Способ получения костного имплантата на основе стерильного костного матрикса
METHOD FOR OBTAINING BONE IMPLANT BASED ON STERILE BONE MATRIX

Изобретение относится к медицине, а именно: к травматологии, ортопедии, репродукции тканей и биопротезированию, к другим областям реконструктивно-восстановительной хирургии для восстановления органотипической структуры и функции кости, в том числе в инфицированных ранах. Может быть использовано в работе банков тканей для обеспечения учреждений здравоохранения костными имплантатами и имплантационными препаратами.
В практике травматологии и ортопедии существует потребность в костных имплантатах, сочетающих остеоиндуктивные и остеокондуктивные свойства с высокой механической прочностью, близкой к аналогичным характеристикам компактного вещества нативной костной ткани.
Высокая степень стерильности необходима в биоимплантологии, в частности, на завершающих стадиях изготовления костных имплантатов. При их использовании должна быть исключена возможность инфицирования реципиентов бактериальными, грибковыми и вирусными инфекциями. Поэтому технологический процесс изготовления костных образцов биологической природы должен завершаться надежной и адекватной стерилизацией с максимально возможным сохранением пластических свойств ткани.
Имеются сведения о различных способах и технологиях получения имплантатов и трансплантатов в зависимости от поставленных задач.
Известен способ изготовления костных имплантатов (патент РФ №2526429), включающий механическую обработку фрагмента кости гидродинамической струей, деминерализацию заготовки в растворе неорганической кислоты, нейтрализацию остатков кислоты, ее стерилизацию озоно-кислородной смесью (5-50) мг/м в течение (7-10) минут. Деминерализованный имплантат в связи с его белковой природой представляет собой биоразлагаемый материал и имеет высокую остеоиндуктивную активность. Однако, его недостатком является высокая скорость биодеградации инизкая механическая прочность, что исключает егоиспользование при наличии механических нагрузок. Другие недостаткиспособа - отсутствие антибактериальных свойств имплантата и возможность проявления им антигенных свойств, что затрудняет применение в инфицированных ранах и при воспалительных поражениях костной ткани.
Известен способ получения костного имплантата с деминерализованным поверхностным слоем (патент РФ №2732427), включающий деминерализацию поверхностного слоя имплантата на глубину (0,25-0,30) мм в одной из деминерализующих сред (0,8 н раствор соляной кислоты или 15% раствор ортофосфорной кислоты), обеспечивающих одинаковую динамику удаления минеральной фазы кости. Способ обеспечивает получение имплантата, сочетающего остеоиндуктивные свойства с достаточной механической прочностью. Недостатком метода является наличие иммуногенных свойств деминерализованного костного матрикса.
Известен способ получения биоимплантата на основе стерильного деорганифицированного костного матрикса (патент РФ №2708235), выбранный в качестве прототипа, включающий деорганификацию кости 10% раствором гипохлорита натрия в течение 144 часов при t=20°С с последующей комбинированной стерилизацией имплантата озоно-воздушной смесью с концентрацией озона (6-8) мг/л, продолжительностью (10-20) минут в проточном режиме и радиационным облучением герметично упакованных образцов потоком быстрых электронов при величине поглощенной дозы (11-15) кГр. Дополнительно осуществляют инкубацию деорганифицированных имплантатов в 0,9% растворе натрия хлорида с добавлением 0,05% сангвиритрина при температуре +37°С в течение 72 часов. После этого готовое средство высушивают при t=+20°С и герметично упаковывают. Недостатком способа является низкая механическая прочность полностью деорганифицированного костного имплантата.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получениястерильного имплантата - носителя антимикробного лекарственного средства с деорганифицированным поверхностным слоем, обладающего антибактериальными свойствами, сочетающего остеоинтегративные свойства деорганифицированного поверхностного слоя кости и механическую прочность нативной кости имплантата с отсутствием антигенной активности.
Технический результат изобретения включает:
- повышение остеоинтегративной способности и остеокондуктивного потенциала за счет увеличения пористости поверхностного деорганифицированного слоя при сохранении на уровне около 90% исходных прочностных характеристик нативного костного имплантата;
- биоинертность (по отношению к окружающим имплантат тканям реципиента) деорганифицированного, лишенного органического компонента, поверхностного слоя имплантата, состоящего из гидроксиапатита кальция биологического происхождения;
- адресную доставку иммобилизованного в слое деорганифицированного костного матрикса антимикробного лекарственного средства в область оперативного вмешательства при наличии инфицирования или гнойно-некротического патологического очага кости в зоне оперативного вмешательства.
Достижение технического результата возможно при использовании способа получения костного имплантата на основе стерильного костного матрикса, включающего механическую обработку нативной кости фрезерованием в среде охлажденного до +4°С 0,9% раствора натрия хлорида, который подают в виде струи в зону резания, удаление органической фазы кости из поверхностного слоя образца на глубину (0,25-0,30) мм в 10% растворе гипохлорита натрия, инкубацию костного матрикса в 0,9% растворе натрия хлорида с добавлением антибактериального лекарственного средства - 0,05% сангвиритрина, с последующей 2-этапной комбинированной стерилизацией полученных костных имплантатов озоно-кислородной смесью с концентрацией озона (6-8) мг/л и продолжительностью (10-20) минут в проточном режиме на первом этапе и радиационным облучением потоком быстрых электронов с величиной поглощенной дозы (11-15) кГр герметично упакованных образцов на втором этапе. При этом отмывку полученных образцов с деорганифицированным поверхностным слоем от остатков гипохлорита натрия осуществляют в течение (3-4) часов предварительно приготовленным озонированным раствором 0,9% натрия хлорида, озонирование которого проводят в течение (30-40) минут озоно-кислородной смесью с концентрацией в ней озона (6-8) мг/л.
2
Препарат Сангвиритрин является растительным антимикробным лекарственным средством. Производитель: АО «Фармцентр ВИЛАР» (Россия) - Фармакопейная статья 42-2444-98. Представляет собой субстанцию в виде суммы бисульфатов двух близких по структуре и физико-химическим свойствам четвертичных бензо[с]фенантридиновых алкалоидов сангвинарина (I 2R=CH) и хелеритрина (IIR=Me) (в виде моногидратов).
Пример. Получение костного имплантата с деорганифицированным поверхностным слоем.
1. Из фрагмента диафиза бедренной кости быка (возраст 1,5÷2 года) методом фрезерования в охлаждающей среде с использованием полых фрез получают цилиндрические заготовки имплантатов диаметром 5 мм. В качестве охлаждающей среды используют охлажденный до t+4°C раствор 0,9% натрия хлорида. Фрезерование диафиза кости проводят с учетом экспериментально установленных оптимальных параметров фрезерования: скорость вращения полой фрезы - 600 оборотов в минуту, скорость подачи - 5 мм/мин. Торцевую поверхность цилиндрических костных фрагментов обрабатывают отрезными фрезами с алмазным напылением режущей части с использованием прецизионного отрезного станка. Обработку осуществляют за один проход с экспериментально установленными оптимальными параметрами резания компактного вещества кости в охлаждающей среде: скорость вращения фрезы - 2000 об/мин, скорость подачи - 5 мм/ мин. Охлажденный до t+4°С раствор 0,9% натрия хлорида подают в зону резания в виде струи, при этом расход охлаждающей жидкости составляет 3 литра в минуту. Таким образом, получают нативные костные имплантаты цилиндрической формы диаметром 5 мм и высотой 12,5 мм.
2. Для образования на имплантатах деорганифицированного поверхностного слоя глубиной (0,25-0,30) мм исходные нативные костные имплантаты помещают в герметичную стеклянную емкость с притертой крышкой с 10% раствором гипохлорита натрия, с содержанием в растворе активного хлора 100 г/л. Продолжительность деорганификации - 24 часа при t+20°С при соотношении объемов образцы/раствор, равном 1/50.
Деорганифицированный поверхностный слой глубиной (0,25-0,30) мм обеспечивает биоинертность имплантата по отношению к окружающим тканям реципиента.
3. Полученные образцы с деорганифицированным поверхностным слоем подвергают отмывке в течение (3-4) часов озонированным раствором 0,9% натрия хлорида от остатков гипохлорита натрия.
Озонирование раствора натрия хлорида осуществляется путем насыщения раствора при пропускании через него газообразной озоно-кислородной смеси. Смесь формируется с использованием генератора озона, на вход которого подается кислород, выделяемый из воздуха с помощью концентратора кислорода (концентрация кислорода на выходе - 95%). Генератор озона производит озоно-кислородную смесь с концентрацией озона (6-8) мг/л. Озоно-кислородная смесь через специальную насадку для озонирования жидкостей по трубке с керамическим наконечником-рассекателем подается в придонную область сосуда объемом 0,5 л с раствором 0,9% натрия хлорида. В процессе осуществляемого барботирования озон проходит через слой натрия хлорида, часть его растворяется в жидкости, а оставшийся свободный озон через специальный патрубок в крышке выводится из сосуда и утилизируется деструктором. Процесс озонирования продолжается в течение (30-40) минут. Затем полученный озонированный раствор натрия хлорида сразу используется для промывки, т.к. концентрация содержащегося в нем озона и эффективность стерилизующего воздействия со временем может снижаться.
Применение для отмывки образцов озонированного раствора натрия хлорида позволяет кроме механической очистки осуществить дополнительно первичную нейтрализацию патогенов на поверхности костных образцов перед помещением их в раствор сангвиритрина, обеспечивая таким образом достижение необходимого уровня стерильности процесса изготовления костных имплантатов и предотвращение дополнительной контаминации костных образцов.
4. Для иммобилизации лекарственного антибактериального средства, например, сангвиритрина, в деорганифицированном поверхностном слое костныхимплантатов, их инкубируют в 0,9% растворе натрия хлорида с концентрацией сангвиритрина 0,05%. Инкубацию проводят при температуре t+37°C в течение 72 часов.
5. Полученные костные имплантаты с деорганифицированным поверхностным слоем и антибактериальными свойствами высушивают в асептических условиях при t+20°C. Далее проводят двухэтапную комбинированную стерилизацию озоно-кислородной смесью с концентрацией озона (6-8) мг/л в течение (10-20) минут в проточном режиме совместно с упаковкой на первом этапе и последующим радиационным облучением герметично упакованных образцов с экспериментально установленной оптимальной величиной поглощенной дозы (11-15) кГр.
Механические характеристики костных имплантатов (диаметр 5 мм, высота 12,5 мм) определяют при испытании на сжатие с использованием испытательной машины. Величина прочности при сжатии образцов с деорганифицированным поверхностным слоем глубиной (0,25-0,30) мм составляет (194±7) МПа, что соответствует около 92% от прочности образцов из нативной костной ткани соответствующего диаметра и высоты.
В таблице представлена зависимость - прочности при сжатии костных цилиндрических образцов в зависимости от времени инкубации в 10% растворе гипохлорита натрия и глубины деорганифицированного поверхностного слоя. Глубину деорганифицированного поверхностного слоя образцов контролируют на их поперечном срезе с использованием световой микроскопии.
Пролонгированное высвобождение в 0,9% раствор натрия хлорида иммобилизованного антибактериального лекарственного средства (сангвиритрин) контролируют методом измерения оптической плотности раствора с использованием спектрофотометра (фиг. 1).
В результате использования предлагаемого способа получен стерильный костный имплантат на основе стерильного костного матрикса с остеоинтегративными, антибактериальными свойствами, с сохранением механической прочности нативной кости. Модификации подвергают только поверхностный слой костного имплантата посредством его деорганификации на глубину (0,25-0,30) мм.