Способ получения биоцемента на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов
METHOD FOR PRODUCING CALCIUM CARBONATE-BASED BIOCEMENT FOR FILLING BONE DEFECTS

Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.
3
4
2
2
Наиболее перспективными для быстрого восстановления костных тканей человека являются керамические и цементные материалы с высокой скоростью биорезорбции. К таким материалам можно отнести кальцийсодержащие цементные материалы, содержащие следующие фазы с высокой скоростью биорезорбции: карбонат кальция (КК), дикальцийфосфат или аморфный фосфат кальция (АФК, Ca(PO)*nHO)).
Сложность получения цементов связана с необходимостью прохождения процесса схватывания в определенный временной период - достаточный для смешения компонентов цемента и введения полученного цементного раствора в зону дефекта. При этом важным является, чтобы сроки схватывания также не были велики, что приводит к увеличению продолжительности проведения хирургического операционного вмешательства. Поэтому схватывание должно проходить в интервале от 3-4 до 10-12 минут. Важным является структура материала. Так, например, присутствие крупных пор (до 500-2000 мкм) в затвердевших цементах способствует повышению скорости биорезорбции. Кроме того, поровое пространство должно быть равномерным и состоять из связанных между собою пор. Это способствует более равномерному образованию костной ткани по всему объему вводимого цементного материала за счет прорастания кровеносных сосудов в поровое пространство, возможности течения физиологических потоков органических жидкостей и миграции костных клеток.
Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является цемент (С Combes, R Bareille, С Rey Calcium carbonate-calcium phosphate mixed cement compositions for bone reconstruction. J Biomed Mater Res A. 2006 т. 79, №2, p. 318-28). В результате смешения порошка, состоящего из смеси 50% фатерита (метастабильная фаза карбоната кальция) и 50% дикальцийфосфата дигидрата, с цементной жидкостью (деионизированная вода или водный раствор 0,9% хлорида натрия) в соотношении жидкость/порошок = 0,5/1 получали цементный раствор, который схватывался в цементный камень через 30 минут. Схватывание проходило в результате взаимодействия щелочного фатерита и кислого дикальцийфосфата дигидрата с образованием АФК. Также в схватившемся цементе наблюдался остаток непрореагировавшего фатерита до 40% и небольшое количество дикальцийфосфата дигидрата. Образующийся АФК в цементе выполняет роль связующей фазы между твердыми частицами цемента. По фазовому составу, образовавшийся цемент состоял из АФК, фатерита и дикальцийфосфата дигидрата. К недостаткам материала можно отнести использование сложно получаемого фатерита (метастабильная фаза КК), продолжительное время схватывания - 30 минут, а также отсутствие взаимопроникающей пористости. Материал получался с небольшими порами размером до 2-4 мкм, отдельно лежащими друг от друга.
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в получении цементного пористого материала на основе карбоната кальция и дикальцийфосфата для регенеративной костной медицины.
Техническим результатом является получение высокопористого цементного материала с пористостью 40-70% с размерами пор 500-2000 мкм, временем схватывания 3-8 минут, прочностью не менее 4 МПа, содержащего основные фазы: карбонат кальция, дикальцийфосфат и АФК.
Технический результат достигается тем, что биоцемент на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов получают в результате последовательного введения в суспензию добавки, затем проводят смешение суспензии и добавки в течение 0,5-1 минуты, затем в полученную смесь добавляют при постоянном перемешивании в течении 1-2 минут порошок карбоната кальция до получения однородного цементного раствора, при следующем соотношении компонентов, масс. %:
2
4
2
1) суспензия (раствор фосфорной кислоты, содержащий 40-45% Ca(HPO)) - 60-70%;
2) порошок карбоната кальция (кристаллическая фаза - кальцит) - 30-40%;
3) добавка (фосфат натрия) - количество составляет 30-40% по отношению к количеству суспензии,
полученный цементный раствор схватывается в течение 3-8 минут с образованием цементного камня, состоящего из кристаллических фаз - кальцита, дикальцийфосфата и аморфный фосфат кальция, полученный цементный камень характеризуется пористостью 40-70%, размером пор 500-2000 мкм, прочностью не менее 4 МПа.
2
4
2
2
4
2
При смешении суспензии с добавкой и порошком происходит взаимодействие между компонентами, в результате реакции образуется дикальцийфосфат и аморфная фаза, выделяется углекислый газ, что приводит к вспениванию образующегося цементного раствора. После прохождения процесса схватывания поры внутри затвердевшего цемента остаются, а углекислый газ выделяется во внешнюю среду. Схватывание происходит за счет образования АФК, который является продуктом реакции между суспензией, добавкой и порошком карбоната кальция. Образующийся АФК цементирует частицы цемента между собой, образуя прочный каркас, в котором распределены поры, оставшиеся после вспенивания раствора. Роль вводимого фосфата натрия заключается в регулировании процесса схватывания и фазообразования, снижении кислотности затвердевшего цемента (рН готового цемента близка к нейтральному - около 6,0-7,0). При использовании суспензии менее 60% с (концентрация Са(HPO) более 45%) или использования порошка КК в количестве более 40% цементный раствор становится очень вязким, что не позволяет его использовать как пластичную массу для формования. При использовании суспензии в количестве более 70% (концентрация Са(HPO) менее 40%) время схватывания сильно увеличивается - более 30 минут, прочность образующихся цементных образцов резко снижается - менее 3 МПа. Использование фосфата натрия менее 30% по отношению к количеству суспензии приводит к сокращению времени схватывания, что не позволяет получить качественные образцы с однородным составом по объему, а при использовании более 40% схватывание происходит за более длительный период, цементы становятся менее пористыми (менее 40%), рН цементов превышает уровень 7. Смешение компонентов в течение менее 0,5 минуты суспензии с добавкой, и менее 1 минуты суспензии с КК приводит к неоднородности структуры материалов. При увеличении времени смешения компонентов больше указанного приводит: 1) при смешении добавки с суспензией (более 1 минуты) к увеличению вязкости суспензии и как следствие, к снижению времени схватывания; 2) при смешении суспензии с порошком КК (более 2 минут) снижается пористость цементных материалов ниже заявленных значений.
2
4
2
Пример. Цементы получали при смешении 0,7 г (70%) суспензии (раствор фосфорной кислоты, содержащий 40% Са(HPO) и 0,28 г (40% добавки фосфата натрия по отношению к количеству суспензии) в течение 1 минуты, затем в полученную смесь добавляли порошок карбоната кальция (кристаллическая фаза кальцит) в количестве 0,3 г (30%) и повторно перемешивали в течение 2 минут до образования цементного раствора. После смешения полученный раствор помещали в тефлоновую форму диаметром 8 мм для придания цементным образцам формы. После схватывания полученные образцы вынимали из формы. Образцы характеризовались 65% пористостью и прочностью на сжатие 6 МПа, размером пор от 500-1500 мкм, временем схватывания 7 минут. Образцы состояли из кальцита, дикальцийфосфата и АФК. Были изготовлены образцы цементов, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.