Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс

Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к материалам покрытия имплантатов для травматолого-ортопедических и стоматологических операций. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс содержит кальций-фосфатную основу и дополнительно содержит компонент магния в молярном соотношении Ca:P:Mg=1,67:1:1,2·10^-2, связующее при содержании 5-25% по массе сверх 100%, микроэлемент фтор и ультромикроэлемент бор с получением покрытия при следующем молярном соотношении: Ca:P:Mg:F:В=1,67:1:1,2×10^-2:1,1×10^-4:1×10^-6. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс максимально приближается к составу кости человека. 3 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к материалам покрытия имплантатов для травматолого-ортопедических и стоматологических операций.

Известно кальций-фосфатное биологически активное покрытие на имплантате, основа которого выполнена из конструкционного материала, в частности из нержавеющей стали, содержащее нанесенный на основу промежуточный слой металла вентильной группы, в частности титана, толщиной 5-50 мкм и последующий слой кальций-фосфатных соединений, нанесенный электрохимическим методом анодирования, в частности титана в режиме искрового или дугового разрядов. Известное покрытие обладает свойствами остеоинтеграции и может быть использовано в стоматологии, травматологии и ортопедии при изготовлении высоконагруженных костных имплантатов из конструкционных материалов, например из нержавеющей стали [RU 2423150 C1 МПК A61L 27/06 (2006.01), A61L 27/32 (2006.01), A61F 2/02 (2006.01), опубл. 2011].

К недостаткам известного покрытия можно отнести то, что изготовление покрытия осуществляют только из различных видов кальций-фостфатных соединений или оксидов титана, порошок для покрытия представлен округлыми гранулами, меньшая схожесть по составу покрытия с минеральным составом кости человека.

Металлоконструкции, изготовленные из различных видов титановых сплавов и других металлов, применяемые в рядовых случаях у пациентов с нормальной структурой костной ткани, не имеют проблему прочной фиксации в раннем послеоперационном периоде и нестабильности с миграцией металлоконструкций в отдаленном периоде (неудовлетворительный результат лечения). Вышеописанные проблемы возникают у пациентов со сниженной минеральной прочностью кости, т.е. на фоне остеопороза.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является разработка синтетического биоактивного кальций-фосфатного минерального комплекса с микроэлементным составом, максимально приближенным к составу кости человека. Имплантаты можно применять в травматолого-ортопедической практике для оперативного лечения переломов костей различной локализации у пациентов с остеопеническим синдромом и группы риска по раннему развитию остеопороза.

При осуществлении заявляемого технического решения поставленная задача решается за счет достижения технического результата, который заключается расширении номенклатуры материалов для основы имплантатов, на которые можно наносить кальций-фосфатные биоактивные покрытия электрохимическим (гальваническим) методом.

Указанный технический результат достигается тем, что синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс содержит кальций-фосфатную основу и дополнительно содержит компонент магния в молярном соотношении Ca:P:Mg=1,67:1:1,2×10^-2, связующее при содержании 5-25% по массе сверх 100%, микроэлементы фтор и ультромикроэлемент бор с получением покрытия при следующем молярном соотношении:

Ca:P:Mg:F:В=1.67:1:1.2×10^-2:1.1×10^-4:1×10^-6.

Соотношение Ca/P в костной ткани человека находится в диапазоне значений 1,65-1,70. Соотношение элементов в формуле принято согласно литературным данным [1, 2, 3, 4, 5].

Кроме того, в качестве магния возможно применение карбоната магния, или гидроксида магния, или фосфата магния, в качестве связующего - карбоксиметилцеллюлозы или поливинилового спирта, или гидрометилцеллюлозы, или глицерина, или метилцеллюлозы, в качестве фтора - фторида кальция 10^-3-10^-5% по массе, в качестве бора - кристаллогидрата тетрабората натрия 10^-5% по массе.

Заявляемый комплекс дополнен микроэлементами, состав максимально приближен к минеральному составу костной ткани человека, которая также имеет в своем составе кроме кальция и фосфора и много других микроэлементов. Это обеспечит высокое сродство с последней и, обладая остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, будет активно влиять на регенерацию костной ткани в периимплантационной зоне, т.е. в зоне контакта имплантат-кость.

Для детализации минерального состава использована классификация Владимира Ивановича Вернадского, из которой следует, что все минералы можно разделить на три группы, в зависимости от массовой доли и %.

I группа - Макроэлементы (содержание в организме превышает 10^-2):

Ca и P, которые являются основными составляющими структуры костной ткани.

Mg, который до 60% от общего содержания в организме содержится в костях. Магний является важным внутриклеточным элементом, участвует в обменных процессах, также, являясь кофактором многих ферментативных реакций, принимает участие в метаболизме аминокислот и влияет на важнейшие стадии биосинтеза белка. Mg обеспечивает энергией многие жизненно важные биопроцессы человеческого организма.

Ca и Mg относят к основным биоэлементам - «металлам жизни».

II группа - Микроэлементы жизненно необходимые (содержание в организме в пределах 10^-3-10^-5): F (Фтор), он концентрируется в костной ткани, и фторид-ионы способствуют осаждению фосфата кальция, что ускоряет процессы реминерализации (образование кристаллов). Однако присутствие в составе покрытия данного микроэлемента должно быть минимально. Следовательно, при включении микроэлементов в состав покрытия использован принцип «следовое присутствие».

III группа - Ультромикроэлементы или примесные элементы, которые относят к условно жизненно необходимым (содержание в организме превышает 10^-5): В (Бор) - активно участвует в углеродно-фосфатном обмене с рядом витаминов, ферментов и гормонов. Он является партнером Ca, Mg, участвующих в процессах кальцификации, формирования костной ткани и предотвращения развития остеопороза.

Таким образом, при включении микроэлементов и ультромикроэлементов в состав покрытия взят принцип - «следовое присутствие».

Синтетический биоактивный кальций - фосфатный минеральный комплекс получают следующим образом.

В насыщенный раствор коммерчески доступного, предварительно подготовленного кальций фосфата добавляют карбонат магния или гидроксид магния или фосфат магния в молярном соотношении: Ca:P:Mg=1,67:1:1,2×10^-2.

Кислотно-щелочная среда раствора выдерживается на уровне pH 7,3-7,4, что соответствует физиологическим значениям.

Затем проводят выпаривание раствора в фарфоровой чашке при температуре 35-55°C, избегая резких перепадов.

В полученный продукт вносят связующий компонент (пластификатор), например карбоксиметилцеллюлозу, или поливиниловый спирт, или гидрометилцеллюлозу, или глицерин, или метилцеллюлозу. Содержание связующего компонента 5-25% по массе сверх 100%. Смесь прокаливают при температуре 650-900°C. Температура выше 1200°C приводит к плавлению кальций фосфата. Полученный продукт измельчают в шаровой мельнице до образования частиц микро- и наноразмеров. Полученные после измельчения частицы представляют собой как образования неправильной сферической формы, так и кристалловидной, что будет впоследствии обеспечивать максимальное сродство к структуре костной ткани.

В готовый порошкообразный кальций-фосфатно-магниевый макроэлементный комплекс вносят микроэлемент фтор в виде, например, порошка или раствора фторида кальция 10^-3-10^-5% по массе и ультромикроэлемент бор в виде, например, кристаллогидрата тетрабората натрия 10^-5% по массе, путем перемешивания в шаровой мельнице до образования гомогенной массы.

Таким образом, получают синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс с молярным соотношением:

Ca:P:Mg:F:B=1.67:1:1.2×10^-2:1.1×10^-4:1×10^-6,

который максимально приближен по составу и по форме к натуральному минеральному составу костной ткани человека.

Использовать для изготовления покрытия подготовленные по авторской методике кальций-фосфатные кристаллы различных размеров и форм для придания покрытию высокой пористости и кораловидности, которая улучшает интеграцию имплантата в костную ткань.

Полученный синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс готов к нанесению на титановые изделия медицинского назначения.

Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс можно наносить на канюлированные винты для остеосинтеза шейки бедра, шурупы, пластины для накостного остеосинтеза, эндопротезы крупных и мелких суставов, имплантаты для межтелового спондилодеза и другие имплантаты. Также возможно широкое применение заявляемого покрытия для имплантатов в стоматологической практике в виде имплантов, штифтов и других металлоконструкций, имеющих проблему прочной фиксации на раннем послеоперационном периоде лечения, а в отдаленном периоде формирования надежного костно-металлического блока.

Таким образом, расширяется ассортимент биоактивных покрытий, при этом качество имплантатов при нанесении на их поверхность заявляемого покрытия повышается.

Литература

1. Ноздрюхина Л.Р. Биологическая роль микроэлементов в организме животных и человека. - М.: Наука, 1977.

2. Ершов Ю.А., Попков В.А., Берлянд А.З., Книжник А.З. Общая химия. Биофизическая химия. Химия биогенных элементов. - М.: Высшая школа, 2002.

3. Коломийцев М.Г., Габович Р.Д. Микроэлементы в медицине. - М.: Медицина, 1970.

4. Скальный А.В. Микроэлементозы человека. М.: Изд-во KMC, 1999.

5. Скальный А.В. Химические элементы в физиологии и экологии человека. - М.: Изд-во ОНИКС 21 век, Мир, 2004.

1. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс для биоактивных покрытий имплантатов, содержащий кальций-фосфатную основу, отличающийся тем, что дополнительно содержит компонент магния в виде карбоната магния, или гидроксида магния, или фосфата магния в молярном соотношении Са:Р:Mg=1,67:1:1,2 10^-2, связующее при содержании 5-25 % по массе сверх 100 %, микроэлементы фтор в виде фторида кальция и ультрамикроэлемент бор в виде кристаллогидрата тетрабората натрия с получением покрытия при следующем молярном соотношении:
Ca:P:Mg:F:B=1.67:1:1.2×10^-2:1.1×10^-4:1×10^-6.

2. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве связующего использованы карбоксиметилцеллюлоза, или поливиниловый спирт, или гидрометилцеллюлоза, или глицерин, или метилцеллюлоза.

3. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве фтора использован фторид кальция 10^-3-10^-5 % по массе.

4. Синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс по п. 1, отличающийся тем, что в качестве ультрамикроэлемента бора использован кристаллогидрат тетрабората натрия 10^-5 % по массе.