Элемент для обеспечения врастания и роста костной ткани и/или соединительной ткани и способ изготовления такого элемента

 

Изобретение относится к медицине, а именно к протезированию костной ткани. Изобретение обеспечивает увеличение скорости роста костной ткани и большее количество костной массы, что значительно улучшает сцепление и прочность костной ткани на биологически совместимом материале. Элемент, такой как зерно, предназначенный для обеспечения врастания и роста костной ткани и/или соединительной ткани, состоит из пластичного или в незначительной степени эластичного биологически совместимого материала, предпочтительно металла или металлического сплава. Элемент является пористым и имеет следующие характеристики пористости: (а) пористость является сплошной и (b) внутренние габариты полостей (углублений) карманов и каналов, соединяющих их друг с другом, имеют ширину, составляющую свыше приблизительно 50 мкм для костной ткани и свыше приблизительно 10 мкм для соединительной ткани. В соответствии со способом изготовления такой элемент был получен путем продувки газа через расплав металла с автоматическим отделением зерен или гранул, не удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к пористости, при этом внутренние габариты полостей (углублений) карманов и каналов/проходов, соединяющих их, имеют ширину 50 мкм. 2 с. и 9 з.п. ф-лы; 3 ил.

В публикации Швеции SE-B-462638 описано средство для прикрепления удлиненного протеза, такого как стержень протеза бедренной кости, к живой ткани, образующей полость, в которую участок протеза входит с зазором по отношению к границе полости. По существу весь зазор заполнен незакрепленными, но плотно скомпонованными зернами биологически совместимого материала, при этом указанные зерна смыкаются. В качестве примера сыпучего материала упомянут титан и утверждается, что зерна имеют неправильную форму, являются по существу неупругими и предпочтительно пористыми, при этом указывается, что последнее свойство обеспечивает связывание прироста костной ткани, которая выросла от костной стенки. Пористость была достигнута за счет продувки газа через расплав сыпучего материала.

В патенте США US-A-5217496 раскрыт имплантат, пригодный для использования в живой костной ткани и содержащий опорный элемент из титана, имеющий пористую наружную поверхность и прикрепленный слой смеси, состоящей из измельченной живой костной ткани и титанового порошка. Смесь подают вместе с питательным веществом, которое заставляет измельченную костную ткань расти и образовывать ткань, которая соединяет измельченную костную ткань и титановый порошок друг с другом и с опорным элементом.

В патенте США US-A-5676700 раскрыты биологически совместимые конструктивные элементы для восстановления, упрочнения и замены костной ткани, причем указано, что данные элементы образуют остеопроводящую или остеоиндуцирующую матрицу (основу) в полости костной ткани. Материал элементов может представлять собой титан, и указывается, что элементы предпочтительно являются микропористыми для обеспечения врастания естественной кости.

Во всех документах, упомянутых выше, в качестве биологически совместимого материала, помимо титана, упоминаются, между прочим, гидроксилапатит, биокерамика, биостекло.

Таким образом, в вышеупомянутых документах подчеркивается, что пористость биологически совместимых материалов в некоторой степени является благоприятным фактором для сращивания костной ткани.

В соответствии с изобретением неожиданно было установлено, что заранее заданная степень пористости биологически совместимого материала действительно является решающим фактором в том, что касается скорости роста костной ткани. Было установлено, что, помимо того, что пористость поверхности несомненно обеспечивает возможность сращивания костной ткани, достигается существенно увеличенная скорость роста костной ткани и большее количество костной массы и тем самым значительно улучшенное сцепление и прочность костной ткани на биологически совместимом материале, если - элемент, такой как зерно, биологически совместимого материала является сплошь пористым, - объем пор элемента имеет минимальное предельное значение.

Дополнительное преимущество изобретения достигается за счет того, что прочность пористой гранулы вместе с вросшей костной тканью имеет более высокое значение по сравнению с ситуацией, при которой не была бы обеспечена возможность врастания кости. Благодаря врастанию кости прочность главным образом обеспечивается костной тканью, что является благоприятным с точки зрения биомеханики.

Термин "сплошь пористый" здесь подразумевает пористость, которая обеспечивает возможность прорастания костной ткани через пористое тело, такое как зерно биологически совместимого материала. В соответствии с изобретением такая пористость приводит к образованию полостей в теле элемента, которые соединены друг с другом каналами, проходами, так что рост костной ткани на части наружной поверхности элемента обеспечивает возможность продолжения роста с прорастанием через тело элемента и наружу через другие части наружной поверхности элемента. Под полостью понимаются углубления, ямки, карманы произвольной формы, и каналы, проходы, соединяющие эти полости друг с другом, могут иметь произвольную форму и образовывать часть полостей. Примеры такой структуры можно обнаружить в природе в кораллах или в карстовых образованиях из пористых камней.

Под минимальным предельным значением в данном случае понимается внутренний габарит лунки, углубления, кармана и габариты канала, имеющие ширину свыше приблизительно 50 мкм. Меньший размер отверстия приводит к ограничению или создает препятствие для роста костной ткани, возможно вследствие того, что тормозится подача питательного вещества и создается препятствие для образования нормальной структуры кости с элементами, которые включаются в нее. Действительно, отсутствует какой-либо верхний предел для пористости элемента. Скорее верхний предел определяется прочностными свойствами тела элемента.

В соответствии с изобретением может быть обеспечена возможность формирования пор поверхности в элементах, которые расположены рядом друг с другом и имеют открытые поры в поверхности, так что поверхностные поры в одном элементе образуют полость или канал/проход вместе с поверхностными порами в другом элементе.

В соответствии с изобретением также было установлено, что хрупкий биологически совместимый материал, такой как гидроксилапатит, не является оптимальным для достижения целей изобретения, когда такой материал используется для восстановления, упрочнения и замены естественной кости. Такой материал легко разлагается при подвергании его воздействию нагрузки, что неизбежно происходит, например, когда тело человека или часть тела человека, в которой находится биологически совместимый элемент, такой как зерно, подвергается воздействию нагрузки, например, при движении конечностей. Разложившиеся части элемента из биологически совместимого материала вызывают неблагоприятную воспалительную реакцию, которая приводит к торможению образования кости и которая часто вызывает резорбцию кости.

Таким образом, в соответствии с изобретением выбраны металлический материал или нехрупкие композиционные материалы, при этом природный материал, такой как гидроксилапатит, биокерамика и т.д., могут быть включены в качестве компонента в материал пористого тела элемента, а другой компонент, такой как пластик, обеспечивает пластичность. Материал тела элемента согласно изобретению должен действительно быть пластичным или в незначительной степени эластичным. Избыточная эластичность приводит к давлению на костную ткань, что вызывает ее разрушение.

В качестве металлического материала предпочтительно выбран титан (диоксид титана). Пористость тела титанового элемента предпочтительно достигается путем продувки газа через расплав титана. Это обеспечивает возможность получения зерен титана, как упомянуто в публикации Швеции SE-B-462638.

Тем не менее требование, относящееся к пористости, как описано выше, выполняется не автоматически при продувке газа через расплав металла. Следовательно, в соответствии с изобретением осуществляется проверка пористости тела элемента/зерна/зерен, полученных таким образом, чтобы убедиться в том, что оно/они удовлетворяет/удовлетворяют этому требованию. Проверка может быть осуществлена, например, с помощью рентгеноскопии при соответствующей длине волны и телевизионного приемника и может быть осуществлено автоматическое отделение (например, с конвейерной ленты) зерен, которые не удовлетворяют вышеуказанному требованию.

Вышеприведенное предельное значение, составляющее свыше приблизительно 50 мкм, относится к костной ткани. Если желательно врастание соединительной ткани вместо или за счет костной ткани, предельное значение составляет свыше приблизительно 10 мкм вместо упомянутых 50 мкм.

Пористый элемент, такой как зерно, в соответствии с изобретением может быть имплантирован в живой организм, такой как тело человека, в целях заполнения полости кости в качестве замены после роста костной ткани в живом организме, разреженной костной массы ноги (ревматизм, остеопороз) или для фиксации протеза согласно публикации Швеции SE-B-462638. Пористый элемент согласно изобретению также может служить в качестве основы для предварительного выращивания костной ткани в пробирке или может быть наполнен питательным раствором, содержащим, ко всему прочему, факторы роста в пробирке для последующей имплантации в живую ткань. В случае заполнения полости кости предпочтительно, чтобы тело элемента было зернистым и имело неправильную форму, а также имело размер менее 10 мм с тем, чтобы множество/много зерен оптимально заполняли полость кости.

Пористое тело элемента может быть заполнено способным разлагаться материалом, например так называемой матрицей (основой) из природного материала. Примерами таких природных матриц являются гели из коллагена, фибрина, крахмала и гиалуроновой кислоты. В соответствии с изобретением эта матрица разлагается с заменой ее врастающей костной тканью. Может быть осуществлено дополнительное стимулирование врастания костной ткани, если в материал, способный разлагаться, будут добавлены вещества, стимулирующие рост, прежде всего факторы роста, такие как TGF бета (фактор бета-трансформирующего роста - Transforming Growth Factor beta) или BGF (фактор роста костей - Bone Growth Factor). Поры в теле элемента согласно изобретению могут быть модифицированы гелеобразным материалом, например, путем всасывания перед тем, как материал превратится в гель.

Элементы меньшего размера, а именно зерна согласно изобретению могут быть заключены в оболочку, гибкую или жесткую, для получения имплантата. Например, зерна согласно изобретению могут быть заключены в жесткую трубку с тем, чтобы вместе с трубкой образовать спинальный имплантат, см., например, трубчатый элемент в патенте США US-A-5015247. Другие возможности заключения в оболочку раскрыты в публикации Швеции SE 9803078-6. Оболочка имеет отверстия для обеспечения возможности врастания и роста биологического клеточного материала в зерна и из зерен через оболочку. Зерна согласно изобретению могут быть смешаны с разложившейся биологической тканью.

Варианты осуществления изобретения проиллюстрированы на сопровождающих фигурах, которые представляют собой изображения, полученные с помощью электронного микроскопа и из которых фиг.1 показывает пористую структуру согласно изобретению и фиг. 2 показывает другую пористую структуру согласно изобретению, представляющую собой пористую структуру наружной поверхности зерна титана. фиг.3 представляет собой изображение тонкого участка зерна титана с пористостью согласно изобретению. Все изображения выполнены для зерна или гранулы неправильной формы, которое (которая) было (была) извлечена из бедренной кости тела человека после имплантации, используя вибрационный способ, который описан более подробно в публикации Швеции SE-B-462638.

На фиг. 1 показана структура в виде груды камней, а фиг.2 показывает структуру коралла. Структуры были получены путем продувки газа через расплав титана и выполнения вышеуказанного контроля качества. Оба изображения показывают беловато-серую пленку живого материала на стадии предварительного формирования костной ткани, которая покрывает наружную поверхность зерна и проникла в полости и зазоры в порах зерна титана. На фиг.1 также показан рост костных клеток, образующих мостики через полости/зазоры в структуре.

На фиг.3 проиллюстрирована костная ткань, которая пересекла, проникла в зерно согласно изобретению.

Клинические анализы показали, что костная ткань в зернах по фиг.1-3 имела следующий состав: костная ткань - 95-98%, костный мозг - 2% и соединительная ткань - 0-3%, что в основном соответствует составу кости снаружи зерен в непосредственной близости от них.

Формула изобретения

1. Элемент, такой, как зерно, предназначенный для обеспечения врастания и роста костной ткани и/или соединительной ткани, причем указанный элемент изготовлен из пластичного или в незначительной степени эластичного биологически совместимого материала, предпочтительно металла или металлического сплава, отличающийся тем, что он является пористым и имеет следующие характеристики пористости: пористость является сплошной; внутренние габариты полостей/углублений/карманов и каналов/проходов, соединяющих их друг с другом, имеют ширину, составляющую свыше приблизительно 50 мкм для костной ткани и свыше приблизительно 10 мкм для соединительной ткани.

2. Элемент по п.1, отличающийся тем, что он изготовлен из титана.

3. Элемент по п.1 или 2, отличающийся тем, что его полости заполнены материалом, способным разлагаться, например матрицей из природного материала, такого, как гель из коллагена, фибрина, крахмала, гиалуроновой кислоты.

4. Элемент по п.3, отличающийся тем, что материал, способный разлагаться, содержит стимулирующие рост вещества.

5. Элемент по любому из пп.1-4, отличающийся тем, что он имеет структуру коралла.

6. Элемент по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что размер его составляет менее 10 мм.

7. Элемент по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что он состоит из отдельного элемента в совокупности аналогичных элементов.

8. Элемент по любому из пп.1-7, отличающийся тем, что он представляет собой зерна или гранулы неправильной формы.

9. Элемент по п.7, отличающийся тем, что он заключен в оболочку с отверстиями/порами.

10. Элемент по п.9, отличающийся тем, что оболочка представляет собой жесткий цилиндрический трубчатый элемент для получения спинального имплантата.

11. Способ изготовления элемента по любому из пп.1-8, отличающийся тем, что элемент, состоящий из металла, такого, как титан, получают путем продувки газа через расплав металла и автоматического отделения зерен или гранул, не удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к пористости, при этом внутренние габариты полостей/углублений/карманов и каналов/проходов, соединяющих их, имеют ширину менее 50 мкм.

Приоритеты по пунктам:

28.04.1999 по пп.1-8;

28.04.2000 по пп.9 и 10.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3