Костный имплантат и способ его получения

 

Изобретение относится к области медицины и медико-биологических материалов и может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и т.д. для лечения костных повреждений и заболеваний, сопровождающихся разрушением костной ткани с образованием дефектов. Заполнение костного дефекта с сохранением остеорепаративных процессов и функциональной нагрузки на сегмент за счет регулируемой пористости и прочностных особенностей имплантата. Костный имплантат состоит из биоситалла следующего состава, мас. %: SiO₂ = 37,2-39,3, P₂O₅ = 12,9-15,5, CaO = 34,0-18,8, MgO = 3,0-12,5, CaF₂ = 0,05-0,06, Al₂O₃ = 6,2-9,6, ZnO = 6,65-3,7. Костный имплантат имитирует кортикальный, спонгиозный или совмещенные слои кости, для чего приготавливают форм-массы следующего состава, мас.%: кортикальный слой: биоситалл = 67-71, парафин = 15-12, н-октан = 18-17, спонгиозный слой: биоситалл = 50-61, глицерин = 25-32, флакарбин = 14-18, сукцинаты, оксалаты железа, марганца = 0,1-0,2% сверх 100%. Совмещенный слой получают путем соединения кортикального и спонгиозного слоев и выжигания из них органических веществ, после чего спекают по специальным режимам. 2 с.п. ф-лы.

Изобретение относится к области медицины и медико-биологических материалов, предназначенных для лечения костных повреждений и заболеваний, сопровождающихся разрушением кости с образованием дефектов и может быть применено в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии.

Известен ряд пористых материалов для применения в качестве костных имплантатов на основе силикоалюмофосфатной стеклокерамики и способы их получения (частные аналоги).

Например, по патенту Японии 62-148336 (Маримото Сигэки), кл. C 03 C 3/062, 1987, предлагаются исходные стекла составов, мас.%: SiO₂ = 10-40, P₂O₅ = 5-30, Al₂O₃ = 3-20, B₂O₃ = 20-45, Na₂O = 5-15, а в патенте Японии 63-188191 (Аве Иосихиро, Хосоно Хидео), кл. C 03 C 3/08, 1990, - стекла составов (мас. %): CaO = 15-40, P₂O₅ = 35-65, TIO₂ = 15-35, Na₂O = 0,6-5, которые после отливки в заготовки подвергают термообработке для фазового разделения на растворимую и нерастворимую фазу, затем "вытравливают" при pH раствора 2-7 растворимую фазу и получают пористую заготовку. Последние операции способа состоят в том, что в пористом стекломатериале вновь выделяют кристаллические фазы, подвергая их повторной термообработке по разработанному режиму.

Полученные пористые имплантаты (частные аналоги) выполнены в виде пластин, так как формообразование по этим способам затруднено и имплантат сложной формы получить нельзя. Они также обладают незначительной объемной пористостью (примерно 20%), а радиус полученных пор соответствует размерам удаленной фазы - ликванта (1-3 мкм). Эти материалы не отвечают одному из важнейших требований остеоинтеграции имплантата: оптимально открытой пористости ≅40% объема при радиусе открытых пор 50-100 мкм, которая бы позволяла врастать в имплантат новообразуемой костной ткани при ее регенерации. Хотя известно, что сама структура костного материала различна, структура поверхностного кортикального слоя материала низкопориста (60% объема, радиус пор 0,66-0,80 мкм), а внутренние слои (спонгиозной кости) (18% объема), обращенные к гаверсовым каналам и костному мозгу, широкопористы с радиусом пор, микроканалов ≈80^oC110 мкм.

Известны также пористые имплантируемые материалы в стеклокристаллической системе CaO-P₂O₅-Al₂O₃ и способ их получения спеканием с использованием кальциевых солей. Так, Pernot K., Kadom R.//Impeant, Mat. in Biojunc. Int. Conf. Biomat. Amsterdam, 1988, v. 8, p. 387-392, предлагают к измельченному стеклу состава (мол.%) 22CaO8Al₂O₃70P₂O₅ с радиусом частиц ≅ 50 мкм добавлять в качестве порообразователя - порофора CaCO₃ в соотношении 95:5 (стекло: порофор), перемешивать и спрессовывать в заготовки изделий. Затем заготовки подвергать нагреванию, в результате которого выделяющийся CO₂ - продукт термолиза удаляется, а в объеме материала образуются поры. Далее материал подвергают кристаллизации для выделения фаз в нужном соотношении стекло - матрица - кристаллическая фаза. Предлагается также в качестве порофора к стеклам в системе CaO-P₂O₅-Al₂O₃ добавление 20-30 мас.% CaHPO₄ (Lihua L., Yuwbi S. //Bioactive glass-ceramics for prostetic applications / XV. Inter. Congr. on Ilass. - L. - 1989, p. 108-114).

Прессование влажной (10-20 мас. % H₂O) смеси порошков стекла и CaHPO₄ получают заготовки изделий, термообрабатывают их. Полученный спеченный материал при открытой пористости (радиус пор не сообщен) ≈30^oC40% предлагают для использования в качестве костных имплантатов.

Однако в кристаллических фазах приведенных выше материалов (частных аналогов) преобладают несовмещаемые с костными биоминералами AlPO₄ (с прочной кристобаллитовой структурой), CaP₂O₇ (присутствие пирофосфата Ca свидетельствует о патологическом состоянии костной и хрящевой ткани, далеко зашедших воспалительных процессах).

Кроме того, применение в качестве порофоров CaCO₃ и CaHPO₄ предопределяет совпадение температурных интервалов наиболее интенсивно протекающих реакций газообразования за счет термолиза солей, кристаллизации и спекания (все процессы при 700-900^oC), что приводит к неравномерной усадке спекаемой заготовки, трещинам, короблению, образованию внутренних несплошностей, дефектов поверхности, в конечном счете низкой механической прочности пористого изделия.

Проблему получения пористых стеклокристаллических имплантатов с гладкой поверхностью и приемлемыми прочностными характеристиками отчасти решает патент Японии 61-158841, кл. C 03 C 11/00 (Кабаями Сагэеси), 1986, предлагающий стекло состава, мас.%: SiO₂ = 34,0; P₂O₅ = 16,2; CaO = 44,7; MgO = 4,6; CaF₂ = 0,5 и способ получения из него имплантата спеканием по порошковой технологии. Для получения заготовки нужной формы прессованием, экструзией и создания пористости в порошок стекла вводят диспергированные органические вещества (полиэтилен, нафталин). Отформованное изделие подвергается нагреванию по специальному режиму, в ходе которого выжигаются органические вещества, образуются поры, в ходе дальнейшего нагревания изделие спекается и приобретает необходимую прочность. При этом проходят и процессы кристаллизации, выделения заданных кристаллических фаз.

Однако указанный стеклокристаллический материал разрабатывался только для стоматологических имплантируемых протезов и, хотя интервал прочностных характеристик и пористости не сообщается, это назначение материала определило присутствие (дополнительно к кальциевофосфатным кристаллическим фазам) несовместимых с биоминералами кости волластонит Ca₃(Si₃O₉) и диопсид CaMg(Si₂O₆), которые обеспечивают длительный срок (годы) работы материала в контакте со средами организма без утраты прочности, но затрудняют процессы регенерации кости. Указанные материалы не предназначаются для имплантатов.

Целью изобретения является заполнение костного дефекта с сохранением остеорепаративных процессов и функциональной нагрузки на сегмент за счет регулируемой пористости и прочностных особенностей имплантата.

Поставленная цель достигается тем, что: 1. В костный имплантат, содержащий SiO₂, P₂O₅, CaO, MgO, CaF₂, предлагается ввести Al₂O₃ и ZnO в следующих концентрационных соотношениях, мас.%: SiO₂ - 37,2 - 39,3 P₂O₅ - 12,9 - 15,5 CaO - 34,0 - 18,8 MgO - 3,0 - 12,5 CaF₂ - 0,05 - 0,6 Al₂O₃ - 6,2 - 9,6 ZnO - 6,65 - 3,7 2. Для получения костного имплантата, имитирующего либо кортикальный, либо спонгиозный, либо совмещаемые слои кости, приготовляют форм-массы следующих составов, мас.%:
2.1 Кортикальный слой:
Дисперсный биоситалл по п.1 - 67-71
Парафин - 15 - 12
н-Октан - 18 - 17
2.2. Спонгиозный слой:
Дисперсный биоситалл - 61-50
Глицерин - 25-32
Флакарбин - 14-18
Сукцинаты, оксалаты железа и марганца - 0,1 - 0,2% сверх 100%
2.3. Совмещаемый слой формируют, соединяя заготовки по п.2.1 и п.2.2, выжигают из нее органические вещества, а затем спекают по заданному режиму.

Таким образом, сравнительный анализ доступных литературных и патентных источников и выявленных частных аналогов и принятого за прототип ввиду наибольшей близости сущности заявляемого решения патента Японии 61-158841, кл. C 03 C 11/00 (Кабаяси Сагэеси), 1986, позволяет сделать вывод о том, что неизвестен состав алюмосиликофосфатного стекломатериала, позволяющего на его основе получить костный пористый имплантат с регулируемой пористостью и диапазоном остеосовместимых кристаллических фаз Mg-витлокит:
Отличительные особенности предлагаемых решений
1. В предлагаемом составе биоситалла иное соотношение основных оксидов - стеклователей SiO₂/P₂O₅, дополнительное введение Al₂O₃, ZnO изменяет важнейшее соотношение PO/P₂O₅/Al₂O₃, вариация в указанном диапазоне концентраций CaO/MgO и CaF₂ позволяет в отличие от известных решений получить в одной системе диапазон кристаллических фаз от и тем самым создать предпосылки для биодеградации имплатата без нарушения остеорепаративных процессов.

2. В предлагаемом решении - получении имплантатов одного состава, но имитирующих различные слои кости достигается оптимальный уровень прочностных характеристик имплантата при заданной величине пористости, особенно в случае совмещенных слоев.

Так, для слоев, имитирующих кортикальный слой кости (объемная пористость 20-40%, радиус пор 2,5^oC10 мкм), прочностные характеристики составляют для биоситалла с гидроксилапатитовой фазой σ_сж. = 125-130 Кг/см², σ_изг. = 42-45 МПа, для биоситалла с трикальциевофосфатной фазой σ_сж. = 250-280 Кг/см², σ_изг. = 110-120 МПа. Занимая основной объем имплантата, эти слои определяют удобство имплантирования и возможность прочной фиксации имплантатом участка костной ткани, в то время как широкопористые слои, имитирующие структуру спонгиозных участков, при общей пористости 40-65% и радиусами пор каналов = 50^oC100 мкм, имеют невысокие механические характеристики σ_сж. = 4,2-5 Кг/см², σ_изг. = 1,2-1,5 МПа. Размеры и форма имплантата, как и размеры (толщина) слоев, могут варьировать при одном и том же составе импалантата в зависимости от требований функциональной нагрузки на сегмент.

Примеры применения костных имплантатов предлагаемого состава в эксперименте и клинике
Пример 1. Замещение искусственного дефекта метадиафиза большеберцовой кости кролика (в эксперименте).

Сформированный долотом костный дефект в матадиафизе большеберцовой кости кролика размером 0,6 х 1,8 см замещен аналогичного размера имплантатом состава, мас. %: SiO₂ - 39,3, P₂O₅ - 15,5, Al₂O₃ - 9,57, CaO - 18,78, MgО - 12,48, ZnO - 3,79, CaF - 0,61 с монофазой β -Ca₃(PO₄)₂, общая пористость 42-45%.

Заживление первичное.

Животное выведено из опыта через 3,5 мес. Макроскопически - полная интеграция в кость с восстановлением костной структуры вокруг имплантата. Микроскопически: активный остеогенез со стороны, прилегающей к имплантату костной ткани.

Пример 2. Замещение дефекта пяточной кости.

Больной Х., 12 лет. Диагноз: костная киста левой пяточной кости. Операция 22.08.95 г. - частичная резекция пяточной кости с замещением дефекта костным имплантатом (с монофазой Ca₁₀(PO₄)₄(OH)₂, состав, мас.%: SiO₂ - 37,94, P₂O₅ - 13,14, Al₂O₃ - 6,29, CaO - 34,55, MgO - 3,08, ZnO - 4,95, CaF₂ - 0,05, общая пористость 43-50%). Заживление первичное. При контрольном осмотре через 2 мес полное восстановление функции сегмента, рентгенологически явлений резорбции костной ткани в области имплантата не отмечено. Через 6 мес после операции осложнений не выявлено, пациент здоров.

Технико-экономические преимущества предлагаемого решения
Предлагаемый имплантат отвечает функциональным требованиям назначения костных имплантатов и удобства его имплантирования. Новое сочетание (совокупность) свойств (качественно иное по сравнению с известными решениями) обеспечено у предлагаемого решения:
содержанием в материале только остеосовместимых с костной тканью компонентов, в т.ч. и изоморфных биоминералам кости кальциевофосфатных кристаллических фаз биоситалла;
пористостью, имитирующей структурные особенности различных слоев кости (кортикальный, спонгиозный).

Препараты, вещества, используемые в предлагаемом составе имплантата, не являются токсичными, разрешены к применению в медицине как материалы (парафин, глицерин) либо как лекарственные средства (флакарбин).

Применение имплантата для замещения костных дефектов в клинической практике повышает эффективность лечения за счет полного функционального восстановления поврежденного сегмента и отсутствия необходимости в повторных операциях для удаления имплантата.

Формула изобретения

1. Костный имплантат из биоситалла, отличающийся тем, что костный имплантат имеет два слоя: внутренний спонгиозный и внешний кортикальный, причем внутренний слой имеет пористость больше, чем внешний слой костного имплантата, а биоситалл имеет следующие соотношения компонентов, мас.

SiO₂ 37,2 39,3
P₂O₅ 12,9 15,5
Al₂O₃ 6,2 9,6
CaO 18,8 34,0
MgO 3,0 12,5
ZnO 3,7 6,65
CaF₂ 0,05 0,6
2. Способ получения костного имплантата, включающий варку биоситалла, отличающийся тем, что варку биоситалла осуществляют при содержании в нем следующих компонентов состава, мас.

SiO₂ 37,2 39,3
P₂O₅ 12,9 15,5
Al₂O₃ 6,2 9,6
CaO 18,8 34,0
MgO 3,0 12,5
ZnO 3,7 6,65
CaF₂ 0,05 0,6
полученный после варки гранулированный биоситалл подвергают термообработке в течение 5 ч в режиме ступенчатого подъема температуры до 860^oС, затем подвергают помолу с использованием фракций дисперсностью 10 - 50 мкм и готовят две форммассы следующих составов, мас.

для кортикального слоя костного имплантата
Дисперсный биоситалл 67 71
Парафин 12 15
н-Октан 17 18
для спонгиозного слоя костного имплантата
Дисперсный биоситалл 50 61
Глицерин 25 32
Флакарбин 14 18
Сукцинаты, оксалаты железа и марганца 0,1 0,2 сверх 100
которые при формировании плотно соединяют в заготовку требуемой формы, после чего выжигают из нее органические вещества с последующим спеканием при температуре 950^oС в течение 15 мин.