Experimental studies of strength characteristics of interbody cages made of carbon-carbon composite material

M.O. Korzh, V.O. Kutsenko, A.I. Popov, M.Yu. Karpinsky, O.D. Karpinska, I.A. Subbota


Background. In spinal surgery for interbody fusion, titanium implants are used predominantly, they can be integral or consist of several parts. For cancer monitoring, not only laboratory examination methods are used, but also computed tomography and magnetic resonance imaging. On computed tomography in the postoperative period using metal structures, the effect of increa­sing the radiation hardness or blurry image is determined, and on magnetic resonance imaging — an artifact of magnetic susceptibi­lity. One of the promising materials that meets the requirements of biocompatibility, strength properties and the absence of contraindications for radiation diagnosis is carbon-carbon composite. Purpose was to study in the experiment the strength characteristics of interbody cages of various designs made of carbon-carbon composite material. Materials and methods. An experimental study of the strength properties of intervertebral implants to replace removed vertebrae was carried out. All implants were made of carbon-carbon composite material. Four types of vertebral retainers of 3 specimens each were examined: a threaded connection of a screw with a cup, a pin with support on the washers, a pin with support on a cotter pin, a pin with fixation with bone cement. Results. An analysis of the obtained experimental data showed that structures with a threaded joint can withstand loads of 956.7 ± 165.0 N. The main breakdown is thread cutting and screw sagging. Samples with one expansion washer withstand the highest fracture load of 5000.0 ± 150.0 N, with 2 expansion washers, the samples were destroyed by a load of 4250.0 ± 88.9 N, with 3 washers — under a load of 3083.3 ± 160.7 N, that is, each additional expansion washer in the design statistically significantly reduces the value of the breaking load. Samples with a cotter pin withstand a destructive compressive load on average of 2833.3 ± 208.2 N, which led to the destruction of a cup with a cotter pin, which caused the pin to sag. Tests of samples without a cotter pin showed that they are able to withstand a statistically significantly greater breaking load of 5100.0 ± 100.0 N. Solid structures that do not have small structural elements — thread or cotter pin — withstand highest compressive loads. Tests of samples with cement showed that when spreading by 5 and 7 mm, there were no destructive changes at the maximum possible load of 6000 N for the experimental installation. Conclusions. Structures with a threaded connection turned out to be the weakest; constructions with a cotter pin withstood three times as much load before breaking. And although the threaded structures are considered quite durable, the features of the material (carbon) do not meet the requirements that are applied to threaded joints. Carbon materials are quite fragile, therefore, cotter pin designs also turned out to be imperfect. Designs with expansion washers proved to be quite good, but an increase in the expansion height of the implant led to a reduction in the structural strength and, as a result, to a decrease in the ability to withstand loads. The solid structures turned out to be the most durable, and the additional strength due to cement turned them into monolithic heavy-duty products.


carbon-carbon composite; cage; interbody fusion; durability


Stradiotti P., Curti А., Castellazzi G., Zerbi A. Metal-related artifacts in instrumented spine. Technigues for reducing artifacts in CT and MR: State of the art. Eur. Spine J. 2009. 18. Supple 1. Р. 102-8.

Корж М.О., Куценко В.О., Тимченко І.Б. та ін. Використання комп’ютерних технологій при розробці імплантату хребців для заднього спондилодезу у грудному відділі хребта. Травма. 2019. Т. 20. № 3. С. 23-31.

Климовицький В.Г., Хадрі Вадід, Гончарова Л.Д., Гурін І.В. та ін. Обґрунтування використання нового імплантаційного матеріалу для фіксації метафізарних переломів. Травма. 2010. 11(1).

Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Математичне моделювання механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки. Зб. наукових праць XV з’їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня

С. 45.

Ашукіна Н.О., Іванов Г.В., Карпінський М.Ю. та ін. Вивчення реакції шкіри та кісткової тканини на введення вуглецевого імплантату. Зб. наукових праць XV з'їзду ортопедів-травматологів України. Дніпропетровськ, 16–18 вересня 2010. С. 97.

Тяжелов О.А., Карпінський М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Дослідження механічних властивостей остеосинтезу метафізарних переломів плечової кістки на математичній моделі. Ортопедия, травматология и протезирование. 2011. № 1. С. 35-39. DOI: 10.15674/0030-59872011135-39.

Тяжелов О.А., Карпинский М.Ю., Карпінська О.Д. та ін. Новий спосіб лікування метафізарних і метадіафізарних переломів довгих кісток. Науково-практична конф. «Сучасні дослідження в ортопедії та травматології (перші наукові читання, присвячені пам’яті академіка О.О. Коржа)», 6–7 жовтня 2011 р.: Тези доповідей. Харків, 2011. С. 197-199.

Наследов А. SPSS 19: профессиональный статистический анализ данных. СПб.: Питер, 2011. 400 с.

Copyright (c) 2020 TRAUMA

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.


© Publishing House Zaslavsky, 1997-2020


   Seo анализ сайта