ИМПЛАНТАТ ДЛЯ ОСТЕОПЛАСТИКИ

Полезная модель относится преимущественно к медицине, медицинской промышленности. Более конкретно она относится к имплантатам для костной пластики и может использоваться для изготовления имплантатов при замещении любого рода деструкции костной ткани, возникающей при удалении из костной ткани кист и опухолей и т.д., при восстановлении объема органа или ткани, а также в качестве носителя биологически активных веществ, лекарственных средств и клеток.
Известны имплантаты для остеопластики, включающие материалы на основе биологического сырья - нативной кости после соответствующей ее обработки. [RU 2278655 С1, опубл. 27.06.2006].
Известен имплантат для остеопластики, включающий материал на основе биологического сырья - нативной кости, полученный путем очистки, распиливания костной ткани, обезжиривания, обработки раствором мочевины, отмывания, высушивания, упаковки и стерилизации, (патент RU 2104703, 20.02.98)
Недостатком известного технического решения является то, что материал имплантата содержит в основном животное сырье, большую долю животного коллагена, который, как известно, является носителем генетической памяти о заболеваниях. При использовании такого имплантата нельзя исключать возможность проявления иммунной зависимости, других видов негативного воздействия на состояние здоровья.
3
Известен также имплантат для остеопластики, включающий материал на основе биологического сырья - нативной кости, полученный путем очистки костной ткани, распиливания на пластины толщиной 0,1-2,0 см, обработки 20% раствором щелочи (24 ч.), обезжиривания в смеси этанол: хлороформ в соотношении 1:2 (24 ч.), обработки смесью раствора 1% аммиак: 1% этанол в соотношении 1:1 (10-16 ч.), отмывки деионизованной водой и насыщении сГАГ от 800 до 1500 мкг/см, отмывки буфера, высушивании, фасовки и стерилизации радиационным облучением. (Патент RU 2278679, опуб. 27.06.2006)
Недостатком известного технического решения является то, что материал имплантата, полученный путем химической обработка нативной кости приводит к частичному разрушению коллагена, а также частичной деминерализации и деструкции минерального остова костной ткани и, вследствие чего, к снижению механической прочности имплантата. Полученный итоговый продукт представлял собой пористо-волокнистую структуру, в которой минеральный компонент расположен над поверхностью коллагеновых волокон в виде сферических образований вдоль их длины, имел состав: не деминерализованный коллаген из костной ткани - 97-99 мас.%, сульфатированные гликозаминогликаны - 0,08-1,5 мас.%, деионизованная вода - остальное. Недостатками полученного материала также являются: высокое содержание коллагена, что не исключает иммунную зависимость, расположение минерального компонента и коллагеновых волокон таково, что единой структуры они не образуют, механические свойства в этом случае не могут быть высокими, не исключено вымывание минеральной составляющей материала при его использовании in vivo. Кроме того, технология сложная (получение сГАГ, насыщение сГАГ), применение ее для изготовления материала в больших количествах нецелесообразно, минеральный компонент в конечном продукте не является наноразмерным.
Известны имплантаты для остеопластики, включающие материалы на основе синтетического ГА, смешанного с переработанным костным материалом - источником коллагена (напр., патент US 5425770 от 20.06.1995 г. Известные имплантаты также не свободны от эффекта антигенности.
2+
3-
-
-
4
10
2-x
x
4
6
Известен имплантат для замещения дефектов костной ткани, включающий материал для (Патент RU 2274461 С2, опубл. 20.04.2006 - прототип)., представляющий собой пластины, состоящие из искусственно синтезированного фторгидроксиапатита (ФГА) в коллагене, при этом содержание ФГА составляет 40-90% по массе. Способ его получения характеризуется тем, что пористый коллагеновый матрикс помещают между растворами, содержащими 0,2-1 моль хлорида кальция и раствор, содержащий 0,1-1 моль/л фосфата натрия или фосфата аммония и 0,01-0.1 моль/л фторида аммония, а также раствор аммиака или гидроксида натрия. Процесс синтеза ФГА на коллагене проводят при использовании электрофореза с плотностью тока 7-20 мА/см в течение 10-24 ч. В результате происходит взаимодействие: 10Сa+6РО +хF+(2-х)ОН→Ca(OH)H(F)(PO) и получается фторгидроксиапатит, который осаждается на волокнах белка. При этом материал формируется в виде пористых пластин толщиной 3-10 мм.
Недостатком известного имплантата является присутствие в его материале большого количества коллагена, так как осаждение ФГА происходит на пористом коллагеновом матриксе, а также большие размеры кристаллов ФГА, что не может обеспечить высокие прочностные характеристики имплантата. Поскольку, пористый коллагеновый матрикс получают из кости животного, не ясно какой объем в кости должны составлять поры для обеспечения прочности материала (из какой именно кости и какого возраста должен быть донор) для получения материала удовлетворительной прочности. Большое количество коллагена в получаемом продукте повышает антигенность имплантата и снижает его биосовместимость.
Таким образом, общим недостатком известных имплантатов для остеопластики, включающих материалы получаемые из биологического сырья, или содержащие в составе в качестве компонента биологическое сырье, являются присущий им в той или иной мере эффект антигенности. Следует отметить, что экстракцию неколлагеновых белков мочевиной проводят после удаления жира и частичной деминерализации костной ткани, что приводит к частичному разрушению коллагена и деструкции минерального остова костной ткани. Частичная же потеря минеральной компоненты костной ткани после деминерализации значительно уменьшает ее механические и прочностные характеристики. В то же время при такой обработке часть жиров и неколлагеновых белков остается, повышая тем самым антигенность имплантата и снижая его биосовместимость.
Следует также отметить, что процесс приживления такого имплантата для остеопластики, адаптация его к окружающим тканям костного дефекта, пролиферация и миграция клеток в строму материала довольно длительны, поскольку в зоне дефекта при заболеваниях и повреждениях соединительной ткани значительно снижается уровень сГАГ, отвечающих за адаптацию имплантата и адгезию клеток. Недостатком также являются соображения психологического, а подчас этического характера, связанные с использованием нативных объектов для изготовления имплантатов, пусть даже соответствующим образом переработанных, отсутствие у всех перечисленных материалов антисептических свойств. Кроме того, полученные таким образом материалы и используемые для имплантатов не являются наноразмерными, что не обеспечивает их единой структуры, а следовательно и достаточной механической прочности имплантатов.
Цель полезной модели - получение имплантата для остеопластики, отвечающего требованиям отсутствия эффекта антигенности, повышения биосовместимости и механической прочности.
Поставленная цель достигается тем, что в имплантате для остеопластики, включающем материал, материал состоит из наноразмерных частиц, содержащих синтетический фосфат кальция и полисахарид-натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы, при этом фракция наноразмерных частиц может составлять 14-15 нм.
Полезная модель имеет следующие отличия от прототипа:
- материал имплантата состоит из наноразмерных частиц, содержащих синтетический фосфат кальция и полисахарид-натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы,
- фракция наноразмерных частиц может составлять 14-15 нм.
Это позволит получить имплантат для остеопластики, отвечающий требованиям отсутствия эффекта антигенности, повышения биосовместимости и механической прочности.
В просмотренном нами патентно-информационном фонде не обнаружено аналогичных технических решений, а также технических решений, содержащих совокупность указанных отличительных признаков.
Полезная модель применима и будет использована в отрасли в 2008-2009 г.г.
10
4
6
2
10
4
6
2-2x
3
х
10-х+у
4
6-х
3
х
2-х+у
3
4
8
11
7
Имплантат изготовлен из материала, состоящего из наноразмерных частиц, содержащих биосовместимые фосфаты кальция (ФК) [может содержать, например, гидроксиапатит кальция (ГА) Са(РO)(ОН), карбонат гидроксиапатит кальция (КГА) Са(РO)(ОН)(СО) при 0≤х≤1 или Са(РО)(СО)(ОН) при 0≤х≤2, 0≤у≤1/2, трикальций фосфат (ТКФ) СаРO, а также - синтетические неорганические композиционные материалы на их основе (ГА/ТКФ, КГА/ТКФ)] и полисахарид - натриевую соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ) CHONa.
Материал для имплантата может быть получен в виде белой пастообразной массы из наноразмерных частиц (крупинок) приобретающей после высыхания на воздухе прочность, сопоставимую с прочностью керамики и нативной кости.
Материал для имплантата может быть получен в виде наноразмерных кристаллических частиц.
Имплантат получают следующим образом.
ПРИМЕР 1.
Имплантат получают путем размещения влажной пастообразной массы в предварительно изготовленную в соответствии с формой и геометрическими размерами нативного объекта матрицу, в которой на свежем воздухе высушивают. Время высушивания зависит от формы и геометрических размеров нативного объекта. После извлечения имплантата из матрицы проводят дополнительную обработку (полировку, шлифование и т.п.), затем стерилизуют и устанавливают в тело пациента в процессе хирургической операции.
Полученный имплантат может иметь форму: объемного объекта, участка кости, сустава, дентального объекта, устройств ля крепления костных осколков (винты, пластины разной формы, гранулы и т.п.).
ПРИМЕР 2.
Имплантат может быть изготовлен путем помещения, например, зубного протеза в приготовленный пастообразный материал с обеспечением тех или других покрытий.
ПРИМЕР 3.
Имплантат может быть изготовлен из материала, состоящего из наноразмерных кристаллических частиц. Такой имплантат выполняют путем засыпки, например в процессе операции, костных дефектов и нарушенных участков для интенсификации заживления, которое осуществляется в организме пациента за счет химического взаимодействия гидроксильных групп фосфатов кальция и карбоксильных групп карбоксиметилцеллюлозы.
В табл.1 - представлены данные химического анализа по содержаниям компонентов в продуктах синтеза, физико-химические характеристики используемых для имплантата материалов.
Табл.2 иллюстрирует образование в ходе синтеза наноразмерного композиционного материала ОМК ГА/КМЦ с размерами наночастиц ГА 14-15 нм и различным содержанием полисахарида - натриевой соли КМЦ разной степени вязкости.
Рентгеновские данные получали с использованием дифрактометра Дрон-4.
Таблица 1 Результаты анализа композиционных материалов ОМК ГА/КМЦ, синтезированных системе CaCl<sub>2</sub>-(NH<sub>4</sub>)<sub>2</sub>HPO<sub>4</sub>-C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na-NH<sub>3</sub>-H<sub>2</sub>O
Соединение
Обозначение**
Содержание масс.%
Са
Р
ОН
H<sub>2</sub>O
полисахарид КМЦ
Потеря Массы
Са<sub>10</sub>(РО<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>·
IК<sub>2</sub>
32,90
15,26
2,79
13,54
3,97
17,0
0,2C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>·O<sub>7</sub>Na·9H<sub>2</sub>O
32,98
15,30
2,80
13,33
3,98
16,89
Са<sub>10</sub>(РО<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>·
IК<sub>3</sub>
31,17
14,46
2,65
12,44
9,41
20,35
0,5C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·9Н<sub>2</sub>O
31,12
14,43
2,64
12,58
9,40
20,77
Са<sub>10</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>·
IIК<sub>1</sub>
35,09
16,27
2,98
9,91
2,12
11,76
0,1C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·6Н<sub>2</sub>О
35,25
16,35
2,99
9,50
2,13
11,35
Са<sub>10</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>·
IIК<sub>2</sub>
34,30
15,91
2,91
9,86
4,14
13,47
0,2C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·6Н<sub>2</sub>O
34,51
16,01
2,93
9,30
4,17
12,94
Са<sub>10</sub>(РО<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>·
IIК<sub>3</sub>
29,99
13,91
12,54
16,17
8,65
23,65
0,5C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·12H<sub>2</sub>O
29,87
13,85
12,53
16,10
9,02
23,92
*Числитель - найдено, знаменатель - вычислено.**I - низковязкая полисахарид КМЦ. II - высоковязкая полисахарид КМЦ.
1
2
4
3
2+
3-
В синтезах при n=1,67, рН 9,6-10 при добавлении различных количеств натриевой соли КМЦ (n=0,02-0,08) рассчитанные отношения Са/РO  значения для продуктов синтеза составили n=1,666-1,66, что соответствует образованию стехиометрического ГА.
1
2
10
4
6
2
2
8
11
7
При n=1,67 и n=0,02-0,08 образующиеся в ходе синтеза композиционные материалы имеют брутто-формулу Са(РO)(ОН)·хНO·уСНONa, где х=6-12; у=0,1-0,5.
Таблица 2 Кристаллографические характеристики ГА, входящего в состав полученных композиционных материалов, и размер кристаллитов (частиц)
Состав соединения
Обозначение композита
а, Å
с, Å
Размер частиц, нм
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>.0,1C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·6Н<sub>2</sub>O
IK<sub>1</sub>
9,431
6,887
14,0
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>.0,2С<sub>8</sub>Н<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·9Н<sub>2</sub>O
IК<sub>2</sub>
9,435
6,887
14,7
Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>.0,1C<sub>8</sub>H<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·6Н<sub>2</sub>O
IIK<sub>1</sub>
9,430
6,888
15,4
Са<sub>10</sub>(РO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>.0,2С<sub>8</sub>Н<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·6Н<sub>2</sub>O
IIK<sub>2</sub>
9,431
6,889
14,0
Са<sub>10</sub>(РО<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(ОН)<sub>2</sub>.0,5С<sub>8</sub>Н<sub>11</sub>O<sub>7</sub>Na·12Н<sub>2</sub>
IIK<sub>3</sub>
9,465
6,883
13,9
Данные рентгеновского анализа об образовании в ходе синтеза с полисахаридом - натриевой соли КМЦ композиционного материала с нанокристаллической структурой подтверждаются результатами изучения морфологии поверхности образцов с использованием сканирующего электронного микроскопа CamScanS4 (рис.1).
Рис.1. Результаты исследования композиционного материала ОМК ГА/КМЦ методами сканирующей электронной микроскопии (а), рентгеновского микроанализа (б), просвечивающей электронной микроскопии (в, г), дифракции электронов (д) и схематическое изображение клубка макромолкулы полисахарида КМЦ в растворе (е).
Результат получения имплантата характеризующегося свойствами отсутствием антигенности и повышенной медико-биологической эффективностью, согласно полезной модели, достигается следующим. Для его изготовления используются материалы, включающие не биологическое сырье, а синтетические материалы, синтетические фосфаты кальция, обеспечивающие формирование неорганической биосовместимой составляющей и биологически совместимые полисахариды - натриевая соль карбоксиметилцеллюлозы (КМЦ), формирующие полимерные цепи и содержащие активные гидроксильные и карбоксильные группы, способные активно взаимодействовать с неорганической фракцией образующегося композита в ходе синтеза.
10
4
6
2
10
4
6
2-2х
3
х
10-х+у
4
6-х
3
х
2-х+у
3
4
Имплантат включает композиционный материал, который представляет собой органоминеральный композит (ОМК). Его неорганическая составляющая включает биосовместимые фосфаты кальция: может содержать, например, гидроксиапатит кальция (ГА) Ca(PO)(OH), карбонат гидроксиапатит кальция (КГA) Ca(PO)(OH)(СO) при 0≤х≤1 или Са(РО)(СО)(ОН) при 0≤х≤2, 0≤у≤1/2, трикальций фосфат (ТКФ) СаРO, а также - синтетические неорганические композиционные материалы на их основе (ГА/ТКФ, КГА/ТКФ). Органическая составляющая включает - полисахарид натриевую соль КМЦ, содержание которого может варьироваться в интервале от 10 до 50 вес.%.
За счет участия полисахарида - натриевой соли КМЦ в построении кристаллической структуры ОМК, содержащего соответствующие группировки, образуются прочные связи, обусловливающие его высокую механическую прочность, сопоставимую с прочностью керамики. Такие материалы, связывают биоактивный ГА in situ, препятствуя его вымыванию, получены с наноразмерной неорганической фракцией, что обеспечивает увеличение поверхности взаимодействия материала с тканями организма, обеспечивает единую структуру получаемого композита, дополнительно улучшает его медико-биологические характеристики. Следует также отметить, что процесс приживления такого костного материала для остеопластики, адаптация его к окружающим тканям костного дефекта, пролиферация и миграция клеток в строму материала происходит очень активно за счет обеспечения увеличения поверхности взаимодействия полученного материала с тканями организма благодаря наноразмерной характеристике полученного композиционного материала.
Таким образом, использование полезной модели позволяет получить имплантат для остеопластики который отвечает требованиям отсутствия эффекта антигенности, повышения биосовместимости и механической прочности.