УГЛЕРОДНЫЙ ИМПЛАНТАТ ДЛЯ КОМПЕНСАЦИИ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
CARBON IMPLANT FOR BONE DEFECT COMPENSATION AND MANUFACTURING METHOD

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, травматологии 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 и межпозвонковых дисков с помощью имплантатов. В качестве имплантатов используют костные фрагменты пациента или искусственные материалы, обладающие биосовместимостью и достаточным уровнем прочности.
Известен имплантат, описанный в патенте РФ №2204361 [приор. 04.07.2000, Кл. A61F 2/44]. Имплантат выполнен из углерод-углеродного композиционного материала, содержащего углеродную матрицу и армирующий каркас из углеродных волокон. Имплантат может иметь различную форму, например, цилиндра, призмы или диска. Известные имплантаты обладают достаточным уровнем прочности, хорошей биосовместимостью, после операционного применения хорошо фиксируются в кости. Свойства материала близки к свойствам кости. Имплантаты ориентированы по медицинским показаниям к замещению крупных костных дефектов при воспалительных (косный туберкулез, остеомиелит), дегенеративно-дистрофических заболеваниях кости и травмах, прежде всего конечностей и позвоночника.
Известный материал содержит в своей структуре армирующую основу из углеродных волокон и матрицу. Армирующая основа в известном решении выполнена в виде каркаса, содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован стержнями. Стержни каждого слоя каркаса ориентированы относительно стержней последующего и предыдущего слоев под углом 60°. Стержни сформованы из углеродных волокон. Матрица материала выполнена из пироуглерода. Материал имеет пористость не менее 5%.
Способ изготовления материала состоит в формировании армирующей основы и последующего осаждения пироуглеродной матрицы. Армирующая основа формируется из углеродных волокон в виде каркаса, собранного из стержней, сформованных из углеродных волокон. В известном решении каркас сначала собирают послойно, ориентируя стержни параллельно друг другу в каждом слое и под углом 60° по отношению к стержням предыдущего и последующего слоев. После сборки необходимого количества слоев в образовавшиеся вертикальные каналы устанавливают вертикальные стержни. Пироуглеродную матрицу осаждают обработкой газообразными углеводородами при температуре, превышающей температуру их термического разложения.
Недостатком известного материала и имплантатов, изготовленных из него, является его низкая рентгеноконтрастность: материал очень плохо виден на стандартно применяемой в медицине рентгеновской аппаратуре. Из-за этого возникают сложности контроля правильности установки имплантата в ходе операции и наблюдений за пациентом в послеоперационный период.
Задачей изобретения является создание биосовместимого углеродного имплантата для замещения костных дефектов, обладающего повышенной рентгеноконтрастностью в сравнении с известным материалом.
3
3
Технический результат достигается тем, что углеродный имплантат для компенсации костных дефектов выполнен из пористого композиционного материала, содержащего углеродную матрицу, армирующий каркас из углеродных волокон и открытые поры, объем которых не менее 5% от объема материала, а поры композиционного материала частично или полностью заполнены раствором органического йодсодержащего вещества, не вызывающим токсического действия на организм человека в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы человека, при этом содержание вещества составляет не менее 3 мг в 1 см композиционного материала. Йодсодержащие органические вещества, не вызывающие токсическое действие на организм человека в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы тела, как показывает опыт, не вызывают общетоксическое отравление организма пациента при их введении в порах имплантата, а их применение в количестве менее 3 мг в 1 см композиционного материала не обеспечивает рентгеновскую контрастность, необходимую для наблюдения с использованием медицинского рентгеновского оборудования. Объем открытых пор композиционного материала менее 5% об. не позволяет ввести в имплантат требуемое количество раствора йодсодержащего вещества и не достигается требуемая рентгеновская контрастность.
Предпочтительно, чтобы поры композиционного материала были заполнены раствором вещества из группы: йогексол, йобитридол, йодиксанол, йопромид, йоксагловая кислота, амидотризоевая кислота и ее натриевая соль, мелгулин йокситаламата, натрий йокситаламат, йоксагловая кислота.
Предпочтительно, чтобы растворителем раствора вещества, заполняющего поры, являлась вода. Вода является наиболее доступным и безопасным растворителем.
Предпочтительно, чтобы концентрация раствора вещества, заполняющего поры, составляла 5-60% масс. Получение растворов с большей концентрацией затруднено из-за ограниченной растворимости йодсодержащих веществ, а применение растворов меньших концентраций снижает рентгеновский контраст материала.
Способ изготовления углеродного имплантата включает получение композиционного материала сборкой армирующего каркаса из углеродных волокон и обработкой каркаса в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температуре, превышающей температуру разложения углеводорода с образованием углерода, и последующее изготовление заготовки имплантата требуемой формы механической обработкой композиционного материала, и последующую выдержку заготовки имплантата требуемой формы в растворе органического йодсодержащего вещества, не вызывающего токсического действия на организм человека, в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы человека.
Предпочтительно, если раствор органического йодсодержащего вещества содержит вещества из группы: йогексол, йобитридол, йодиксанол, йопромид, йоксагловая кислота, амидотризоевая кислота и ее натриевая соль, мелгулин йокситаламата, натрий йокситаламат, йоксагловая кислота.
Предпочтительно, если растворителем раствора вещества, заполняющего поры, является вода. Вода является наиболее доступным и безопасным растворителем.
Предпочтительно, если концентрация раствора вещества, заполняющего поры, составляет 5-60% масс. Получение растворов с большей концентрацией затруднено из-за ограниченной растворимости йодсодержащих веществ, а применение растворов меньших концентраций снижает рентгеновский контраст материала.
Предпочтительно, если выдержку заготовки имплантата в растворе осуществляют в течение 5-60 минут. При меньших временах выдержки пропитка материала раствором йодсодержащего органического вещества происходит в малой степени. А увеличение времени выдержки более 60 минут усложняет применение способа.
Сущность изобретения, включающего два объекта - материал и способ, состоит в следующем.
3
Имплантат, предназначенный для компенсации костных дефектов, имеет форму, соответствующую медицинским показаниям для проводимой операции. Имплантат изготовлен из углеродного композиционного материала. Структура композиционного материала сформирована армирующим каркасом из углеродных волокон, ориентированных в разных направлениях, связанных между собой пироуглеродной матрицей. Материал имеет открытые поры, объем которых не менее 5% от объема материала. Материал обладает не только высокими механическими свойствами, являющимися следствием особенностей структуры армирования и свойств матрицы, но и биосовместимостью и хорошей обрабатываемостью, обеспечиваемой его составом (материал полностью состоит из углерода), что позволяет использовать материал для изготовления имплантатов костей. Поры материала имплантата частично или полностью заполнены раствором органического йодсодержащего вещества. Вещества этого класса применяют в медицинской практике для контрастирования различных органов и сосудов пациентов. Для заполнения пор используют йодорганические вещества, не вызывающие токсического действия на организм человека, в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы человека. Такие вещества, как показывает опыт, не вызывают общетоксическое отравление организма пациента при введении их в порах имплантата в количествах, допустимых по их токсикологическим характеристикам. Содержание йодсодержащего органического вещества в порах материала в предлагаемом техническом решении составляет не менее 3 мг в 1 см композиционного материала, что обеспечивает рентгеновскую контрастность, необходимую для наблюдения с использованием медицинского рентгеновского оборудования. Для заполнения пор предпочтительно использовать водные растворы вещества из группы: йогексол, йобитридол, йодиксанол, йопромид, йоксагловая кислота, амидотризоевая кислота и ее натриевая соль, мелгулин йокситаламата, натрий йокситаламат, йоксагловая кислота, т.к. эти вещества шире других используются в медицинской практике и обладают наименьшим токсическим действием. Предпочтительно, чтобы концентрация раствора вещества, заполняющего поры. составляла 5-60% масс. Получение растворов с большей концентрацией затруднено из-за ограниченной растворимости йодсодержащих веществ, а применение растворов меньших концентраций снижает рентгеновский контраст материала. Содержание в порах имплантата рентгеноконтрастрого вещества обеспечивает возможность контроля его расположения после проведения хирургической операции с помощью стандартного медицинского оборудования. После операции имплантат сохраняет контраст в течение нескольких дней, что достаточно для контроля операционного вмешательства. Потеря контраста имплантатом связана с медленной десорбцией йодсодержащих веществ из объема пор. В дальнейшем, как показали наблюдения за пациентами, происходит формирование костной ткани в порах имплантата и его рентгеновская контрастность повышается за счет этого процесса.
Способ изготовления углеродного имплантата включает получение композиционного материала сборкой армирующего каркаса из углеродных волокон и обработкой каркаса в среде газообразного углеводорода или смеси углеводородов при температуре, превышающей температуру разложения углеводорода с образованием углерода.
Для формирования армирующего каркаса материала, например, используют волокнистые армирующие элементы в виде стержней из углеродных волокон, ориентированных вдоль оси стержней, что обеспечивает наиболее полную реализацию модуля упругости углеродного волокна без травмирования его структуры. Для получения стержней, в частности, можно использовать технологию пултрузии. При использовании стержней, сформованных из углеродных волокон, из них собирают послойно каркас на оправке. На первом этапе сборки в отверстиях по периметру оправки устанавливают стержни вертикально, далее осуществляют сборку горизонтальных слоев, устанавливая стержни в слое параллельно друг другу и под углом 60° по отношению к стержням предыдущего и последующего слоев. После укладки горизонтальных слоев на нужную высоту в образовавшиеся сквозные вертикальные каналы устанавливают дополнительные стержни. Каркас снимают с оправки.
Каркас может быть изготовлен плетением углеродных волокон, выкладкой и последующей прошивкой углеродных тканей и другими методами.
3
Далее каркас из углеродных волокон помещают в реактор и в среде газообразного углеводорода (углеводородов) осуществляют формирование пироуглеродной матрицы. Низкомолекулярные углеводороды (метан, этан, пропан, ацетилен, бензол и др.) и их смеси, например природный газ, при повышенной температуре, обычно в интервале 550-1200°С, способны вступать в гетерогенную химическую реакцию разложения с образованием углерода и водорода. Протекание реакции разложения в порах углеволокнистого каркаса обеспечивает формирование пироуглеродной матрицы. Для процесса можно использовать реактор из нержавеющей стали. Нагревателями могут служить углеграфитовые блоки или пластины, а нагрев осуществляться пропусканием через них электрического тока. Реактор снабжен средствами подачи, регулирования и измерения расхода газа. Температурный режим, расход газа и время осуществления процесса выбирают так, чтобы полученный композиционный материал, предпочтительно, имел плотность 1,55-1,75 г/см, и при этом доля открытых пор составляла не менее 5% от объема материала.
Из полученного углеродного материала изготавливают заготовки имплантата требуемой формы механической обработкой.
Затем осуществляют выдержку заготовки имплантата требуемой формы в растворе органического йодсодержащего вещества, не вызывающего токсического действия на организм человека, в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы человека. Предпочтительно, если применяют водный раствор органического йодсодержащего вещества, который содержит вещества из группы: йогексол, йобитридол, йодиксанол, йопромид, йоксагловая кислота, амидотризоевая кислота и ее натриевая соль, мелгулин йокситаламата, натрий йокситаламат, йоксагловая кислота. Предпочтительно, если концентрация раствора вещества, заполняющего поры, составляет 5-60% масс. Получение растворов с большей концентрацией затруднено из-за ограниченной растворимости йодсодержащих веществ, а применение растворов меньших концентраций снижает рентгеновский контраст материала.
Выдержка заготовки имплантата в растворе может осуществляться погружением заготовки имплантата в раствор йодсодержащего органического вещества. В этом случае предпочтительно осуществлять выдержку в течение 5-60 минут. При меньших временах выдержки пропитка материала раствором йодсодержащего органического вещества происходит в малой степени. А увеличение времени выдержки более 60 минут усложняет применение способа.
Выдержка заготовки имплантата может осуществляться под вакуумом. В этом случае выдержку в растворе йодсодержащего органического вещества осуществляют в камере, в которой создают пониженное давление, например 200 мм рт.ст. Выдержка под вакуумом позволяет ускорить процесс заполнения пор заготовки раствором.
В результате реализации описанного способа получают имплантат, содержащий в своей структуре рентгеноконтрастные вещества, совместимые с организмом человека и обеспечивающие возможность наблюдения за правильностью установки имплантата при операции.
Изобретение может быть пояснено следующим примером.
Для изготовления композиционного материала используют стержни диаметром 1,2 мм, сформованные из углеродных волокон марки УКН-5000 с использованием поливинилового спирта (ПВС) как временного связующего. Стержни изготавливают технологией пултрузии, включающей пропитку углеродных волокон полимерным связующим - водным раствором ПВС для формирования жгута; протягивание жгута через фильеру для получения сечения стержня, равного 1,2 мм; термообработку при 140°С для отверждения связующего.
3
Изготовление композиционного материала начинают с формирования волокнистой армирующей основы, т.е. со сборки каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Для этого на графитовой оправке устанавливают вертикально по ее периметру в отверстия стержни, которые в дальнейшем будут служить направляющими при сборке каркаса. В горизонтальной плоскости на оправке, перпендикулярно направляющим стержням, укладывают стержни на расстоянии 1,2 мм друг от друга параллельно друг другу. Следующий (второй) слой, также из стержней первого типа, формируют на первом, укладывая стержни на таком же расстоянии друг от друга, параллельно друг другу, под углом 60° к стержням первого слоя. Следующий (третий) слой формируют на втором, укладывая стержни на таком же расстоянии друг от друга, параллельно друг другу, под углом 60° к стержням второго слоя в направлении, не совпадающем с направлением первого слоя. Четвертый слой собирают так же, как первый, пятый слой, как второй, и т.д. Необходимую высоту материала получают укладывая нужное количество слоев. В образовавшиеся после сборки слоев вертикальные каналы каркаса устанавливают вертикальные стержни. Формирование пироуглеродной матрицы производят в реакторе в среде природного газа при 980°С. Обработку производят до увеличения массы каркаса в 3 раза. В результате получают композиционный материал со следующими свойствами: плотность - 1,65 г/см, открытая пористость - 10% об. Из материала механической обработкой вытачивают заготовку имплантата в виде цилиндра диаметром 20 мм и высотой 30 мм. Заготовку помещают в 20%-ный водный раствор йогексола - вещества, не вызывающего токсическое действие на организм в количестве 0,06 г на 1 килограмм массы человека, и выдерживают в нем 45 минут. Затем имплантат извлекают из раствора, удаляют с его поверхности избыток раствора. Имплантат содержит 20 мг йогексола и может быть использован для установки в оперируемый костный дефект. Сделанные рентгеноскопические снимки показывают рентгеноконтрастность полученного композиционного материала: на снимках отчетливо видны входящие в структуру поры, заполненные йогексолом.
Таким образом, применение предлагаемого изобретения обеспечивает получение биосовместимого имплантата для замещения костных дефектов, структура которого сформирована биосовместимым углеродным композиционным материалом, и расположенного в его порах биосовместимого йодорганического вещества. Имплантат обладает повышенной рентгеноконтрастностью и удобен при проведении операций: за счет рентгеноконтрастности материала облегчается контроль за правильностью его установки в костном дефекте.