БРУШИТОВЫЙ ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ ЦЕМЕНТ (ВАРИАНТЫ)
BRUSHITE WATER CEMENT (VERSIONS)

Изобретение относится к медицине, а именно, к остеопластической хирургии, стоматологии. Материал предназначен для восстановления костных тканей после онкологических и челюстно-лицевых операций, а также лечения различных дефектов костных тканей травматического генеза.
Известен ряд гидравлических кальций-фосфатных цементов (КФЦ), представляющих собой смесь двух или более компонентов, одним из которых является вода или водный раствор фосфатов щелочных металлов, а твердым компонентом - один или несколько фосфатов кальция. При смешивании реагентов образуется новый фосфат кальция, а в результате реакций растворения-осаждения последнего происходит твердение и формирование цементного камня.
Кальций-фосфатные цементы, применяемые в медицине, должны обладать комплексом свойств, таких как биосовместимость, остеокондуктивность и скорость биодеградации, согласованная с процессами остеогенеза, прочность затвердевшего цемента, достаточная для несения минимальных нагрузок в процессе формирования собственной костной ткани. К достоинствам этих материалов можно отнести, во-первых, их способность заполнять дефекты самой сложной конфигурации и объема, во-вторых, малую инвазивность вмешательств, то есть возможность введения данных материалов в инъекционной форме непосредственно в зону дефекта под контролем УЗИ или рентгена, без обширных оперативных вмешательств и возможность 3D фиксации.
Поскольку КФЦ характеризуются одновременно способностью к реакционному твердению, формуемостью, биосовместимостью, отсутствием токсичных побочных продуктов, а также потенциалом замещения вновь образуемой костной ткани, они являются крайне перспективным материалом для стоматологии и ортопедии. Возможность приготовления смеси непосредственно перед операцией является важным свойством КФЦ, поскольку облегчает доставку материала в требуемое место и обеспечивает отличное прилегание к поверхности кости (Komath M., Varma H. Development of a fully injectable calcium phosphate cement for orthopedic and dental applications // Bull. Mater. Sci.2003. Vol.26. P.415-422, Temenoff J.S., Mikos A.G. Injectable biodegradable materials for orthopedic tissue engineering // Biomaterials. 2000. Vol.21. P.2405-2412). Недостатком вышеописанных цементов является относительно высокая кислотность (рН 5-6)
Кальций-фосфатные цементы по фазовому составу продукта твердения подразделяются на апатитовые и брушитовые. Преимуществом брушитовых цементов является существенно большая скорость биодеградации в жидкостях организма по сравнению с апатитовыми цементами, что является важным фактором при использовании регенеративных подходов к восстановлению костных тканей. Однако прочность брушитовых цементов находится на уровне 8-10 МПа, что является недостаточным даже для кратковременного (3-4 месяца) несения нагрузок в организме (Ambard A.J., Mueninghoff L. Calcium phosphate cement: review of mechanical and biological properties // J. Prosthodont.2006. Vol.15. P.321-328).
Задачей данного изобретения является оптимизация состава цементного порошка для повышения прочности цемента после твердения.
Наиболее близким по технической сущности и результату к предлагаемому способу является патент США №6,733,582 Brushite hydraulic cement stabilized with a magnesium salt Bohner et al, в котором конечным продуктом затвердевшего цемента является брушит. В качестве исходных компонентов цементного порошка использована смесь двух или более фосфатов кальция, например, монокальцийфосфат моногидрат и β-трикальцийфосфат или α-трикальцийфосфат. Для стабилизации фазового состава конечного продукта выбран фосфат магния с растворимостью менее 100 г/л. При добавлении в цемент гранул ГА размером 200-300 мкм прочность варьирует от 3,2 до 5,8 МПа (прочность увеличивается при добавлении сульфата гентамицина). Недостатком вышеприведенных цементов является их низкая механическая прочность.
Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в оптимизации состава цементного порошка для повышения прочности цемента после твердения.
Техническим результатом изобретения является получение брушитового цемента с повышенными прочностными характеристиками (прочность при сжатии 15-20 МПа).
Технический результат достигается двумя вариантами состава брушитового гидравлического цемента.
По первому варианту технический результат достигается тем, брушитовый гидравлический цемент для восстановления костных тканей, содержащий порошок α-трикальцийфосфата и затворяющую жидкость, представляющую собой раствор фосфата магния в фосфорной кислоте, согласно изобретению, цементный порошок содержит гранулы карбоната кальция размером 50-100 мкм при следующем содержании компонентов:
α-трикальцийфосфата - 90-95% масс.;
карбонат кальция - 5-10% масс.
По второму варианту технический результат достигается тем, брушитовый гидравлический цемент для восстановления костных тканей, содержащий порошок α-трикальцийфосфата и затворяющую жидкость, представляющую собой раствор фосфата магния в фосфорной кислоте, согласно изобретению, цементный порошок содержит гранулы карбоната кальция размером 50-100 мкм при следующем содержании компонентов:
α-трикальцийфосфата - 90-95% масс.;
карбонатгидроксиапатит - 5-10% масс.
Сущность изобретения заключается в том, что при введении керамических частиц в цементный порошок на пути трещины, возникающей при разрушении цемента, возникает препятствие в виде керамической гранулы, для преодоления которого необходима дополнительная энергия. Таким образом, для разрушения цемента необходимо приложить большую нагрузку, т.е. прочность цемента увеличивается.
Уменьшение количества вводимых керамических гранул менее 5% масс, не дает желаемого эффекта, прочность цемента не превышает 12 МПа. Увеличение количества вводимых гранул затрудняет смешивание цемента, создает неоднородность цементного образца, способствует возникновению трещин, снижающих прочность.
Значительное, по сравнению с прототипом (5,8 МПа) увеличение прочности до 20 МПа достигается введением в состав цемента 5-10% масс, керамических гранул карбоната кальция или карбонатгидроксиапатита размером 50-100 мкм.
Пример 1.
9 г α-трикальцийфосфата смешивают с 1 г гранул карбоната кальция размером 50-100 мкм, добавляют 7,5 г 40%-ного раствора фосфата магния в фосфорной кислоте с рН 1,8. Смешивание проводят на стекле пластиковым шпателем при 25°С в течение 5-7 мин. Образовавшуюся после смешения пастообразную массу формуют в цилиндрической форме диаметром 8 мм, через 10 мин сформованный образец извлекают из формы и помещают в термостат при 37°С и 100% влажностью на сутки. Через 24 часа образец имеет прочность при сжатии 20 МПа.
Пример 2.
9,5 г α-трикальцийфосфата смешивают с 0,5 г гранул карбонатгидроксиапатита размером 50-100 мкм, добавляют 7,5 г 40%-ного раствора фосфата магния в фосфорной кислоте с рН 1,8. Смешивание проводят на стекле пластиковым шпателем при 25°С в течение 5-7 мин. Образовавшеюся после смешения пастообразную массу формуют в цилиндрической форме диаметром 8 мм, через 10 мин сформованный образец извлекают из формы и помещают в термостат при 37°С и 100% влажностью на сутки. Через 24 часа образец имеет прочность при сжатии 18 МПа.
Пример 3.
8,5 г α-трикальцийфосфата смешивают с 1,5 г гранул карбоната кальция размером 50-100 мкм, добавляют 7,5 г 40%-ного раствора фосфата магния в фосфорной кислоте с рН 1,8. Смешивание проводят на стекле пластиковым шпателем при 25°С в течение 5-7 мин. Образовавшуюся после смешения пастообразную массу формуют в цилиндрической форме диаметром 8 мм, через 10 мин сформованный образец извлекают из формы и помещают в термостат при 37°С и 100% влажностью на сутки. Через 24 часа образец имеет прочность при сжатии 3 МПа, на изломе видно неравномерное распределение гранул, по краям образца сформировались микротрещины.
Пример 4.
9 г α-трикальцийфосфата смешивают с 1 г гранул карбоната кальция размером 200-300 мкм, добавляют 7,5 г 40%-ного раствора фосфата магния в фосфорной кислоте с рН 1,8. Смешивание проводят на стекле пластиковым шпателем при 25°С в течение 5-7 мин. Образовавшуюся после смешения пастообразную массу формуют в цилиндрической форме диаметром 8 мм, через 10 мин сформованный образец извлекают из формы и помещают в термостат при 37°С и 100% влажностью на сутки. Через 24 часа образец имеет прочность при сжатии 5 МПа. На изломе заметно неравномерное распределение гранул по объему, по краям образца - дефекты в виде трещин и сколов.