КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
COMPOSITE MATERIAL FOR BONE DEFECTS AND METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления костных имплантатов в восстановительной хирургии.
В настоящее время для изготовления имплантатов используются материалы различных классов: металлы (титан), керамика (оксиды алюминия и циркония, ситаллы, гидроксиапатит) и некоторые синтетические полимеры (высокомолекулярный полиэтилен и его производные).
Металлические, полимерные и многие другие материалы, используемые в качестве имплантатов, обладают рядом недостатков. Многочисленными исследованиями показано, что применение металлических имплантатов - особенно при воспалительных заболеваниях кости - часто приводит к резорбции костной ткани, а ионы металлов, диффундируя в окружающие ткани, вызывают их поражение - металлоз. К недостаткам металлических имплантатов следует отнести усталость металлов и их подверженность коррозии.
Полимерные материалы не обладают достаточной биологической инертностью, часто вызывают резорбцию костной ткани и подвержены биологическому старению, в процессе которого эти материалы выделяют токсичные и канцерогенные продукты. Самое главное - их механические свойства не обеспечивают опорность оперированной области.
Керамические материалы, обладая многими достоинствами, являются слишком хрупкими и имеют высокий модуль упругости по сравнению с костной тканью, что не позволяет плавно передавать нагрузку с имплантата на кость и, в конечном счете, приводит к резорбции кости.
Известен углеродный композиционный пористый материал для замещения костных дефектов (патент РФ №2181600). Материал полностью состоит из углерода и представляет собой прочный, пористый композит, обладающий биосовместимостью. Свойства материала близки к свойствам кости. Имплантаты из такого материала 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 и матрицу. Армирующая основа 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 содержит поры размером 100-1000 мкм.
Способ изготовления материала состоит в формировании армирующей основы и последующего осаждения пироуглеродной матрицы. Армирующая основа формируется в виде каркаса, собранного из стержней, сформованных из углеродных волокон. 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 является его низкая рентгеноконтрастность: материал очень плохо виден на стандартно применяемой в медицине рентгеновской аппаратуре. Из-за этого возникают сложности контроля правильности его установки в ходе операции и наблюдений за пациентом в послеоперационный период.
Задачей изобретения является создание биосовместимого пористого композиционного материала для замещения костных дефектов, обладающего повышенной рентгеноконтрастностью в сравнении с известным материалом.
Технический результат достигается следующим образом. Композиционный материал для замещения костных дефектов состоит из армирующей основы и матрицы из пироуглерода. Армирующая основа выполнена в виде каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон, ориентированных вдоль оси стержней. Каркас содержит вертикально установленные стержни и горизонтальные слои из стержней. Каждый слой образован параллельно ориентированными стержнями. Стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°. Некоторые заранее выбранные стержни, стержни одного, нескольких или всех направлений армирования содержат в своем составе одно или несколько химических соединений алюминия, кремния, кальция, титана, циркония, ниобия, гафния, тантала или вольфрама в количестве 0,1-10% от массы стержня.
При содержании в стержнях армирующей основы химических соединений в количестве менее 0,1% масс. композиционный материал имеет низкую рентгеноконтрастность. Введение в стержни химических соединений в количестве более 10% масс. нецелесообразно, т.к. это усложняет технологию изготовления стержней и материала в целом.
Предпочтительно, чтобы химические соединения, введенные в стержни, были выбраны из группы: оксид алюминия, карбид кремния, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, карбид титана, оксид титана, оксид циркония, карбид циркония, оксид ниобия, карбид ниобия, оксид тантала, карбид тантала, оксид гафния, карбид гафния, карбид вольфрама. Выбор этих соединений предпочтителен из-за их высокой химической инертности, что важно для обеспечения биосовместимости материала.
3
3
Предпочтительно, чтобы композиционный материал имел плотность 1,30-1,75 г/см. Меньшая плотность материала обусловливается его повышенной пористостью и приводит к снижению прочности композиционного материала, что недопустимо при его применении для замещения костных дефектов. Пористость материалов с плотностью выше 1,75 г/см слишком низкая для обеспечения прорастания новообразованных костных блоков вглубь материала в послеоперационный период замещения костных дефектов.
Предпочтительно, чтобы доля открытых пор (т.е. пор, сообщающихся с внешней поверхностью материала) размером 100-1000 мкм составляла не менее 5% от объема материала. В порах этого размера активно идет формирование новообразованной кости у пациентов в послеоперационный период. Поэтому содержание таких пор менее 5% об. не предпочтительно.
Способ изготовления композиционного материала включает в себя формирование волокнистой армирующей основы в виде каркаса, построенного из стержней, и последующее осаждение пироуглеродной матрицы. Каркас собирают, располагая стержни в каждом слое параллельно друг другу. Каждый слой стержней располагают под углом 60° по отношению к стержням последующего и предыдущего слоев до достижения требуемого количества слоев. После этого в образовавшиеся вертикальные каналы устанавливают дополнительные стержни. Используемые при сборке каркаса стержни сформованы из углеродных волокон таким образом, чтобы волокна располагались вдоль оси стержня: такую формовку обеспечивает, например, метод пултрузии. Для обеспечения технического результата изобретения некоторые заранее выбранные стержни, стержни одного, нескольких или всех направлений армирования, используемые для формирования волокнистой армирующей основы, содержат в своем составе 0,1-12% масс. одного или нескольких химических веществ из группы: оксид алюминия, нитрат алюминия, карбид кремния, кремний, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, дигидрофосфат кальция, оксид титана, карбид титана, титан, гидрид титана, оксид циркония, карбид циркония, цирконий, гидрид циркония, оксинитрат циркония, оксихлорид циркония, оксид ниобия, карбид ниобия, оксид гафния, карбид гафния, карбид вольфрама. После сборки каркаса осуществляют осаждение пироуглеродной матрицы композиционного материала из газовой среды, содержащей по меньшей мере один углеводород, при температуре, превышающей температуру его разложения.
Предпочтительно вводить химические вещества в стержень на стадии его формования добавкой соответствующего химического вещества к формуемым углеродным волокнам.
Предпочтительно вводить химические вещества в стержень после стадии его формования пропиткой сформованного стержня раствором химического вещества.
Предпочтительно вводить химические вещества в стержень до стадии его формования обработкой углеродных волокон химическим веществом.
Предпочтительным является использование природного газа или смеси пропан-бутан для осаждения пироуглеродной матрицы. Природный газ и смесь пропан-бутан являются дешевыми и доступными продуктами, что упрощает технологическую реализацию способа.
Предпочтительно осаждение пироуглеродной матрицы осуществлять при градиенте температуры в каркасе, который составляет 10-100°C/мм.
Сущность изобретения, включающего два объекта - материал и способ, состоит в том, что сформированная армирующая структура из стержней, содержащих углеродные волокна, в виде каркаса связана пироуглеродной матрицей в единый композиционный материал и содержит множество регулярно расположенных пор. Материал обладает не только высокими механическими свойствами, являющимися следствием особенностей структуры армирования и свойств матрицы, но и биосовместимостью и хорошей обрабатываемостью, обеспечиваемой за счет углерода, что позволяет использовать материал для изготовления имплантатов костей. Применение стержней, содержащих предложенные химические вещества, позволяет сформировать в структуре материала, в заранее заданных местах, химические соединения, обеспечивающие рентгеноконтрастность композиционного материала. За счет этого обеспечивается удобство контроля за установкой имплантата при операции и в ходе послеоперационного наблюдения.
Для формирования армирующего каркаса материала используют волокнистые армирующие элементы 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, включающую:
- пропитку углеродных волокон полимерным связующим для формирования жгута,
- протягивание жгута через фильеру для получения требуемого сечения стержня,
- отверждение связующего.
Оптимальные условия получения углеволокнистых армирующих элементов определяют, варьируя концентрацию раствора полимерного связующего, температуру печей отверждения, скорость прохождения жгутов через фильерный блок.
Ту же самую технология используют и при получении углеволокнистых стержней, содержащих химические вещества. Химические вещества вводят в состав стержня до, и/или во время, и/или после осуществления вышеописанных стадий изготовления углеволокнистого стержня. Примерами могут быть:
- предварительная обработка углеродных волокон растворами, расплавами или суспензиями, содержащими выбранные химические вещества,
- осуществление стадии пропитки углеродных волокон полимерным связующим с использованием добавок химических веществ в пропитывающую жидкость,
- дополнительная обработка отвержденного углеволокнистого стержня растворами, расплавами или суспензиями химических веществ с последующей сушкой.
Возможна комбинация указанных методов.
Из стержней, сформованных из углеродных волокон и содержащих химические вещества, 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.
Для получения в композиционном материале рентгеновского контраста от определенных заранее зон и направлений в сочетании с отсутствием контраста в других зонах и по другим направлениям, в ходе сборки каркаса наряду со стержнями, содержащими химические вещества, используют углеволокнистые стержни, не содержащие химических веществ. Стержни, не содержащие химические вещества, укладывают в каркас в тех направлениях и областях получаемого композиционного материала, где рентгеновский контраст нежелателен. В направлениях и областях, где такой контраст необходим, используют стержни, содержащие химические вещества.
3
Далее каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, помещают в реактор и в среде газообразного углеводорода (углеводородов) осуществляют формировании пироуглеродной матрицы. Низкомолекулярные углеводороды (метан, этан, пропан, ацетилен, бензол и др.) и их смеси, например природный газ, пропан-бутан, при повышенной температуре, обычно в интервале 550-1200°C, 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 1,30-1,75 г/см, при этом доля пор размером 100-1000 мкм составляла не менее 5% от объема материала.
Следует заметить, что на этапе нагрева углеволокнистого каркаса до температуры осаждения пироуглеродной матрицы, а также в ходе осаждения матрицы, содержащиеся в стержнях химические вещества, в зависимости от их состава, остаются неизменными по составу и структуре или преобразовываются в другие химические соединения. Например, дигидрофосфат кальция при нагревании преобразуется в пирофосфат кальция, нитрат алюминия - в оксид алюминия. Именно поэтому содержание химических веществ в стержне, используемом для сборки каркаса (в % масс.), может быть больше содержания химических соединений, входящих в состав стержня в структуре композиционного материала. Образовавшиеся новые, или неизменившиеся в ходе нагрева, химические соединения локализованы в стержнях армирующей основы материала и в дальнейшем, при формировании пироуглеродной матрицы, входят в структуру получаемого композиционного материала. В ходе процесса осаждения пироуглерода поверхность частиц химических соединений постепенно покрывается пироуглеродом, который, как матрица, связывает их со всей макроструктурой как стержня, в котором они присутствуют, так и композиционного материала в целом. Формирование пироуглеродной матрицы может быть осуществлено методом изотермического или термоградиентного синтеза.
3
При использовании термоградиентного метода синтеза процесс формирования матрицы реализуется в градиенте температуры предпочтительно 10-100°C/мм. Применение градиента температуры при синтезе пироуглерода внутри пористого каркаса позволяет реализовать синтез матрицы в ограниченном пространстве каркаса - только в том, где температура каркаса превышает температуру разложения используемого углеводорода. Для этого, например, по оси собранного каркаса устанавливают нагреватель, например в виде трубки из углеграфитового материала, через который пропускают электрический ток. За счет разогрева нагревателя и охлаждения внешней поверхности каркаса в нем устанавливается градиент температуры. Тем самым в армирующем каркасе создается зона повышенной температуры, где температура превышает температуру разложения углеводорода. Эта зона расположена у нагревателя, поэтому процесс формирования матрицы происходит только здесь. Повышая температуру нагревателя в соответствии с оптимальными условиями получения материала, перемещают зону протекания процесса синтеза пироуглеродной матрицы от нагревателя к периферии обрабатываемого каркаса, например, со скоростью не более 5 мм/час. Температурный режим, расход газа и время осуществления процесса выбирают так, чтобы полученный композиционный материал предпочтительно имел плотность 1,3-1,75 г/см.
В результате реализации описанного способа получают композиционный материал, в котором наряду с углеродом, содержатся одно или несколько химических соединений алюминия, кремния, кальция, титана, циркония, ниобия, гафния, тантала или вольфрама. Эти соединения неравномерно распределены по материалу - они сосредоточены только в углеволокнистых стержнях армирующей основы. Причем, при необходимости, не во всех, а только заранее определенных, например в стержнях вертикального направления. Содержание в стержнях указанных химических соединений придает им рентгеноконтрасность. При этом в зависимости от доли каркаса, собранного из стержней, содержащих химические соединения, рентгеноконтрасность материала увеличивается. Тем самым имеется возможность регулировать рентгеноконтрасность композиционного материала на этапе его изготовления. Другим способом регулирования рентгеноконтрасности является изменение концентрации химического соединения, а также выбор того или иного химического соединения из предложенной группы.
Изобретение может быть пояснено следующим примером.
Для изготовления композиционного материала используют стержни диаметром 1,2 мм, сформованные из углеродных волокон марки УКН-5К, двух типов. Первый тип - стержни, содержащие углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержня, и полимерное связующее, а именно - поливиниловый спирт (ПВС). Стержни первого типа 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°C для отверждения связующего.
Второй тип стержней - стержни, содержащие углеродное волокно, ПВС и ортофосфат кальция. Стержни второго типа изготавливают аналогично стержням первого типа. Отличие состоит в том, что пропитку углеродных волокон осуществляют суспензией ортофосфата кальция в водном растворе ПВС. Концентрация ортофосфата кальция в суспензии 10% масс. обеспечивает содержание ортофосфата кальция в стержне 3% масс.
Изготовление композиционного материала начинают с формирования волокнистой армирующей основы, т.е. со сборки каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Для этого:
1. На графитовой оправке устанавливают вертикально по ее периметру в отверстия стержни, которые в дальнейшем будут служить направляющими при сборке каркаса. Для этого используют стержни второго типа, т.е. содержащие ортофосфат кальция.
2. В горизонтальной плоскости на оправке, перпендикулярно направляющим стержням, укладывают стержни на расстоянии 1,2 мм друг от друга, параллельно друг другу. При этом используют стержни первого типа, содержащие только углеродные волокна и ПВС.
3. 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.
4. Следующий (третий) слой формируют на втором также из стержней первого типа, 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.
5. Четвертый слой собирают также как первый, пятый слой - как второй и т.д. Необходимую высоту материала получают, укладывая нужное количество слоев.
6. В образовавшиеся после сборки слоев вертикальные каналы каркаса устанавливают вертикальные стержни, используя стержни второго типа.
7. Формирование пироуглеродной матрицы производят в реакторе в среде природного газа при 950°C. Обработку производят до увеличения массы каркаса в 3 раза.
3
В результате получают композиционный материал со следующими свойствами: плотность - 1,63 г/см, открытая пористость - 12% об., модуль упругости материала - 12 ГПа, прочность при сжатии - 92 МПа. Плотность определяли гидростатическим методом, модуль упругости и прочность - на испытательных машинах.
Механической обработкой из структуры материала извлечены стержни, которые в каркасе занимали вертикальное положение. Рентгеноструктурным анализом установлено, что в стержнях содержится ортофосфат кальция. Содержание ортофосфата кальция (определено гравиметрически после сжигания образца) - 5,6% вес.
Сделанные рентгеноскопические снимки показали рентгеноконтрастность полученного композиционного материала: на снимках отчетливо видны входящие в структуру материала стержни, причем только те, что имеют вертикальную ориентацию в каркасе материала.
Полученный материал хорошо обрабатывается традиционными методами механической обработки: сверлением, фрезерованием, резанием. Высокие механические свойства полученного композиционного материала позволяют применять его в качестве имплантатов для замещения дефектов кости.
Проведенные токсикологические исследования в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10993-99 и ГОСТ Р 52770-2007 показали:
1. Изменение рН водной вытяжки (3 суток, 37°C, соотношение 10 г материала и 500 мл воды) по сравнению с контрольной дистиллированной водой составляет 0,3 (допустимое значение 1,0).
2. Максимальное значение оптической плотности водной вытяжки в УФ области спектра в интервале длин волн 230-360 нм составляет 0,1 (допустимое значение 0,3).
3. Содержание в водной вытяжке формальдегида 0,01 мг/л, винилацетата - менее 0,05 мг/л (допустимые значения - 0,1 и 0,2 мг/л, соответственно).
4. Изучение токсичности на анализаторе токсичности АТ-05, используя замороженную в парах жидкого азота гранулированную сперму быка, показало индекс токсичности 94,2% (допустимое значение 70-120%). Материал не токсичен.
Таким образом, полученный материал по своим механическим и токсическим свойствам полностью соответствует требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для замещения костных дефектов.
Применение предлагаемого изобретения обеспечивает изготовление материала для замещения костных дефектов, а сам получаемый материал обладает механическими свойствами, близкими к свойствам кости, и удобен при проведении операций за счет рентгеноконтрастности материала в целом или, если это необходимо, отдельных его областей.