Композиционный материал для замещения костной ткани

Изобретение относится к медицине, а именно к области композиционных материалов для изготовления эндопротезов при использовании композиционного материала для замещения костной ткани. Сущность изобретения: композиционный материал для замещения костной ткани содержит пористую матрицу из углеродного волокна и углеродный материал - наполнитель, частично заполняющий поры матрицы, при этом межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углеродного волокна составляет 3,58...3,62 ангстрема, а межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углерода-наполнителя - 3,42...3,44 ангстрема, при общем количестве углеродного волокна 20...80%. Изобретение позволяет повысить прочность и надежность соединения материала эндопротеза с костной тканью за счет создания композиционного материала для замещения костной ткани с модулем упругости, равным модулю упругости костной ткани человека и животных и лежащим в пределах 14...28 ГПа. 1 табл.

 

Изобретение относится к области композиционных материалов и может быть использовано в медицине для изготовления эндопротезов.

Известен композиционный материал для замещения костной ткани, включающий пористый конструкционный элемент с диаметром пор не более 200 микрон из углеродного волокна и углеродный материал - наполнитель, частично заполняющий поры таким образом, чтобы они были менее 200 микрон в диаметре. Пористый конструкционный элемент из углеродного волокна и углеродный материал - наполнитель образуют изделие, которое может использоваться как протезное устройство для замещения костной ткани человека и животных (см. описание изобретения к патенту США №5981827 от 02.11.97).

Это изобретение принято в качестве прототипа.

Недостатком технического решения - прототипа является недопустимо высокий модуль упругости и большой его разброс при получении композиционного материала.

Модуль упругости кости лежит в пределах 14...28 ГПа, в то время как модуль упругости технического решения - прототипа может достигать 30...150 ГПа, т.е. превышать модуль упругости кости на порядок и более. Протезное устройство для замещения костной ткани (эндопротез), изготовленное из такого материала получается очень \жестким\ и при установке в живой организм, вследствие разной величины деформации материалов эндопротеза и кости, происходит постоянное относительное перемещение сопряженных поверхностей, что приводит к постепенному расшатыванию эндопротеза и отсутствию условий для свободного прорастания костной ткани в поры и рельеф материала эндопротеза.

Одновременно сопряжение жестких поверхностей со здоровой костью вызывает так называемое \убывание\ здоровой кости и тормозит создание гомогенной новой костной массы.

Задачей заявляемого изобретения является создание композиционного материала для замещения костной ткани с модулем упругости, равным модулю упругости костной ткани человека и животных и лежащим в пределах 14...28 ГПа. Эта задача достигается тем, что в композиционном материале для замещения костной ткани, содержащем пористую матрицу из углеродного волокна и углеродный материал - наполнитель, частично заполняющий поры матрицы, межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углеродного волокна составляет 3,58...3,62 ангстрема, а межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углерода-наполнителя - 3,42...3,44 ангстрема, при общем количестве углеродного волокна 20...80%.

При межплоскостных расстояниях кристалла углеродного волокна, углерода - наполнителя, и содержании углеродного волокна в пределах, выходящих за заявленные пределы, имеет место в композиционном материале для замещения костной ткани превышение допустимого для человека и животных модуля упругости кости.

Композиционный материал изготавливался следующим образом: из углеродного волокна изготавливается каркас изделия, близкий по форме к замещаемому участку кости. При этом заранее задается ориентация волокон, наилучшим образом обеспечивающая работу эндопротеза при нагрузках. Затем каркас пропитывается углеродным наполнителем до достижения необходимой пористости. Пропитка может осуществляться различными технологическими методами, например путем разложения метана при температурах 900°-1000°С. Окончательная доводка изделия производится механической обработкой.

Изобретение поясняется следующими примерами.

Были приготовлены и испытаны (определен модуль упругости) образцы из композиционного материала для замещения костной ткани, где были применены:

- углеродное волокно, имеющее кристаллы с d₀₀₂, Å

1 - 3,58

2 - 3,60

3 - 3,62

4 - 3,45

5 - 3,68

- углерод-наполнитель, имеющий кристаллы с d₀₀₂, Å

1 - 3,42

2 - 3,43

3 - 3,44

4 - 3,38

5 - 3,48

- содержание углеродного волокна, %

1-20	7-19
2-55	8-25
3-80	9-40
4-10	10-85
5-15	11-90
6-17

Результаты испытаний представлены в таблице 1

Таблица 1.
№ опыта	Межплоскостное расстояние кристалла углеродного волокна d002, Å	Межплоскостное расстояние кристалла углерода - наполнителя d002, Å	Содержание углеродного волокна, %	Модуль упругости, ГПа	Результат
1	3,68	3,38	85	55	-
2	3,68	3,38	19	38	-
3	3,58	3,43	20	28	+
4	3,62	3,44	80	18	+
5	3,45	3,38	17	72	-
6	3,68	3,48	85	40	-
7	3,68	3,48	10	112	-
8	3,58	3,42	55	19	+
9	3,62	3,44	40	26	+
10	3,58	3,44	25	24	+
11	3,62	3,42	25	21	+
12	3,60	3,44	80	16	+
13	3,62	3,42	80	14	+
14	3,45	3,38	85	64	-
15	3,45	3,48	15	50	-
16	3,45	3,48	90	92	-

По результатам испытаний, отраженных в таблице 1, видно, что при межплоскостных расстояниях кристаллов углеродного волокна и углерода-наполнителя и содержании углеродного волокна, находящихся в заявленных пределах, модуль упругости композиционного материала находится в допустимых для человека и животных пределах - примеры 3, 4, 8, 9, 10, 11, 12, 13 (модуль упругости составляет 14...28 ГПа), при выходе за заявляемые пределы недопустимо возрастает - примеры 1, 2, 5, 6, 7, 14, 15, 16 (модуль упругости составляет 28...112 ГПа).

Положительный эффект от использования изобретения состоит в повышении надежности соединения материала эндопротеза с костной тканью за счет создания композиционного материала для замещения костной ткани с модулем упругости, равным модулю упругости костной ткани человека и животных и лежащим в пределах 14...28 ГПа .

Композиционный материал для замещения костной ткани, содержащий пористую матрицу из углеродного волокна и углеродный материал - наполнитель, частично заполняющий поры материала, отличающийся тем, что межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углеродного волокна составляет 3,58...3,62 Å, а межплоскостное расстояние d₀₀₂ кристалла углерода - наполнителя - 3,42...3,44 Å, при общем количестве углеродного волокна 20...80%.