Скаффолд для замещения костных дефектов
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, травматологии, имплантологии и ортопедии, и раскрывает скаффолд для замещения костных дефектов, выполненный из биосовместимого композиционного полимерного материала, покрытого слоем гидроксиапатита, при этом материал содержит углеродный матрикс высокопористого открытоячеистого углеродного материала, насыщенного пироуглеродом, с пористостью не менее 90% с биоактивным остеокондуктивным покрытием на основе кальций фосфатов толщиной не более 1 мкм. Повышение эффективности применения скаффолда для замещения костных дефектов обеспечивается благодаря наличию структуры близкой к структуре трабекулярной кости человека, высокой пористости (90%), достаточной прочности (не менее 4 МПа) и наличию биоактивного остеокондуктивного покрытия на основе кальций фосфатов. Скаффолд для замещения костных дефектов может быть использован при хирургическом лечении воспалительных и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости, а также костных травм. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, травматологии, имплантологии и ортопедии, и может быть использовано при хирургическом лечении воспалительных и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости, а также костных травм.
При хирургическом лечении костных заболеваний и травм возникает необходимость компенсации (замещения) костных дефектов с помощью имплантатов. В качестве имплантатов используют костные фрагменты пациента или искусственные материалы, обладающие биосовместимостью и достаточным уровнем прочности.
Известен имплантат для замещения костных дефектов (1) (Патент RU №2669352), который выполнен из углерод-углеродного композиционного материала, включающего пористую матрицу из волокон кристаллического углерода с межслоевым расстоянием 3,58…3,62 ангстрема, при общем количестве волокна 20…80%. Материал-наполнитель состоит из кристаллического углерода с межслоевым расстоянием 3,42…3,44 ангстрема в количестве 50…70% и аморфного углерода в виде кокса в количестве 10…20% от общего объема пор матрицы. При этом в аморфный углерод внедрены углеродные нанотрубки в количестве 0,05…1,0% от массы аморфного углерода.
Недостатком данного изобретения является невозможность предоперационной доработки импланта с учетом анатомических особенностей пациента, кроме этого, использование нанотрубок нежелательно, так как, по мнению международного агентства по изучению рака (IARC), углеродные нанотрубки следует отнести к группе веществ 2В по канцерогенности ("возможно канцерогены для людей"). Помимо общетоксического действия на организм углеродные нанотрубки способны, по данным ряда исследований, оказывать избирательное повреждающее воздействие на генетический аппарат клетки и удаленные от места внедрения в организм органы-мишени (2-4).
Известен имплантат для замещения костных дефектов (5) (Патент на полезную модель RU №171824), выполненный из углерод-углеродного материала, содержащего пироуглеродную матрицу и армирующий каркас из углеродных волокон, отличающийся тем, что он выполнен в виде трех соосных цилиндров, при этом диаметр среднего цилиндра составляет 10-30 мм, а диаметры крайних цилиндров одинаковы, меньше диаметра среднего цилиндра и составляют 5-15 мм, при этом общая длина имплантата - 20-140 мм, а длина крайнего цилиндра - 5-20 мм.
Недостатком данного изобретения является сложность конструкции и отсутствие остеокондуктивного и остеоиндуктивного потенциала.
Известен композиционный материал для замещения костных дефектов и способ его изготовления (6) (Патент RU №2609829), принятый за прототип, включающий волокнистую армирующую основу, выполненную в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержней, и содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован параллельно ориентированными стержнями, а стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°, и матрицу из пироуглерода, отличающийся тем, что некоторые заранее выбранные стержни, стержни одного, нескольких или всех направлений армирования, входящие в армирующую основу, содержат в своем составе одно или несколько химических соединений из группы оксид алюминия, карбид кремния, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, оксид титана, карбид титана, оксид циркония, карбид циркония, оксид ниобия, карбид ниобия, оксид гафния, карбид гафния, оксид тантала, карбид тантала, карбид вольфрама в количестве 0,1-10% от массы стержня.
Недостатком данного изобретения является сложность конструкции, отсутствие остеокондуктивного и остеоиндуктивного потенциала, а также введения большого количества химических соединений, которые недостаточно изучены для инвазивного применения в человеке и могут обладать канцерогенными и патогенными эффектами, например, обнаружены различные патологические эффекты диоксида титана на организм человека и животных: онкогенные, иммуномодулирующие и аллергические (7).
Известен способ получения высокопористого открытоячеистого углеродного материала (8) (Заявка на патент RU №2020129066 от 02.09.2020 г.), использующий заготовку из пенополиуретана, пропитанную синтетической термореактивной смолой с последующей термообработкой до 1000°С и изотермической выдержкой при этой температуре в инертной атмосфере, с насыщением карбонизованной заготовки пироуглеродом из газовой фазы, отличающийся тем, что пропитку синтетической термореактивной смолой ведут под воздействием ультразвука в течение не менее 30 минут, с последующей конвективной сушкой при температуре не более 80°С, в течение 5-30 минут, термообработку проводят с постоянной скоростью нагрева 3-4°С/мин, с изотермической выдержкой течение не менее 30 минут, а насыщение пироуглеродом проводят при температуре не менее 950°С, в атмосфере метана, до достижения прироста массы не менее 150% от массы заготовки. При этом раствор термореактивной смолы в этиловом спирте имеет вязкость от 30 до 70 Пуаз.
Полученный по вышеуказанному способу высокопористый открытоячеистый углеродный материал используется в качестве основы - углеродного матрикса предлагаемого скаффолда для замещения костных дефектов.
Технический результат предложенного решения заключается в повышении эффективности применения скаффолда для замещения костных дефектов благодаря наличию структуры близкой к структуре трабекулярной кости человека (фиг. 1), высокой пористости (≥90%), достаточной прочности (не менее 4 МПа) и наличию биоактивного остеокондуктивного покрытия на основе кальций фосфатов.
Данный технический результат достигается тем, что скаффолд для замещения костных дефектов, выполненный из биосовместимого композиционного полимерного материала, покрытого слоем гидроксиапатита, отличается тем, что материал содержит углеродный матрикс высокопористого открытоячеистого углеродного материала, насыщенного пироуглеродом, с пористостью не менее 90% с биоактивным остеокондуктивным покрытием на основе кальций фосфатов толщиной не более 1 мкм. При этом матрикс имеет прочность на сжатие не менее 4 МПа.
Увеличенная, в отличие от известных, пористость высокопористого открытоячеистого углеродного материала до 94% получена за счет интенсификации процесса импрегнации и отсутствии наполнителя в импрегнирующем растворе. Одним из способов повышения физико-механических характеристик высокопористых материалов на основе углерода является нанесение покрытий. Для материала, по предлагаемому изобретению, наиболее предпочтительным является углеродное покрытие (пироуглерод), благодаря высокой адгезии, возможности получения равномерного слоя, биологической совместимости (например, при изготовлении остеопластических материалов). Сравнительные характеристики высокопористого открытоячеистого углеродного материала по физико-механическим свойствам также больше в отличие от известных, предел прочности на сжатие не менее 4 МПа.
Сформированный методом электрохимического осаждения на поверхности основы имплантата слой гидроксиапатита, не только покрывает ее, но и проникает в поверхностные поры имплантата, при этом возможно получение толщины покрытия менее 1 мкм (уменьшение толщины приводит к уменьшению расслоения и трещинообразования, которое часто наблюдается у более толстых покрытий) (9). Гидроксиапатит, в силу своих остеоиндуктивных свойств, способствует проникновению в него оссеина (коллагена 1 типа) и остеобластов. Это упрощает доставку таких элементов, как кальций и фосфор, к месту формирования костной ткани, т.е. к оперированной области. За счет этого сокращаются сроки восстановления пациента. Гидроксиапатит является основной минеральной составляющей костей (около 50% от общей массы кости). В медицине синтетический гидроксиапатит используется как наполнитель, замещающий части утерянной кости (в травматологии и ортопедии, хирургии кисти), и как покрытие имплантатов, способствующее формированию костной ткани.
Используемый для изготовления скаффолда пироуплотненный высокопористый открытоячеистый углеродный материал на основе стеклоуглерода с биоактивным покрытием на основе кальций фосфатов (фигура 2) обладает биосовместимостью, прочностью, остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, подтвержденными испытаниями in vitro и in vivo. По результатам испытаний, скаффолд не проявляет ни общетоксического действия на организм лабораторного животного, ни местного патогенного действия на окружающие ткани, также скаффолд обладает хорошей адгезией с мягкими тканями, стимулируют ангеогенез и плотно фиксируется в зоне имплантации. При томографической оценке аутопсийного материала и компьютерной денситометрии области имплантации материала было обнаружено большее содержание костно-хрящевого регенерата. Кроме того, благодаря высокой пористости материала, наблюдается капиллярный эффект, позволяющий текучим средам равномерно, независимо от направления кровотока, проникать внутрь скаффолда, что приводит к улучшенному образованию костной ткани и, соответственно, срастанию.
Кроме того, скаффолд для замещения костных дефектов по настоящему изобретению обладает легкостью механической обработки, что позволяет доработать иплантат предоперационно с учетом анатомических особенностей пациента и геометрией дефекта. Предлагаемый скаффолд отвечает требованиям, предъявляемым к остеопластическим материалам, а именно:
- биосовместимость;
- остеокондукция;
- остеоиндукция;
- пористость;
- прочность.
Материалы и вещества, входящие в состав скаффолда, не являются токсичными, канцерогенными, иммуногенными и разрешены к применению в медицине.
Применение скаффолда для замещения костных дефектов в клинической практике позволит повысить эффективность лечения за счет восстановления дефектного сегмента и отсутствия необходимости проведения повторных, ревизионных, а также хирургических вмешательств по удалению скаффолда.
Таким образом, применение предлагаемого технического решения обеспечивает получение скаффолда для замещения костных дефектов, структура которого сходна со структурой трабекулярной кости человека, на основе пироуплотненного высокопористого открытоячеистого углеродного материала с остеокондутивным и остеоиндуктивным покрытием из кальций фосфата, в частности гидроксиапатита. Скаффолд обладает высокой пористостью, биосовместимостью, достаточной прочностью, а также не является токсичным, что позволяет увеличить эффективность лечения данным видом остеопластического материала.
1. Скаффолд для замещения костных дефектов, выполненный из биосовместимого композиционного полимерного материала, покрытого слоем гидроксиапатита, отличающийся тем, что материал содержит углеродный матрикс высокопористого открытоячеистого углеродного материала, насыщенного пироуглеродом, с пористостью не менее 90% с биоактивным остеокондуктивным покрытием на основе кальций фосфатов толщиной не более 1 мкм.
2. Скаффолд для замещения костных дефектов по п. 1, отличающийся тем, что матрикс имеет прочность на сжатие не менее 4 МПа.
