Биологически совместимый материал в гранулах, изготовленный из металлического материала или металлических сплавов, и применение указанных гранул для вертебропластики

Изобретение относится к области медицины, а именно к вертебропластической или кифопластической хирургии, и раскрывает гранулы, изготовленные из титана или титановых сплавов. Гранулы характеризуются тем, что имеют сплошную сферическую структуру с внешним диаметром от 3 до 4 мм и имеют внешнюю поверхность, обладающую трабекулярной структурой, с пористостью с диаметром пор от 400 до 800 микрон и изготавливаются посредством технологий производства, которые предусматривают по меньшей мере одну стадию локализованного микроплавления порошков с помощью высокоэнергетических электронных пучков (EBM) или лазера. Изобретение может быть использовано для стимуляции остеоинтеграции с губчатым костным веществом, пролиферации и специализации костных клеток. 4 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к чрескожной вертебропластической или кифопластической хирургии.

Более конкретно, объектами изобретения являются гранулы, изготовленные из биологически совместимого металлического материала, предпочтительно остеоиндуктивного металла, для использования в вертебропластике; а также применение этих гранул для данной цели.

Уровень техники

Вертебропластика или кифопластика представляет собой метод лечения, применяемый для пациентов с компрессионными переломами позвоночника.

Многие причины могут определять коллапс позвонка под действием сжимающих сил, которые обычно воздействуют на позвоночный столб: болезненные компрессионные переломы могут возникнуть вследствие сжатия грудного или поясничного отделов позвоночника в результате остеопороза, травмы или разрушения костной ткани. Основными причинами являются остеопороз, множественные миеломы, метастазы в позвоночнике или, в более простом случае, травма.

Как известно (см. приложенные фиг. 1 и 2), позвонки 10 имеют основное тело 11, по существу цилиндрической формы (или, точнее, в форме, несколько напоминающей песочные часы), в котором можно различить периферийное кольцо из компактного костного вещества и центральную часть из губчатого костного вещества 12, а также множество отростков (верхний суставной, нижний суставной, поперечный и остистый), которые выступают назад 13.

80% нагрузки несет основное тело 11, в то время как ножки и отростки 13 осуществляют динамическую функцию и расположены таким образом, чтобы нести только небольшую часть нагрузки.

Таким образом, компрессионные переломы относятся по существу к основному телу.

Как упомянуто выше, перелом может произойти вследствие наличия остеопороза, поражающего губчатое костное вещество, которое вследствие нарушенной трабекулярной структуры больше не может выполнять свою несущую функцию и коллапсирует под действием компрессионных нагрузок. Коллапс губчатого костного вещества приводит к появлению переломов и в компактном костном веществе.

На существующем уровне техники известны хирургические способы, целью которых является восстановление несущей способности позвонка посредством введения средств протезирования, таких как гибкие стержни, болты и шпильки.

Эти хирургические операции, как может понять и неспециалист, являются очень инвазивными как ввиду того факта, что они требуют от хирурга создания значительного по размеру средства доступа, так и ввиду того, что применение стержней, болтов и шпилек в любом случае является хирургической операцией, которая тяжела для тела пациента и обременительна с точки зрения полной адаптации тела к присутствию протеза.

Позже была разработана и организована малоинвазивная хирургическая технология, которая требует как значительно более ограниченного средства доступа, порядка нескольких миллиметров, так и сниженных нагрузок для тела пациента, даже в послеоперационный период.

Эта технология известна как кифопластика или вертебропластика, и ее проводят, вставляя баллонный катетер или механический расширитель, выполненный из полимерного материала, в тело. позвонка через металлическую канюлю большего размера (примерно 5 мм в диаметре).

Наиболее применяемая технология предусматривает применение надувного баллона 30: хирург, после создания необходимого средства доступа, вставляет канюлю 20 в сколлапсировавший позвонок, что позволяет вставить баллон 30 в основное тело 11 позвонка, в области, в которой сколлапсировавшее губчатое костное вещество 12 больше не осуществляет свои несущие функции.

Приведя пациента в положение лежа на животе, к операции приступают, вставляя канюлю прямо в основное тело позвонка, посредством транспедикулярного доступа. Всю хирургическую операцию проводят под рентгеновским контролем.

После достижения правильного положения внутри основного тела позвонка, с помощью канюли вставляют устройство для сжатия кости, которое представляет собой не что иное, как баллон, который раздувают посредством жидкости или эквивалентных систем. Этот баллон осуществляет функцию уплотнения трабекул губчатого костного вещества основного тела позвонка, в то же время расширяя внутреннюю полость сколлапсировавшего позвонка.

После того, как полость в позвонке расширена посредством баллона, последний извлекают и в образованную таким образом полость, также с помощью канюли, вводят цемент, обычно применяемый в ортопедии, а именно ПММА (полиметилметакрилат).

Применение цемента в кифопластике имеет то преимущество, что он немедленно обеспечивает первичную стабильность, а именно стойкость к компрессионным нагрузкам, которые действуют на позвоночный столб, что гарантирует очень короткий срок госпитализации для пациента, так что пациента можно выписать в пределах нескольких дней после операции.

С другой стороны, с применением ПММА в кифопластике связаны многие недостатки.

Первым недостатком, связанным с применением цемента, является выделение тепла, образующегося в ходе реакции полимеризации, которая является в высокой степени экзотермической. Температура однородно возрастает внутри массы цемента (образуется 50,208-58,576 кДж (12-14 ккал) на 100 г цемента), а затем она переносится к поверхности, где и рассеивается. Достигают температур, близких к 80°C. Такие высокие температуры полимеризации могут вызвать проблемы с локализованным некрозом кости.

Другой недостаток, вытекающий из применения цемента, заключается в том факте, что микроскопические фрагменты цемента могут отделиться и выйти из основного тела позвонка через разломы в компактном костном веществе. Случаи, когда частицы цемента выходят из позвонка, вызывая образование тромбов или другие чрезвычайно опасные для пациента ситуации, нередки в литературе.

И, что не менее важно, кифопластическая хирургия описанного до сих пор типа, в которой применяют цемент для восстановления несущей функции, осуществляемой губчатым костным веществом, имеющим трабекулярную структуру, не решает проблему, заключающуюся в том факте, что эта хирургическая операция не лечит разрушенную кость, в частности, она не лечит перелом, но ограничивается заменой поврежденного губчатого костного вещества синтетическим материалом, который восполняет несущую функцию, осуществляемую здоровой костью.

Сущность изобретения

Таким образом, основной целью изобретения является преодоление недостатков, которые не решены применяемыми в настоящее время методологиями, и в частности полное устранение недостатков, связанных с использованием цемента (ПММА) в кифопластической хирургии.

В рамках этой задачи, одной из целей изобретения является, таким образом, устранение проблем, связанных с высокотемпературной полимеризацией ПММА.

Дополнительная цель изобретения заключается в полном устранении риска выхода микроскопических частиц материала из тела позвонка и транспортирования таких частиц в тело, с хорошо известными опасными последствиями, о которых сообщают в клинических исследованиях кифопластической имплантации с использованием цемента.

Также целью изобретения является обеспечение биологически совместимого материала, который можно использовать в кифопластической хирургии для замены цемента (ПММА), и который также является остеоиндуктивным, то есть способным стимулировать и ускорять регенерацию кости и остеоинтеграцию, чтобы лечить поврежденную кость, вместо того, чтобы заменять кость цементом для восстановления механической несущей функции.

Этой задачи, а также этих и других целей, которые станут более ясными из подробного описания данного изобретения, приведенного в тексте данного описания посредством неограничивающего примера, достигают посредством биологически совместимого материала в гранулах, предпочтительно на основе металлических сплавов, в соответствии с приложенной формулой изобретения.

Перечень чертежей

Дополнительные отличительные особенности и преимущества изобретения станут более ясными из последующего подробного описания, представленного в виде неограничивающего примера и проиллюстрированного сопровождающими чертежами, в которых:

- Фиг. 1 изображает чертеж, представляющий вид сбоку части позвоночного столба;

- Фиг. 2 изображает сечение двояковогнутого сколлапсировавшего позвонка, в котором видны основное тело, губчатое костное вещество и канюля, вставленная в указанное основное тело с использованием транспедикулярного доступа;

- Фиг. 3 изображает сечение сколлапсировавшего позвонка с клиновидной формой и с канюлей, вставленной в основное тело;

- Фиг. 4 изображает введение известного на существующем уровне техники баллона в основное тело позвонка;

Фиг. 5 изображает пористую трабекулярную поверхность, изготовленную из титана или титанового сплава;

- Фиг. 6 изображает полученный с помощью электронного микроскопа вид структуры трабекулярного костного вещества.

Подробное описание изобретения

Согласно изобретению, гранулы, изготовленные из биологически совместимого металлического материала, более конкретно на основе титана и/или его сплавов, получают с такими характеристиками, чтобы в ходе хирургической фазы одновременно можно было ввести гранулы и получить их остеоинтеграцию после их размещения.

Термин «гранулы» применяют в данном описании для обозначения твердых частиц, имеющих какую угодно геометрию, предпочтительно, но не исключительно, примерно сферическую геометрию, и имеющих средний размер порядка нескольких миллиметров, предпочтительно менее 7 мм, еще более предпочтительно, но не обязательно, от 4 до 6 мм.

В случае, когда эти гранулы обладают сферической геометрией, они будут характеризоваться внешним диаметром порядка нескольких миллиметров, предпочтительно менее 7 мм, более предпочтительно, но не обязательно, от 4 до 6 мм.

В соответствии с предпочтительным примером воплощения изобретения, указанные гранулы будут иметь сферическую форму, в частности они будут представлять собой сплошную сферическую структуру.

Согласно менее предпочтительному варианту, указанные гранулы могли бы иметь полую сферическую структуру.

Предпочтительно, указанные сферы будут иметь пористую внешнюю поверхность.

Еще более предпочтительно, поверхность указанных сфер будет обладать трабекулярной и перфорированной структурой, чтобы стимулировать остеоинтеграцию.

Гранулы или сферические частицы, сплошные или полые, внешняя поверхность которых имеет трабекулярную структуру в соответствии с изобретением, были получены автором изобретения с помощью производственных технологий, которые предусматривают локализованную прецизионную отливку порошков (металлических или полимерных) посредством высокоэнергетических электронных пучков. В настоящее время эти технологии, известные как ЕВМ, что является аббревиатурой английского выражения Electron Beam Melting (электронно-лучевая плавка), представляют собой чрезвычайно передовые технологии изготовления, позволяющие получить объекты, имеющие очень сложную геометрию и различную шероховатость поверхности, на основе компьютерного проектирования конечного продукта, которые осуществляют с помощью компьютеризованных установок, приводящих в действие электронный луч.

Электронно-лучевая плавка является относительно новой технологией быстрого прототипирования для получения структур для имплантатов; и она позволяет получать сложные трехмерные геометрии.

С применением этой технологии многие характеристики поверхности можно спроектировать таким образом, чтобы разработать оптимальную структуру поверхности для остеоинтеграции, пролиферации и специализации для нецементных протезов.

В соответствии с изобретением эту технологию можно использовать для получения изготовленных из металлического материала или металлических сплавов гранул, имеющих сплошную или полую сферическую структуру, с трабекулярной поверхностью и шероховатостью поверхности, которая позволяет получить остеоинтеграцию и регенерацию кости и действительно ускоряет их.

Предпочтительно гранулы по изобретению будут обладать поверхностью, имеющей правильную трабекулярную структуру, с размером пор между соседними трабекулами порядка сотни микрон или около того.

Один из примеров титановой поверхности, обладающей трабекулярной структурой, показан на Фиг. 5.

Фиг. 6 изображает полученный с помощью электронного микроскопа вид структуры трабекулярного костного вещества.

Более конкретно, правильная трабекулярная структура может иметь диаметр пор в диапазоне от 300 до 1000 микрон, более предпочтительно от 400 до 800 микрон, еще более предпочтительно диаметр пор будет составлять примерно 600 микрон, предпочтительно 640 микрон.

В частности, благодаря модулю упругости, очень похожему на модуль упругости природного трабекулярного костного вещества, изготовленная из титана или титановых сплавов трабекулярная структура восстанавливает физиологический перенос нагрузки, предотвращая повреждения кости, и, действительно, стимулирует ее регенерацию.

Трабекулярный титан способен стимулировать остеоинтеграцию: проведенные in vitro исследования демонстрируют, что в пределах трех недель с момента установки имплантата уже происходит полная колонизация трабекулярной структуры остеобластами, в то время как исследования in vivo показывают превосходную остеоинтеграцию уже через 26 недель, с образованием новой пластинчатой кости.

Согласно предпочтительному примеру воплощения изобретения, гранулы биологически совместимого материала изготавливают из металлического материала, предпочтительно из титана или его сплавов, таких как, например, сплав TiAl4V (титан-алюминий-ванадий), или из чистого титана марки 2, или из сплавов хром-кобальт, или из других материалов, обладающих аналогичными характеристиками в отношении биологической совместимости и способных ускорить регенерацию кости.

Как уже было указанно, кифопластическая или вертебропластическая хирургия предусматривает применение надувного баллона или аналогичной системы, которая позволяет уплотнить разрушенное губчатое костное вещество и расширить внутреннюю полость тела позвонка.

В случае использования гранул по изобретению вместо цемента, который применяют на существующем уровне техники, технология проведения операции остается полностью неизменной.

После того, как надувной баллон (или другое аналогичное устройство) извлечен и полость в позвонке подготовлена, хирург приступает к введению гранул по изобретению вместо ПММА.

Введение гранул по изобретению предпочтительно можно осуществить с помощью канюли, которая является идентичной или в целом аналогичной канюле, применяемой в настоящее время в кифопластической хирургии с надувным баллоном и введением ПММА.

Таким образом, гранулы по изобретению можно поместить внутрь полости основного тела позвонка с помощью тех же методов, которые используют в настоящее время для размещения цемента с помощью системы существующего уровня техники.

Объем, который должен быть заполнен гранулами, представляет собой тот же объем, который заполняют цементом; речь идет только о нескольких кубических сантиметрах, а более конкретно 1,5-2,0 см³.

Согласно вышеописанному, гранулы по изобретению имеют средние размеры порядка миллиметров - необходимо меньше, чем диаметр канюли, посредством которой гранулы вводят в полость позвонка; но в любом случае доступный объем легко может быть заполнен ограниченным числом гранул.

Для того, чтобы облегчить введение гранул посредством канюли, можно обеспечить (преимущественно, но не необходимо) применение вещества-носителя, такого как физиологический раствор, сыворотка крови или другое вещество, которое может способствовать скольжению гранул внутри канюли путем снижения трения.

К тому же гранулы с успехом можно соединить друг с другом с образованием цепи, с помощью средств соединения, предназначенных для ограничения относительной подвижности гранул относительно друг друга.

Более конкретно, согласно предпочтительному примеру воплощения изобретения, гранулы имеют по существу сферическую полую форму, и каждая сфера имеет пару прорезей, расположенных в диаметрально противоположном положении; при этом каждая из указанных прорезей взаимосвязана с соответствующей прорезью соседней гранулы.

Таким образом получают настоящую цепь из сфероидальных гранул, чтобы ограничить относительную подвижность гранул относительно друг друга.

Благодаря этому приему, то есть присутствию средств соединения, которые ограничивают относительную подвижность гранул, получают дополнительное преимущество по уплотнению гранул внутри полости позвонка, которую заполняют гранулами упорядоченным образом. Факт соединения гранул друг с другом позволяет лучше контролировать процесс их размещения хирургом в полости позвонка.

После того, как гранулы однородно заполнили полость позвонка, первичную стабильность гарантирует тот факт, что гранулы заполняют полость уплотненным образом, с однородной передачей нагрузок.

Затем стабильность гарантируют процессы остеоинтеграции, которые может стимулировать материал, из которого изготовлены гранулы, и трабекулярная конформация их поверхности.

Как известно из литературных источников, титан и его сплавы в частности обладают свойствами, которые обеспечивают биологическую совместимость и стимулируют регенерацию трабекулярного костного вещества, и, таким образом, исцеляет поврежденную кость; этого результата невозможно достичь с инертным материалом, таким как применяемый в настоящее время ПММА.

Также объектом изобретения является применение указанных гранул в вертебропластической или кифопластической хирургии.

1. Гранулы, изготовленные из титана или титановых сплавов посредством технологий производства, которые предусматривают по меньшей мере одну стадию локализованного микроплавления порошков с помощью высокоэнергетических электронных пучков (EBM) или лазера, причем указанные гранулы имеют сплошную сферическую структуру с внешним диаметром от 3 до 4 мм и имеют внешнюю поверхность, обладающую трабекулярной структурой, с пористостью с диаметром пор от 400 до 800 микрон для стимуляции остеоинтеграции с губчатым костным веществом, пролиферации и специализации костных клеток.

2. Гранулы по п.1, характеризующиеся тем, что они обладают пористостью с диаметром пор примерно 600 микрон.

3. Гранулы по п.1, характеризующиеся тем, что они обладают пористостью с диаметром пор примерно 640 микрон.

4. Гранулы по любому из предшествующих пунктов, характеризующиеся тем, что они имеют внешний диаметр 3,3 мм.

5. Гранулы по любому из пп.1-3, характеризующиеся тем, что они имеют внешний диаметр 3 мм.