КОМПОЗИЦИОННЫЙ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫЙ ЦЕМЕНТ ДЛЯ КОСТНОЙ ПЛАСТИКИ
COMPOSITE CALCIUM PHOSPHATE CEMENT FOR BONE GRAFTING

Изобретение относится к области медицины и касается биоматериалов для заполнения дефектов костной ткани. К таким материалам, в частности, относятся синтетические кальцийфосфатные цементы, которые делятся на две группы: апатитные - на основе гидроксиапатита (ГА) и брушитные - на основе дикальций-фосфата дигидрата (ДКФД). Основной недостаток материалов на основе ГА - низкая резорбируемость в физиологической среде, поэтому в медицинской практике применяются композиции на основе ГА и β-трикальцийфосфата (β-ТКФ), растворимость которого на порядок выше, чем растворимость ГА. Цементы брушитного типа состоят из кристаллов ДКФД, резорбируемость которых превышает резорбируемость β-ТКФ.
10
4
6
2
Введение в кальцийфосфатные цементы допирующих неорганических соединений, которые обладают способностью влиять на развитие костной массы, привлекательно для лечения болезней, связанных с повреждением костей [Yang L., Perez-Amodio S., Barrere-de-Groot F.Y., Everts V., van Blitterswijk C.A., Habibovic P. The effects of inorganic additives to calcium phosphate on in vitro behavior of osteoblasts and osteoclasts. // Biomaterials. 2010. V. 31. №11. P. 2976-2989]. В последнее время большое внимание уделяется влиянию стронциевого замещения на свойства биологических материалов на основе ГА [Hanifi A., Fathi М.Н., Mir Mohammad Sadeghi H. Effect of strontium ions substitution on gene delivery related properties of calcium phosphate nanoparticles. // J. Mater. Sci Mater Med. 2010. V. 21. P. 2601-2609]. Установлено, что импланты с покрытиями на основе гидроксиапатита, содержащие 10% Sr(PO)(OH), показывают улучшенную остеоинтеграцию по сравнению с ГА без стронция [Matsunaga K., Murata Н. Strontium Substitution in bioactive calcium phosphates: A first-principles study. // J Phys. Chem. B. 2009. V. 113. №11. P. 3584-3589]. Установлено, что ионы, высвобождающиеся из стронцийзамещенных биостекол, улучшают метаболическую активность остеобластов [Gentleman Е., Fredholm Y.C., Jell G., Lotfibakhshaiesh N., O′Donnel M.D., et al. The effects of strontium-substituted bioactive glasses on osteoblasts and osteoclasts in vitro. // Biomaterials. 2010. V. 31. №14. P. 3949-3956. Li Y., Li Q., Zhu S., Luo E., Li J. The effect of strontium-substituted hydroxyapatite coating on implant fixation in ovariectomized rats. // Biomaterials. 2010. V. 31. №34. P. 9006-9014].
Известны композиционные материалы, в которых в качестве основного компонента используется β-трикальцийфосфат (ТКФ). Например, композиционный материал для замещения костной ткани, содержащий фосфаты кальция - гидроксиапатит в виде гранул, порошкообразные бета-трикальцийфосфаты, а также коллаген и хондроитинсульфат, взятые в массовом соотношении 12-20:6-12:30-40:34-38 [пат. РФ №2122437, опубл. 27.11.1998 г.].
К недостаткам этого материала следует отнести низкие механические свойства изделий из него, так что в процессе хранения, транспортировки и подготовки к применению гранулы цемента легко растрескиваются и рассыпаются.
Известны материалы для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов на основе реакционно-твердеющей смеси порошков, содержащей гидроксиапатит, кальцийфосфаты и затворяющую жидкость - раствор фосфата магния и фосфата калия в фосфорной кислоте при определенном количественном содержании их в затворяющей жидкости, при этом количество затворяющей жидкости к количеству реакционно-твердеющей смеси составляет (г): 0,25-0,65 [пат. РФ №2292865, опубл. 10.02.2007 г.; №2292867, опубл. 10.02.2007 г.].
Недостатком таких материалов является сложность соблюдения при затворении соотношения «порошок-жидкость», нарушение которого является причиной получения конечного продукта, отличающегося по своему составу и физико-механическим свойствам от требуемых. Этого недостатка лишены способы, в которых затворяющая жидкость не содержит фосфатов и, следовательно, при изменении указанного соотношения не изменяется стехиометрия реагирующих исходных веществ и не меняется состав получаемого цемента.
Известен цемент для замещения костной ткани, содержащий трикальцийфосфат, тетракальцийфосфат, гель гидроксиапатита, бикарбонат натрия и фтористый натрий; компоненты берут в определенном количественном соотношении. Этот цемент получают путем перемешивания в шаровой мельнице в течение 24 часов в инертной атмосфере следующих твердых предварительно высушенных компонентов: трикальцийфосфат, тетракальцийфосфат, бикарбонат натрия и фтористого натрия, затем порошок цемента для стерилизации помещают в полиэтиленовый пакет, запаивают и подвергают γ-облучению дозой 20000 Гр. Рабочую пасту из подготовленной порошковой смеси формируют непосредственно перед применением, для чего к полученному порошку добавляют 6-10%-ный гель гидроксиапатита, перемешивают в течение 3 мин и немедленно после перемешивания помещают в дефект костной ткани. Время отверждения составляет 15 мин [пат. РФ №2236215, опубл. 20.09.2004 г.].
Недостатком этого цемента, а также подобных ему цементов [пат. РФ №2236216, опубл. 20.09.2004 г., пат. РФ №2236217, опубл. 20.09.2004 г.], отличающихся друг от друга составом порошковой смеси, является сложность и длительность подготовки порошковой смеси, а также необходимость применения инертной атмосферы.
Известен материал «VitalOs Cement» фирмы PD (Швейцария), полученный путем дозированной подачи и смешения двух паст на водной основе, что обеспечивает образование брушитного цемента по уравнению реакции:
Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>+CaH<sub>4</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>H<sub>2</sub>O+7H<sub>2</sub>O=4CaHPO<sub>4</sub>·2H<sub>2</sub>O
(1)
В состав материала входит трикальцийфосфат 36%, монокальцийфосфат 23%, сульфат кальция 11,5%, особо чистая вода 27%, минеральный наполнитель до 100%. Получаемый брушитный цемент стимулирует костное новообразование в течение нескольких месяцев (http://www.vitalos.com/PAGES/why%20vitalos.php. инструкция к PD «VitalOs Cement»).
Недостатком данного материала является то, что, во-первых, одна из паст при хранении склонна к седиментации, во-вторых, материал имеет низкое значение pH, стабилизация которого происходит в течение суток. Низкое значение pH неблагоприятно воздействует на окружающие ткани - в зависимости от собственной буферной емкости кость, столь длительное время находящаяся в контакте с цементом, в определенной степени закисляется, что может вызвать некоторые побочные биологические реакции.
Известен цемент брушитного типа для замещения костных дефектов, полученный путем дозированного в равных объемных соотношениях смешения двух паст на водной основе. В состав первой пасты в качестве минерального наполнителя входит наноразмерный гидроксиапатит с размером кристаллов 30-40×100-200 нм в виде 10-20%-ной водной суспензии; в состав второй пасты входит сульфат одновалентного металла, а именно сульфат натрия или смесь сульфата натрия и сульфата калия при соотношении 20:1. Состав первой пасты, масс.%: β-трикальцийфосфат - 50-70, наноразмерный гидроксиапатит с размером кристаллов 30-40×100-200 нм - 2-10, дистиллированная вода - до 100. Состав второй пасты, масс.%: монокальцийфосфат моногидрат - 47-65, сульфат одновалентного металла - 5-22, дистиллированная вода - 30-48. Состав паст обеспечивает их седиментационную устойчивость, что позволяет стерилизовать материал непосредственно в любом дозирующем устройстве и корректно дозировать пасты для получения цемента. Время полного твердения цемента составляет 4-5 минут, стабилизация pH происходит в течение 2 часов. Получаемый цемент брушитного типа обладает механической прочностью не менее 15-20 МПа [пат. РФ №2477120, опубл. 10.03.2013 г.].
К недостаткам известного брушитного цемента следует отнести необходимость предварительного получения наноразмерного гидроксиапатита с размером кристаллов 30-40×100-200 нм, длительное время стабилизации pH и монофазный состав цемента (брушита), что приводит к очень быстрой резорбции.
3
В качестве прототипа выбран композиционный кальцийфосфатный цемент для костной пластики на основе реакционно-твердеющей смеси ГА/ПВС - геля гидроксиапатита (ГА), порошка ГА и поливинилового спирта (ПВС) [Мусская О.Н., Кулак А.И., Крутько В.К. и др. Композиционные кальций-фосфатные цементы для костной пластики // Свиридовские чтения: Сб. ст. Вып. 8. Минск, 2012. - С. 101-109]. Описанный композиционный кальцийфосфатный цемент на основе ГА/ПВС получали смешиванием 5-17 масс.% геля ГА с порошком ГА/ПВС при массовом соотношении (ГА/ПВС)/вода 1:1,2. Порошок ГА/ПВС получали смешиванием порошка ГА, высушенного при 60°C, с размером частиц ≤63 мкм с раствором ПВС концентрацией 1, 3, 5 масс.% при массовом соотношении порошок ГА/раствор ПВС 3:20. Полученный осадок отделяли от жидкой фазы на фильтре Шотта, высушивали при 60°C, затем при 85°C в течение 1 ч с последующим прогреванием при температуре 110°, 130°, 150° либо 180°C в течение 1 ч. Полученный ксерогель ГА/ПВС растирали и просеивали до порошка с размером частиц ≤63 мкм. Пластичную массу на основе геля ГА и порошка фосфата кальция (ГА; ТКФ; ГА/ПВС) формовали в виде кубиков объемом 1 см либо наносили на титановые подложки в виде слоя толщиной 1-2 мм. Полное затвердевание кальцийфосфатных цементов происходило в течение суток.
Композиционный кальцийфосфатный цемент на основе 5-17 масс.% геля ГА и порошка ГА, предварительно обработанного 1-5 масс.% раствором ПВС, с последующим прогревом при 85-180°C схватывается в течение 1-30 мин и характеризуется пористостью 15-55%, статической прочностью до 8,7 МПа. Использование 5% раствора ПВС для обработки порошка ГА приводит к повышению его содержания в составе цемента, что способствует значительному увеличению статической прочности цемента до 8,7 МПа. Прогрев порошка ГА/ПВС в интервале 85-150°C также обеспечивает достаточно высокую статическую прочность цемента. Однако при температурах прогрева порошка ГА/ПВС, превышающих 150°C, наблюдается заметное увеличение оптической плотности образцов, свидетельствующее о деструкции полимера. Прогрев порошка ГА/ПВС при температурах выше 180°C приводит к получению цемента с невысокой статической прочностью - 0,2 МПа. Показано, что максимальной статической прочностью (8,2-8,7 МПа) обладают композиционные кальцийфосфатные цементы на основе 13-17 масс.% ГА в геле.
К недостаткам прототипа относятся низкая прочность цемента, необходимость прогрева порошка ГА/ПВС, сложность и многостадийность приготовления цемента, низкая скорость резорбции ГА в организме.
Задачей изобретения является получение двухфазных композиционных кальцийфосфатных цементов для замещения дефектов костной ткани с улучшенной остеоинтеграцией, повышенной прочностью материала, а также упрощение процесса за счет сокращения числа стадий и, соответственно, сокращения времени.
Поставленная задача решается за счет того, что разработанный новый композиционный кальцийфосфатный цемент для костной пластики на основе реакционно-твердеющей смеси, содержащей фосфаты кальция и водорастворимый органический полимер, в качестве фосфатов кальция реакционно-твердеющая смесь содержит трикальцийфосфат (ТКФ) и монокальцийфосфат моногидрат (МКФМ), в качестве водорастворимого органического полимера - полиэтиленгликоль (ПЭГ), и дополнительно реакционно-твердеющая смесь содержит 30%-ную коллоидную суспензию диоксида кремния в воде при следующем соотношении компонентов, масс.%: ТКФ 21,35-36,66; МКФМ 13,71-19,86; 30%-ная коллоидная суспензия диоксида кремния в воде 39,13-54,0; ПЭГ 1,0-10,0.
Для улучшения остеоинтеграции кальцийфосфатного цемента реакционно-твердеющая смесь дополнительно содержит фосфаты стронция - тристронций-фосфат (ТСФ) или моностронцийфосфат моногидрат (МСФМ) в количестве 1-10 масс.% сверх 100%.
Процесс осуществляют следующим образом.
В 30%-ную коллоидную суспензию диоксида кремния в воде предварительно вводят водорастворимый полимер полиэтиленгликоль (ПЭГ-35) (1500) для свободного прохождения цементной пасты через иглу для инъекций и для пролонгирования сроков схватывания цемента, после чего к этой смеси добавляют трикальцийфосфат (ТКФ) и монокальцийфосфат моногидрат (МКФМ) в требуемом соотношении и в результате получают цементную пасту.
2
2
В качестве 30%-ной коллоидной суспензии диоксида кремния в воде используется препарат LUDOX(R) АМ-30 colloidal silica, 30 wt.% suspension in HO; SiO FW 60.08 (производитель SIGMA-ALDRICH). 30%-ная коллоидная суспензия диоксида кремния в воде играет роль затворяющей жидкости, она не содержит фосфатов и, следовательно, как было отмечено выше, при изменении указанного соотношения не изменяется стехиометрия реагирующих исходных веществ и не меняется состав получаемого цемента.
Время схватывания цемента регулируется количеством ПЭГ и процентным соотношением компонентов смеси и колеблется от 5 до 20 мин.
В качестве ПЭГ используют полиэтиленгликоль ПЭГ-35 (1500) (ТУ 2483-008-71150986-06 с изм. 1, 2; производитель «НеваРеактив», Сестрорецкая ул., д. 8, Санкт-Петербург, 197183).
Для ускорения протекания остеоинтеграции кости в состав цемента дополнительно вводят тристронцийфосфат (ТСФ) или моностронцийфосфат моногидрат (МСФМ). Опытным путем установлено время полного затвердевания цемента, которое составляет 3-4 часа, прочность 6-16 МПа. Учитывая, что прочность на сжатие трабекулярной костной ткани находится в пределах 2-12 МПа, прочности исследуемых образцов будет достаточно для применения их в качестве материалов, заполняющих костные дефекты [Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. //Успехи химии. 2010. Т. 79. №1. С. 15-31].
Образцы кальцийфосфатных цементов получали механическим смешиванием компонентов, взятых в заданных соотношениях, до однородного состояния.
Состав образцов контролировали методом рентгенофазового анализа с использованием программы поиска EVA с банком порошковых данных PDF-2. Фазовый состав цемента по данным рентгенофазового анализа - брушит, ГА и изоморфно стронцийзамещенный ГА. Прочность образцов на сжатие исследовали на 5-тонной разрывной машине ИР-5057-50. Усредненный элементный состав поверхностного слоя покрытий (анализ слоя -2-5 мкм) получали на электронном рентгеноспектральном микроанализаторе JXA-8100 Electron Probe Microanalyzer (Япония) с энергодисперсионной приставкой INCA (Англия) при ускоряющем напряжении.
Технический результат предлагаемого изобретения в сравнении с прототипом заключается в достижении возможности получения более прочного двухфазного цемента и упрощении процесса. За счет двухфазного состава цемента, при котором одна из фаз - (ГА) резобирует медленно, а вторая фаза - (брушит) быстро, достигается пролонгированное предоставление организму «строительного» материала; наличие в составе цемента фосфатов стронция ускоряет процесс остеоинтеграции, а введение ПЭГ делает цементную пасту более пластичной, что позволяет регулировать время схватывания и использовать ее для инъекций через шприц.
Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами (состав смеси в % приведен в таблице).
Пример 1. Порошки, содержащие 0,465 г ТКФ и 0,25 г МКФМ, смешивают и к полученной смеси добавляют 0,67 г 30%-ной коллоидной суспензии диоксида кремния в воде, в которой предварительно растворяют 0,074 г ПЭГ (4-я строка в табл.). Полученную смесь тщательно перемешивают и получают цементную пасту, которая через 15 мин схватывается в цементный камень.
Пример 2. Порошки, содержащие 0,465 г ТКФ, 0,25 г МКФМ, 0,072 г ТСФ смешивают и к полученной смеси добавляют 0,67 г 30%-ной коллоидной суспензии диоксида кремния в воде, в которой предварительно растворяют 0,074 г ПЭГ (7-я строка в табл.). Полученную смесь тщательно перемешивают и получают цементную пасту, которая через 10 мин схватывается в цементный камень.
Пример 3. Порошки, содержащие 0,465 г ТКФ, 0,25 г МКФМ, 0,036 г МСФМ, смешивают и к полученной смеси добавляют 0,67 г 30%-ной коллоидной суспензии диоксида кремния в воде, в которой предварительно растворяют 0,074 г ПЭГ (9-я строка в табл.). Полученную смесь тщательно перемешивают и получают цементную пасту, которая через 14 мин схватывается в цементный камень.
Остальные примеры и их результаты также приведены в таблице.
При содержании раствора 30%-ной коллоидной суспензии диоксида кремния в воде выше 54% (54% - 2-я строка и 54,88% - 3-я строка в табл.) время схватывания увеличивается с 17 до 180 мин. В отсутствие ПЭГ цементная паста расслаивается и схватывается очень быстро (2 мин, 6-я строка в табл.). Увеличение содержания ПЭГ с 1% (17-я строка в табл.) до 10% (16-я строка в табл.) ведет к увеличению времени схватывания с 5 до 20 мин. Оптимальное время схватывания, равное 5 мин, достигается при содержании ПЭГ, равном 1-2,35% (17-я и 15 строки в табл.). Увеличение содержания ПЭГ выше 10% приводит к снижению прочности цемента. Как видно из таблицы, при содержании ПЭГ 10,2% прочность на сжатие снижается до 6,2 МПа (5-я строка). Введение в состав цемента фосфатов стронция (ТСФ или МСФМ) в количестве 1-10% (ТСФ - 12, 8, 14, 7 и 10 строки в табл.; МСФМ - 13, 9 и 11 строки в табл.) незначительно сказывается на прочности (13-16 МПа для ТСФ и МСФМ) и времени схватывания (от 8 до 14 мин для ТСФ и МСФМ).
Экспериментально на лабораторных животных установлено, что увеличение содержания фосфатов стронция в цементе более 10% нецелесообразно, так как приводит к чрезмерно быстрому образованию остеонов и их ранней минерализации.