КОМПОЗИЦИЯ БИОРЕЗОРБИРУЕМОГО 3D-МАТРИКСА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ
COMPOSITION OF BIORESORBABLE 3D MATRIX FOR RESTORING BONE TISSUE DEFECTS

Область техники
Изобретение относится к медицине и предназначено для планирования, и лечения костных и костно-хрящевых дефектов. Данный гибридный биорезорбируемый костный 3D-матрикс заданной формы на основе гиалуроновой кислоты устанавливается на место дефекта и в последующем замещается костной тканью организма.
Уровень техники
Направленная регенерация костной ткани - одна из самых распространённых и востребованных остеопластических операций [1].
Известен композиционный скэффолд для восстановления дефектов костной ткани (патент РФ на изобретение №2624854, кл. МПК A61L 27/44, A61L 27/12, A61L 27/14, A61P 19/00, опубл. 07.07.2017), который содержит полимерный раствор с концентрацией 9 мас. % из гранулированного порошка поликапролактона и хлороформа, порошок кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10 (PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x при замещении х = 0,5 с концентрацией 5-15 мас. % в растворе.
Известен композиционный материал для восстановления дефектов костных тканей (патент РФ на изобретение №2476236, кл. МПК A61K 38/39, A61K 33/42, A61P 9/00, опубл. 10.06.2007), содержащий не реконструированный коллаген в виде геля и суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы при весовом соотношении коллагена к наногидроксиапатиту от 5:1 до 1:5.
Известен композиционный имплантат (патент РФ на изобретение №2218895, кл. МПК A61F 2/28, A61F 2/30, A61L 27/00, A61L 27/02, A61L 27/10, A61L 27/40, A61L 27/56, опубл. 20.12.2003), который содержит пористую матрицу и плотный состав, причем пористая матрица изготовлена из пористого керамического материала, а плотный состав содержит костный цемент, или костный клей, или аллоплант, или плотный керамический материал, или иной плотный биосовместимый материал, заполняющий или покрывающий поры одного или нескольких поверхностных слоев пористой матрицы.
Имеющиеся аналоги это ксеноматериалы и алломатериалы российских и зарубежных производителей. Основными недостатками вышеописанных производителей являются: стандартизированный размерный ряд, отсутствие индивидуальной разработки имплантатов.
Алломатериалы производят из тканей человеческого происхождения. Недостатком данной технологии является сложность высокого технологического уровня очистки от загрязнений бактериальных агентов, жира, белка. Хотя вероятность переноса данными материалами вируса СПИД, гепатита, туберкулеза низка, но полностью исключить ее нельзя.
Исходными материалами для производства ксеноматериалов являются ткани животных, таких как крупный рогатый скот и свиньи. Данная технология требует также высокую степень очистки. В литературе описано, что материалы ксеногенного происхождения могут быть источниками инфицирования вирусами, переносящими нейрорегенеративные расстройства [2].
Недостатками известных технических решений является недостаточная степень очистки от загрязнений, невозможность индивидуального подбора необходимого размера, а также относительная сложность, трудоемкость и длительность технологии изготовления материалов для восстановления дефектов костных тканей.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является разработка рецептуры костного 3D-матрикса для восстановления дефектов костной ткани.
Техническим результатом изобретения является улучшение структуры и характеристик 3D-матрикса: вязкоэластичности и пористости, повышение безопасности его использования, увеличение способности к имплантированию в ткань, а также упрощение и ускорение процесса его изготовления.
Указанный технический результат достигается тем, что композиция биорезорбируемого 3D-матрикса для восстановления дефектов костной ткани включает следующие компоненты, в мас. частях:
Казеин 5% водный раствор – 20
Гиалуроновая кислота 2,5% водный раствор – 40
Хондроитина сульфат 0,2% водный раствор – 10
Солодка 3% водный настой – 20
Полиэтиленгликоль 1500 – 3
Агар-агар – 4.
Разрабатываемый 3D-матрикс для восстановления костных дефектов позволяет получить имплантаты заданной формы и структуры, реализуя принцип персонализированной медицины. Моделирование проводится на основе результатов цифровых методов обследования пациента (компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии, УЗИ), представленных заказчиком. Трехмерные биорезорбируемые матриксы не требуют специальных условий для хранения, так как изготавливаются индивидуально, непосредственно перед применением, герметично упаковываются и стерилизуются. Имплантат производится в асептических условиях и передается заказчику в стерильной упаковке.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1-3 представлены фото полученного гидрогеля, пробы №1-3 соответственно.
На фиг. 4 показан общий вид скаффолда в трех проекциях – проба №1.
На фиг. 5 показана 3D визуализация пор в пробе №1 (объем ≈200 мм3).
На фиг. 6 показан общий вид скаффолда в трех проекциях – проба №2.
На фиг. 7 показана 3D визуализация пор в пробе №2 (объем ≈200 мм3).
На фиг. 8 показан общий вид скаффолда в трех проекциях – проба №3.
На фиг. 9 показана 3D визуализация пор в пробе №3 (объем ≈200 мм3).
Осуществление изобретения
Исходными материалами для изготовления нового продукта являются: гиалуроновая кислота, хондроитин, казеин и солодка, из которых печатается трехмерный имплантат. Композиция биорезорбируемого 3D-матрикса для восстановления дефектов костной ткани включает следующие компоненты, в мас. частях: 5% водный раствор казеина – 20; 2,5% водный раствор гиалуроновой кислоты –40; 0,2% водный раствор хондроитина сульфата – 10; 3% водный настой солодки – 20; полиэтиленгликоль (ПЭГ) 1500 – 3; агар-агар – 4.
Данный имплантат устанавливается на место дефекта и в последующем замещается костной тканью организма. Преимуществом нового продукта является персонализированный подход при изготовлении костных 3D матриксов, что улучшит послеоперационную регенерацию и снизит количество осложнений на 30-50%. Данная технология не требует высокого технологического уровня очистки и исключает риск передачи вирусов СПИД, гепатит, туберкулез.
Для изготовления гидрогеля в качестве структурообразователя был выбран казеин, обеспечивающий хорошее суспендирование, гелеобразование в водной среде и способность выдерживать высокие температуры.
Гиалуроновая кислота дает возможность получить гидрогель, обладающий следующими характеристиками:
- Хорошей способностью к продавливанию его через иглы и, за счет этого, его можно использовать для изготовления костных 3D-матриксов;
- Отсутствием перехода одной или большего числа конститутивных фаз гидрогеля в частицы в ходе выполнения поперечного сшивания (но при этом продукт характеризуется низкой силой выдавливания);
- Отсутствием в продукте совместно сшитых частиц, что ведет к существенному улучшению профиля безопасности (меньшее количество побочных эффектов и осложнений в краткосрочной и/или среднесрочной/долгосрочной перспективе), повышенной способности к интеграции/имплантированию гидрогеля в ткань (более равномерное распределение продукта в ткани), а также обеспечивает значительно более короткий и менее сложный способ изготовления (поскольку в процессе изготовления отсутствуют трудоемкие этапы измельчения);
- Исключительными свойствами вязкоэластичности, происходящими из особой структуры полученного гидрогеля;
- Способностью к имплантированию простым путем ткани в области, подлежащие обработке;
- Сложной структурой матрицы полученного гидрогеля, характеризующейся как «мультиструктурированная», благодаря которой можно оптимизировать контролируемое высвобождение активных и/или биологических веществ.
Для улучшения процесса заживления в состав гидрогеля был введен хондроитина сульфат и настой солодки.
Для достижения пористости, использовали настой корня солодки и порошок корня солодки. При извлечении действующих веществ из корня солодки методом настаивания и использования в качестве наполнителя в структуре гидрогеля были получены наиболее хорошие результаты, поэтому в состав гидрогеля включили настой корня солодки.
Проведение эксперимента
Приготовление настоя солодки 3%.
Измельченное сырье корня солодки отсеивали от пыли, настаивали с водой в инфундирном аппарате (кипящей водяной бане) и охлаждали при комнатной температуре, процеживали извлечение с отжимом сырья, доведение вытяжки водой до описанного объема.
В химический стакан помещали казеин – 0,5 г, прибавляли расчетное количество воды (10 мл) очищенной, перемешивали стеклянной палочкой до образования однородности и добавляли хондроитина сульфат  – 0,01 г, растворенный в 5 мл воды.
В химическом стакане в расчетном количестве воды очищенной (20 мл) диспергировали гиалуроновую кислоту – 0,5 г до получения гомогенной дисперсии.
На водяной бане готовили основу, состоящую из 3% настоя корня солодки – 10 мл, агар-агара – 3,0 г, ПЭГ 1500 – 1,5 г. (для образцов № 1-3).
В готовые основы при непрерывном перемешивании вводили растворы казеина, хондроитина сульфата, гиалурновой кислоты. Смесь тщательно эмульгировали с помощью гомогенизатора до образования однородной массы. Оценивали визуально – внешний вид.
При разработке оптимального состава гидрогеля исследованы 3 композиции, составленные варьированием следующих фармацевтических факторов: природы и количества основы, однородности массы, используемых технологических операций и аппаратуры при изготовлении гидрогелей, а также с учетом их биологической доступности invitro:
Проба №1
Казеин – 0,5 г (10 мл Н2О)
Гиалуроновая кислота – 0,5 г (20 мл Н2О)
Хондроитина сульфат –  0,01 г (5 мл Н2О)
Настой солодки – 0,3 г (10 мл Н2О) = 3%
ПЭГ 1500 – 1,5 г
Агар-агар – 2,0 г
Проба №2
Казеин – 0,5 г (10 мл Н2О)
Гиалуроновая кислота – 0,5 г (20 мл Н2О)
Хондроитина сульфат – 0,01 г (5 мл Н2О)
Настой солодки – 0,3 г (10 мл Н2О) = 3%
ПЭГ 1500 – 1,5 г
Агар-агар 3,0 г
Проба №3
Казеин – 0,5 г (10 мл Н2О)
Гиалуроновая кислота – 0,5 г (20 мл Н2О)
Хондроитина сульфат – 0,01 г (5 мл Н2О)
Настой солодки – 0,3 г (10 мл Н2О)= 3%
ПЭГ 1500 – 1,5 г
Агар-агар – 3,0 г
Органолептические характеристики гелей представлены в таблице 1.
Таблица 1 – Органолептические характеристики гелей проб №1, 2, 3
№п/п
Составы
Описание
1
Гидрогель проба №1
Однородный гидрогель мягкой, эластичной консистенции. Цвет – желтый. Эластичный сравнительно легко может изменять свой объем при поглощении или отдаче растворителя.
2
Гидрогель проба №2
Однородный гидрогель плотной консистенции, желтого цвета, густая, вязкая масса.
3
Гидрогель проба №3
Однородный гидрогель мягкой консистенции, желтого цвета, наиболее густая, вязкая, эластичная масса. Явно выраженная пористость. Лучше чем  образцы 1 и 2 держит форму.
После взаимного контакта действующих веществ наиболее оптимальным для формирования структуры скаффолда является проба №3, два других образца также показали неплохие результаты. Наполнители в структуре гидрогеля при его введении распределяются недостаточно равномерно, поэтому повышение механических свойств по всему объему происходит неравномерно.
В качестве исследования структуризации гидрогеля был проведен микроструктурный анализ костных 3D матриксов на основе гиалуроновой кислоты, хондроитина, казеина и солодки, с использованием микрокомпьютерной томографии.
Объектами исследования являлись гидрогели с разными носителями
Параметры сканирования в управляющей программе Skyscan 1176 (10.0.0.0, Bruker-microCT, Бельгия): напряжение рентгеновской трубки 45 kВ, ток 550 µA, фильтр Al 0,2 мм, размер пикселя 8,87 µм, вращение образца на каждом шаге на 0,3, усреднение кадров 4.
Сканированные объекты реконструировались в программе Nrecon (1.7.4.2, Bruker-microCT, Бельгия) со следующими основными параметрами реконструкции: включена коррекция кольцевых артефактов (20), упрочнение луча (20).
Ориентация в пространстве (x, y, z) и выделение отдельных областей реконструированных материалов проводилась в программе DataViewer (1.5.6.2, Bruker-microCT, Бельгия).
Визуализация и анализ данных проводилась в программе CT-analyser (1.18.4.0, Bruker-microCT, Бельгия).
3D визуализация полученных результатов в зависимости от рентгенологической плотности проводилась в программе CTvox (3.3.0r1403, Bruker-microCT, Бельгия).
Таблица 2 – Общий 3D анализ проб
Параметры
1 проба
2 проба
3 проба
Общий объем исследуемой пробы, мм3
200
200
200
Общая порозность, %
2,81
6,6
3,31
Выводы:
1. Проведен микроструктурный анализ костных 3D матриксов трех композиций, показывающий, что все три композиции имеют положительный результат.
2. На основании результатов проведенного эксперимента предложен оптимальный состав костных 3D-матриксов, в мас. частях:
Казеин 5% водный раствор – 20
Гиалуроновая кислота 2,5% водный раствор – 40
Хондроитина сульфат 0,2% водный раствор – 10
Солодка 3% водный настой – 20
Полиэтиленгликоль 1500 – 3
Агар-агар – 4
Для изготовления костных 3D-матриксов авторами выбрана оптимальная композиция в соответствии с пробой №2.
Сопоставительный анализ заявленной композиции биорезорбируемого 3D-матрикса показывает, что совокупность ее существенных признаков неизвестна из уровня техники и, значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленной композиции 3D-матрикса и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведённые сведения подтверждают возможность применения заявленного технического решения для восстановления дефектов костной ткани, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Список использованной литературы
1.  Долгалев А.А., Аракелян Н.Г. Тканевая инженерия при восстановлении дефектов костной ткани. Научно-практический журнал Вестник молодого ученого № 4 (23) 2018. С. 19-24.
2. Жданов А.В., Алешин Д.С., Хасанов Ш.М., Габриелян Н.Г., Елдашев Д.С.-А., Бойко Е.М., Долгалев А.А. Оценка эффективности ксеногенного материала в месте проведения костнопластической процедуры на альвеолярном гребне челюсти в случае обнажения dPTFE мембраны. Медицинский алфавит №2, 2021. С. 47-53.