БИОАКТИВНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОСТНОЙ ХИРУРГИИ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
BIOACTIVE MICROCELLULAR MATERIAL FOR ORTHOPAEDIC SURGERY AND METHOD FOR MAKING IT

Изобретение относится к области медицины, в частности к биоактивному микропористому материалу для костной хирургии и способу его получения. Материал пригоден для протезирования костных структур челюстно-лицевого скелета, может применяться в качестве системы доставки лекарственных средств пролонгированного действия, а также в качестве матрицы в конструкциях тканевой инженерии, оптимизированных культурами клеток, морфогенетическими белками и факторами роста.
3
4
2
2
2
2
2
3
4
2
Известно введение стекол в качестве спекающей добавки и способ получения материала с открытой поровой структурой. Материал состоит из β-трехкальциевого фосфатата - β-Са(РO) и стекол системы NaO-MgO-SiO. Состав стекла (мас.%): SiO - 68-78, MgO - 5-12, NaO - 12-27. Содержание компонентов в композиции стекло: β-Са(РO) соответственно 6:94 (мас.%). Способ получения основан на дублировании открытого порового пространства полиуретановой матрицы и спеканием при 1300°С. Недостаток материала - низкие прочностные характеристики на сжатие (патент US 20040235637, класс 501/72 от 25.11.2004).
Известен состав высокопрочной стеклокерамики, содержащей апатит и кристаллические силикаты щелочно-земельных металлов. В качестве кристаллических фаз спеченная стеклокерамика содержит диопсид, форстерит, окерманит. Материал обладает плотной структурой и высокими прочностными свойствами. Недостатком данной стеклокерамики является отсутствие пористости и растворимости материала (патент US 4560666, класс 501/5 от 24.12.1985).
2
2
3
2
3
2
2
Известен состав биоактивного микропористого материала, имитирующего натуральные костные структуры. Материал содержит: стекло нейтральное алюмоборосиликатное марки НС-2А, порошок гидроксиапатита с отношением Са/Р=1,66-1,67, микропористый цеолит и порообразователь - карбонат кальция в соотношении мас.%: стекло - 20-80, гидроксиапатит - 10-50, цеолит - 10-40, порообразователь - 0,1-10. В качестве матрицы применяют стекло с содержанием (мас.%): SiO - 73,0, АlО - 3,5, ВО - 2,5, MgO - 1,0, CaO - 7,0, NaO - 11,0, KО - 2,0. Материал обладает пористостью от 40 до 80% при открытой пористости от 30 до 70%. Распределение пор по размерам бимодальное, размер пор от 100 до 600 мкм. Прочность на сжатие материала от 20 до 50 МПа (патент RU 2349289, класс A61L 27/00 от 20.03.09).
Недостатком данного материала является то, что он характеризуется низкой растворимостью в водных и физиологических средах в расчете на 1 г в пределах 0,001-0,002 г/сут, что связано с использованием в материале малорастворимых компонентов - гидроксиапатита с отношением Са/Р=1,66-1,67 и нейтрального стекла. Другой недостаток материала - низкая реакционная способность in vitro по тестам в SBF (simulated body fluid) - формирование активных поверхностных - ОН-групп в течение 3 суток, формирование слоев карбонатапатита в SBF на 14 сутки.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является биоактивный микропористый материал для костной хирургии. Материал содержит: стекломатрицу, порошок гидроксиапатита с отношением Са/Р=1,66-1,67 и карбонатный порообразователь в соотношении, мас.%: стекло - 35-65, гидроксиапатит - 35-65, порообразователь - 0,5-10. В качестве стекломатриц применяют нейтральное алюмоборосиликатное стекло, а также водорастворимые стекла с высоким содержанием оксида натрия, а также кальцийфосфатные стекла. Материал обладает пористостью от 5 до 80%. Размер пор от 50 до 300 мкм. Прочность на изгиб от 10 до 60 МПа (патент RU 2053737, класс A61F 2/28, A61L 27/00 от 10.02.96).
Недостатком данного материала является то, что он характеризуется низкой растворимостью в водных и физиологических средах в расчете на 1 г в пределах 0,002-0,006 г/сут, что связано с использованием в материале малорастворимого гидроксиапатита с отношением Са/Р=1,66-1,67. Другой недостаток материала - низкая реакционная способность in vitro по тестам в SBF (simulated body fluid) - формирование активных поверхностных - ОН-групп в течение 3 суток, формирование слоев карбонатапатита в SBF на 7-10 сутки.
Известен также способ получения микропористого материала, имитирующего натуральные костные структуры (патент RU 2349289, класс A61L 27/00 от 20.03.09, принятый как прототип способа получения), заключающийся в следующем: подготовленную смесь укладывают в формы и подвергают термической обработке: медленный нагрев до 600-750°С, далее ускоренный нагрев до 800-1000°С с выдержкой 5-60 минут и медленное охлаждение вместе с печью.
Недостатком способа получения является необходимость введения карбонатного порообразователя, при неоднородном распределении которого материал содержит каверны, пузыри, кроме того, при спекании, на поверхности материала образуется оплавленный, остеклованный слой, который необходимо снимать до раскрытия поровой структуры.
Техническим результатом изобретения является получение материалов с регулируемой растворимостью, высокой гидрофильностью, бимодальной поровой структурой и высокими механическим свойствами.
2
2
2
5
Этот технический результат достигается биоактивным микропористым материалом для костной хирургии, включающим измельченное в порошок высокощелочное стекло, порошок кальций-фосфатного наполнителя и порошок порообразователя, причем в качестве кальций-фосфатного наполнителя используют растворимые кальций-дефицитные гидроксиапатиты с отношением Са/Р=1,5-1,65 или β-трехкальциевый фосфат. В качестве стекла используют высокощелочные стекла островной, цепочечной, кольцевой и слоистой структуры состава (мас.%): SiO - 40-60, CaO - 10-30, NaO - 25-45, PO - 3-5. В качестве порообразователя используют крахмал или желатин.
Материал содержит компоненты, взятые в соотношении (мас.%):
Стекло
50-95
Гидроксиапатит или
4-40
β-трехкальциевый фосфат
Порообразователь
1-10
Технический результат достигается также способом получения биоактивного микропористого материала для костной хирургии, включающим: гранулирование композиции, формование изделия и термообработку в три этапа, причем при грануляции в порошковый материал вводят стекло дисперсностью 40-120 мкм. Термообработка заключается в спекании материала (состава: высокощелочное стекло, кальций-фосфатный наполнитель и порообразователь) в течение 3-5 часов, по следующему режиму: нагрев до температуры 600-750°С с выдержкой в течение 30-50 минут, быстрое охлаждение до температуры 550-520°С с выдержкой 5-10 минут, медленное охлаждение до 470-450°С с выдержкой 5-10 минут.
Технология изготовления заключается в следующем.
Для синтеза высокощелочных стекол применяют реактивы марки "ч", "хч". Высокощелочные стекла варят при температуре Т=1400°С, далее стекла измельчают в шаровой мельнице до порошков с размером гранул 40-120 мкм.
Рассчитанные в соответствии с заданным составом порошки высокощелочного стекла, кальций-фосфатного наполнителя соединяют и тщательно перемешивают до получения однородной смеси. Полученную порошковую смесь гранулируют совместно с раствором порообразователя до получения гранул размера от 200 до 400 мкм, от 400 до 600 мкм, от 600 до 1000 мкм. Таким образом, достигается равномерное распределение стекла, кальций-фосфатного наполнителя и порообразователя в грануле и поддерживается однородный химический состав.
Подготовленные гранулы, состоящие из стекла, кальций-фосфатного наполнителя и порообразователя, укладывают в формы из титана, увлажняют, уплотняют и сушат. Проводят термическую обработку в три этапа: на первом этапе нагревают материал до температуры 600-750°С, выдерживают 30-50 минут, на втором этапе быстро охлаждают до температур 550-520°С, выдерживают 5-10 минут, и на третьем этапе медленно охлаждают до 470-450°С, выдерживают 5-10 минут.
Пористость готового продукта изменяется в пределах от 40 до 60% и зависит от соотношения компонентов смеси, размеров применяемых гранул, режима спекания. Прочность на сжатие материала зависит от его пористости и находится в пределах от 10 до 40 МПа. Время термической обработки при спекании материала изменяется от 30 до 50 минут и зависит от размеров образца и заданной конечной структуры. Размер крупных пор в материале составляет 80-300 мкм и зависит от размера применяемых гранул. Размер мелких пор составляет 10-40 мкм и зависит от содержания порообразователя в гранулах. Гидрофильность материала определяется содержанием высокощелочного стекла в применяемых гранулах. Скорость резорбции материала массой 1 г составляет от 0,005 до 0,025 г/сут и зависит от содержания компонентов в применяемых гранулах и поровой структуры материала. Высокая скорость резорбции обеспечивается кристаллизацией в материале в процессе спекания высокорастворимых фаз - натриево-кальциевого фосфата, натриево-кальциевого силиката, силикокарнатита, β-трехкальциевого фосфата.
Пример 1 (Материал 1).
2
2
2
5
3
4
Матричное стекло с содержанием (мас.%): SiO - 40,0, CaO - 10,0, NaO - 45,0, PO - 5,0, β-трехкальциевый фосфат (β-СаРO) и связующее - желатин берутся в соотношении 95:4:1 (мас.%). Причем порошки стекломатрицы и наполнителя тщательно смешиваются, а из желатина готовят раствор связующего. Далее соединяют полученную порошковую композицию с раствором желатина и проводят гранулирование композиции до размера гранул от 200 до 400 мкм. Гранулят загружают в титановую форму, увлажняют, уплотняют, сушат и помещают в электрическую печь. Далее производят нагрев до температуры 600°С со скоростью не более 8-10 градусов/минуту, и выдерживают смесь при этой температуре в течение 30 минут. Быстро охлаждают до температуры 520°С, выдерживают в течение 5 минут, далее медленно охлаждают до 450°С, выдерживают в течение 5 минут и охлаждают вместе с печью.
Материал обладает следующими характеристиками.
Водопоглощение: 25%.
Пористость общая: 45%.
Пористость открытая: 35% (78% относительно общей пористости).
Пористость закрытая: 10%.
Средний размер пор: 40-80 мкм.
3
Плотность материала: 1,4 г/см.
Прочность на сжатие: 12 МПа.
-
Формирование активных ОН -групп на поверхности материала в SBF через 2 часа.
Формирование слоев карбонатапатита на поверхности материала в SBF в течение 12 часов.
Скорость резорбции 1 г материала: 0,011 г/сут.
Пример 2 (Материал 2).
2
2
2
5
Матричное стекло с содержанием (мас.%): SiO - 47,0, CaO - 25,0, NaO - 25,0, PO - 3,0, кальций-дефицитный гидроксиапатит с отношением Са/Р=1,5 и связующее -крахмал берутся в соотношении 95:4:1 (мас.%). Причем порошки стекломатрицы и наполнителя тщательно смешиваются, а из крахмала готовят раствор связующего. Далее соединяют полученную порошковую композицию с раствором крахмала и проводят гранулирование композиции до размера гранул от 200 до 400 мкм. Гранулят загружают в титановую форму, увлажняют, уплотняют, сушат и помещают в электрическую печь. Далее производят нагрев до температуры 650°С со скоростью не более 8-10 градусов/минуту и выдерживают смесь при этой температуре в течение 30 минут. Быстро охлаждают до температуры 530°С, выдерживают в течение 10 минут, далее медленно охлаждают до 460°С, выдерживают в течение 10 минут и охлаждают вместе с печью.
Материал обладает следующими характеристиками.
Водопоглощение: 15%.
Пористость общая: 40%.
Пористость открытая: 25% (63% относительно общей пористости).
Пористость закрытая: 15%.
Средний размер пор: 40-90 мкм.
3
Плотность материала: 1,7 г/см.
Прочность на сжатие: 15 МПа.
-
Формирование активных ОН - групп на поверхности материала в SBF через 2 часа.
Формирование слоев карбонатапатита на поверхности материала в SBF в течение 1 суток.
Скорость резорбции 1 г материала: 0,007 г/сут.
Пример 3 (Материал 3)
2
2
2
5
Матричное стекло с содержанием (мас.%): SiO - 42,0, СаО - 30,0, NaO - 25,0, РО - 3,0, кальций-дефицитный гидроксиапатит с отношением Са/Р=1,65 и связующее -крахмал берутся в соотношении 50:40:10 (мас.%). Причем порошки стекломатрицы и наполнителя тщательно смешиваются, а из крахмала готовят раствор связующего. Далее соединяют полученную порошковую композицию с раствором крахмала и проводят гранулирование композиции до размера гранул от 400 до 1000 мкм. Гранулят загружают в титановую форму, увлажняют, уплотняют, сушат и помещают в электрическую печь. Далее производят нагрев до температуры 750°С со скоростью не более 8-10 градусов/мин и выдерживают смесь при этой температуре в течение 30 минут. Быстро охлаждают до температуры 530°С, выдерживают в течение 10 мин, далее медленно охлаждают до 460°С, выдерживают в течение 10 мин и охлаждают вместе с печью.
Материал обладает следующими характеристиками.
Водопоглощение: 48%.
Пористость общая: 60%.
Пористость открытая: 55% (92% относительно общей пористости).
Пористость закрытая: 5%.
Средний размер пор: 250-300 мкм.
3
Плотность материала: 1,15 г/см.
Прочность на сжатие: 10 МПа.
-
Формирование активных ОН - групп на поверхности материала в SBF через 2 часа.
Формирование слоев карбонатапатита на поверхности материала в SBF в течение 1 суток.
Скорость резорбции 1 г материала: 0,025 г/сут.
Пример 4 (Материал 4)
2
2
2
5
Матричное стекло с содержанием (мас.%): SiO - 60,0, CaO - 10,0, NaO - 25,0, PO - 5,0, кальций-дефицитный гидроксиапатит с отношением Са/Р=1,5 и связующее -крахмал берутся в соотношении 50:40:10 (мас.%). Причем порошки стекломатрицы и наполнителя тщательно смешиваются, а из крахмала готовят раствор связующего. Далее соединяют полученную порошковую композицию с раствором крахмала и проводят гранулирование композиции до размера гранул от 400 до 1000 мкм. Гранулят загружают в титановую форму, увлажняют, уплотняют, сушат и помещают в электрическую печь. Далее производят нагрев до температуры 750°С со скоростью не более 8-10 градусов/мин и выдерживают смесь при этой температуре в течение 50 минут. Быстро охлаждают до температуры 550°С, выдерживают в течение 10 мин, далее медленно охлаждают до 470°С, выдерживают в течение 10 мин и охлаждают вместе с печью.
Материал обладает следующими характеристиками.
Водопоглощение: 42%.
Пористость общая: 60%.
Пористость открытая: 52% (87% относительно общей пористости).
Пористость закрытая: 8%.
Средний размер пор: 200-250 мкм.
3
Плотность материала: 1,25 г/см.
Прочность на сжатие: 12 МПа.
-
Формирование активных ОН - групп на поверхности материала в SBF через 2 часа.
Формирование слоев карбонатапатита на поверхности материала в SBF в течение 1 суток.
Скорость резорбции 1 г материала: 0,018 г/сут.
Предлагаемый биоактивный микропористый материал является универсальным в планах создания широкого ассортимента имплантационных материалов для заместительной и восстановительной костно-пластической хирургии и позволяет получать материалы плотной и высокопористой структуры, в сравнении с прототипом регулировать биоактивность материала и скорость его резорбции. Предлагаемый способ изготовления в отличие от прототипа, позволяет получать материалы с заданной поровой структурой, равномерно распределенной в объеме материала, и не требует снятия внешнего остеклованного слоя. Способ изготовления позволяет получать различные виды материалов (гранулят, блоки, изделия сложной формы), имеющих широкую область функциональной пригодности - в виде систем доставки лекарственных средств, в виде имплантационных материалов, в виде пористых матриц - носителей клеточных культур и биологических молекул.