КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ КАЛЬЦИЙФОСФАТНОГО ЦЕМЕНТА ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ
CALCIUM PHOSPHATE CEMENT COMPOSITE FOR BONE DEFECT FILLING

Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.
Кальцийфосфатные костные цементы (КФЦ) получили значительное развитие в последние несколько лет благодаря превосходной биосовместимости и биоактивности, а также удобству использования в виде инжектируемых паст, легко заполняющих костные дефекты практически любой сложной формы. Цементные материалы на основе α-трикальцийфосфата (α-ТКФ) обладают биоктивными и биосоместимыми свойствами.
В работе (Loreley Morejo n-Alonso, Oscar Jacinto Bareiro Ferreira, Raurl Garcia Carrodeguas, Luis Alberto dos Santos Bioactive composite bone cement based on a-tricalcium phosphate/tricalcium silicate J Biomed Mater Res Part В 2012:100B:94-102) цементные материалы получали при смешение реакционно-твердеющего порошка (РТП) α-ТКФ с цементной жидкостью, содержащей фосфаты натрия. В результате после схватывания получали цемент на основе осажденного гидроксиапатита (ОГА). Недостатком данного цемента является низкая прочность.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются цементные материалы на основе РТП α-ТКФ K. Takahashi, Y. Fujishiro, S. Yin, Т. Sato ФГА Preparation and compressive strength of a-tricalcium phosphate based cement dispersed with ceramic particles Ceramics International 30 (2004) 199-203, содержащие керамические частицы оксидов циркония, кремния или алюминия. Получали цемент при смешении порошка α-ТКФ с водой до жидкой суспензии с последующим добавлением керамических частиц. После схватывания и твердения формировался композит состава: матрица из гидроксиапатита или дефицитного гидроксиапатита и распределенной в матрице частицами керамики. Основным недостатком данных материалов является низкая прочность. К недостаткам также можно отнести наличие керамических частиц - диоксида циркония, оксида алюминия или оксида кремния, присутствие которых снижает биоактивность композиционного материала, т.к. данные фазы являются биологически чужеродными (инородными) для организма человека.
Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности кальцийфосфатного цементного материала.
Технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов на основе реакционно-твердеющего порошка, содержащего α-трикальцийфосфат и цементной жидкости, содержащей воду, согласно изобритению реакционно-твердеющий порошок дополнительно содержит частицы гидроксиапатита размером от 50 до 220 мкм, а цементная жидкость дополнительно содержит фосфорную кислоту, фосфат магния, фосфат натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов в кальцийфосфатном цементе:
в реакционно-твердеющей смеси порошков, % мас.:
Частицы гидроксиапатита размером 38-220 мкм - 5-50
Порошок α-трикальцийфосфата - 50-95
при следующем соотношении компонентов в цементной жидкости, % мас.:
Фосфат магния - 30-60
Фосфат натрия и/или калия - 3,5-25
Фосфорная кислота - 0,5-3,0
Вода - остальное,
а количество цементной жидкости (мл) к количеству реакционно-твердеющей порошковой смеси (г) находиться в пределах 0,45-0,75.
Цемент, состоящий из реакционно-твердеющего порошка (РТП): α-ТКФ и керамических частиц гидроксиапатита ГА и ЦЖ на основе фосфорной кислоты, фосфатов магния, натрия и калия, не известен.
После смешения ЦЖ и РТП начинается реакция между компонентами, при этом происходит частичное растворение РТП с образованием новых фаз - гидроксиапатита, осажденного гидроксиапатита и кальций дефицитного гидроксиапатита в различном соотношении. В процессе схватывания и твердения формируется структура, состоящая из кристаллов вновь образовавшихся фаз, покрывающих прочные керамические частицы гидроксиапатита, что способствует повышению прочности цементного материала. Введение в РТП керамических частиц менее 5% мас., а также использование размером менее 38 мкм не приводит к повышению прочности. При введение частиц керамических гидроксиапатита более 70% мас., а так же размером более 220 мкм прочность цементов начинает резко снижаться. В случае использования цементной жидкости в количестве, меньшем нижнего предела (ЦЖ (мл) / РТП (г) <0,45 мл/г), или использованию высококонцентрированных растворов ЦЖ с содержанием фосфата магния более 60% мас., и суммарного содержания фосфата калия и натрия более 25%, получаемая смесь имеет высокую вязкость, что приводит к образованию многочисленных трещин при формовании изделия необходимой конфигурации. При применении ЦЖ в количестве выше верхнего предела (ЦЖ (мл) / ЦТП (г) >0,75) и разбавленных ЦЖ с большим содержанием воды, более 70% мас., содержанием фосфата магния менее 30% мас. смесь получается слишком жидкой, что не позволяет формовать изделия ввиду растекания смеси. Кроме того, значительно увеличивается время схватывания, что приводит к снижению прочности, особенно в первые минуты твердения. При введении суммарного содержания фосфата калия и натрия менее 3,5% мас., повышается пористость образцов, что приводит к резкому падению прочности. При выходе за пределы содержания в ЦЖ фосфорной кислоты - 0,5-3,0 мас.% получаемый цементный материал имеет низкую прочность.
Пример 1. Получение образца №1. Порошок РТП, содержащий 0,5 г керамических частиц ГА размером 56-82 мкм и порошка 0,5 г α-ТКФ, смешивают с 0,25 мл ЦЖ (50% мас, фосфата магния и 5% мас, фосфата калия, 5% мас, фосфата натрия, фосфорной кислоты 1% мас., остальное - вода). Смешение проводят в течение 1-2 минут металлическим шпателем на стекле до сметаноподобного состояния, после чего смесь помещают в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8 мм. По истечении 15-20 минут отформованный образец вынимают и помещают в термостат при температуре 37°С в раствор SBF (Simulated Body Fluid), соответствующем плазме крови человека. Через 24 часа отвержденный образец имеет прочность на сжатие 90 МПа.
Аналогично были изготовлены образцы, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу 1.
Таблица 1
Состав и свойства цементных материалов
3Ж, мл / Порошок РПС, г
Размер керамических частиц гидроксиапатита
Соотношение компонентов в РТП, % мас.
Состав ЦЖ, % мас.
Время схватывания (37°С, 100% относительная влажность), мин
Прочность на сжатие, МПа<sup>1</sup>
ГА
α-ТКФ
Фосфат магния
Фосфат натрия и/или калия
Фосфорная кислота
Вода
1
0,5
56-82
50
50
50
10
0,5
39,5
6-8
90
2
0,75
156-220
70
30
60
3,5
1,5
35
4-6
45
3
0,45
38-56
5
95
30
25
3
52
4-5
48
4
0,5
300
80
20
-
30
-
70
35
5
9 (прототип)
0,3
-
100
-
-
-
100
3
42
11
0,5
1-5
50
50
50
10
10
39
6-8-
42
12
0,85
56-82
10
90
10
40
0
50
Более 20
5
13
0,15
-
-
100
0
40
60
0
Более 60
Образец разрушился