Способ получения имплантационного материала синтетического аналога костного матрикса

 

Изобретение относится к медицине, применяется в стоматологии и в травматологии для пластики костных дефектов при хирургическом лечении костнодеструктивных заболеваний. Материал максимально приближен по своим физико-химическим характеристикам и параметрам биологической активности к костной ткани. Повышение прочности материала, нерастворимость в воде, устойчивость к резорбирующему действию тканевой среды достигается за сч т получения прочного комплекса коллагена и гидроксиапатита с высокой стабильностью структуры, обладающего наиболее высокими остеостимулирующими и оптимизирующими костную регенерацию свойствами. Способ включает создание двухкомпонентной системы геля коллагена и гидроксиапатита с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой, прич м производят синтез гидроксиапатита в геле коллагена пут м введения в гель коллагена сначала раствора кислоты и раствора, содержащего фосфор в стадии окисления + 5, а затем раствора, содержащего ионы кальция, и повышают рН до щелочной среды. 1 табл.

Изобретение относится к медицине, применяется в стоматологии и может быть использовано для пластики костных дефектов в травматологии при хирургическом лечении первичных и вторичных костных дефектов и костнодеструктивных заболеваний. Для закрытия обширных костных дефектов используют композиционные имплантационные материалы на основе гидроксиапатита (ГА) и различные формы самого ГА, особенно в виде "блоковой" керамики.

Известны способы получения имплантационных материалов для заполнения костных дефектов путем механического смешивания порошков гидроксиапатита и коллагена либо хондроитинсульфата в пропорциях 1:9 объемных частей (С.Г. Назаров, А.С. Григорьян, Е.Я. Малорян, "Стоматология", 1983, N 3, с. 14-16; А. С. Григорьян, В.С. Воробьев, О.А. Фролова и соавт. - Ташкент. Материалы научн. конференции стоматологов г. Ташкента, 1990, с. 240-242). Используют эти композиции, готовят (замешивая) пасты на физиологическом растворе либо 2% диоксидине непосредственно перед пластикой костного дефекта.

Недостатки способов заключаются в том, что у полученных смесей: отсутствует структурная стабильность, что связано с гидрофильностью и быстрым переходом сухого коллагена либо хондроитинсульфата в присутствии воды в гель и их диссоциацией с ГА; чрезвычайно низка их механическая прочность; в условиях подсадки в тканевую среду у них отмечаются быстрая диссоциация, высокая резорбируемость и подверженность смеси ферментативному воздействию. Эти недостатки указанных способов не позволяют получить комплекс коллагена и ГА и имплантаты из него с фиксированной структурой (формой), обеспечивающие при подсадке в костные дефекты восстановление механической непрерывности костного органа.

Известно изобретение способа изготовления продукта для замещения костного материала, усиливающего остеогенез, состоящего в смешении ГА (≈200), хондроитин-4сульфата (1-2%) и геля коллагена (1 литр) с последующим гомогенизированием и лиофилизацией. Полученную губку используют по назначению (Alain Huc. , Holand Allard et Jacques Bejui., Product de Replacement de la matzice osseuse Javorisant l'osteogenese. Np. 2585576 (1985), N. d'enregistrement nationalistic 8512053).

Недостатки описанного способа заключаются в том, что получается смесь механического характера, не обладающая: структурной стабильностью в жидкой и особенно в тканевой среде из-за высокой гидрофильности; прочностными характеристиками, соизмеримыми с костной тканью; более высокой, нежели исходные вещества, устойчивостью к ферментному воздействию тканевой среды при введении продукта в организм животных и человека; пластичностью, позволяющей задавать конечному продукту необходимую форму; способностью к синхронизации процессов рассасывания имплантационного материала костной регенерации, а значит, достаточно выраженной способностью оптимизировать процесс репаративного остеогенеза.

Задачей изобретения является получение материала, максимально приближенного по своим физико-химическим характеристикам и параметрам биологической активности к костной ткани.

Технический результат, который может быть получен при осуществлении изобретения, заключается в повышении прочности материала, нерастворимости в воде, устойчивости к резорбирующему действию тканевой среды за счет получения прочного комплекса ГА и коллагена с высокой стабильностью структуры и наиболее высокими остеостимулирующими и оптимизирующими костную регенерацию свойствами.

Поставленные технические задачи достигаются тем, что в способе получения имплантационного материала, имитирующего костный трансплантат, включающем создание двухкомпонентной системы геля коллагена и реагентов синтеза ГА с последующей фильтрацией, промывкой и сушкой, производят синтез гидроксиапатита в геле коллагена путем введения в гель коллагена сначала раствора кислоты и раствора, содержащего фосфор в стадии окисления +5, а затем раствора, содержащего кальций, и повышают pH до щелочной среды и выдерживают осадок до окончания химической реакции.

В результате ведения синтеза в указанной выше последовательности посредством введения в гель коллагена фосфата и кислоты происходит фиксация фосфатных групп на активных центрах коллагена. При насыщении раствора ионами кальция происходит стабилизация коллагена и его преципитация. При ощелачивании раствора формируются условия для синтеза монофосфата кальция с образованием в дальнейшем на молекулах коллагена центров нуклеации ГА. Созревание ГА и его кристаллизация происходит в течение нескольких суток. В результате данной системы реакций образуется комплекс, характеризующийся прочным соединением его компонентов: коллаген-ГА. Как и в костной ткани, этот комплекс отличается структурной стабильностью, нерастворимостью в воде, высокими прочностными характеристиками, сопоставимыми с таковыми кости. Пластичность полученного материала непосредственно по окончании синтеза определяется высокой дисперсностью комплекса. При высушивании комплекс хорошо сохраняет заданную механическую форму и приобретает вышеуказанную прочность.

Прочность соединения компонентов комплекса и высокая стехиометрия ГА обусловливают медленное (6-8 месячное) рассасывание комплекса при его имплантации под кожу и в кость.

Из источников информации предложенный способ не известен и для специалистов явным образом не следует из уровня техники, следовательно, изобретение является новым и имеет изобретательский уровень.

Способ осуществляют следующим образом. В суспензию коллагена вводят кислоту до pH от 2-х до 4-х (могут быть использованы любые нетоксичные кислоты, не образующие с кальцием нерастворимых солей в заданном интервале pH). Выдерживают K в кислой среде не менее 2-3 минут и вводят раствор, содержащий фосфор в степени окисления +5, например соли ортофосфорной кислоты, подкисленные до pH от 2 до 4 той же кислотой, что и гель коллагена. Выдерживают смесь в растворе с фосфором не менее 2-3 мин. Вводят в полученную смесь раствор, содержащий кальций, перемешивают и выдерживают смесь не менее 2-3 минут. Повышают pH реакционной смеси до щелочной среды. Конечная pH 8-12,5. В результате введения в гель K всех компонентов мы получаем исходную смесь. При повышении pH начинается синтез ГА на K. Это приводит к получению комплекса с химической связью между ГА и K. В результате K в комплексе находится в структуированной, фибриллярной форме. Структура ГА-K гомогенна, имеет стабильный характер. Полученную реакционную смесь выдерживают в течение нескольких суток при термостатировании и температуре от 15 до 60^oC до окончания химической реакции. На всех этапах синтеза ведется активное перемешивание. Однако выдержку введения всех компонентов можно вести без учета перемешивания. Полученный комплекс фильтруется, отмывается от побочных продуктов реакции и высушивается леофильно или вымораживанием или на воздухе при температуре не выше 45^oC.

Пример 1. Приготовили суспензию коллагена в воде, 5 г коллагена на 300 мл воды.

Ввели в суспензию коллагена 0,5 М p-p HCl до pH среды 3,00, выдержали в течение 5 мин при температуре 30^oC. Ввели в подкисленный гель коллаген, 200 мл 1,75 М (NH₄)₂HPO₄, также подкисленный до pH 3,00. Выдержали полученную смесь не менее 5 мин при температуре 30^oC при постоянном перемешивании.

Ввели в реакционный объем 200 мл 2,244М р-р Ca(NO₃)₂ при постоянном перемешивании. С помощью 0,5М р-ра щелочи подняли pH полученной смеси до 10,5.

Полученный комплекс отфильтровали, промыли от побочных продуктов реакции, высушили.

Пример 2. HA-50. Приготовили суспензию в воде. 6,5 г коллагена на 300 мл воды.

Ввели в суспензию коллагена IM CH₃COOH до pH среды 2,00, выдержали не менее 5 минут.

Ввели в подкисленный гель коллаген, 309,2 мл 1,075 М (NH₄)₂HPO₄, так же подкисленный до pH 2,00.

Выдержали полученную смесь не менее 5 мин при температуре 45^oC при постоянном перемешивании.

Ввели в реакционный объем 200 мл 2,24 М р-р CaCl₂ при постоянном перемешивании.

С помощью 25% р-ра NH₄OH подняли pH полученной смеси до 8,00.

Полученный комплекс отфильтровали, отмыли от побочных продуктов реакции, высушили.

Пример 3. Приготовили суспензию коллагена. 4 г коллагена на 300 мл воды.

Ввели в суспензию коллагена 1,075 М H₃PO₄ до pH 4,0. Выдержали не менее 5 мин при тем-ре 20^oC.

Ввели в подкисленный гель коллагена 191 мл 1,975 М (NH₄)₂HPO₄, подкисленный до pH 4. Выдержали смесь не менее 5 мин при тем-ре 20^oC.

Ввели в подкисленный гель коллагена 191 мл 1,075 М (NH₄)₂HPO₄, подкисленный до pH 4. Выдержали смесь не менее 5 мин при температуре 20^oC.

Ввели в реакционный объем 225 мл 2,000 М р-р Ca(NO₃)₂ при постоянном перемешивании.

С помощью 25% р-ра NH₄OH подняли pH полученной смеси до 12.

Полученный комплекс отфильтровали, отмыли от побочных продуктов реакции, высушили.

Проводили сравнительное изучение образцов механических смесей коллагена и ГА (аналог) коллагена, хондроитинсульфата и ГА (прототип), а также образцов комплексов, полученных по вариантам защищаемого способа в примерах 1-3 (далее II-1, II-2, II-3).

Задача сопоставления защищаемого способа с известными аналогами и прототипом в применяемой форме осложняется тем, что эти последние представляют собой: 1) сухой порошок, который применяют, готовя их temporo пасту, 2) рыхлую губку, не обладающие практически значимой прочностью. Поэтому в первом случае к композиции добавляли дистиллированную воду и доводили ее до пастообразной консистенции с последующим высушиванием в форме-кюветке. Вторую композицию использовали peR se. Стандартные пластинки из композиции -аналога и -прототипа использовали для сравнительного измерения прочности объектов исследования. Таким же образом готовили пластины из геля образцов комплексов коллагена - ГА (П-1, П-2, П-3).

Прочностные характеристики изучали по показателям микротвердости (С.М. Ремизов, 1975). При измерении микротвредости образцов указанных выше механических смесей - коллагена и ГА и коллагена, хондроитинсульфата и ГА были получены чрезвычайно низкие показатели, в то время как "синтетический" комплекс коллаген-ГА дал прочностные характеристики, сопоставимые с таковыми костной ткани (см. таблицу).

При помещении в воду механические смеси быстро подвергались диссоциации, т. к. коллаген и коллаген и хондроитинсульфат с различной скоростью переходили в состояние геля, а ГА оставался в осадке. Наличие белка в растворе подтверждено биуретановой пробой. Скоростью и полноту перехода белка в каллоид устанавливали, используя стандартную количественную методику определения коллагена по оксипролину гидролизата из надсадочной жидкости.

Диссоциация образцов П-1, П-2, П-3 не происходила при длительности пребывания образцов в воде до 30 суток.

При подсадке 100 крысам под кожу образцов механических смесей и образцов П-1, П-2, П-3 определяли судьбу образцов и реакцию тканей посредством визуального наблюдения и микроскопии материала на аутопсии в сроки до 3-х мес (1, 2, 3, 5, 7, 10, 20, 30, 40, 60, 80, 90 сут.).

До 30-ти суток вокруг образцов прослеживался обычный для инертных, медленно резорбируемых материалов процесс капсулообразовния. Воспалительные реакции протекали невыраженно и локально, как компонента репаративно-продуктивных процессов.

Установлено, что механические смеси рассасываются в тканевой среде в сроки от 3 до 7 суток, образцы комплекса - до 20 суток (см. таблицу).

На крысах (80 шт. ) в области эпифиза бедренной кости воспроизводили бором в асептических условиях краевые дефекты в виде полулунья радиусом 3 мм и заполняли их исследуемыми образцами. Тканевый материал со сроками забоя животных 3, 5, 7, 8, 10 суток, 1, 2, 3 мес. исследовали под микроскопом.

На основании данных гистологических наблюдений сделано заключение о наиболее оптимальной скорости заживления костных дефектов при подсадке комплекса П-1. Подсадка в дефекты образцов механических смесей дала образование полноценной мозоли в более поздние сроки (см. таблицу).

Таким образом, на данных примерах подтверждается.

1. Комплекс коллаген-ГА, полученный предложенным способом, обладает значимо более высокими прочностными характеристиками по показателям микротвердости, чем образцы аналога и прототипа.

2. Комплексы коллаген-ГА в отличие от аналога и прототипа практически нерастворимы в воде.

3. Комплексы коллаген-ГА стабильны структурно и практически не диссоциируют в воде.

4. Они значимо медленнее резорбируются в тканевой среде, чем аналог и прототип.

5. Оптимизируют по скорости и качеству процессы репаративного остеогенеза и вместе с тем заживление костных ран.

Показатели микротвердости, растворимости в воде, структурной стабильности в воде, скорости резорбции и биологической активности механических смесей и комплекса, полученного предлагаемым способом, приведены в таблице.

Формула изобретения

Способ получения имплантационного материала путем смешения геля коллагена и соединений, содержащих ионы P⁺⁵ и Ca^-2 при постоянном перемешивании с последующим выделением целевого продукта, отличающийся тем, что перемешивание ведут в кислой среде при PH 2 - 4, выдерживают не менее 5 мин при температуре 20 - 45^oC, затем вводят соединение, содержащее ионы Ca^-2, с последующим доведением pH системы до 8 - 12 при массовом соотношении компонентов, равном коллаген : соединение, содержащее ионы p⁺⁵: соединение, содержащее ионы Ca^-2= 1 : 1,333 : (2,16 - 3,59).

РИСУНКИ

Рисунок 1