Гибридная пористая конструкция для замещения костно-хрящевых дефектов
HYBRID POROUS STRUCTURE FOR OSTEOCHONDRAL DEFECTS SUBSTITUTION

Изобретение представляет собой гибридную многослойную конструкцию на основе биосовместимого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащую пористый слой, для изготовления протезов, скаффолдов и биоимплантатов, предназначенных для замещения костно-хрящевых дефектов человека и животных. Областью применения заявляемого изобретения являются медицина и ветеринария, в частности реконструктивная хирургия, ортопедия, онкология, трансплантология и травматология.
Известно изобретение (RU 2357702 Имплантат для замещения костных фрагментов), представляющее собой опорный каркас из проволочной сетки, проволоки которой имеют преимущественное направление, совпадающее с направлением максимальных нагрузок со стороны окружающей ткани, в приосевой области установлен скрепленный с опорным каркасом и элементом связи стержень из титана или титанового сплава, а элементы связи выполнены из пористой кальций-фосфатной керамики.
Недостатками данного изобретения несовпадение физико-механических характеристик костной ткани и предлагаемой конструкции (за счет применения стержней из титана, титанового сплава и керамических элементов связи жесткость и модуль Юнга заметно превышают таковые для костной ткани), что ухудшает иммобилизацию в кости, повышает риск повторных переломов, малигнизации и возникновения злокачественных новообразований в области контакта. Наличие металлических и керамических компонентов также не дает возможности обеспечивать индивидуальную подгонку формы и размеров конструкции в ходе операции, за счет разницы физических свойств делает непрочной границу между каркасом и элементами связи, что может привести к расслоению и отделению частиц при пролонгированной эксплуатации, предполагает невысокие характеристики пластичности при изгибе, ударопрочности и трещиностойкости конструкции. Разность в химическом составе и жесткости конструкции указанного имплантата ограничивает ее применение для замещения дефектов хрящевой ткани, покрывающей эпифизарные части костей.
Также известно изобретение (US 20080287990 A Elongated Surgical Repair Product Based on Uhmwpe Filaments), представляющее конструкцию из волокон сверхвысокомолекулярного полиэтилена для использования в восстановительной хирургии.
Недостатком указанного изобретения является отсутствие пористой структуры, соответствующей костной ткани, что препятствует проникновению клеток реципиента в объем имплантата, а следовательно, формированию прочной костной мозоли в области контакта, фиксирующей имплантат в кости.
Прототипом заявляемого изобретения является медицинский пористый имплантат на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с малой объемной пористостью и узким диапазоном размеров пор (US 7781526 В2 «Medical implant or medical implant part comprising porous UHMWPE and process for producing the same»).
Недостатком упомянутого изобретения является низкая объемная пористость, менее 60%, и узкий диапазон размеров пор, что может негативно сказаться на скорости адгезии и колонизации клеток прилегающих тканей в области имплантации, отличающихся многообразием морфологии и размеров, замедляя скорость фиксации имплантата. для успешной регенерации определенных клеток требуются точные значения геометрических параметров. Из-за наличия сравнительно больших открытых пор такой имплантат нельзя применять для замещения хрящевых дефектов ввиду невозможности формирования им гладкой суставной поверхности на эпифизах костей, необходимой для оптимальной работы сустава. Кроме того, данный имплантат целиком выполнен из пористого материала, что не соответствует морфологическим особенностям костной стенки, внешний слой которой является компактным и несет основную механическую нагрузку.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании гибридной многослойной конструкции с пористым и сплошным слоем для замещения костно-хрящевых дефектов, характеризующаяся:
- биосовместимостью,
- высокой пластичностью при изгибе и сжатии,
- ударопрочностью и трешиностойкостью,
- показателем модуля Юнга, близким к таковому трабекулярной кости,
- возможностью индивидуальной тонкой подгонки формы и размеров в ходе операции в соответствии с характеристиками дефектного участка кости пациента,
- наличием одновременно сплошного слоя и пористого слоя, повторяющего структурные особенности морфологии костной стенки,
- наличием прочной границы между пористым и сплошным слоем, предотвращающем расслоение и отделение частиц при механическом деформировании конструкции.
Технический результат достигается следующим образом:
Гибридная пористая многослойная конструкция для замещения костно-хрящевых дефектов содержит пористый слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Конструкция дополнительно содержит сплошной слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена поверх пористого слоя с обеспечением прочной границы между слоями, предотвращающей расслоение и отделение частиц при механическом деформировании конструкции, при этом конструкция повторяет особенности костной стенки в соответствии с характеристиками дефектного участка кости пациента, причем пористый слой имеет открытую пористость 50-90% об. и связанную систему пор с диаметром 50-1000 мкм.
Конструкция выполнена в форме, обеспечивающей ее конгруэнтность относительно замещаемого дефекта кости или хряща. Биосовместимость обеспечивается за счет химического состава, а именно выполнения конструкции из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, разрешенного для медицинского применения. Повторение структурных особенностей стенки кости обеспечивается чередованием слоев, а также наличием открытой пористости (% об.) от 50 до 90 и диаметром пор 50-1000 мкм.
Открытые и взаимосвязанные поры (более 50% об.) позволяют питательным веществам и молекулам проникать к внутренним частям конструкции, чтобы облегчить врастание клеток, вакскуляризацию, а также удаление отходов.
Прорастание костной ткани лучше всего происходит в пористых структурах с размерами пор 450 мкм, тогда как соединительная ткань лучше растет в порах размером менее 100 мкм, а сосудистая ткань идеально прикрепляется и растет в порах размером порядка 1000 мкм. Следовательно, широкий диапазон пор 50-1000 мкм нужно создавать для обеспечения возможности прорастания различных типов тканей в костно-хрящевом дефекте и прохождения васкуляризации.
2
Механические характеристики, необходимые для выполнения конструкцией опорной функции обеспечиваются за счет наличия гибридной многослойной конструкции с прочно связанными между собой слоями с пределом прочности при сжатии более 70 МПа, модулем Юнга более 0.7 ГПа и отсутствием расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 40% деформации конструкции при сжатии. Пластичность, повышенная ударопрочность с одновременной возможностью индивидуальной подгонки режущим инструментом в ходе операции обеспечиваются за счет выполнения конструкции с ударной вязкостью более 50 кДж/м из сверхвысокомолекулярного полиэтилена.
Возможность промышленной применимости предлагаемой конструкции и ее использования в медицине подтверждается следующим примером реализации.
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан пример микрофотографии, полученной методом сканирующей электронной микроскопии, демонстрирующей границу между пористым и сплошным слоем без видимых дефектов и трещин и с полным сплавлением частиц сверхвысокомолекулярного полиэтилена. По микрофотографии можно также судить о пористой структуре конструкции. На фиг. 2 показан пример выполнения гибридных многослойных пористых конструкций в виде изделий различной формы: пластины, цилиндры, цилиндр в разрезе. На фиг. 3 продемонстрирована высокая пластичность гибридной пористой конструкции, выполненной в форме пластины, при сжатии. Демонстрируется срез конструкции с участками растяжения и сжатия. Отсутствуют растрескивание конструкции, расслоение и разрушение. На фиг. 4 показан пример диаграммы деформации гибридной многослойной пористой конструкции при сжатии. Наблюдается предел прочности 80 МПа при деформации более 40%.
Пример 1.
2
В качестве исходного материала использовался порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена производства Ticona, Celanese. Сформирована гибридная пористая многослойная конструкция цилиндрической формы высотой 20 мм и диаметром 10 мм, состоящая из пористого и сплошного слоя, со средним диаметром пор 50 мкм. Объемная пористость - 85% об. Предел прочности на сжатие - 90 МПа, модуль Юнга при сжатии - 1.0 ГПа, отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 45% деформации конструкции при сжатии. При изгибе под 45° - отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера. Ударная вязкость по Шарпи без надреза 65 кДж/м.
Пример 2.
2
В качестве исходного материала использовался порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки производства Ticona, Celanese. Сформирована гибридная пористая многослойная конструкция, состоящая из пористого и сплошного слоя, со средним диаметром пор 1000 мкм. Объемная пористость - 50% об. Предел прочности на сжатие - 70 МПа, модуль Юнга при сжатии - 0.71 ГПа, отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 42% деформации конструкции при сжатии. При изгибе под 45° - отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера. Ударная вязкость по Шарпи без надреза 53 кДж/м. При ортотопической имплантации заявляемой конструкции цилиндрической формы лабораторным животным (крысы линии Вистар, самцы, m=200±11 г) в искусственно сформированный дефект большеберцовой кости на 30 дней было установлено сохранение опорной функции конечностей животного за счет оптимальных механических характеристик имплантированной конструкции, отсутствие признаков воспаления или отторжения за счет ее биосовместимости. Сохранение исходной микроструктуры полиэтилена конструкции с колонизацией клетками крысы губчатого слоя, обеспечившей плотную фиксацию в кости реципиента, были установлены при гистологическом анализе извлеченного образца, что доказывает как хорошие эксплуатационные качества конструкции (пластичность при изгибе и сжатии, ударопрочность и трещиностойкость), обусловленные описанными в примере выше механическими характеристиками, так и оптимально подобранный размер и характер пор губчатого слоя.