КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ (ВАРИАНТЫ)
CALCIUM-PHOSPHATE CEMENT FOR BONE TISSUE REGENERATION (VERSIONS)

Изобретение относится к области медицины, а именно к материалам для восстановления поврежденных костных тканей, в том числе для возмещения дефектов плоских и трубчатых костей сложной конфигурации или в виде замкнутых или имеющих выход полостей относительно малого диаметра (свищ, канал корня зуба и т.п.).
Кальций-фосфатные цементы (КФЦ) - продукт пастообразной консистенции (пластичная масса, цементное тесто), образующийся в результате смешивания порошков фосфатов кальция с водой или затворяющейся жидкостью (раствор затворения), который с течением времени застывает, превращаясь в камневидный материал (цементный камень).
КФЦ обладают рядом преимуществ перед такими остеопластическими материалами, как керамика, гранулы, губки, пластины:
- текучесть и пластичность цементного теста способствует его введению в костные дефекты с помощью малоинвазивной хирургической техники, менее агрессивной, чем традиционные оперативные методы;
- КФЦ твердеют при комнатной температуре, что позволяет вводить в используемую для его приготовления смесь (смесь цементного порошка и раствора затворения) различные лекарственные вещества (антибиотики, противовоспалительные средства и др.).
КФЦ делятся на две группы:
- апатитовые, которые получают, смешивая цементный порошок с затворяющей жидкостью; в результате реакции получается гидроксиапатит (ГА);
- брушитовые - на основе дикальцийфосфата дигидрата (ДКФД, минерал брушит).
Апатитовые цементы превосходят брушитовые по прочности, однако брушитовые обладают более высокой кинетикой резорбции, кроме того, по сравнению с апатитовыми цементами они более жидкие, то есть пригодные для инжектирования.
Известен (RU, 2485978 С1, МПК A61L 24/00, A61L 24/02, опубл. 27/06/2012) пористый кальций-фосфатный цемент для восстановления костных тканей, образующийся в результате смешивания порошка, содержащего, в том числе β-трикальцийфосфат (67-75%), монокальцийфосфат моногидрата (20-22%), и затворяющей жидкости. Соотношение затворяющая жидкость: цементный порошок при этом составляет 0,75.
К недостаткам известного КФЦ относятся:
- предположительно низкие (pH 3-5) значения pH цементного теста на начальных этапах его твердения (данный показатель необходим, чтобы знать, возможно ли вводить в костный дефект твердеющее цементное тесто или уже сформировавшийся цементный камень), так как в качестве раствора затворения используется 7-9%-ный водный раствор лимонной кислоты;
- малые размеры пор (5-8 мкм), что недостаточно для интеграции костной ткани в цементный камень.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является, принятый за прототип, известный (RU, 2477120 С2, МПК A61K 6/00, A61L 24/02, A61L 27/12, опубл. 10.10.2012) стоматологический цемент брушитового типа для замещения костных дефектов, полученный в результате смешения двух паст на водной основе, в состав которых входят, в том числе:
- β-трикальцийфосфат (β-ТКФ);
- монокальцийфосфат моногидрата (МКФМ),
- соль сульфата (сульфат одновалентного металла: сульфат натрия или смесь сульфата натрия и сульфата калия при соотношении 20:1) в качестве замедлителя схватывания.
Недостатком данного материала являются сокращенные (1 мин) сроки схватывания (рабочее время, в течение которого цементное тесто теряет свою подвижность и в течение которого с твердеющей массой можно работать и придавать ей форму), которые недостаточны для формования цементного теста. Кроме того, при таких коротких сроках схватывания в результате реакции гидратации (экзотермическое взаимодействие компонентов цементной смеси и воды) может происходить разогрев цементного теста, что делает невозможным введение некоторых лекарственных веществ.
Задачей настоящего изобретения является оптимизация состава КФЦ.
Технический результат, получаемый при осуществлении настоящего изобретения, заключается в увеличении сроков схватывания цементного теста, размера пор цементного камня и значений рН цементного теста на начальных этапах его твердения до нейтральных (кислые значения рН могут привести к воспалительным реакциям в организме).
Указанный технический результат по первому варианту заявленного изобретения достигается за счет того, что КФЦ для регенерации костной ткани представляет собой пасту на водной основе, полученную в результате смешения цементного порошка, содержащего β-трикальцийфосфат (β-ТКФ) и МКФМ, с затворяющей жидкостью, содержащей водный раствор сульфата магния и фосфата натрия, композицию неколлагеновых белков костной ткани и G1-гликопротеин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
цементный порошок:
β-ТКФ
74-80
МКФМ
20-26
раствор затворения:
сульфат магния
1-1,25
фосфат натрия
2-2,5
композиция неколлагеновых белков
костной ткани
0,05-0,1
G1-гликопротеин
0,01-0,1
вода дистиллированная
остальное,
при этом отношение раствора затворения к цементному порошку составляет 0,8.
Указанный технический результат для второго варианта изобретения достигается за счет того, что КФЦ для регенерации костной ткани представляет собой пасту на водной основе, полученную в результате смешения цементного порошка, содержащего β - ТКФ, МКФМ и полугидрат сульфата кальция, с затворяющей жидкостью, содержащей водный раствор фосфата натрия, композицию неколлагеновых белков костной ткани и G1-гликопротеин, при следующем соотношении компонентов (мас.%):
Цементный порошок:
β - ТКФ
50-65
МКФМ
20-26
полугидрат сульфата кальция
15-24
Раствор затворения:
фосфат натрия
1,25-2,5
композиция неколлагеновых белков костной
ткани
0,05-0,1
G1-гликопротеин
0,01-0,1
вода дистиллированная
остальное
при этом отношение раствора затворения к цементному порошку составляет 0,6.
Входящая в состав раствора затворения по любому из заявленных вариантов изобретения композиция неколлагеновых белков помимо своей основной функции (стимуляция остеогенеза) выполняет здесь роль порообразователя (соединения белковой природы имеют способность к воздухововлечению). Как показали результаты СЭМ (сканирующая электронная микроскопия) (см. фиг. 1 и 2), цементный камень, образованный из КФЦ, содержащего композицию неколлагеновых белков, имеют более рыхлую структуру и поры большего размера (20-30 мкм), чем цементный камень (поры 10 мкм), образованный из КФЦ без указанной композиции.
Входящий в состав раствора затворения по любому из заявленных вариантов изобретения G1-гликопротеин, представляющий собой Супрамолекулярный комплекс из коллагена, Ca-связывающего белка сиалопротеида и фосфолипидов, является компонентом, инициирующим остеогенез. Известно (К.С. Десятниченко, В.К. Леонтьев «Супрамолекулярный комплекс внеклеточного матрикса костной ткани, инициирующий биологическую минерализацию», Вестник Российской Академии Медицинских Наук, №8, 2009), что G1-гликопротеин сдвигает в щелочную сторону pH ткани, предшествующей костной до значений, при которых нерастворимы все ортофосфаты Ca, что инициирует минерализацию косного зачатка.
Сульфат магния и фосфат натрия используются в качестве замедлителей схватывания - замедляется процесс кристаллизации (экзотермической реакции между β - трикальциевым фосфатом и МКФМ) цементного порошка. Выбранное соотношение сульфата магния к фосфату натрия в растворе затворения по первому варианту изобретения позволяет добиться увеличения сроков схватывания цементного теста до 15-20 мин и, соответственно, его пластичности, необходимой для его продавливания через шприц. Соотношение компонентов в растворе затворения по второму варианту изобретения позволяет добиться сроков схватывания цементного теста до 5-10 минут и пластичности, необходимой для его продавливания через шприц. Благодаря столь длительному схватыванию и твердению не происходит разогрев цементного теста, что не препятствует введению в него различных лекарственных веществ (например: антибиотики, антибактериальные вещества для подавления воспалительных процессов в организме, кортикостероиды - способствуют дифференцировке костных клеток, антиоксиданты - подавляют оксидативный стресс), а также соединений белковой природы (композиция неколлагеновых белков костной ткани). К тому же, на увеличение пластичности влияет наличие в растворе затворения композиции неколлагеновых белков (свойство всех соединений белковой природы).
Благодаря выбранному соотношению (β - ТКФ) к МКФМ в цементном порошке, а также значению pH>7 раствора затворения за счет гидролиза фосфата натрия, pH водной вытяжки цементного камня твердевшему в воде в течение 1 ч составляет 5,9-6,1, т.е. имеет значения, близкие к нейтральному (подтверждается увеличение значений рН цементного теста на начальных этапах его твердения).
Дополнительно введенный в состав цементного порошка полугидрат сульфата кальция (второй вариант изобретения) является не только замедлителем схватывания (как сульфат магния и фосфат натрия в первом варианте), но и вяжущим (при взаимодействии с водой схватывается и твердеет с образованием дигидрата сульфата кальция), что положительно влияет на прочностные свойства материала. К тому же, дигидрат сульфата кальция быстрее резорбируется тканевыми жидкостями, чем фосфаты кальция, что может повлиять на формирование поздней пористости цементного камня. Дигидрат сульфата кальция более растворим (растворимость ~2 г/л), чем фосфаты кальция (брушит ~0,09 г/л, β - ТКФ ~0,0005 г/л).
Именно при указанных соотношениях раствора затворения к цементному порошку (0,8 (первый вариант) и 0,6 (второй вариант)) образуется пластичное тесто.
Исследование на цитотоксичность водной вытяжки из цементного камня, изготовленного из данного КФЦ, проводили с применением МТТ - теста. В эксперименте использовали фибробласты линии NCTCL929. Для изучения адгезивных характеристик материала и определения их цитотоксичности для клеток использовали метод прямого контакта. Исследование метаболической активности клеток NCTCL929 с использованием МТТ-теста для вытяжек из цементного камня показало некоторое повышение сигнала МТТ по сравнению с контролем при том, что доля жизнеспособных клеток, культивируемых на поверхности цементного камня, остается на одном уровне с контролем (не более 1-2%). В качестве контроля фона использовали культуральную среду, подвергшуюся воздействию условий и процедур исследования. Цементный камень из данного КФЦ поддерживает адгезию, распластывание и рост субстратзависимых клеток и по результатам in vitro тестирования может быть признан биосовместимым.
Для пояснения сущности заявленного изобретения представлены графические материалы, где на фиг. 1 изображена микроструктура цементного камня, содержащего композицию неколлагеновых белков, а на фиг. 2 - микроструктура цементного камня без композиции неколлагеновых белков.
Ниже представлены конкретные примеры, подтверждающие возможность осуществления изобретения с получением вышеуказанного технического результата.
Пример 1
7,4 г β - ТКФ смешивают с 2,6 г МКФМ. Полученная смесь (цементный порошок) расфасовывается по 1 г. Отдельно готовят раствор затворения: в 10 мл дистиллированной воды растворяют 0,125 г сульфата магния и 0,25 г фосфата натрия, добавляют композицию неколлагеновых белков в количестве 4,2 мг и G1-гликопротеин в количестве 5 мг. Раствор затворения может быть расфасован в шприцы по 0,8 мл. Цементный порошок и раствор затворения могут быть простерилизованы β-излучением. К порции цементного порошка (1 г) добавляют порцию раствора затворения (0,8 мл). Смешивание проводят на стекле шпателем в течение 1-1,5 мин. Образовавшееся при смешивании цементное тесто помещают в шприц и сразу используют.
Пример 2
5 г β - ТКФ смешивают с 2,6 г МКФМ и 2,4 г полугидрата сульфата кальция. Полученная смесь расфасовывается по 1 г. Отдельно готовят раствор затворения: в 10 мл дистиллированной воды растворяют 0,25 г фосфата натрия, добавляют композицию неколлагеновых белков в количестве 4,2 мг и G1-гликопротеин в количестве 5 мг. Раствор затворения может быть расфасован в шприцы по 0,6 мл. Цементный порошок и раствор затворения могут быть простерилизованы β-излучением. К порции цементного порошка (1 г) добавляют порцию раствора затворения (0,6 мл). Смешивание проводят на стекле шпателем в течение 1 мин. Образовавшееся при смешивании цементное тесто помещают в шприц и сразу используют.