Introduction
Екзопротези — це пристрої, які функціонують як часткові або повні замінники втрачених кінцівок, сприяючи перерозподілу ваги тіла та допомагаючи в підтримці постуральної стабільності та локомоторної функціональності під час стояння та пересування (1, 2). У тварин втрата кінцівки та пов'язані з нею біомеханічні зміни безпосередньо впливають на локомоторну здатність і загальне благополуччя, а також асоціюються зі зниженням соціальної активності (3, 4).
Ортопедичні розлади вражають значну частину популяції тварин і часто пов'язані з травматичними ушкодженнями (5). Повна ампутація кінцівки широко застосовується у ветеринарній медицині та асоціюється з загалом сприятливими результатами: більшість собак досягають хорошої функціональної адаптації та задовільної або хорошої якості життя після операції (6, 7). Подібні результати також були зареєстровані в популяціях котів (8). Однак в окремих випадках власники відзначали зміни рівня активності, толерантності до фізичних навантажень та поведінкових патернів (6, 7).
Навпаки, часткова ампутація кінцівки рідше висвітлюється в літературі, з обмеженими доказами щодо довгострокових функціональних результатів та задоволеності власників. Хоча функціональна адаптація може відбуватися, втрата частини кінцівки пов'язана з вищим рівнем ускладнень та менш визначеними довгостроковими результатами, що підкреслює прогалину в сучасних знаннях (9).
Ці стани, хоча й етіологічно різні, мають спільний результат, що характеризується дефіцитом кінцівки та подальшим біомеханічним дисбалансом. Іншою причиною біомеханічних змін є вроджені аномалії, які є однією з головних причин неонатальних розладів і характеризуються структурними та/або функціональними деформаціями, що розвиваються під час гестації або присутні при народженні, потенційно ставлячи під загрозу життєздатність тварини (10).
Подібно до ампутацій, які можуть бути наслідком обох станів, часткова або повна втрата кінцівки може вплинути на якість життя тварини, перешкоджаючи участі в реабілітаційній терапії та підвищуючи ризик вторинних деформацій і дегенерації суглобів, на додаток до зниження рівня фізичної активності та функціональної автономії (11).
У цьому контексті технологія адитивного виробництва (additive manufacturing) стала трансформаційним інструментом у ветеринарній медицині з застосуваннями в різних галузях, включаючи ортопедію, стоматологію та, останнім часом, хірургічне планування. Згідно з Лімою та Карвалью (Lima and Carvalho) (12), ця технологія дозволяє створювати анатомічні моделі на основі візуалізаційних досліджень, полегшуючи візуалізацію структур та підтримуючи клінічне прийняття рішень. Крім того, доступність доступних за ціною принтерів та програмного забезпечення підвищила доцільність цього підходу.
У ветеринарній медицині ортопедичні та протезні пристрої використовуються для підтримки локомоторної функції у пацієнтів із втратою або порушенням функції кінцівок. Протези можна класифікувати як ендопротези (endoprostheses), коли вони хірургічно фіксуються до кісткових структур, або екзопротези (exoprostheses), коли вони зовнішньо встановлюються на куксу кінцівки, з основною метою відновлення стабільності та зменшення біомеханічних змін, пов'язаних із сегментарною відсутністю (11). Ортези (orthoses), у свою чергу, є зовнішніми пристроями, призначеними для підтримки, захисту або контролю руху сегментів тіла, що дозволяє обмежувати або спрямовувати рухливість суглобів відповідно до клінічних потреб (13).
Крім того, протези та ортези, виготовлені за допомогою 3D-друку, набувають дедалі більшого значення для функціональної реінтеграції пацієнтів, сприяючи відновленню благополуччя та сегментарному кінетичному відновленню, а також зменшуючи біль, пов'язаний із тривалим біомеханічним перевантаженням (4, 14). У цьому контексті можна використовувати різні термопластичні матеріали, зокрема полілактид (PLA), термопластичний поліуретан (TPU) та нейлон, кожен з яких має відмінні механічні властивості, що безпосередньо впливають на роботу пристрою в умовах навантаження. Хоча PLA широко використовується завдяки легкості обробки та біосумісності, він має обмежену ударну в'язкість (15), TPU забезпечує вищу гнучкість і поглинання енергії, що є перевагою в умовах динамічного навантаження (16), тоді як поліаміди, такі як нейлон, мають вищу механічну міцність і довговічність, що робить їх більш придатними для застосувань з високим навантаженням у локомоторних пристроях (17).
Ефективне проєктування та виготовлення ортопедичних екзопротезів потребує всебічного розуміння анатомічних, кінетичних та біомеханічних принципів для забезпечення оптимізації взаємодії між пристроєм і пацієнтом (18). Придатність тварин до екзопротезної реабілітації визначається багатьма факторами, включаючи вид, темперамент і поведінку пацієнта, неврологічний та ортопедичний статус, а також здатність опікуна забезпечувати належне подальше спостереження та щоденне обслуговування пристрою (19). Крім того, застосування таких пристроїв може бути недоцільним у агресивних тварин через труднощі, пов'язані з фіксацією, адаптацією та довгостроковим безпечним використанням (13). Щодо характеристик кукси, збереження приблизно 50% променевої/ліктьової кістки або великогомілкової/малогомілкової кістки асоціюється з покращеною фіксацією протеза та може полегшити використання протезів на основі приймальної гільзи, коли це клінічно показано для реабілітації (20).
Незважаючи на технологічний прогрес, існує дефіцит літератури, присвяченої клінічному застосуванню 3D-друкованих ортопедичних екзопротезів у собак, особливо з огляду на анатомічні, адаптаційні та біомеханічні виклики, пов'язані з цими пристроями. Враховуючи цю ситуацію, метою даного дослідження було описати розробку та застосування індивідуалізованих 3D-друкованих ортопедичних екзопротезів у собак з частковими ампутаціями кінцівок та вродженими вадами розвитку, що впливають на розвиток кінцівок, на основі серії випадків із використанням методів тривимірного моделювання та 3D-друку як функціональної та доступної терапевтичної альтернативи.
Methods
Це дослідження було проведено у співпраці з приватною компанією 3D Medicine—3D Solutions for Health, розташованою в місті Жуан-Пессоа, Бразилія. Дослідження виконано відповідно до етичних принципів і схвалено Комітетом з етики використання тварин Федерального університету Кампіна-Гранді (CEUA/CSTR) за протоколом № 44.2024.
Розробка цифрових моделей для виготовлення індивідуалізованих екзопротезів виконувалася з використанням тривимірного програмного забезпечення автоматизованого проєктування (CAD) Blender® (Blender Foundation, Амстердам, Нідерланди) на основі прямих анатомічних вимірювань кожного пацієнта, отриманих за допомогою вимірювальної стрічки, цифрових штангенциркулів та лінійок. Передові методи візуалізації, такі як комп'ютерна томографія або тривимірна реконструкція, не використовувалися. Основними зібраними параметрами були: висота залишкової кінцівки відносно землі з анатомічно вирівняними проксимальними суглобами, окружність залишкової кінцівки на трьох різних рівнях, діаметр кінцівки та відстань між дистальним кінцем залишкової кінцівки та найближчим проксимальним суглобом. Ці вимірювання використовувалися для створення простого циліндричного тривимірного цифрового фантома залишкової кінцівки, призначеного насамперед для забезпечення просторової прив'язки анатомічних розмірів і пропорцій кожного пацієнта. Цей фантом слугував анатомічною основою для індивідуалізованого моделювання протеза, дозволяючи адаптувати розміри гільзи, вирівнювання кінцівки та висоту протеза відповідно до морфології та біомеханічних вимог кожної тварини.
Тривимірні файли були експортовані до програмного забезпечення для нарізки BambuStudio® (v.1.10.1.50, BambuLab, Шеньчжень, Китай), яке генерувало пошарові інструкції для друку за технологією моделювання методом наплавлення (Fused Deposition Modeling, FDM). Пристрої були виготовлені за допомогою 3D-принтера X1 Carbon Combo (BambuLab, Шеньчжень, Китай), причому полімолочна кислота (polylactic acid, PLA) була обрана як матеріал для друку завдяки її біосумісності, міцності на стиск, низькій вартості та відновлюваному походженню (отримується з кукурудзяного крохмалю та цукрової тростини) (21).
Протокол друку було адаптовано з Carvalho (16) і включав такі технічні параметри: діаметр сопла 0,4 мм, висота шару 0,2 мм, товщина стінки 1,6 мм, 50% заповнення гіроїдної структури (gyroid infill pattern), швидкість друку від 200 до 250 мм/с, а також деревоподібні опорні структури (tree-type support structures) за потреби. Усі протези були розроблені з використанням стандартизованих технічних параметрів, включаючи вибір матеріалу та конфігурації друку, для забезпечення належної механічної стійкості, зменшеної ваги та комфорту пацієнта.
Після друку опорні структури були видалені вручну, а кожен компонент пройшов дрібне шліфування для фінішної обробки поверхні. Згодом екзопротези були вистелені зсередини акриловою прокладкою та м'якою тканиною для підвищення комфорту, запобігання потертостям та покращення адаптації до кукси. Фіксація здійснювалася за допомогою компресійних пов'язок, індивідуально підібраних відповідно до морфології кукси. Крім того, основи протезів були оснащені протиковзкими гумовими підошвами для покращення зчеплення з поверхнею та запобігання ковзанню під час ходьби.
Відразу після встановлення протеза якісно оцінювали прийняття пристрою на основі здатності до навантаження вагою, ходових якостей та поведінкової реакції на пристрій. Прийняття класифікували як: (1) погане, що характеризується нерішучістю або опором використанню протеза, непостійним або відсутнім навантаженням вагою та труднощами з ініціацією ходьби; (2) задовільне, що характеризується частковою функціональною адаптацією, поступовим навантаженням вагою та поступовим покращенням ходи в період адаптації; та (3) добре до відмінного, що характеризується негайним спонтанним використанням протеза, постійним навантаженням вагою з першого встановлення, стабільною ходою та відсутністю явного дискомфорту або опору пристрою.
Клінічне спостереження включало періодичну оцінку функціональної адаптації, цілісності шкіри, стабільності ходи та загальної толерантності до протезного пристрою. Професійне фізіотерапевтичне спостереження було рекомендоване для всіх пацієнтів; однак дотримання власниками спеціалізованих реабілітаційних програм було обмеженим. Тому власникам надавали лише загальні рекомендації щодо домашньої реабілітації, які складалися з контрольованої ходьби на повідку, допоміжних вправ на перенесення ваги, поступової стимуляції опорної стійкості та пропріоцептивної стимуляції на різних поверхнях підлоги. Інтенсивність і прогресія вправ емпірично коригувалися відповідно до толерантності та клінічної адаптації кожного пацієнта, згідно із загальними принципами ветеринарної реабілітації (22).