КОМПОЗИЦИЯ МНОГОЦЕЛЕВОГО БИОМАТЕРИАЛА
MULTI-PURPOSE BIOMATERIAL COMPOSITION

Область изобретения
Настоящее изобретение касается композиции биоматериала. Более конкретно изобретение касается многоцелевого биоматериала на основе фосфата, пригодного в качестве наполнителя костей, биоадгезива, костного цемента и костного трансплантата. Настоящее изобретение особо пригодно в качестве биоадгезива для костей, связок и другой мягкой ткани и обладает неожиданными остеопролиферативными эффектами. Изобретенная связующая композиция имеет различные другие применения.
Предпосылки
Возрастающее количество повреждений, связанных с занятиями спортом, и возрастных повреждений, таких как переломы костей, стертые суставы и разорванные связки, повышает потребность в биоматериалах, способных лечить ортопедические повреждения. В ответ на это компании разработали костные цементы для прикрепления различных объектов к кости и костные наполнители, способные лечить трещины и другие дефекты костей. Однако существующие абсорбируемые биоматериалы не отвечают требованиям обеспечения прикрепления к кости мягких тканей, таких как связки, и стимуляции образования новой кости.
Большинство существующих биоматериалов изготовлены из фосфатов кальция или относительно инертных отвердевающих полимеров, подобных полиметилметакрилату (ПММА).
В патенте США №5968999 (Ramp и др.) описан состав костного цемента на основе ПММА, пригодного для ортопедических процедур. К сожалению, биоматериалы на основе ПММА в процессе заживления выделяют значительные количества тепла в окружающую кость, вызывая гибель клеток. Получаемые материалы при схватывании сокращаются в размерах и имеют слабую устойчивость к переломам. ПММА-биоматериалы также имеют низкие степени биоабсорбции и плохую биосовместимость вследствие высвобождения в кровоток токсического мономера. Нет достаточных оснований считать, что материалы на основе ПММА промотируют какое-либо существенное образование новой кости.
В последние годы в качестве биоматериалов разработан ряд композиций на основе фосфата кальция. Например, в патенте США №6331312 (Lee и др.) раскрыт вводимый композит на основе фосфата кальция, пригодный в качестве костного наполнителя и цемента. Раскрытый материал является биорассасывающимся и предназначен для использования с целью активации регенерации и роста костной ткани, а также прикрепления винтов, пластин и других фиксирующих устройств. Композиция по Lee не расширяется при схватывании и не очень подходит для прикрепления к кости мягких тканей, таких как связки. По-видимому, созданная Lee композиция не промотирует существенным образом образование новой кости.
Многие существующие наполнители и цементы на основе фосфата кальция имеют высокие молярные отношения Ca к P, что делает их слабореабсорбируемыми. Кроме того, последний опубликованный FDA документ предостерегает о серьезных осложнениях от использования существующих костных наполнителей на основе фосфата кальция при лечении компрессионных переломов позвоночника (FDA Public Health Web Notification "Осложнения, связанные с использованием цемента и костных наполнителей при лечении компрессионных переломов позвоночника", первоначально опубликованный 31 октября 2002, откорректированный 27 мая 2004.) Обычно у современных цементов на основе фосфата кальция отсутствует характеристика успешной биоадгезионной способности.
Известные биокомпозиты или биополимеры обеспечивают средства для усиления адгезии к кости и существующим структурам помимо аспектов химического прилипания смеси. В качестве таковых часто используют соединительные детали (например, винты или зажимы) для поддержки физиологических структур до отверждения смесей. Часто такие соединительные детали не являются биоразлагаемыми и могут вызывать послеоперационные осложнения. Для уменьшения послеоперационных осложнений разработано несколько абсорбируемых фиксирующих устройств, включая поликапролактон и различные обогащенные фосфатнокальциевым стеклом материалы. Однако эти материалы демонстрируют быстрый спад механической прочности после их начального применения.
Разработаны также разнообразные материалы в качестве материалов для костных трансплантатов. Традиционные подходы к стимуляции образования кости включают процедуры аллотрансплантации и аутотрансплантации, а также использование различных заместителей костных трансплантатов на основе керамики и полимеров. Последние разработки включают использование рекомбинантных факторов роста, таких как костный морфогенетический белок (КМБ), для стимуляции образования кости.
Притом, что существующие коммерческие биоматериалы могут заполнять дефекты кости и/или прикреплять имплантаты к кости, ни один из имеющихся в настоящее время материалов не обеспечивает биоадгезив, который может заполнять пустоты и трещины и способен прикреплять мягкие ткани к кости. Кроме того, имеется немного биоматериалов (если вообще такие известны), способных использоваться в качестве адгезивного и остеопролиферативного костного трансплантата без использования факторов роста.
in vivo
Существует потребность в рассасывающейся биокомпозиции, которую можно использовать в качестве костного наполнителя (костного трансплантата) и/или биоадгезива. Адгезив должен включать типичные кальцийсодержащие компоненты для обеспечения минимальной цены и повышения биосовместимости. Адгезив должен сохранять свою технологичность и в конечном счете "затвердевать" в физиологических условиях, включающих температуру, pH и влажность. Этот материал должен абсорбироваться в организме и заменяться собственной костью пациента без каких-либо неблагоприятных побочных эффектов. Также адгезив должен наноситься на кость, имплантаты, связки и сухожилия таким образом, чтобы обеспечивать возможность заполнения пустот и заживления трещин, а также поддержку структуры. В конце концов, биоадгезив должен обеспечить средства для химического и механического закрепления структур на месте .
Автор изобретения на протяжении лет разрабатывал биоматериалы, которые преодолевают недостатки композиций прототипов. В патенте США №6533821 на имя автора настоящего изобретения описан такой многоцелевой биоадгезив.
Существует также потребность в улучшенном многоцелевом биоматериале, который является остеопролиферативным, предпочтительно остеоиндуктивным, для использования в качестве многоцелевого костного трансплантата, наполнителя, адгезива, связующего, крепежа и цемента. Этот биоматериал должен иметь способность регулирования экзотермической реакции ниже примерно 50°C, должен легко подвергаться обработке, иметь неограниченное рабочее время и иметь возможность легкого введения с применением шприца.
Раскрытие изобретения
2
4
Настоящее изобретение описывает многоцелевой биоматериал, который идеально подходит для использования в качестве биоадгезива, костного и зубного цемента, костного наполнителя, костного крепежа и костного трансплантата. Этот многоцелевой биоадгезив обычно содержит KHPO (MKP), оксид металла (а именно MgO), кальцийсодержащее соединение, сахар (или производное/заменитель сахара) и воду. Изобретенный сахарсодержащий биоадгезив демонстрирует существенные остеопролиферативные эффекты, которые, как сначала было показано, являются остеоиндуктивными.
Композит можно наносить на контактирующие с костью поверхности имплантируемых устройств как костный цемент. Этот материал можно наносить непосредственно на дефекты кости как костный наполнитель или костный трансплантат. По-другому, композит можно использовать вместе с различными фиксирующими устройствами, такими как винты и пластины. Этот материал может действовать как система доставки, если добавить к основе фармацевтически активные агенты. Можно исползовать настоящий материал в качестве биоабсорбируемого биоадгезива для прикрепления к кости мягких тканей (то есть связок) без необходимости использования винтов или неабсорбируемых фиксирующих устройств. Особенностью предпочтительного варианта является применение сахара для усиления адгезионных, биоадсорбционных и остеопролиферативных характеристик материала.
Настоящее изобретение касается биоадгезива, который влияет на заживление на месте и прилипание частей организма друг к другу и прилегающим структурам. Отличительным признаком настоящего изобретения является то, что адгезив может "затвердевать" при физиологических температурах и pH за короткое время (а именно за период менее примерно 15-25 мин) и может затвердевать за предельно короткое время (а именно ~15 с или менее) при воздействии лазера. Другим отличительным признаком изобретения является то, что биоматериал увеличивается в объеме in vivo. Преимуществом изобретенного препарата является его способность одновременно заполнять дефекты кости и обеспечивать структурную опору. Преимуществом является способность адгезива расширяться при отверждении или заживлении, сообщающая дополнительный механический контакт между адгезивом и частями организма и между частями организма и такими прилегающими структурами, как производственные материалы и биологические материалы.
Настоящее изобретение также касается костного заместителя/костного трансплантата как основы для образования кости. Преимуществом этого вещества является его постепенная абсорбция организмом без отторжения или неблагоприятного взаимодействия с контактирующими структурами. Существенным преимуществом одного варианта являются остеопроводящие и очевидные остеоиндуктивные свойства данного материала без использования факторов роста.
Кратко говоря, другой вариант изобретения касается биоадгезива, содержащего средства для прикрепления объектов к кости, средства для усиления указанных прикрепляющих средств и средства для облегчения in vivo разложения биоадгезива. Преимуществом настоящего изобретения являются его превосходные адгезионные характеристики, включая способность прикреплять к кости мягкие ткани (то есть связки и сухожилия).
in vivo
Отличительным признаком одного варианта изобретения является способность усиливать прикрепление мягких тканей к кости. Изобретенный биоматериал предпочтительно используют для прикрепления мягкой ткани к кости без необходимости использования винтов, пластин или других фиксирующих устройств. Также изобретение относится к способу скрепления структур с поверхностью кости , способу, включающему обеспечение доступа к поверхности кости посредством хирургического надреза; одновременное нанесение фосфатсодержащего биоадгезива на структуры и/или поверхность кости; закрытие надреза и возможность расширения адгезива.
Описанный многоцелевой биоматериал является остеопролиферативным и неожиданно остеоиндуктивным. Биоматериал имеет возможность регулирования экзотермической реакции ниже примерно 50°C, с ним легко работать, материал имеет неограниченное рабочее время и его можно легко вводить, используя шприц.
Описанное изобретение также касается полезной многоцелевой композиции. Изобретенную композицию можно использовать различным образом, в том числе (но не ограничиваясь этим) как покрытие, агент для повышения огнестойкости, общая связующая матрица, цемент и огнеупорный агент. Композиция обладает превосходной жаро- и огнестойкостью, высокой прочностью на сжатие и превосходными адгезионными качествами.
Определения
Термин "остеопроводящий" обозначает способность материала служить в качестве строительных лесов для жизнеспособного роста и срастания кости.
Термин "остеоиндуктивный" обозначает способность стимулировать или вызывать рост незрелых клеток кости (или соединительной ткани), их созревание и дифференцировку в кость, образование здоровой кости.
Термин "биосовместимый" относится к материалу, который не вызывает существенной нежелательной реакции у реципиента.
"
in vivo
Термин "биорассасывающийсяопределяют как способность материала рассасываться  посредством происходящих в организме процессов. Рассосавшийся материал может использоваться в организме реципиента или может выделяться.
Выражение "полученные клетки" определяют как препарат живых клеток, включая (но не ограничиваясь этим) ткани, клеточные линии, трансформированные клетки и клетки носителя. Клетки предпочтительно являются аутологическими, но также могут быть ксеногенными, аллогенными и сингенными.
Краткое описание фигур
На чертеже представлена диаграмма вращающего момента экстракции, результаты показывают, что настоящий продукт на основе композиции MgO-MKP-сахар (костный раствор) имеет существенно (p<0,001) больший вращающий момент экстракции (в среднем 97,5+/-17,7 Нм), чем контроль, продукт на основе Ca и ПММА. ПММА имеет существенно (p<0,05) больший вращающий момент экстракции, чем продукт на основе Ca.
Наилучший способ осуществления изобретения
in vivo
Изобретение касается биоматериала для скрепления на месте (то есть ) биологических структур друг с другом и с производственными структурами. Биоадгезив также способствует заживлению кости, связок, сухожилий и прилегающих структур. Изобретение также относится к костному заменителю для хирургического восстановления. Изобретенный препарат применим при различных температурах, диапазонах pH, уровнях влажности и давлениях. Однако этот препарат предназначен для использования при всех физиологических температурах, диапазонах pH и концентрациях жидкостей. Обычно смесь вводится посредством инъекции до затвердевания и демонстрирует нейтральный pH после затвердевания. С течением времени она абсорбируется в организме носителя.
Эта смесь особенно пригодна в ситуациях (например, при пластической хирургии), когда старательно избегают применения металлических соединительных деталей и других небиоабсорбируемых материалов. Этот материал пригоден также, если ожидается некоторое расширение или опухание после хирургической операции, например при черепных операциях. Он является хорошим основанием для образования кости. Этот материал можно также использовать в качестве крепежного устройства или трансплантационного материала.
2
4
Обычно производят биоадгезив из гидратированной смеси, которая содержит KHPO, оксид металла, сахар и кальцийсодержащее соединение. Типичные препараты включают следующие:
Препарат I*
Фосфат калия (то есть KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>)
61%
MgO (кальцинированный)
31%
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
4%
Сахароза C<sub>12</sub>H<sub>22</sub>O<sub>11</sub> (порошок)
4%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно 22-25% масс.
Препарат II*
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
54%
MgO (кальцинированный)
33%
Кальцийсодержащее соединение
9% (причем соединение является Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>8</sub>(OH)<sub>2</sub>)
Сахароза C<sub>12</sub>H<sub>22</sub>O<sub>11</sub> (порошок)
4%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат III*
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
44%
MgO (кальцинированный)
44%
Кальцийсодержащее соединение
8% (причем соединение является Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub> или CaSiO<sub>3</sub>
Сахароза C<sub>12</sub>H<sub>22</sub>O<sub>11</sub> (порошок)
4%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 36-38% масс.
Препарат IV*
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
45%
MgO (кальцинированный)
45%
Кальцийсодержащее соединение
9% (причем соединение является Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>, CaSiO<sub>3 </sub>или их комбинацией
Сахароза C<sub>12</sub>H<sub>22</sub>O<sub>11</sub> (порошок)
1%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат V
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
45%
MgO (кальцинированный)
45%
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
8%
Сукралоза
2%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат VI
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
61%
MgO (кальцинированный)
32%
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
4%
Декстроза
1,5%
α-Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
1,5%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат VII
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
50%
MgO (кальцинированный)
35%
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
7%
β-Ca<sub>3</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
3%
Декстроза
5%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат VIII
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
61%
Оксид металла
32% (где оксид металла является MgO, CaO, FeO или их комбинацией)
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
6%
Сахар
1%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат IX
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
54%
Фосфорная кислота
4%
Оксид металла
32% (где оксид металла является MgO, ZrO, FeO или их комбинацией)
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>8</sub>(OH)<sub>2</sub>
7%
Сахароза
3%
*Все значения представляют собой массовые проценты.
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Препарат X
KH<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
45%
MgO (кальцинированный)
45%
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>
10%
Добавляют воду примерно до 40% масс. препарата, предпочтительно примерно 22-25% масс.
Притом что приведенные выше препараты и массовые проценты являются наиболее предпочтительными соотношениями, можно также использовать диапазон содержания сухих компонентов. Например, подходящий диапазон для фосфата (то есть MKP) обычно составляет 20-70% масс., предпочтительно примерно 40-65% масс. В некоторых ситуациях может быть предпочтительным использовать фосфат при содержании в диапазоне примерно 40-50% масс., тогда как в других ситуациях может быть предпочтительным содержание примерно от 50 до 65% масс.
Подходящий диапазон для оксида металла (а именно MgO) обычно составляет примерно 10-60, предпочтительно 10-50 и еще более предпочтительно 30-50% масс. В некоторых ситуациях может быть предпочтительным содержание в диапазоне примерно от 35 до 50% масс.
Кальцийсодержащие соединения можно добавлять при различном массовом процентном соотношении. Предпочтительно добавляют кальцийсодержащее соединение (соединения) при соотношении примерно 1-15% масс., хотя можно использовать более высокое процентное содержание.
Сахара (и/или другие углеводсодержащие материалы) обычно присутствуют при процентном массовом содержании от 0,5 до 20, предпочтительно примерно 0,5-10% масс. сухой композиции.
Воду (или другой водный раствор) можно добавлять в широком диапазоне процентного массового содержания, обычно примерно 15-40% масс.
Для некоторых вариантов (т.е. формула III) обнаружено, что добавление воды при соотношении примерно 37% масс. дает материал сметанообразной текстуры, с которым предельно просто работать, который имеет превосходные адгезионные свойства и легко вводится шприцем.
Важно отметить, что эти типичные массовые процентные соотношения и диапазоны могут варьировать при добавлении различных наполнителей, эквивалентов и других компонентов или по другим причинам.
Характерным признаком настоящего изобретения является соотношение между MKP (эквивалентом MKP, комбинацией и/или заменителем) и оксидом металла. Предпочтительный вариант имеет процентное массовое соотношение MKP и MgO примерно от 4:1 до 0,5:1, более предпочтительно приблизительно от 2:1 до 1:1. В таком предпочтительном варианте автор изобретения предполагает, что непрореагировавший магний по меньшей мере частично отвечает за характеристики расширяемости биоадгезива in vivo.
2
Конкретно оксид металла (т.е. оксид магния) взаимодействует с водой и сывороткой, а также в живой ткани и вокруг нее, давая Mg(OH) и соли магния. Обнаружено, что один вариант материала обычно увеличивается в объеме на 0,15-0,20% при отверждении во влажности. Полагают, что расширение материала повышает адгезионные характеристики материала. Например, показано, что раскрытый материал эффективно прикрепляет к кости мягкие ткани, такие как связки, причем расширение материала улучшает адгезию через механическую прочность.
3
2
3
3
4
4
MgO является предпочтительным оксидом металла (гидроксидом металла или другим эквивалентом), однако вместо или в дополнение к MgO можно использовать порошки других оксидов и гидроксидов, включая (но не ограничиваясь этим) FeO, Al(OH), FeO, FeO, ZrO и Zr(OH), оксиды и гидроксиды цинка, оксид и гидроксиды кальция и их комбинации.
MKP является предпочтительным, но для некоторых применений можно заменять MKP другими соединениями (или добавлять их к MKP), включая, но не ограничиваясь этим фосфорную кислоту и соли фосфорной кислоты, такие как фосфат натрия, алюминия, моноаммонийфосфат и диаммонийфосфат.
Кальцийсодержащее соединение
Кальцийсодержащее соединение является существенным для изобретения, так как оно повышает биосовместимость и биоабсорбцию биоматериала. Соединение (соединения) кальция можно выбрать из разнообразных биосовместимых кальцийсодержащих соединений, включающих трикальцийфосфаты, но не ограниченных этим. Подходящие трикальцийфосфаты
3
4
2
3
4
2
10
4
6
2
включают α-Ca(PO), β-Ca(PO) и Ca(PO)(OH).
3
Вообще, подходящие кальцийсодержащие соединения включают (но не ограничены этим) трикальцийфосфаты, двухфазный фосфат кальция, тетракальцийфосфат, аморфный фосфат кальция (ACP), CaSiO, оксиапатит (OXA), слабокристаллический апатит (PCA), октакальцийфосфат, дикальцийфосфат, дикальцийфосфата, метафосфат кальция, гептакальцийметафосфат, пирофосфат кальция и их комбинации.
Предпочтительные кальцийсодержащие соединения включают трикальцийфосфаты, ACP, дикальцийфосфат, дигидрат дикальцийфосфата и их комбинации.
3
4
2
3
4
2
10
4
6
2
Наиболее предпочтительными являются  α-Ca(PO), β-Ca(PO) и Ca(P0)(OH), их эквиваленты и комбинации. Предпочтительный трикальцийфосфат представляет собой трикальцийфосфат фармацевтического или пищевого качества производства Astaris (St. Louis, MO).
Кальцийсодержащие соединения повышают биосовместимость и биоабсорбцию биоадгезива. Однако кальцийсодержащие соединения различаются по своим степеням биоабсорбции и биосовместимости. Некоторые характеристики различаются даже у разных трикальцийфосфатов.
10
4
6
2
3
4
2
3
4
2
Может быть полезным объединение различных кальцийсодержащих соединений с целью влияния на характеристики биосовместимости и биоабсорбции материала. Например, Ca(PO)(OH) (HA) стабилен в физиологических условиях и имеет тенденцию относительно слабо абсорбироваться, тогда как β-Ca(PO) легче абсорбируется. Два этих вещества можно объединить (т.е получить двухфазный фосфат кальция) с образованием смеси, имеющей характеристики примерно между HA и β-Ca(PO). Можно представить себе ряд комбинаций кальцийсодержащих соединений.
Сахара, заменители сахара, подслащающие вещества, углеводы и эквиваленты
Характерным аспектом предпочтительного варианта является включение в матрицу биоматериала по меньшей мере одного сахара или подобного сахару вещества. Автор изобретения обнаружил, что содержащие сахар биоматериалы обладают существенными остеопролиферативными свойствами, а также повышенными адгезионными способностями. Полагают, что сахароподобную сахарозу можно заменить или дополнить другими сахарами и родственными сахарам соединениями.
Подходящие сахара или родственные сахарам соединения включают (но не ограничены этим) сахара, производные сахаров, т.е. сахарные спирты, природные и искусственные подслащающие вещества, т.е. ацесульфам-k, алитам, аспартам, цикламат, неогесперидин, сахарин, сукралозу и тауматин, сахарные кислоты, аминосахара, полисахариды гликозаминогликаны, гликолипиды, сахарные полимеры, заменители сахара, включая такие заменители как сукралоза (а именно Splenda, McNeil Nutritionals LLC, Ft. Washington, PA), кукурузный сироп, мед, крахмалы и другие углеводсодержащие материалы.
Примеры сахаров включают (но не ограничены этим) сахарозу, лактозу, мальтозу, целлобиозу, глюкозу, галактозу, фруктозу, декстрозу, маннозу, арабинозу, пентозу, гексозу. Предпочтительной сахарной добавкой является полисахарид, более предпочтителен дисахарид, такой как сахароза.
Одной предпочтительной добавкой является сахар, соединенный с агентом, повышающим текучесть, таким как крахмал. Типичной добавкой является смесь приблизительно 97% масс. сахарозы и 3% масс. крахмала.
Сахар, как и другие компоненты, может быть в различных формах, включая (но не ограничиваясь этим) сухие формы (т.е. гранулы, порошки и др.), водные формы, пасты и гели. Можно доказать, что предпочтительно использовать порошкообразный материал.
Автор изобретения показал, что изобретенный сахарсодержащий биоматериал обладает неожиданно хорошими адгезионными качествами. Фактически изобретенная композиция превосходит существующие в данной области материалы (обсуждаются ниже, смотри примеры I и III). Полагают, что сахар улучшает физическое (и, возможно, химическое) связывание цемента с объектами. Повышенная адгезия сахарсодержащих фосфатных цементов особо хорошо соответствует требованиям прикрепления мягкой ткани, такой как связки и сухожилия, к кости без необходимости применения интрузивных неабсорбируемых устройств, таких как винты и штифты. Исключение неабсорбируемых устройств уменьшает количество послеоперационных осложнений и предпочтительно промотирует рост кости вокруг регенерируемого места.
Неожиданно и непредсказуемо было обнаружено, что сахарсодержащая композиция значительно усиливает образование новой кости. Полагают, что сахар и другие соединения композиции обеспечивают почти идеальные условия для образования новой кости. Это утверждение подкрепляется неожиданными и непредсказуемыми результатами исследований, представленными в примере II.
Материал для костных трансплантатов
В одном варианте композиция по настоящему изобретению обеспечивает костный заменитель и основу для образования костей. Преимуществом этого материала является постепенная абсорбция организмом без отторжения или взаимодействия с контактирующими структурами. Дополнительным преимуществом изобретенной композиции являются ее существенные остеопролиферативные свойства. Фактически в исследованиях изобретенная композиция усиливает образование костей так неожиданно сильно, что можно считать эту композицию остеоиндуктивной, что совершенно неожиданно и беспрецедентно для многоцелевого биоматериала без использования факторов роста. Полагают также, что биоматериал имеет микро- и макропоры.
Дополнительные варианты
Раскрытые здесь препараты могут включать дополнительные наполнители, добавки и вспомогательные материалы. Вспомогательные материалы можно добавлять к биоматериалу в переменных количествах и в разнообразных физических формах, в зависимости от предполагаемого использования. Вспомогательные материалы можно использовать для различных изменений биоматериала.
Вспомогательные материалы, добавки и наполнители предпочтительно являются биосовместимыми и/или биорассасывающимися. В некоторых случаях может быть желательно, чтобы материал был остеопроводящим и/или также остеоиндуктивным. Подходящие биосовместимые вспомогательные материалы включают (но не ограничены этим) биоактивные композиции на основе стекла, сульфаты кальция, кораллин, полиативные полимеры, белки, жирные кислоты, коллаген, гликоген, хитин, целлюлозы, крахмал, кератины, нуклеиновые кислоты, глюкозамин, хондроитин и денатурированные и/или деминерализованные костные матрицы. Другие подходящие вспомогательные материалы раскрыты в патенте США №6331312 (Lee) и патенте США №6719992 (Constanz), которые полностью включены в настоящее описание в виде ссылок.
В другом варианте изобретения биоматериал содержит радиографический материал, который позволяет представить материал in vivo. Подходящие радиографические материалы включают (но не ограничены этим) оксид бария и титан.
Можно доказать, что описанный здесь биоматериал идеален для создания биорассасывающихся имплантатов и устройств, которые могут рассасываться в организме с течением времени, уменьшая количество осложнений и при этом промотируя реформацию кости. Биоматериал можно также использовать для получения покрытия различных частей имплантатов.
Еще в одном варианте изобретенный биоматериал содержит замедлитель или ускоритель схватывания для регуляции времени отверждения композиции. Регуляторы схватывания предпочтительно являются биосовместимыми. Подходящие замедлители включают (но не ограничены этим) хлорид натрия, фторсиликат натрия, полифосфат натрия, борат, борную кислоту, эфир борной кислоты и их комбинацию.
Предпочтительная замедляющая композиция содержит сахар (сахарозу) и борную кислоту при массовом соотношении от 0,5:1 до 1:0,5, предпочтительно при соотношении приблизительно 1:1. Эти регуляторы схватывания предпочтительно добавляют в количестве менее 5% масс. сухой связующей матрицы.
Можно также получать раскрытый биоматериал различной степени пористости. Регуляцию пористости можно производить различными способами, включая регуляцию размера частиц сухих реагентов и химическое и физическое травление и выщелачивание. Предпочтительный вариант повышает пористость биоматериала посредством добавления 1-20% масс. разрыхлителя, предпочтительно примерно 1-5% масс. Подходящие разрыхлители включают (но не ограничены этим) карбонаты и бикарбонаты, например карбонат кальция, карбонат натрия, бикарбонат натрия, бикарбонат кальция, пищевую соду, пекарский порошок и их комбинации.
Этот биоматериал можно использовать как систему доставки при включении в биоматериал биологически активных соединений (а именно антибиотиков, факторов роста, клеток и др.). Пористый биоадгезив повышает эффективность такой системы доставки.
Катионные антибиотики, особенно аминогликозиды и некоторые пептидные антибиотики могут быть наиболее желательны для включения в биоматериал. Подходящие аминогликозиды включают (но не ограничены этим) амикацин, бутирозин, дидеоксиканамицин, фортимицин, гентамицин, канамицин, ливидомицин, неомицин, нетилмицин, рибостамицин, сагамицин, селдомицин и их эпимеры, сизомицин, сорбистин, спектиномицин и тобрамицин. Наиболее предпочтительным может быть использование неорганических солей, например, сульфатов, фосфатов, гидрофосфатов, причем наиболее предпочтительны сульфаты. Дополнительную информацию об использовании в биоматериалах антибиотиков и факторов роста можно найти в патенте США №6485754 (Wenz), который полностью включен в настоящее описание в виде ссылки.
Факторы роста включают (но не ограничены этим) такие факторы роста, как трансформирующий фактор роста TGF-β.
В раскрытую композицию биоматериала можно также высеять различные живые клетки или клеточные линии. Можно использовать любой известный способ сбора, сохранения и получения клеток. См. патенты США №№ 6719993 (Constanz), 6585992 (Pugh) и 6544290 (Lee).
Показано, что один вариант изобретения чрезвычайно пригоден в качестве строительных лесов для роста твердой ткани и, возможно, также роста мягкой ткани. Кроме того, можно добавить к композиции клетки, продуцирующие ткань и разрушающие ткань, включая (но не ограничиваясь этим) остеоциты, остеобласты, остеокласты, хондроциты, фибробласты, клетки, продуцирующие хрящ, и стволовые клетки. Способы выделения и культивирования таких клеток хорошо известны в данной области.
Изобретенную композицию можно включать в ортопедический набор, содержащий материал (MKP, оксид металла, кальцийсодержащие соединения и др.) в сухом виде, раствор активатора (вода или другой водный раствор) и какие-либо медицинские устройства (т.е. шприцы, ножи и др.), имплантаты или другие агенты, необходимые при операции с использованием изобретенной композиции. Предпочтительно, чтобы материал и раствор активатора присутствовали в предварительно определенном оптимальном соотношении. Можно также представить другие варианты такого ортопедического набора. Биоматериал и другие компоненты набора предпочтительно стерилизованы хорошо известными в данной области способами.
Получение материала
Порошок оксида металла является характерным ингредиентом в изобретенной смеси. Оксид необязательно подвергают процедуре обжига. Продолжительность и температуры обжига определяют эмпирически в зависимости от требуемых конечных характеристик и времен отвердевания. Однако типичными являются температуры обжига до 1300°C в течение нескольких часов.
После обжига порошок оксида смешивают с MKP, кальцийсодержащим соединением и сахаром. Один способ калибровки по размеру и гомогенизиции разных порошков представляет измельчение на вибрационной мельнице. В другом способе гомогенизации используют ленточную мешалку, в которой частицы размалывают до мелкого размера. Здесь раскрыты сухие соединения, однако можно также использовать водные варианты (или другие формы, а именно гели и др.) некоторых компонентов биоматериалов. Обычно используют соединения фармацевтической степени чистоты. Может потребоваться стерилизация различных компонентов с применением известных в данной области методик стерилизации.
После гомогенизации, при которой все компоненты содержатся в виде сухой гомогенной смеси, обычно добавляют воду (или другой водный раствор) примерно до 40% от массы получаемой суспензии, хотя можно регулировать количество воды, получая биоматериал различной вязкости. Эту суспензию перемешивают в течение 1-10 мин в зависимости от условий. Перемешивание можно осуществлять различными способами, используемыми в данной области, включая перемешивание вручную, и электрическим способом. Дополнительные подробности см. в патенте США №6533821 на имя автора изобретения.
Биоматериал можно производить в виде формы для инъекций, пасты, в полужидком виде и других форм. Суспензию получают на месте использования. Варьируя количество добавляемой к сухой смеси воды, можно менять консистенцию материала. Увеличение содержания воды обычно повышает текучесть, тогда как уменьшение содержания воды ведет к загущению суспензии. Этот материал можно получить в виде бесчисленного количества форм.
Рабочее время можно увеличить или уменьшить, варьируя температуры компонентов биоматериала. Компоненты с более высокими температурами склонны взаимодействовать и затвердевать быстрее, чем более холодные компоненты. Таким образом, регулировка температуры воды (или других реагентов) может быть эффективным способом регуляции рабочего времени.
Связывание происходит, в первую очередь, между адгезивом и костью. Однако адгезив также связывается сам с собой или с мягкой тканью. Автор изобретения обнаружил, что использование фосфорной кислоты вместо воды повышает прочность связывания материала. Молярность фосфорной кислоты можно варьировать при условии, что конечный pH суспензии не является опасным для пациента или не противопоказан исцелению. Обычно подходящим является pH суспензии от 6 до 8, однако можно использовать другие значения pH суспензии в зависимости от желательных результатов.
Присоединение
Присоединение биоадгезива к различным структурам можно выполнить рядом способов, включая (но не ограничиваясь этим) инъекцию, распыление и другие способы нанесения. Средства присоединения варьируются в соответствии с необходимым применением и формой адгезива. Один типичный способ описан в патентной заявке США №6533821 на имя автора изобретения, которая полностью включена в настоящее изобретение в виде ссылки.
Пример I
10
4
6
2
Эксперимент, сравнивающий адгезионные свойства костного наполнителя прототипа (NORIAN Skeletal Repair System, Paoli, PA) и предпочтительного варианта настоящего биоадгезива, имеющего массовое процентное содержание: 54% MKP, 33% оксида магния, 9% Ca(PO)(OH) и 4% сахарозной смеси (причем сахарная смесь состоит из 97% сахара и 3% крахмала).
Целью исследования было определение, обладает ли вводимый препарат на базе композиции MgO-MKP-сахар по настоящему изобретению свойствами адгезии кости к кости и сухожилия к кости, с применением клинически релевантных моделей. Биомеханические исследования проводили, используя труп собаки в качестве модели для заживления передних крестообразных связок и трещины бедра. Адгезию тканей определяли количественно в исследованиях с механическим вытягиванием и исследованиях на изгиб по трем точкам. Брали шестнадцать коленных суставов с бедрами и ахилловыми сухожилиями от 8 собак среднего размера и готовили для исследования три конструкции ткани.
Модель ACL: A) Кость к кости.
Вырезали трансплантаты кость-связка надколенной чашечки и запрессовывали кость коленной чашечки в костный тоннель диаметром 7 мм в бедре по ACL отпечатку, симулируя реконструкцию человеческого ACL. Конец связки служил в качестве крепежа для тестирования с механическим вытягиванием.
B) Сухожилие к кости.
Трансплантаты ахиллова сухожилия вводили через тоннель диаметром 7 мм большой берцовой кости, начиная от ACL отпечатка и проходя латеральный большеберцовый кортикальный слой, симулируя реконструкцию человеческого ACL. Не использовали крепежные винты или швы для улучшения регенерации. Исследовали следующие группы: 1) запрессовка (контроль; n=16); 2) препарат на кальциевой основе, вводимый посредством инъекции (n=8) (паста - отрицательный контроль) (Norian Skeletal Repair System - Synthes, Paoli, PA); 3) биоадгезив на основе композиции MgO-MKP-сахар. Конечности объединяли парами в группы 2 и 3. Продукт готовили и вводили в дефекты костей вокруг трансплантатов костей или сухожилий в костных тоннелях и оставляли на ночь отверждаться. Трансплантаты исследовали при механическом растяжении на предельное усилие на разрыв при 1 мм/с.
Модель перелома:
производили наклонную остеотомию длиной 1 см в средней трети диафиза бедра и исследовали четыре материала на фиксацию перелома при восстановлении: 1) кровяной сгусток (свежесвернувшейся конской крови); 2) цианакрилатный клей (Ross Super Glue Gel - Ross Products, Columbus, OH); 3) препарат, вводимый посредством инъекции, на основе кальция (Norian Skeletal Repair System - Synthes, Paoli, PA); 4) препарат, вводимый посредством инъекции, на основе композиции MgO-MKP-сахар. Кроме того, исследовали на перелом четыре неповрежденных бедра. Группы 3 и 4 тестировали на парных конечностях. Группы 1 и 2 тестировали на парных конечностях; половину до и половину после нанесения пастообразных продуктов в группах 3 и 4. Первые исследуемые продукты легко удалялись при соскабливании. Вводимые пасты и цианакрилат наносили обильно на концы сломанных костей, держали соединенными в течение 15 мин до затвердевания и оставляли отверждаться на ночь. Кровяной сгусток наносили непосредственно перед исследованием. Бедра тестировали на изгиб по трем точкам при 0,1 мм/с, контролируя смещение и определяя предельное усилие на разрыв. Жесткость и напряжение разрушения рассчитывали из наклона линейной части графика деформации под действием усилия и после определения площади кости на месте перелома при помощи штангенциркуля. Переломы, которые разваливались до тестирования, регистрировали как разрушение при усилии 0 Н.
Данные в модели ACL анализировали посредством парного t-теста Стьюдента для кальциевых препаратов относительно магниевых препаратов и для запрессовки относительно препарата. Данные в модели перелома анализировали посредством 1-факторного анализа вариантов ANOVA для группы, проходящей лечение. Установлена значимость p<0,05.
РЕЗУЛЬТАТЫ: в модели ACL оба препарата на основе кальция и на основе композиции MgO-MKP-сахар имеют существенно большую силу вытягивания, чем запрессовка (трение) внутри туннеля для кости надколенной чашечки и ахиллова сухожилия (p<0,004). Препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар обладает наилучшими адгезионными свойствами, существенно большими, чем препарат на основе кальция, для обоих вариантов: кости (2,5-кратными; p<0,0) и сухожилия (3,3-кратными; p<0,0) (таблица 1).
В модели перелома кровяной сгусток и препарат на основе кальция не обладают адгезионными свойствами (разрушение при усилии 0 Н) на всех образцах. Кровяной сгусток не способен удерживать два конца бедра в соединенном положении. Продукт на основе кальция удерживает концы бедра в соединенном положении, но их отделение происходит до тестирования. Препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар и цианакрилат разрушаются при значительно больших усилиях (p<0,0001); и цианакрилат разрушается при значительно больших усилиях (127 Н; p<0,01), чем препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар (37,7 Н). Неповрежденные бедра разрушаются при гораздо больших усилиях, причем любой костный адгезив обеспечивает менее 10% исходной прочности кости (таблица 2).
Таблица 1Модель ACL - среднее пиковое значение (+/- стандартное отклонение) усилия растяжения (Н) до разрыва
Группы
Запрессовка
Препарат на основе Ca (Norian)
Препарат на основе MgO-MKP-сахар
Кость-кость
41,6 +/- 16,8<sup>a</sup>
427,7 +/- 103,9<sup>b</sup>
1025,6 +/- 118,2<sup>с</sup>
Сухожилие-кость
12,9 +/- 0,03<sup>a</sup>
101,6 +/- 23,1<sup>b</sup>
338,2 +/- 69,9<sup>с</sup>
Таблица 2Средние значения (+/- стандартное отклонение) биомеханических свойств на месте повреждения при остеотомии бедра, восстановленного при помощи потенциальных костных клеев
Группы
Предельная нагрузка (Н)
Пиковое напряжение (Н/мм<sup>2</sup>)
Жесткость (Н/мм)
Кровяной сгусток
0 +/- 0
0 +/- 0
0 +/- 0
Препарат на основе Ca (Norian)
0 +/- 0
0 +/- 0
0 +/- 0
Препарат на основе MgO-MKP
37,7 +/- 27,4
0,09 +/-
148,7 +/-
Цианакрилат
127,0 +/-
0,3 +/-
783 +/-
Неповрежденное бедро
1455,8 +/-
4,18 +/-
666,8 +/-
in vivo
При вытягивании кости и сухожилия из костного туннеля прежние препараты обеспечивают некоторую адгезию благодаря связующим свойствам (т.е. отверждаемому наполнителю). Однако препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар обладает дополнительными и существенными адгезионными свойствами, более 1000 Н в кости, что превышает силы, прилагаемые к конструкции . При реконструкции перелома бедра препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар обеспечивает адгезию кости, но не большую, чем указанный небиоразлагаемый клей - позитивный контроль. Прочность восстановленной конструкции все еще составляет <10% прочности неповрежденного бедра, но может обеспечить фиксацию осколка и остеопроводимость.
Вводимый биоразлагаемый препарат на основе композиции MgO-MKP-сахар достаточно прочно связывает кость и сухожилие в костных туннелях для существенного усиления или потенциального независимого использования при реконструкции ACL. Адгезия концов кости может быть достаточной, чтобы удерживать сломанные осколки при заживлении осколочного перелома и может быть полезна, если остеопроводимость и профили биоразложения дополняют заживление перелома, как предполагается.
Пример II. ОСТЕОПРОЛИФЕРАТИВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ: формула II
ЖИВОТНЫЕ:
Вид/род
Лошадь/смешанная порода
Начальный возраст
Минимум 3 года, максимум 20 лет в начале акклиматизации
Начальная масса
Приблизительно 800-1200 кг при акклиматизации
Пол
Мерины, кобылы
Идентификация животных
Индивидуальный ошейник, метка на ухе или метка на поводе
Предварительная обработка
Вакцинации: восточный, западный энцефалит; грипп; западнонильский вирус и столбняк. Дегельминтизация по прибытии на ферму Finley Research farm в штат Огайо. Животные ранее не должны подвергаться воздействию соединений.
ОПИСАНИЕ МЕСТА:
Это исследование проводят на ферме в штате Огайо University Alice Finley Memorial farm (ферма Finley) и в ветеринарной учебной клинике the Veterinary Teaching Hospital (VTH). Оценка происходит в ветеринарной учебной клинике. Помещения для животных, лабораторные площади, обеспечение регистрации на данном объекте и предполагаемое соответствие техническим условиям являются удовлетворительными, соответствуя требованиям протокола.
МЕНЕДЖМЕНТ:
Площадь на животное
На протяжении исследования животные размещаются в отдельных денниках.
Способ кормления и водопоя
Сено и зерно дают два раза в день. Вода в свободном доступе<i>.</i>
Размещение
Денники с подстилкой на ферме Finley или VTH.
Контроль состояния окружающей среды
Денники на ферме Finley находятся в сарае, температура в котором не регулируется.Денники в VTH находятся в здании, и температура регулируется.
Еда
Приблизительно 3 фунта зерна/на животное/в день. Дают примерно 15 фунтов сена два раза в день и больше, если необходимо.
Вода
Воду ежедневно проверяют и чистят, если необходимо.
ПЛАН
Экспериментальное исследование; гнездовой парный план; каждая лошадь является своим собственным контролем. Лошади, конечности и медиальные или латеральные малоберцовые кости назначены в план контрольного блока. Восемь лошадей, двусторонние MtII и MtIV переломы (24 малоберцовых кости). Одну медиальную и одну латеральную поверхность малоберцовой кости (MtII и MtIV) обрабатывают вводимым препаратом MgO-MKP-сахар (n=16). В контралатеральную часть малоберцовой кости вводят препарат на основе кальция (сравнительное лечение) или ничего не вводят (контроль без лечения). В таблице 3 приведены результаты для 4 групп из 8 конечностей каждая: 1) естественное заживление без лечения (контроль), 2) вводимый шприцем неадгезионный продукт на основе кальция (сравнительное лечение), 3) вводимый шприцем исследуемый адгезионный продукт на основе магния.
Таблица 3Назначение лечения для групп плюсневых (малоберцовых) костей (n=8 на группу)
ЛОШАДИ
ПЛЮСНЕВЫЕ КОСТИ II - ЛЕЧЕНИЕ
ПЛЮСНЕВЫЕ КОСТИ IV-ЛЕЧЕНИЕ
Без лечения
Костные растворы. Продукт MgO-MKP-сахар
Костный источник. Продукт на основе Ca
Костные растворы. Продукт MgO-MKP-сахар
340
X - правая
X - левая
X - левая
X - правая
352
X - левая
X -правая
X - правая
X - левая
354
X - правая
X-левая
X - левая
X - правая
362
X - левая
X - правая
X - правая
X - левая
365
X - правая
X - левая
X - левая
X - правая
366
X - левая
X - правая
X - правая
X - левая
369
X - правая
X - левая
X - левая
X - правая
377
X - левая
X - правая
X - правая
X - левая
МЕТОДИКА
Критерии включения: лошади (возраст 3-20 лет) должны быть здоровы по результатам физического обследования и полного анализа крови и гарантированно не иметь прощупываемых или радиографических аномалий плюсневых костей.
Выборка вслепую: регистрируют распределения малоберцовых костей и конечностей. Все радиографические, qCT, биомеханические исследования и гистоморфологию выполняют с образцами, кодированными слепым способом.
Модель перелома - переломы (Mt (малоберцовый) II и Mt (малоберцовый) IV) производят под общей анестезией в день 0. Лошадям вводят прокаин пенициллин (22000 Ед./кг) внутримышечно и гентамицин (6,6 мг/кг) внутривенно за 30 мин до анестезии. Лошадям вводят успокоительное средство ксилазин HCl (1 мг/кг) с кетамином (2 мг/кг) и удерживают в лежачем положении на спине под действием изофлурана и кислорода. Малоберцовые кости находятся непосредственно под кожей по местам расположения костных дефектов. После асептической подготовки делают небольшие 2 см надрезы гладкой прощупываемой поверхности малоберцовой кости на расстоянии 15 см от прощупываемого предплюсне-плюсневого сустава. Вводят изогнутый шпатель под малоберцовую кость и используют осциллирующую пилу для костей, приводимую в движение азотом, для получения 3-осколочного перелома, содержащего треугольный фрагмент [90°, длина 1,5 см]. Пила для костей удаляет 1 мм кости. Надрезы обильно промывают физиологическим раствором, удаляя костную пыль, и сушат. Останавливают кровотечение на костной поверхности при помощи давления или радиочастотного прижигания. Треугольный кусок кости помещают обратно на место исходного дефекта соответствующим образом. Если назначено использовать для кости вводимую пасту, ее смешивают согласно рекомендациям производителя, наносят на разрезанную поверхность кости ~0,5 мл и приклеивают обратно на место треугольный кусок. В контрольных образцах осколок запрессовывают на месте в течение 30 мин для обеспечения заживления или дают возможность образоваться кровяному сгустку. Производят послойное ушивание надреза, наносят стерильную повязку и лошадей приводят в себя. Стерильные повязки сохраняют в течение 2 недель.
Подготовка материала: продукт в виде костного раствора (на основе композиции MgO-MKP-сахар) и продукт в виде костного источника (на основе Ca) смешивают металлическим шпателем непосредственно перед использованием в порядке, указанном в таблице 3, и вносят металлическим шпателем в зазоры переломов. Оба продукта наносят через 2 мин после смешивания и, если необходимо, вносят снова, помещая в трещину достаточное количество материала.
РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЕ ОЦЕНКИ
Клинические оценки
- лошадей ежедневно контролируют по клиническим признакам реакций на процедуры или лечение. Регистрируют ректальную температуру (T), сердечный ритм (HR) и частоту дыхания (RR) ежедневно в течение 1 недели после хирургической операции и последующих инъекций и затем еженедельно до окончания исследования через 8 недель.
Боль
- лошадей контролируют на наличие боли, оценивая физические параметры (T, HR, RR), хромоту (по шкале 0-5) при нахождении в конюшне.
Опухание
- опухание места хирургического вмешательства оценивают по шкале 0-4 [0 = нет опухания, 1 = минимальное, 2 = слабое, 3 = умеренное и 4 = заметное опухание]. Дренирование места хирургического вмешательства оценивают по степени дренирования или характеру дренирования (цвет, вязкость) [0-4; 0 = нет дренирования, 1 = 0-25% поверхности повязки окрашено дренируемой жидкостью, 2 = 26-50% поверхности повязки окрашено дренируемой жидкостью, 3 = 51-75% поверхности повязки окрашено дренируемой жидкостью; 4 = 76-100% поверхности повязки окрашено дренируемой жидкостью].
Оценка походки -
хромоту оценивают по шкале 0-5 для каждой задней конечности при ходьбе через 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 недель [0 = нет хромоты, 1 = минимальная хромота, 2 = слабая хромота, 3 = умеренная хромота, 4 = заметная хромота (ставит только часть ступни) и 5 = хромота без нагрузки на ногу].
Эвтаназия
- лошадей подвергают эвтаназии через 7 недель в соответствии с указаниями AAEP посредством внутривенной передозировки раствора пентобарбитала после внутривенного введения 500 мг успокоительного средства ксилазин HCl и берут дистальные части конечностей. Исцеление переломов (адгезия и соединение кости).
Рентгенография -
наклонную рентгенографию выполняют до перелома и инъекции и каждую неделю в течение 7 недель до окончания исследования. Рентгенограммы оценивают по шкале на наличие миграции осколка на месте перелома (0 = нет, 1 = минимальная, 2 = слабая, 3 = заметная), пролиферацию кости (0 = нет, 1 = минимальная, 2 = слабая, 3 = заметная), коррекцию кости (0 = нет, 1 = минимальная, 2 = слабая, 3 = заметная) и закрытие трещин (0 = нет, 1 = минимальное, 2 = слабое, 3 = полное). Измеряют и калибруют ширину и длину костной мозоли на месте перелома, используя радиографический измерительный стандарт, включенный во все пленки.
Количественная компьютерная томография (qCT) -
3
отбирают плюсневые кости дистальных частей конечностей с интервалом 1 см для обнаружения аномалий мягкой ткани, связанных с процессом исцеления переломов. Получают проксимальные и дистальные 1 мм срезы на расстоянии, по меньшей мере, 1 см от мест дефектов костей. После этого берут MtIV и MtII, очищают от мягкой ткани и сканируют поперечное сечение сверху вниз на 1 мм срезах костной мозоли для определения площади, плотности и содержания минеральных веществ (площадь × плотность) минерализованной костной мозоли. Каждый срез стандартизуют по различиям рентгеновского затухания для измерений плотности, используя стандарты из фосфата калия. После стандартизации выполняют расчет, переводя плотность по фосфату калия для интересующей области (ROI) в плотность по золе (мг/мм). Изображают ROI на проекции поперечных сечений кости на месте излеченного перелома для определения площади кости (количества кости), плотности кости в исцеляющемся переломе и плотности кости в костной мозоли. Непосредственно после qCT малоберцовые кости тестируют механически.
Механическое тестирование -
концы плюсневых костей II и IV закрепляют в зажимах и исследуют квази-статически на изгиб до разрушения по трем точкам (1,5 мм/с), используя сервогидравлическую систему для исследования материалов. Кости располагают в зажиме, обеспечивая возможность изгиба в обе стороны, направо и налево. Собирают данные «усилие/деформация» и рассчитывают максимальное усилие на разрыв.
Гистология -
после механического тестирования малоберцовые кости вкладывают недекальцинированными в ПММА, рассекают (10 мкм) в продольной фронтальной плоскости [система EXACKT, OSU], окрашивают красителем Masson's Trichrome и определяют состав костной мозоли, зрелость, непрерывность кортикального слоя и затягивание трещин. Записывают оценку типа ткани, например хряща, фиброзной ткани и кости на месте дефекта.
Анализ данных - для всех изменений результатов применяют описательную статистику. Используют парный t-тест для оценки по объективным данным влияния на исцеление обработки с применением вводимой пасты на основе композиции MgO-MKP-сахар (на основе Mg) по сравнению с лечением препаратом на основе кальция или с отсутствием лечения. Оценки выражают как среднее значение и разброс и анализируют посредством U-рангового критерия Манна Уитни. Различия считают существенными при p<0,05.
ОБНАРУЖЕННЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
Экспериментальный план: все 8 лошадей полностью прошли 7-недельное исследование исцеления, как указано в таблице 3. Все лошади соответствовали критериям включения. Характеристики перечислены в таблице 4. Все лошади были подвергнуты хирургической операции с получением треугольных переломов плюсневых костей и получили назначенное лечение. Осколок кости запрессовывали в исходный дефект в течение 30 мин, и материалы выглядели отвержденными при хирургическом закрытии.
Таблица 4Характеристики лошадей, пригодные для данного исследования
Лошадь№
Порода
Пол
Примерныйвозраст (лет)
Вес (кг)
340
Morgan/Standardbred
Женск.
9
491
352
Thoroughbred
Женск.
9
513
354
Standardbred
Женск.
17
480
362
Paint
Женск.
8
519
365
Standardbred
Женск.
10
528
366
Paint
Женск.
11
534
369
Quarter Horse X
Женск.
7
486
377
Quarter Horse X
Женск.
6
554
РЕЗУЛЬТИРУЮЩИЕ ОЦЕНКИ
Клинические оценки.
Боль и походка -
в любой момент времени после хирургической операции лошади не хромали, что определяли по шкале хромоты (средняя оценка 0, разброс 0) согласно протоколу. Параметры физических освидетельствований на протяжении исследования оставались в пределах нормы.
Послеоперационное опухание и дренирование
- отсутствовало различие в послеоперационном опухании для 4 групп, проходивших лечение, и в любой момент времени на местах разрезов отсутствовало дренирование. По окончании исследования только одно место хирургического вмешательства имело безболезненное прощупываемое уплотнение размером ~2 см. Интерпретацией этих данных является утверждение, что материалы на основе Mg и Ca являются клинически биосовместимыми и не вызывают раздражения при клиническом применении. Клинически очевидно, что пролиферация ткани или кости не происходила и, следовательно, она не была чрезмерной.
Рентгенография
- рентгенографические исследования проводили согласно протоколу до хирургического вмешательства и каждую неделю до окончания исследования. Рентгенограммы оценивали на наличие зазоров между осколками, присутствие материала, образование костей, коррекцию кости и исцеление кости. Миграцию осколка оценивали как расстояние (мм) от вершины осколка до вершины подложки по прямой линии. Непосредственно после хирургической операции (неделя 0) лечение композицией MgO-MKP-сахар закрепляло осколок гораздо ближе (P<0,05) к подложке из исходного фрагмента, чем отсутствие лечения или Ca-лечение. При Mg- или Ca-лечении не происходило миграции осколка до 4 недель в MtII или до 2 недель в MtIV. При лечении композицией MgO-MKP-сахар в любой момент времени миграция осколка была меньше по сравнению с отсутствием лечения, и данное различие было статистически существенным на протяжении 4 недель (диаграмму и полученные данные смотри в приложении). Образование костной мозоли (пролиферацию кости на исцеляющемся фрагменте) оценивали из рентгенограмм, измеряя ширину и высоту новой кости, образовавшейся вокруг данного осколка, в ее наибольшей точке и перемножая данные величины для определения площади новой кости. Костная мозоль на новой кости была существенно больше при лечении композицией MgO-MKP-сахар (Mg-лечение), чем в обоих других случаях, при Ca-лечении и отсутствии лечения MtII и MtIV. Существенное образование кости происходило в течение 4 недель и продолжалось на протяжении 7 недель.
В некоторые моменты времени на рентгенограммах некоторых лошадей можно было идентифицировать радиологически плотный материал в зазоре между осколком и исходной костью, особенно в ранние моменты времени (см. диаграмму в приложении). До 4 недель отмечали продукт с одинаковой частотой и количеством Ca-продукта, после чего отмечали меньшее количество материала вообще (оценка ниже), но больше в Mg-группе, и на 7 неделе только в группе MgO-MKP-сахар.
Коррекция кости вокруг осколка и исходной кости была существенно больше при лечении композицией MgO-MKP-сахар, чем при отсутствии лечения или в группе с Ca-лечением.
Заживление кости вокруг осколка и исходной кости происходило в большей степени при лечении композицией MgO-MKP-сахар и существенно (p<0,05) на протяжении всех недель по сравнению с отсутствием лечения и в течение недель 4, 6 и 7 по сравнению с группой, принимавшей Ca-лечение.
Эвтаназия и изъятие костей
- лошадей подвергали эвтаназии через 7 недель после операции, как предписано протоколом. Плюсневые кости и дистальные части конечностей отсекали, помечали, хранили в пластиковой упаковке в замороженном виде.
Количественная компьютерная томография (qCT)-
неповрежденные конечности и плюсневые кости (4 на лошадь) сканировали [Picker P Helical CT, Philips Medical Systems for North America, Bothell, WA] после 7-недельного лечения. Неповрежденные конечности сканировали в поперечном сечении на срезах 1 см и оценивали каждый срез индивидуально на дистрофическую минерализацию окружающей мягкой ткани. Аномалий минерализации не отмечали, в том числе в поддерживающих связках, сухожилиях или окружающей коже. Плюсневые кости сканировали по срезам 1 мм в сагиттальном сечении от медиальной поверхности к латеральной и они включали костную мозоль по меньшей мере на 1 см выше и на 1 см ниже места дефекта. Из снимков плюсневой кости выбирали центральный срез, который включал рассматриваемый осколок, и изображали на интересующей области зазоры, осколок и костную мозоль. Для областей, представляющих интерес с точки зрения наличия зазоров, осколка и костной мозоли, регистрировали измерения плотности ткани и размер области. Затем переводили измерения плотности по фосфату калия в плотность по золе, используя сквозные расчеты, одновременно присоединяя их к каждому срезу. Существовала тенденция (p<0,08) увеличения плотности в зазоре между осколком и исходной костью для лечения MgO-MKP-сахар по сравнению с отсутствием лечения. Различие плотностей в зазоре отсутствовало (P<0,13) при сравнении Mg- и Ca-способов лечения. Эти данные вместе с оценочными данными из рентгенографических исследований, вероятно, отражают присутствие материала через 7 недель (смотри исходные данные и табулированные данные в приложении). Между группами не существовало существенной разницы в плотности или размере фрагмента. Существенно большее количество костной мозоли наблюдали вокруг исцеляющегося фрагмента при Mg-лечении по сравнению с отсутствием лечения (p<0,01) и при Mg-лечении по сравнению с Ca-лечением (p<0,02). Эти данные подтверждают радиографические измерения большей костной мозоли. Суммируя эти данные, показывают, что не происходит разрушения осколка данными материалами, отсутстуют аномалии плотности образованной кости, и Mg-лечение существенно повышает образование кости на месте осколка. Данный остеопролиферативный эффект, наблюдаемый на данной модели и для данного вида, является остеоиндуктивной реакцией на Mg-продукт. Дополнительное исследование с использованием продукта наивысшей степени чистоты и стандартных остеоиндукционных моделей подтверждает данное открытие.
Механическое тестирование -
2
кости разрушали при изгибе по 3 точкам и регистрировали измерения предельного усилия разрушения (Н) и диаметр поперечного сечения (мм). Выполняли расчеты пикового напряжения разрушения (Н/мм). При механическом тестировании не наблюдали существенных различий результатов тестирования между всеми группами. Размер и прочность подвергаемого лечению MtIV была существенно больше, чем MtII (смотри данные в приложении).
Гистология -
кости рассекают по поперечному сечению, копируя плоскость qCT-оценок и наблюдая осколок и окружающую кость в поперечном сечении. Ярко окрашенный материал был весьма очевиден в 6 из 8 Mg-обработанных MtIV костей и в 3 из 8 Mg-обработанных MtII костей. Материал весьма очевиден в 4 из 8 Ca-обработанных MtIV костей. Гистологическая оценка образцов обнаружила, что типы тканей, прилегающие к осколкам и материалу, представляют собой фиброзную ткань и/или кость. В этой прилегающей ткани отсутствовали воспалительные клетки. Отсутствовала грануломатозная реакция (приток гигантоцитов). Отмечалось, что кость прилегает непосредственно к материалу. Данные гистологии подкрепляют следующие выводы. Mg-материал не абсорбировался и остался приклеенным к месту дефекта в течение 7 недель. Ca-материал во многих образцах либо абсорбировался либо мигрировал с места дефекта через 7 недель. Оба материала, Ca и Mg, биосовместимы и не провоцируют воспалительную реакцию. Организм не отторгает эти материалы. Кость или фиброзная ткань, предполагаемые для исцеления типы ткани имеются в изобилии и в непосредственной близости к материалу, не испытывая какого-либо влияния.
ПРИЛОЖЕНИЕ I - ДОЗИРОВАННОЕ ВВЕДЕНИЕ
Все животные принимают продукты в виде костного источника и костных растворов. Продукты смешивают непосредственно перед нанесением на дефект кости, используя шпатель и покрывая все поверхности кости. Фрагменты кости удерживают в определенном положении в течение минимум 5 мин и оставляют отверждаться минимум на 30 мин перед закрытием кожи. До нанесения пасты или возвращения осколков на место контролируют кровотечение на поверхности кости (контроль без лечения).
ПРИЛОЖЕНИЕ II - ФИЗИЧЕСКОЕ ОБСЛЕДОВАНИЕ
Критерии включения:
1. Норма по форме физического обследования (включая хромоту). Медленная рысь с оценкой меньше 1.
2. Удовлетворительный результат пальпации обеих плюсневых костей.
3. Удовлетворительные CBC и химический профиль.
4. Удовлетворительная рентгенография обеих плюсневых костей.
Физическое обследование проводится опытным ветеринаром с соответствующей практикой и включает определение ректальной температуры, осмотр языка и десен, в том числе время заполнения капилляров, определение сердечного ритма, частоты дыхания, аускультацию груди и GI и оценку общего физического состояния каждого животного.
ПРИЛОЖЕНИЕ III - КЛИНИЧЕСКАЯ ПАТОЛОГИЯ
Проводят гематологическое обследование, определение химического состава сыворотки, как стандартный анализ OSU лаборатории клинической патологии.
Отбирают образцы крови для гематологического обследования, определения химического состава сыворотки и воздействия лекарств на плазму. Для отбора крови используют два типа стерильно вакуумированных пробирок. Размер пробирки соответствует необходимому объему образца. Для гематологии используют пробирку с антикоагулянтом ЭДТА, для сбора сыворотки используют пробирку без антикоагулянта и для воздействия лекарств на плазму используют пробирку с ЭДТА. Все пробирки с антикоагулянтом осторожно перевертывают после заполнения.
ПРИМЕР III - АДГЕЗИЯ К СТАЛЬНЫМ ВИНТАМ В КОСТИ - Формула II
Биоразлагаемый вводимый препарат монофосфат калия, оксид магния [Mg], трикальцийфосфат, сахар увеличивает вращающий момент экстракции винта и поверхностное связывание по сравнению с полиметилметакрилатом [ПММА], фосфатом кальция [Ca] или отсутствием костного цемента.
1
2
3
4
Костные цементы служат в качестве наполнителей для костных пустот и могут закреплять в кости такие структуры, как имплантаты. Костные цементы используют для закрепления имплантатов суставов в полостях костей, замазывания пластин и винтов в костях и увеличения сил вытягивания винтов. Механизмы действия усиления крепления имплантатов в данных применениях включают отверждение в полости кости и повышение площади контакта поверхностей. Ни для одного из имеющихся в настоящее время цементов (биоразлагаемых или небиоразлагаемых) не заявлено наличие адгезии имплантатов к кости, но данное свойство может дополнительно усилить крепление имплантатов в кости и уменьшить микродвижение. Препарат MgO-MKP-сахар демонстрирует адгезионные свойства «кость к кости» и «сухожилие к кости» и, следовательно, может обеспечить адгезию имплантатов к кости. Специальной целью данного исследования является определение, имеет ли костный цемент MgO-MKP-сахар (на основе Mg) адгезионные свойства относительно винтов из нержавеющей стали по сравнению с коммерческим продуктом на основе Ca и ПММА. Крепление имплантата оценивали количественно как пиковый вращающий момент экстракции. Распределение материала и связывание с имплантатом оценивали посредством высокоподробной рентгенографии и недекальцинированной гистологии. Для представления связывания кость - материал - имплантат выбрали вращающий момент экстракции, так как при недостаточном креплении имплантата скорее происходит повреждение поверхности раздела, чем повреждение материала или кости.
СПОСОБЫ
Извлекали шестнадцать парных лучевых костей из 8 собак среднего размера. В дистальных частях диафиза просверливали четыре равноотстоящие дырки от черепной до каудальной части. Кости закрепляли в зажиме, просверливали перпендикулярно поверхности сверлом 2,5 мм и измеряли глубину отверстия при помощи глубиномера. В отверстиях вручную нарезали резьбу под винты из нержавеющей стали 316L для кортикального костного слоя [Synthes, Paoli, Pa] подходящей длины для вращающего момента 0,706 Нм [Qdriver2 Torque Screwdeiver, Snap-on Inc., Kenosha, WI] согласно следующим обозначениям: Gp1 -контроль, без материала; Gp2 - биоразлагаемый костный наполнитель на основе Ca/цемент [костный источник; Stryker Inc, Kalamazoo, MI]; Gp3 - ПММА [Simplex™P, Stryker Inc., Kalamazoo, MI] и Gp4 - биоразлагаемый костный наполнитель на основе Mg/цемент [костные растворы, Dallas, TX]. Материал готовили и использовали для заполнения назначенных отверстий, которые чередовали, контролируя положение отверстия от проксимальной до дистальной части. Быстро последовательно размещали винты и оставляли отверждаться материал на 96 час. При выкручивании винтов исследовали вращающий момент экстракции (Нм) для каждого винта и измеряли, используя датчик вращающего момента/дисплей, показывающий усилие [Transducer Techniques Inc, Temecula, CA], соединенные с ключом с регулируемым крутящим моментом. Регистрировали пиковые значения (Нм). Проводили цифровую рентгенографию лучевых костей и измерение цементированной площади вокруг каждого отверстия, используя электронный элемент [Osirix Medical Imaging Software], данные регистрировали. Винты вставляли заново и кости нарезали на пластины с каждой стороны от отверстия, секционировали недекальцинированными [Exackt System, Zimmer, Warsaw, IND] от черепной до каудальной части и окрашивали красителем Masson's trichrome. Гистологические сечения оценивали качественно на наличие зазоров на поверхности раздела, контакты кость/винт/материал и микроскопический вид материала.
РЕЗУЛЬТАТЫ
Продукт на основе Mg (костные растворы) имеет существенно (p<0,001) больший вращающий момент экстракции (среднее значение 97,5 +/- 17,7 Нм), чем контроль, продукт на основе Ca и ПММА. ПММА имеет существенно (p<0,05) больший вращающий момент экстракции, чем продукт на основе Ca (см. чертеж). Площадь цементирующего вещества вокруг винта идентифицируется во всех материалах, но составляет существенно (p<0,001) большее значение для продукта на основе Mg и ПММА, чем для контроля или продукта на основе Ca [таблица 5], и имеет очевидно большее значение.
Таблица 5Средняя (+/- стандартное отклонение) площадь (пиксел<sup>2</sup>) цементирующего вещества, присутствующего вокруг винтов, расположенных в лучевых костях собак
Контроль
Костный источник на основе Ca
Костные растворы на основе Mg
ПММА
0+/-0
519 +/-36
973+/-100*
1309+/-179*
*P<0,001
Гистологический продукт на основе Ca является зернистым, плотным, гомогенным с зазором по поверхности раздела. ПММА является мелкозернистым, гомогенным и контактирует с поверхностью раздела. Продукт на основе Mg является зернистым, негомогенным, непосредственно контактирует с винтом и костью. Этот материал плотно упакован по поверхности раздела.
ОБСУЖДЕНИЕ
Цемент на основе Ca не обеспечивает большего вращающего момента экстракции винта вследствие разделения по поверхности раздела. ПММА диффундирует в окружающую кость, обеспечивает плотное соединение по поверхности раздела винта и больший вращающий момент экстракции, чем цемент на основе Ca или контроль, но является небиоразлагаемым. Цемент на основе Mg диффундирует в окружающую кость, обеспечивает плотное соединение по поверхности раздела винта, наибольший вращающий момент экстракции и является биоразлагаемым. Механизм превосходной адгезии к имплантату, по-видимому, включает расширение и компрессию относительно поверхности винта и кости.
ВЫВОД
Биоразлагаемый вводимый цемент на основе магния является превосходным при закреплении в кости имплантатов из нержавеющей стали.
ССЫЛКИ:
1) Sporer и Paprosky, (2005) 36: 105; 2) Anderson и др., Vet Surg (2002) 31: 3; 3) Griffon и др., Vet Surg (2005): 34: 223; 4) Bertone и др. (2005) Trans ORS: 1007; 5) Linn и др. V.C.O.T. (2001) 14: 1-6.
Из описанной основной концепции данного изобретения специалистам в данной области очевидно, что предшествующее подробное раскрытие предназначено для представления только в качестве примера и не является ограничительным. Подразумевается, что различные изменения, улучшения и модификации могут предлагаться и соответствовать области и духу настоящего изобретения. Кроме того, указанный порядок элементов или последовательностей, или использование номеров, букв или других обозначений не предназначен для ограничения заявленных процессов каким-либо порядком, кроме тех случаев, которые могут быть определены в формуле изобретения. Таким образом, данное изобретение ограничено только следующей далее формулой изобретения и, кроме того, эквивалентами.
Все публикации и патентные документы, цитированные в настоящей заявке, полностью включены в виде ссылок независимо от цели в том объеме, как если бы каждая индивидуальная публикация или патентный документ были указаны отдельно.