвертельного гребня, чуть выше малого вертела.Эти два ориентира были определены как повторяющиеся анатомические ориентиры, которые можно было использовать для выравнивания сустава во время исследовательских работ, которые проводились до разработки этой методологии.
3. Вертлужная впадина с герметизацией была заменена на приспособление для испытания головки бедренной кости, а бедренная кость была перевернута, при этом сохранялась ориентация со стадии 2 в герметичном кольце. Стержень бедренной кости был расположен по центру испытательной камеры головки испытательного приспособления (рис. 3C), и COR был получен путем поднятия головки до заливочного диска правильного диаметра (рис. 3A).Вал был закреплен путем заливки цемента ПММА в испытательный сосуд, которому дали полностью затвердеть перед снятием заливочного кольца, чтобы образец не сдвинулся с места после установки.

Гемиартропластика модель

тестов гемиартропластики с использованием естественной вертлужной впадины и головки бедренной кости из CoCr соответствующего размера (DePuy Synthes, Лидс, Великобритания). Ацетабулы были залиты с использованием метода, описанного выше, а головки CoCr были установлены и протестированы с использованием существующего приспособления. Он состоял из подвижной вертикальной втулки, которую можно было отрегулировать для установки на правильный COR с помощью датчиков скольжения и высотомера Vernier.

Измерение трения

Моделирование in vitro было проведено на образцах гемиартропластики свиней (n = 5) и полных, согласованных естественных тазобедренных суставах свиней (n = 5). Образцы фиксировали в имитаторе с горшком для вертлужной впадины, установленным в каретке для измерения трения, и головкой, прикрепленной к коромыслу FE (рис. 4). Попав в симулятор, положение образцов проверялось путем пропускания центрирующего стержня через отверстия в коромысле FE и каретке для измерения трения.Испытания проводились только в том случае, если стержень проходил через оба центрирующих отверстия. Трение определялось с помощью пьезоэлектрического преобразователя (рис. 1), который измерял момент трения, создаваемый между контактирующими поверхностями головки бедренной кости и вертлужной впадины. Смазка для всех тестов представляла собой 25% объемную концентрацию сыворотки новорожденного теленка, разбавленную деионизированной водой, которая имела содержание белка, аналогичное синовиальной жидкости человека [26].

Рис. 4. Образцы гемиартропластики и естественного сустава.

Маятниковый тренажер трения с (A) гемиартропластикой свиньи и (B) полным тазобедренным суставом свиньи in situ с 25% лубрикантом бычьей сыворотки перед тестированием.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g004

Были использованы условия нагрузки и движения, ранее описанные для тестирования образцов гемиартропластики свиней [20], где моделирование проводилось с частотой 1 Гц в течение 7200 циклов ( т.е. 2 часа). Одну синусоидальную динамическую нагрузку в диапазоне от 25 Н (фаза качания) до 800 Н (пиковая нагрузка фазы опоры) прикладывали через головку бедренной кости с одновременным приложением движения ± 15 ° FE (рис. 5).Входной профиль моделировал неполную нагрузку на одну заднюю конечность донорской свиньи весом в среднем 80 кг. Профиль нагрузки был разработан таким образом, чтобы быть сопоставимым с нагрузками, испытываемыми через тазобедренный сустав во время цикла четвероногой походки [27–29], и из-за того, что свиньи имеют меньший диапазон движений при нормальной походке, чем двуногие люди [29, 30], движение от сгибания к разгибанию на ± 15 ° использовалось для снижения риска любого костного соударения. Чтобы учесть любой дополнительный момент трения, возникающий из-за несоосности из-за сложной геометрии соединения, данные были нормализованы с использованием среднего значения смещения трения, рассчитанного по результатам двухминутных испытаний постоянной нагрузки 800 Н (± 15 ° FE), которые проводились ранее. (до теста) и после (пост-тест) каждого исследования динамического профиля.Момент трения до и после испытания был измерен во время среднего сгибания и среднего разгибания (рис. 5), что позволило учесть любые различия в измерениях момента сгибания и разгибания, возникающие из-за смещенной от центра нагрузки асферических образцов [20].

Рис. 5. Симулятор движения и профили нагрузки.

Движущиеся и динамические (от 25 до 800 Н) и постоянные (800 Н) профили нагрузки для одного цикла. Оранжевая заштрихованная область показывает, где собираются данные в точках середины сгибания и середины разгибания во время предварительных и пост-тестов с постоянной нагрузкой, а фиолетовая заштрихованная область показывает пиковую нагрузку (т.е. 800 Н) фаза высокой скорости, из которой собираются данные испытаний динамического профиля. FE: сгибание-разгибание.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g005

Анализ данных

Коэффициент трения ( f ) был рассчитан с использованием уравнения (1) из истинной величины крутящего момента (T _t ), обнаруженной пьезоэлектрическим преобразователем, где r — радиус опорных поверхностей (в метрах), а W _p — пиковая нагрузка (Ньютоны): (1)

Средний коэффициент трения для каждого односекундного цикла испытаний на динамическую нагрузку был рассчитан на основе данных, собранных во время пиковой нагрузки (т.е. 800 Н), фаза высокой скорости, и коэффициент трения для испытаний с постоянной нагрузкой (примерные графики необработанных данных, показанные на рис. 6A) был рассчитан с использованием данных, взятых из того места, где головка вертикально нагружала чашу (т.е. 0 ° FE), что соответствует высокоскоростная фаза циклов, как показано на рис. 5. Среднее смещение трения ( f _o ) было рассчитано с использованием данных испытаний при постоянной нагрузке, проведенных до ( f _b ) и после ( f _{). a} ) для каждого исследования динамического профиля уравнение (2): (2)

Рис 6.Графики данных, взятые из теста гемиартропластики, демонстрирующие нормализацию коэффициента трения с использованием данных теста постоянной нагрузки на этапе постобработки.

(A) Графики данных коэффициента трения, измеренного в течение одного цикла 2-минутных испытаний с постоянной нагрузкой 800 Н, проведенных до (предварительное испытание) и после (пост-испытание) исследования динамического профиля, которое использовалось для расчета среднее значение смещения трения ( f _o ). Среднее смещение трения в этом примере было -0,025, которое было рассчитано с использованием уравнения 2.(B) График исходных данных коэффициента трения, измеренного в течение одного цикла исследования динамического профиля, построенный по сравнению с тем же набором данных с примененным средним значением смещения трения (т.е. нормализованным) с использованием уравнения 3, и (C) участок графика где нормализованные данные ( f _n ) для сообщаемых значений берутся после обработки. Бледно-желтые заштрихованные области выделяют область сбора данных. FE: сгибание-разгибание.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g006

Данные о трении были нормализованы ( f _n ) путем вычитания смещения трения ( f _o ) из среднего динамического коэффициента трения ( f _d ) каждого зарегистрированного цикла Уравнение (3) для определения значения трения для испытания: (3)

Примеры графиков необработанных данных, измеренных в течение одного цикла симулятора, и соответствующий график испытаний нормализованного динамического профиля, скорректированный на среднее смещение трения после постобработки, показаны на рисунке 6.

Были рассчитаны средние значения коэффициента трения и 95% доверительный интервал (CL) на протяжении двухчасовых испытаний, и был проведен двухфакторный дисперсионный анализ (ANOVA) по коэффициенту трения по парам подшипников (т.е. гемиартропластика и полный сустав), и время (т.е. номер цикла) с использованием программного обеспечения для прогнозной аналитики SPSS (версия 19, IBM, Нью-Йорк, США), где p <0,05. Время было разделено на три уровня и проанализировано в одноминутном (начало; 60 циклов), двухчасовом (конец; 7200 циклов) и двадцати минутах (1200 циклов) временных точках.Последний был произвольным моментом времени, позволяющим сравнивать данные начальных этапов с данными начала и конца тестов.

В дополнение к количественному анализу трения была проведена качественная макроскопическая оценка суставных хрящевых поверхностей образцов как до, так и после моделирования, чтобы выявить любые видимые повреждения или изменения внешнего вида поверхности после тестирования.

Результаты

Полные естественные тазобедренные суставы свиньи (n = 5) и гемиартропластики тазобедренного сустава свиньи (n = 5) с диаметральным диапазоном 35–37 мм были успешно позиционированы с требуемой анатомической ориентацией и высотой центра сустава, что позволило провести in vitro проведение трибологических испытаний на маятниковом тренажере.В течение двухчасового периода испытаний для всех образцов в обеих группах наблюдалось первоначальное быстрое увеличение с последующим постепенным увеличением коэффициента трения (рис. 7). Средний коэффициент трения в группе гемиартропластики был 0,031 ± 0,020 в начале теста, а затем увеличился, достигнув уровня 0,047 ± 0,006 после ~ 1500 циклов (т.е. ~ 25 минут). Коэффициент трения для всей группы тазобедренного сустава свиньи увеличился с начального среднего значения 0,004 ± 0,011 до среднего значения 0,022 ± 0,003 за тот же период времени, однако коэффициент трения не вышел на плато и продолжал постепенно увеличиваться со значением 0.035 ± 0,003 регистрируется через два часа. Влияние пары подшипников и времени оказало статистически значимое влияние на коэффициент трения (p <0,001), однако взаимодействие между этими двумя переменными не было значимым (p = 0,109). В течение двухчасового моделирования in vitro средний коэффициент трения был ниже в группе с полностью естественным тазобедренным суставом по сравнению с группой с гемиартропластикой тазобедренного сустава, и он значительно отличался в 60, 1200 и 7200 секундных временных точках (ANOVA; p <0.001). Апостериорный анализ Бонферрони показал, что коэффициент трения в 60-секундный момент времени значительно отличался от коэффициента трения, зарегистрированного как в 1200-секундные, так и в 7200-секундные моменты времени (оба p <0,05), однако существенной разницы в коэффициенте трения не было. при сравнении временных точек 1200 и 7200 секунд (p = 0,139).

Рис. 7. Средний коэффициент трения для гемиартропластики и полных естественных групп суставов.

Средний коэффициент трения ± 95% доверительный интервал для полных тазобедренных суставов свиньи (n = 5) и гемиартропластики тазобедренного сустава свиньи (n = 5), испытанных в имитаторе трения маятника в течение двух часов.

https://doi.org/10.1371/journal.pone.0184226.g007

Во время макроскопической оценки тестируемой вертлужной впадины наблюдались изменения внешнего вида полулунной поверхности и небольшие участки хондрального повреждения. Это было в основном обесцвечивание и небольшие поверхностные царапины, которые были равномерно распределены по полулунной поверхности полных образцов естественного сустава, но располагались более центрально на образцах после гемиартропластики. На испытанных образцах гемиартропластики также были доказательства немного более глубоких поражений хряща, с небольшими трещинами, наблюдаемыми на двух вертлужных впадинах.Некоторое небольшое изменение цвета наблюдалось на верхней части некоторых протестированных головок естественной бедренной кости.

Обсуждение

Остеоартрит — распространенная форма дегенеративного заболевания суставов, и общепринято считать, что прямые и косвенные затраты на здравоохранение от лечения ОА тазобедренного сустава с использованием THR, как ожидается, будут расти из-за старения населения [31, 32]. Поэтому исследовательские исследования, изучающие связи между морфологией тазобедренного сустава и факторами риска развития ОА, и исследования, изучающие эффективность ранних интервенционных методов лечения ОА тазобедренного сустава, являются важными областями исследований для решения как растущего социально-экономического бремени болезни, так и улучшения исходы для пациентов.

Исторические исследования естественного тазобедренного сустава с помощью маятника описаны в литературе Unsworth et al. [18], О’Келли и др. [16], а также Робертс и др. [33], однако, экспериментальная методология, по-видимому, не облегчает тестирование образцов с использованием различной ориентации или различных геометрических параметров, что необходимо для воспроизведения различных морфологий тазобедренного сустава. Об исследованиях полной трибологии естественного тазобедренного сустава, проведенных с использованием сервогидравлических испытательных систем, сообщалось Ferguson et al.[13], которые выполнили тесты на сползание-консолидацию с использованием постоянных и циклических нагрузок до и после лабральной резекции, а также Song et al. [17], которые измерили сопротивление вращению. Это было выполнено путем применения ротационного смещения с осевой сжимающей нагрузкой, также до и после лабрэктомии, в течение десяти 13-секундных циклов. В обоих исследованиях исследовались тазобедренные суставы человека; однако не все параметры теста были физиологическими.

В этом исследовании используется система моделирования in vitro для полного естественного тазобедренного сустава с приспособлениями для заливки, позволяющая контролировать ориентацию как бедренной кости, так и вертлужной впадины для моделирования различных морфологий сустава, а также с COR сустава, согласованным с симулятором. , был успешно разработан.Новые приспособления и методология были оценены путем проведения in vitro моделирования тазобедренных суставов свиней в маятниковом симуляторе трения, чтобы можно было проанализировать и оценить средние значения коэффициента трения. Разработанная методика заливки позволила расположить и протестировать на симуляторе как полностью естественные тазобедренные суставы, так и суставы гемиартропластики тазобедренного сустава, при этом COR сустава выровнен с суставом симулятора. Установка правильного COR вместе с нормализацией данных для учета любого дополнительного биомеханического крутящего момента, не связанного с применением профиля нагрузки, гарантируют, что, насколько это возможно, любые экспериментальные артефакты, возникающие из настройки или сложной геометрии бедра, были уменьшены. .

Фактор трения, измеренный во время тестов на гемиартропластику, показал тенденции и значения, аналогичные тем, которые описаны Lizhang et al. [20], в аналогичном исследовании трибологии гемиартропластики тазобедренного сустава, где использовались очень большие зазоры. В группе полного естественного сустава средний коэффициент трения увеличился с 0,004 до 0,035, при этом общее среднее значение для двухчасового испытания составило 0,022. Неоднородные методологии и использование хряща из разных анатомических областей затрудняют прямое сравнение этого исследования с ранее опубликованным in vitro трибологическим исследованием хряща на хряще , однако результаты попадают в диапазон значений (0.003 до 0,08) для трения между двумя поверхностями хряща, о котором сообщалось в литературе [10, 11, 18, 33–35].

Нелинейная временная реакция, наблюдаемая в обеих группах образцов, скорее всего, связана с вязкоупругой реакцией и двухфазной природой хряща, где по мере уменьшения жидкой опоры нагрузка постепенно переходит на твердую фазу [36, 37]. Фактор трения не достиг плато в группе с полным естественным тазобедренным суставом, что указывает на то, что образцы не достигли равновесия в конце двухчасового теста.Эта тенденция согласуется с данными, полученными McCann et al. [35], которые исследовали in vitro трение в естественном коленном суставе. Естественное бедро в этом исследовании имеет пространственно изменяющуюся и зависящую от времени нагрузку на хрящ головки бедренной кости по сравнению со сферической головкой из CoCr при гемиартропластике. Это означает, что экссудация жидкости из хряща будет медленнее, и, следовательно, коэффициент трения был ниже и требовалось больше времени для повышения по сравнению с моделью гемиартропластики. Эти выводы подтверждаются работой Forster et al.[38]. Кроме того, жидкость, застрявшая между деформирующими неровностями двух поверхностей хряща, по сравнению с наличием только одной поверхности хряща (т.е. вертлужной впадины) в группе гемиартропластики, замедлила бы экссудацию жидкости [39]. Геометрия бедра свиньи немного более асферическая, чем у человека, и признано, что это могло повлиять на результаты тестов на гемиартропластику. Разница между двумя диаметральными измерениями, выполненными перпендикулярно в переднезаднем и сверхнижнем направлениях головок бедренной кости свиньи и человека без явной патологии (оба n = 6), составила 3.53 мм ± 1,78% и 1,0 мм ± 1,2% соответственно [40]. Разумно предположить, что подобная степень асферичности существует на сочленяющихся поверхностях парной вертлужной впадины. Более плохое соответствие между металлической сферической головкой из CoCr и естественным хрящом асферической вертлужной впадины свиньи может, таким образом, привести к образованию областей высоких контактных напряжений, которые неравномерно распределены вокруг вертлужной впадины. Это может объяснить, почему более высокие средние значения трения и большая степень повреждения хондры вертлужной впадины наблюдались в группе гемиартропластики по сравнению с группой полностью естественного тазобедренного сустава, где вертлужная впадина сочленялась с естественной головкой бедренной кости.Плохая конгруэнтность и распределение нагрузки, наблюдаемые в модели гемиартропластики, могут со временем привести к абразивному износу и эрозии вертлужного хряща, что согласуется с клиническими данными [41–43].

Основным ограничением использования маятникового симулятора трения для проведения моделирования было то, что осевая нагрузка прикладывалась через бедренную кость, а не через вертлужную впадину таза, и применялась только одна ось движения (сгибание-разгибание). Следовательно, нормальная нагрузка и остеокинематика, которым обычно подвергается тазобедренный сустав in vivo (например,грамм. сгибание-разгибание, отведение-приведение, медиальное и латеральное вращение) не могут быть воспроизведены in vitro , что может привести к приложениям к суставу некоторых аномальных напряжений. Кроме того, хотя данные о коэффициенте трения были нормализованы для учета любого небольшого смещения сустава, этот процесс не учитывал какие-либо потенциальные повреждающие эффекты, которые это могло иметь на сочленяющихся поверхностях сустава. Эти факторы могут объяснить небольшие участки повреждения, которые наблюдались на полулунной поверхности нативной вертлужной впадины после выполнения полного моделирования естественного сустава только в течение относительно небольшого количества циклов (т.е. более двух часов).

Телячья сыворотка широко использовалась в качестве смазки при трибологических исследованиях тазобедренного сустава, однако было признано, что вязкость и состав зависят от синовиальной жидкости, которая намного сложнее и содержит гиалуроновую кислоту, различные белки, ферменты и другие вещества. липиды [44]. Гиалуроновая кислота придает синовиальной жидкости ее вязкоупругие свойства [45], а поверхностные фосфолипиды способствуют смазыванию границ суставного хряща [46], что означает, что оба фактора являются важными факторами при рассмотрении естественной смазки суставов.Решение этого вопроса выходило за рамки данного исследования, однако предлагается рассмотреть в будущих трибологических исследованиях естественных суставов лубрикант, содержащий гиалуроновую кислоту и фосфолипиды, которые вместе снижают трение в моделях хряща [47]. . Кроме того, использование ткани, полученной от забитого животного, может потенциально повлиять на режим смазки сустава, особенно на режим граничной смазки. Во многом это связано с отсутствием жизнеспособных хондроцитов, которые продуцируют и поддерживают внеклеточный матрикс [37].Тем не менее, эти ограничения не умаляют основную цель этого исследования, заключающуюся в разработке системы моделирования in vitro для естественного тазобедренного сустава с фиксацией, позволяющей контролировать ориентацию бедра и вертлужной впадины в будущих исследованиях.

В будущей работе эта методология будет адаптирована для использования с системами моделирования in vitro и , которые могут моделировать более физиологические движения, и это обеспечит надежную систему для тестирования полных естественных тазобедренных суставов животных и / или человека.Непрерывная циклическая нагрузка, используемая на протяжении всей симуляции, когда хрящ разгружается только в течение относительно коротких периодов во время фазы качания, представляет собой непрерывную ходьбу, в отличие от входных профилей, которые используют протокол стоп-остановка-старт для облегчения периодов расслабления и повторного использования гидратация хрящевого матрикса. Если в будущем будут рассматриваться более продолжительные тесты, то этот тип профиля моделирования может обеспечить более реалистичное представление in vivo повседневной активности, которое можно было бы распространить на более широкие слои населения [48, 49].Кроме того, различные морфологии тазобедренного сустава, касающиеся вертлужной впадины (например, ретроверсия, крутой угол наклона) и проксимального отдела бедра (например, бедренная версия различной степени), будут смоделированы и исследованы с использованием приспособлений, разработанных в этом исследовании для изменения ориентации вертлужной впадины. вертлужная впадина и / или бедренная кость. Использование систем координат таза и бедра, например, определенных и рекомендованных Международным обществом биомехаников [50], будет иметь важное значение для облегчения этой работы в будущих исследованиях.Это позволит исследовать морфологические факторы риска развития ОА тазобедренного сустава путем моделирования различных форм и патологий тазобедренного сустава, а также доклинических испытаний ранних интервенционных методов лечения ОА тазобедренного сустава.

Ссылки

1. 1. Нуки Г. Остеоартроз: проблема суставной недостаточности. Z Ревматол . 1999; 58 (3): 142–147. pmid: 10441841
2. 2. Bijlsma JWJ и Knahr K. Стратегии профилактики и лечения остеоартроза бедра и колена. Передовая практика . Рез. . Клин . 2007; 21 (1): 59–76.
3. 3. Felson DT. Развитие клинического понимания остеоартрита. Лечение артрита . 2009; 11 (1): 203–213. pmid: 19232065
4. 4. Lubbeke A, Katz JN, Perneger TV и Hoffmeyer P. Первичная и ревизионная артропластика тазобедренного сустава: 5-летние результаты и влияние возраста и сопутствующих заболеваний. Дж. Ревматол. . 2007; 34 (2): 394–400. pmid: 17143967
5. 5.Ганц Р., Клау К., Винь Ц и Маст Дж. У. Новая техника периацетабулярной остеотомии для лечения дисплазии тазобедренного сустава и предварительные результаты. Клин Ортоп Релат Рес . 1988; 232: 26–36.
6. 6. Леуниг М. и Ганц Р. Эволюция и концепции суставосохраняющей хирургии тазобедренного сустава. Костный сустав J . 2014; 96 (1): 5–18. pmid: 24395304
7. 7. Маккарти Дж., Благородный П., Алуизио Ф. В., Шак М., Райт Дж. И Ли Дж. Анатомия, патологические особенности и лечение разрывов вертлужной впадины. Клин Ортоп . 2003; 406: 38–47.
8. 8. Миллис МБ и Ким И-Дж. Обоснование остеотомии и связанных процедур для сохранения тазобедренного сустава: обзор. Clin Orthop. 2002; 405: 108–121.
9. 9. Атешян Г.А. и Моу В.К. Трение, смазка и износ суставного хряща и диартродиальных суставов. В: Mow VC, Huiskes R, редакторы. Основы ортопедической биомеханики и механо-биологии. 3-е изд. Филадельфия: Липпинкотт Уильямс и Уильямс; 2005. с. 447–494.
10. 10. Форстер Х. и Фишер Дж. Влияние времени загрузки и смазки на трение суставного хряща. Proc Inst Mech Eng H . 1996; 210 (28): 109–119.
11. 11. Катта Дж., Паваскар С., Джин З., Ингам Э. и Фишер Дж. Влияние изменения нагрузки на фрикционные свойства суставного хряща. Proc Inst Mech Eng J . 2007; 221 (3): 175–181.
12. 12. Паластанга Н., Филд Д. и Сомс Р. Анатомия и движение человека: структура и функция.4-е изд. Оксфорд: Баттерворт Хайнеманн; 2002.
13. 13. Фергюсон С.Дж., Брайант Дж.Т., Ганц Р. и Ито К. Исследование in vitro уплотнения вертлужной впадины в механике тазобедренного сустава. Дж Биомех . 2003; 36 (2): 171–178. pmid: 12547354
14. 14. Фьюри MJ и Буркхардт BM. Биотрибология: трение, износ и смазка естественных синовиальных суставов. Наука о смазках . 1997; 9 (3): 255–271.
15. 15. Катта Дж., Джин З., Ингам Э. и Фишер Дж.Биотрибология суставного хряща — обзор последних достижений. Med Eng Phys . 2008; 30 (10): 1349–1363. pmid: 18993107
16. 16. О’Келли Дж., Ансуорт А., Доусон Д., Холл Д. А. и Райт В. Исследование роли синовиальной жидкости и ее компонентов в трении и смазке тазобедренных суставов человека. Eng Med . 1978; 7 (2): 73–83.
17. 17. Song Y, Ito H, Kourtis L, Safran MR, Carter DR и Giori NJ. После удаления вертлужной губы увеличивается трение суставного хряща в тазобедренных суставах. Дж Биомех . 2012; 45 (3): 524–530. pmid: 22176711
18. 18. Ансуорт А., Доусон Д. и Райт В. Фрикционное поведение синовиальных суставов человека — Часть I: Естественные суставы. Дж Трибол . 1975; 97 (3): 369–376.
19. 19. Ли Дж., Хуа Х, Джин З., Фишер Дж. И Уилкокс РК. Влияние клиренса на зависящую от времени производительность бедра после гемиартропластики: исследование методом конечных элементов с двухфазными свойствами вертлужного хряща. Med Eng Phys .2014; 36 (11): 1449–1454. pmid: 24957488
20. 20. Личанг Дж., Тейлор С.Д., Джин З., Фишер Дж. И Уильямс С. Влияние клиренса на трибологию хряща при гемиартропластике тазобедренного сустава. Proc Inst Mech Eng H . 2013; 227 (12): 1284–1291. pmid: 24043224
21. 21. Паваскар С.С., Гросланд Н.М., Ингам Э., Фишер Дж. И Джин З. Гемиартропластика тазобедренного сустава: экспериментальная проверка с использованием вертлужной впадины свиньи. Дж Биомех . 2011; 44 (8): 1536–1542. pmid: 21439570
22. 22.Гровс Д. и Уильямс С. Набор данных, связанных с «методом моделирования in vitro для трибологической оценки полных естественных тазобедренных суставов». Университет Лидса, Великобритания [набор данных]; 2017. https://doi.org/10.5518/171.
23. 23. Simulation Solutions Ltd. Руководство по аппаратному обеспечению ProSim Friction Simulator III (вариант Leeds iMBE). 1.7 изд. Стокпорт, Великобритания: Simulation Solutions Ltd; 2012. 60 с.
24. 24. Личжан Дж. Трибология гемиартропластики. Кандидат наук. Университет Лидса; 2010 г.
25. 25. Гровс Д. Геометрические варианты остеоартроза тазобедренного сустава и трибология естественного тазобедренного сустава. Кандидат наук. Университет Лидса; 2015.
26. 26. Ван А., Эсснер А., Полинени В.К., Старк С. и Дамблтон Дж. Х. Смазка и износ сверхвысокомолекулярного полиэтилена при полной замене суставов. Триболь Инт . 1998; 31 (1–3): 17–33.
27. 27. Бергманн Г., Грайхен Ф. и Рольманн А. Силы тазобедренного сустава у овец. Дж Биомех . 1999; 32 (8): 769–777.pmid: 10433418
28. 28. Бергманн Г., Сираки Дж., Рольманн А. и Кёльбель Р. Сравнение сил тазобедренных суставов у овец, собак и людей. Дж Биомех . 1984; 17 (12): 907–909, 911–921. pmid: 6520139
29. 29. Бивенер А.А. Передвижение животных. Оксфорд: издательство Оксфордского университета; 2003.
30. 30. ван Инген Шенау Г.Дж. и Бобберт М.Ф. Глобальный дизайн задних конечностей у четвероногих. Акта Анат . 1993; 46: 103–108.
31. 31. Биттон Р.Экономическое бремя остеоартрита. Ам Дж. Менеджмент Уход . 2009; 15 (8 доп.): S230 – S235. pmid: 19817509
32. 32. Крофт П. Эпидемиология остеоартрита: Манчестер и другие. Ревматология (Оксфорд) . 2005; 44 (Дополнение 4): 27–32.
33. 33. Робертс Б.Дж., Ансуорт А. и Миан Н. Способы смазки тазобедренных суставов человека. Энн Рум Дис . 1982; 41 (3): 217–224. pmid: 7092334
34. 34. Макировски Т., Тепик С. и Манн Р.В.Напряжение хряща в тазобедренном суставе человека. Дж Биомех . 1994; 116 (1): 10–18.
35. 35. McCann L, Udofia I., Graindorge S, Ingham E, Jin Z и Fisher J. Трибологическое исследование суставного хряща медиального отдела колена с использованием симулятора трения. Триболь Инт . 2008; 41 (11): 1126–1133.
36. 36. Атешян Г.А. Роль повышения давления интерстициальной жидкости в смазке суставного хряща. Дж Биомех . 2009; 42 (9): 1163–1176.pmid: 19464689
37. 37. Mow VCP и Wang CCBMS. Некоторые аспекты биоинженерии для тканевой инженерии суставного хряща. Клин Ортоп Релат Рес . 1999; 367 (Дополнение): S204 – S223.
38. 38. Форстер Х. и Фишер Дж. Влияние непрерывного скольжения и последующего износа поверхности на трение суставного хряща. Proc Inst Mech Eng H . 1999; 213 (4): 329–345. pmid: 10466364
39. 39. Уокер П.С., Доусон Д., Лонгфилд, доктор медицины и Райт В.«Усиленная смазка» синовиальных суставов за счет захвата и обогащения жидкости. Энн Рум Дис . 1968; 27 (6): 512–520. pmid: 5728097
40. 40. Тейлор С.Д., Циридис Э., Ингам Э., Джин З., Фишер Дж. И Уильямс С. Сравнение хондральных свойств и геометрии головки бедренной кости человека и животных. Proc Inst Mech Eng H . 2012; 226 (h2): 55–62.
41. 41. Даллдорф П.Г., Банас М.П., ​​Хикс Д.Г. и Пеллегрини В.Д. Скорость дегенерации вертлужного хряща человека после гемиартропластики. Хирургия костного сустава J Am . 1995; 77A (6): 877–882.
42. 42. Дэвас М. и Хинвес Б. Профилактика эрозии вертлужной впадины после гемиартропластики по поводу перелома шейки бедра. J Bone Joint Surg Br . 1983; 65 (5): 548–551. pmid: 6643556
43. 43. Филипс TW. Гемиартропластика Томпсона и эрозия вертлужной впадины. Хирургия костного сустава J Am . 1989; 71 (6): 913–917. pmid: 2745486
44. 44. Макнари С.М., Атанасиу К.А. и Редди А.Х. Инженерная смазка суставного хряща. Tissue Eng Часть B Ред. 2012; 18 (2): 88–100. pmid: 21955119
45. 45. Swann D, Radin E, Nazimiec M, Weisser P, Curran N и Lewinnek G. Роль гиалуроновой кислоты в смазке суставов. Энн Рум Дис . 1974; 33 (4): 318–326. pmid: 4415649
46. 46. Сарма А.В., Пауэлл Г.Л. и Лаберж М. Фосфолипидный состав смазки на границе суставного хряща. Дж. Ортоп Рес . 2001; 19 (4): 671–676. pmid: 11518278
47. 47. Форси Р.У., Фишер Дж., Томпсон Дж., Стоун М.Х., Белл С. и Ингхэм Э.Влияние смазок на основе гиалуроновой кислоты и фосфолипидов на трение в модели повреждения хряща человека. Биоматериалы . 2006; 27 (26): 4581–4590. pmid: 16701868
48. 48. Редакторы Chan FW, Bobyn JD, Medley JB и Krygier JJ. Имитатор износа металло-металлических имплантатов бедра в условиях неблагоприятных нагрузок. Trans 45th Ann. Встреча Ортоп. Res. Soc .; 1999; Анахайм, Калифорния.
49. 49. Roter GE, Medley JB, Bobyn JD, Krygier JJ и Chan FW. Движение «стоп-остановка-начало»: новый протокол моделирования износа тазобедренных имплантатов «металл-металл».В: Доусон Д., Прист М., Далмаз Г., Любрехт А.А., редакторы. Серия трибологии. Том 40: Эльзевир; 2002. с. 367–376.
50. 50. Wu G, Siegler S, Allard P, Kirtley C, Leardini A, Rosenbaum D, et al. Рекомендация ISB по определениям совместной системы координат различных суставов для сообщения о движении суставов человека — часть I: голеностопный сустав, бедро и позвоночник. Дж Биомех . 2002; 35 (4): 543–548.