Композиционный материал для заполнения костных дефектов на основе кальцийфосфатного цемента
Владельцы патента RU 2322228:
Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН (RU)
Изобретение относится к области медицины и касается цементных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Композиционный материал выполнен на основе реакционно-твердеющей смеси порошков: гидроксиапатита, трикальцийфосфата тетракальцийфосфата и добавки - порошка титана. В качестве затворяющей жидкости используют раствор фосфатов магния, калия и/или натрия фосфорной кислоты и воды. Компоненты берут в определенном количественном содержании. В процессе твердения материала формируется прочный каркас с равномерным распределением частиц титана, способствующих повышению прочности и трещиностойкости. Высокие механические характеристики и доступность исходных материалов позволяет широко использовать данный материал для закрытия полостей в костных тканях, в том числе и сложнонагруженных. 1 табл.
Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.
Кальцийфосфатные цементы получают на основе реакционно-твердеющей смеси порошков смеси (РПС) из двух или более фосфатов кальция и затворяющей жидкости (ЗЖ). Исходный порошок представляет смесь кислых и основных фосфатов кальция. При добавлении в смесь ЗЖ компоненты начинают взаимодействовать между собой через жидкую фазу по механизму растворения-осаждения с образованием нейтральных (рН˜7) фосфатов. В качестве исходной смеси (В.В.Самускевич, Н.Х.Белоус, Л.Н.Самускевич, А.А.Добрышевская. «Цемент водного затворения на основе гидроксиапатита и термообработанного дигидрофосфата кальция». Неорганические Материалы, 2000, т.36, №9, с.1148-1152) использовали смесь порошков ГА и дигидрофосфата кальция, в качестве ЗЖ использована вода. При добавлении затворяющей жидкости между компонентами РПС происходит взаимодействие с образованием аморфной фазы, которая в процессе схватывания переходит в кристаллический ГА.
Предложенные материалы могут быть использованы в качестве цементных паст для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов. Недостатком данных материалов является низкая прочность.
Наиболее близким по техническому решению является материал для замещения дефектов костной ткани (патент RU 228112 С1 от 10.08.06, разделы: А61К 6/033, A61L 27/00), состоящие из смеси порошков гидроксида кальция и однозамещенного фосфата калия, в качестве ЗЖ - раствор фосфатов магния в фосфорной кислоте. При смешении смеси порошков с ЗЖ образуется тестоподобная масса, которая со временем схватывается до образования прочного цементного камня. Существенным недостатком данного материала является низкая трещиностойкость (0,1 МПа·м0,5) и прочность (30 МПа), что не позволяет использовать его для устранения дефектов сложнонагруженных участков костной ткани.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности кальцийфосфатного цементного материала. Для достижения технического результата предлагается использовать в качестве РПС смесь порошков ГА, ТКФ, тетракальцийфосфата (ТТКФ) с добавкой порошок титана, в качестве ЗЖ раствора фосфатов магния, калия и натрия в фосфорной кислоте, что позволяет существенно повысить трещиностойкость и прочность цементного материала на основе ГА.
Цемент, состоящий из порошковой смеси: ГА, ТТКФ и ТКФ (РПС) и добавки -титановый порошок и ЗЖ на основе фосфатов магния, натрия и калия, - не известен. Содержание в РПС ГА 0-80 мас.%, ТТКФ 0-100 мас.%, ТКФ 0-100 мас.%. Содержание добавки (порошкового титана) 5-60 мас.% в смеси РПС-титан.
Отношение количества вводимой затворяющей жидкости ЗЖ (мл) к количеству смеси РПС-титан (г) должно быть в пределах 0.45-0,75 (ЗЖ (мл)/ РПС - титан (г)=0,45-0,75). Время схватывания изменялось от 2 до 40 минут в зависимости от количества и состава ЗЖ, соотношения фосфатов кальция в РПС и количества добавки (порошок титана). После добавления ЗЖ в смесь РПС-титан, жидкая фаза вступает в реакцию с РПС, при этом происходит частичное растворение РПС с последующим осаждением в виде упрочняющей аморфной или кристаллической фазы. В процессе схватывания формируется структура, состоящая из кристаллов фосфатов кальция и частиц титана, которые покрыты прослойками упрочняющей цементирующей фазы, обеспечивающей прочное сцепление частиц между собой. Введение в количествах более 80 мас.% ГА и менее 20 мас.% ТТКФ или ТКФ в РПС, а так же использование более 60% добавки порошка титана в смеси РПС-титан, приводит к быстрому схватыванию твердеющей смеси и ее плохой формуемости ввиду высокой вязкости, что затрудняет применение данного материала для закрытия костных дефектов. Кроме того содержание свыше 60 мас.% титана в смеси РПС-титан приводит к разупрочнению материала до значений прочности меньше, чем без титаносодержащий цемент. При использовании менее 5 мас.% порошка титана не достигается увеличение трещиностойкости цементных образцов. В случае использования затворяющей жидкости в количестве, меньшем нижнего предела (ЗЖ (мл) / твердое (г)<0,45) или использованию высококонцентрированных растворов ЗЖ с содержанием фосфата магния более 75 мас.% и суммарного содержания фосфата калия и натрия более 25%, получаемая смесь имеет высокую вязкость, что приводит к образованию многочисленных трещин при формовании изделия необходимой конфигурации. При применении ЗЖ в количестве выше верхнего предела (ЗЖ (мл) / ЦПС (г)>0,75) и разбавленных растворов с большим содержанием воды, более 45 мас.%, содержанием фосфата магния менее 15 мас.%, смесь получается слишком жидкой, что не позволяет формовать изделия ввиду растекания смеси. Кроме того, значительно увеличивается время схватывания, что приводит к снижению прочности, особенно в первые минуты твердения. При введении суммарного содержания фосфата калия и натрия менее 3,5 мас.% повышается пористость образцов, что приводит к резкому падению прочности.
Пример получения образца №1. Порошок РПС, содержащий 15 г ГА, 10 ТКФ и 15 г ТТКФ смешивают с добавкой - 10 г порошка титана в планетарной мельнице корундовыми шарами в течение 10 минут. Полученную смесь РПС - титан в количестве 0,4 г смешивают с 0,25 мл ЗЖ (65 мас.% фосфата магния и 10 мас.% фосфата калия, 10 мас.% фосфата натрия, фосфорной кислоты 8 мас.%, 7 мас.% воды). Смешение проводят в течение 1-2 минут металлическим шпателем на стекле до сметаноподобного состояния, после чего смесь помещают в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8 мм. По истечении нескольких минут отформованный образец вынимают и помещают в термостат при температуре 37°С в раствор SBF (Simulated Body Fluid), соответствующем плазме крови человека. Через 24 часа отвержденный образец имеет прочность на сжатие 120 МПа и трещиностойкость 0,8 МПа·м0,5.
Аналогично были изготовлены образцы, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.
Предлагаемый композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента состоит из смеси порошков ГА, ТТКФ, ТКФ с добавкой порошок титана и ЗЖ-растворов фосфатов магния, натрия и калия в фосфорной кислоте, характеризуется более высокой трещиностойкостью прочностью.
| ЗЖ, мл / РПС-титан, г. | Титан, мас.% | Соотношение компонентов в РПС, мас.% | Состав ЗЖ, мас.% | Трещиностойкость, МПа·м0,5 | Прочность на сжатие, МПа1 | |||||||
| ГА | ТТКФ | ТКФ | Фосфат магния | Фосфат калия | Фосфат натрия | Фосфорная кислота | Вода | |||||
| 1 | 0.62 | 20 | 37,5 | 37,5 | 25 | 60 | 10 | 10 | 13 | 7 | 0,8 | 120 |
| 2 | 0.75 | 60 | 80 | 15 | 5 | 15 | 15 | - | 60 | 5 | 0,3 | 67 |
| 3 | 0.45 | 30 | 0 | 100 | 0 | 75 | 3,5 | - | 10 | 11,5 | 0,25 | 80 |
| 4 | 0.55 | 5 | 0 | 0 | 100 | 20 | - | 25 | 10 | 45 | 0,2 | 65 |
| 5 (прототип) | 0.5 | - | - | - | - | + | - | - | + | + | 0,1 | 30 |
| 6 | 0.25 | 70 | 95 | 5 | - | 88 | - | - | 4 | 8 | - | Образец |
| рассыпался | ||||||||||||
| 7 | 0.4 | - | 5 | 95 | - | 10 | 5 | 30 | 5 | 50 | 0,15 | 15 |
| 8 | 0.8 | 40 | 90 | 5 | 5 | 5 | 17 | - | 70 | 8 | 0,1 | 10 |
| Примечание. + в таблице отмечено присутствие данного компонента в ЗЖ. | ||||||||||||
| Испытания проводили через 24 часа после затворения. |
Композиционный материал для заполнения костных дефектов на основе кальцийфосфатного цемента содержащего реакционно-твердеющую смесь порошков гидроксиапатита, трикальцийфосфата и затворяющую жидкость, содержащую фосфат магния, фосфорную кислоту и воду, отличающийся тем, что реакционно-твердеющая смесь порошков дополнительно содержит тетракальцийфосфат и добавку - порошок титана, а затворяющая жидкость дополнительно содержит фосфат калия и/или натрия при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:
реакционно-твердеющая смесь порошков:
| гидроксиапатит | не более 80 |
| тетракальцийфосфат | не более 100 |
| трикальцийфосфат | не более 100 |
при следующем соотношении добавки - порошка титана к реакционно-твердеющей смеси порошков, мас.%:
| реакционно-твердеющая смесь порошков | 40,0-95,0 |
| порошок титана | 5,0-60,0 |
затворяющая жидкость
| фосфат магния | 15,0-75,0 |
| фосфат калия и/или натрия | 3,5-25,0 |
| фосфорная кислота | 10,0-65,0 |
| вода | остальное |
причем количество затворяющей жидкости (мл) к количеству реакционно-твердеющей смеси порошков(г) находится в пределах 0,45-0,75.
