ОСТЕОГЕННЫЙ БИОРЕЗОРБИРУЕМЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ
OSTEOPLASTIC BIORESORBABLE MATERIAL FOR BONE DEFECT REPLACEMENT AND METHOD FOR PREPARING IT

Изобретение относится к области медицины, а именно к инъекционным биорезорбируемым составам биокомпозиционных материалов, предназначенных для лечения заболеваний и повреждений костной системы человека, в качестве: материала, способного в организме полностью биодеградировать и заменяться новой костной тканью, для регенерации костных клеток, остеокондуктивного и остеоиндуктивного биологического опорного каркаса для регенерации костной ткани и может найти применение в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии.
Кальций фосфатные цементы получают на основе реакционно-твердеющей порошковой смеси (РПС) двух и более фосфатов кальция и затворяющей жидкости (ЗЖ). Исходный порошок представляет смесь кислых и основных фосфатов. При добавлении в смесь ЗЖ компоненты начинают взаимодействовать между собой через жидкую фазу по механизму растворения-осаждения с образованием нейтральных (рН7) фосфатов. В качестве исходной смеси (S. Tagaki, L.C. Chow, К. Ishikawa, «Formation of hydrohyapatite in new calcium phosphate cements», Biomaterials, 19 (1998), pp 1593-1599) использовали трикальций фосфат в сочетании с гидроксидом кальция или карбонатом кальция, аморфный фосфат кальция с гидроксидом кальция, дикальций фосфат с гидроксидом кальция или карбонатом кальция. В качестве ЗЖ применяли водные растворы гидроксида натрия или двухзамещенного ортофосфата натрия. При смешении смеси порошков фосфата кальция с ЗЖ образуется тестоподобная масса, которая со временем схватывается до образования прочного гидроксиапатитового цементного камня, состоящего из кристаллического гидроксиапатита (ГА).
Предложенные материалы могут быть использованы в качестве цементных паст для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов. Недостатком данных материалов является низкая прочность- менее 8МПа.
Известен, в частности, фосфатный цемент (В,В Самускевич, Н.Х. Белоус, Л.Н. Самускевич, А.А. Дорышевская водного затворения на основе гидроксиапатита термообработанного дигидрофосфата кальция. Неорганические Материалы, 2000, т.36, №9, с.1148-1152), состоящий из смеси порошков гидроскиапатита (ГА) и термообработанного дигидрофосфата кальция, в качестве ЗЖ используется вода. При добавлении затворяющей жидкости компоненты смеси реагируют друг с другом с образованием аморфной массы, которая в процессе схватывания превращается в кристаллический ГА.
Существенным недостатком данного материала является низкая прочность - не более 30 МПа и быстрое время схватывания-2-3 мин. Быстрое схватывание и низкая прочность не позволяют формировать костные имплантанты сложной конфигурации, залечивать костные дефекты большой площади и объема.
Из RU 2292867, 10.02.2007 известен кальций фосфатный цемент, обладающий повышенной прочностью. Известный цемент (материал) используется для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов из реакционно-твердеющей смеси, содержащей порошок гидроксиапатита, дикальций фосфат, трикальций фосфат, а в качестве затворяющей жидкости содержит раствор фосфатов магния и фосфатов калия в фосфорной кислоте, при этом содержание компонентов в реакционно-твердеющей смеси составляет, мас.%:
Гидроксиапатит
- 15,0-75,0
Дикальций фосфат
- 10,0-60,0
Трикальций фосфат
- 15,0-75,0
содержание компонентов в затворяющей жидкости составляет, мас.%:
Фосфат магния
- 15,0-75,0
Фосфат калия
- 3,5-25,0
Количество затворяющей жидкости (ЗЖ) (мл) к количеству реакционно-твердеющей смеси (РПС) (г) должно быть в пределах 0,25-0,65 (ЗЖ(мл)/ (РПС(г)=0,25-0,65. Время схватывания изменяется от 6 до 35 мин.
Однако данный материал не обладает необходимой биоактивностью, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами.
Технической задачей данного заявленного изобретения является получение биодеградируемого материала для замещения дефектов костной ткани, обладающей необходимой биосовместимостью и выраженными остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами.
Многолетний клинический опыт применения костнозамещающих материалов определил основные предъявляемые к ним требования:
- имплантационные материалы должны быть биосовместимыми с организмом реципиента;
- по химическому составу структуре и свойствам должны быть близки к составу костных тканей;
- материал не должен изменять химический состав в зоне контакта с организмом;
- обладать способностью замещения дефектов в жидком или вязкотекущем состоянии сложной анатомической формы, неоднородных по строению и структуре;
Инъекционный биокомпозиционный материал по изобретению содержит биологический гидроксиапатит, фосфорнокислый кальция, аминокислоту-аргинин, а также фосфопротеин (казеин), выделенный из обезжиренного молока, а в качестве отвердителя глутаровый альдегид.
Поставленная техническая задача достигается группой изобретения, в которую входит остеогенный биорезорбируемый материал и способ получения его.
Итак, поставленная техническая задача достигается остеогенным биорезорбируемым материалом для замещения дефектов костной ткани, обладающий биосовместимостью, биоактивностью, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, выполненный из композиции, включающей в качестве наполнителя биологический гидроксиапатит с размером частиц 1-40 мкм, фосфорнокислый кальций, аминокислоту-аргинин, раствор казеина в 5%-ном водном растворе аммиака при соотношении 1:4, отвердитель глутаровый альдегид, при следующем соотношении исходных компонентов, в мас%:
порошок гидроксиапатита с размером частиц 1-40 мкм
- 13,9-14,1
фосфорнокислый кальций
- 7,8-8,5
аминокислота-аргинин
- 0,9-1,1
раствор казеина в 5%-ном водном растворе аммиака
при соотношении 1:4
- 65-75
глутаровый альдегид
- 1,9-2,1
2
2
Экспериментально было доказано, что размер частиц наполнителя не более 40 мкм играет решающую роль в скорости растворения компонентов, а, следовательно, оказывает влияние на время затвердевания материала. Размер порошка нужно регулировать для того, чтобы минимизировать различия в скорости растворения, а именно, порошок с размерами частиц более 40 мкм и с площадью удельной поверхности порядка 40-50 м/г растворяется медленно, тогда как порошок с размерами частиц менее 40 мкм и с площадью удельной поверхности порядка 70-90 м/г растворяется быстро. Кроме того было установлено, что при использовании порошков с размерами частиц менее 40 мкм полученная пластичная масса при добавлении аммиачного раствора казеина и глутарового альдегида характеризуется однородностью и временем схватывания от 6 до 35 мин, тогда как при использовании порошков с размерами частиц более 40 мкм, полученная пластичная масса неоднородна и время схватывания составляет более 40 мин.
Предлагаемые интервалы соотношения компонентов фосфорнокислого кальция и аминокислоты-аргинина определяются областью гомогенизации апатитной фазы и вариациями элементного состава костной ткани.
Решающим фактором выбора аргинина является его возможность вступать в реакции полимеризации при добавлении полимеров, таких как аммиачный раствор казеина. При концентрации аргинина менее 0,9% реакция полимеризации проходит медленно. При добавлении в состав аргинина более 1,1% происходит агломерация частиц порошка, что затрудняет процесс приготовления порошковой фазы, а также приводит к повышению значения pH материала до 8,5-9,0, что недопустимо для биосовместимых материалов, для которых pH не должно превышать 8,0.
Известно, что соотношение Ca/Р в костной ткани человека составляет 1,67. При разработке материала расчет его компонентов зависел от того насколько близко соотношение компонентов в материале к соотношению Ca/Р в костной ткани человека. Поскольку, получаемый гидроксиапатит из костной ткани крупного рогатого скота часто бывает кальцийдефицитным, то, при изготовлении материала, каждая партия используемого в нем гидроксиапатита, предварительно исследовалась на рентгенофлюоресцентном спектрометре на элементный анализ. По результатам этого анализа в рамках предлагаемого диапазона содержания компонентов материала подбиралось его оптимальное количество, отвечающее соотношению Ca/P=1,67 в костной ткани человека.
Применение аммиачного раствора казеина в соотношениях 65-75 мас% необходимо для получения инжектируемой пасты, соотношение менее 65 масс.% не дает возможности получения однородной инжектируемой массы. Соотношение более 75% приводит к низкой устойчивости материла к вымыванию телесной жидкостью.
Использование глутарового альдегида в соотношении менее 1,9 масс.% в качестве отвердителя не приводит к быстрому затвердеванию материала, поскольку полученный материал характеризуется вязко-текучим состоянием. Использование же глутарового альдегида в соотношении более 2,1 масс.% не возможно, поскольку полученный материал рассыпается и теряет пластичность.
Поставленная техническая задача достигается также и способом получения биорезорбируемого материала для замещения дефектов костной ткани.
Способ получения биорезорбируемого материала для замещения костной ткани заключается в следующем, сначала получают порошок биологического гидроксиапатита с размером частиц 1-40 мкм из деминерализованных костей крупного рогатого скота, который перемешивают с 1%-ным водным раствором аминокислоты-аргинином, далее готовят связующее на основе фосфопротеина-казеина путем растворения порошка его в 5%-ном водном растворе аммиака при соотношении 1:4 и смешения полученной гомогенной вязкой массы с 3%-ным раствором гидрофосфата кальция в 10%-ном водном растворе ортофосфорной кислоты, взятым в количестве 125 мл на 1 л растворенного казеина, после этого смешивают полученное связующее на основе казеина с приготовленной смесью порошка гидроксиапатита с аргинином при интенсивном перемешивании их и к полученной вязкой массе фосфатного цемента добавляют отвердитель глутаровый альдегид непосредственно перед использованием его.
В качестве биологического гидроксиапатита для приготовления биорезорбируемого материала по изобретению используют биологический гидроксиапатит (порошок) из деминерализованных костей крупного рогатого скота (например в 1М растворе соляной кислоты с последующим осаждением, например 5М раствором гидроксида натрия, фильтрованием и термической обработкой при температуре, в частности 830°C. Получают порошок с размером частиц не более 40 мкм (1-40 мкм).
В качестве аминокислоты, в частности используют 2-амино-5-гуанидиновалериановую кислоту (аргинин).
Казеин, относящийся к группе фосфопротеинов, получается в результате взаимодействия обезжиренного молока с 5% аскорбиновой кислотой при непрерывном помешивании; протеин осаждается в виде глобул. Температура осаждения 37°-39°; кислотность массы должна соответствовать pH=4,6-4,8. Кислоту добавляют в течение 8-10 мин. После осаждения выпавший осадок перемешивают 10-15 мин. Для лучшего уплотнения промывают 3-4 раза дистиллированной водой при температуре 25-30°.
Полученный осадок высушивается при температуре 25-30° в течение 24 часов и измельчается. Далее для применения фосфопротеина (казеин) в качестве связующего в цементе готовится 5% водный раствор аммиака для его растворения при следующих соотношениях компонентов: 1 вес.ч. фосфопротеина и 4 вес.ч. аммиака. После его растворения и получения гомогенной вязкой массы далее добавляется 3% раствор гидрофосфата кальция, растворенного в 10% растворе ортофосфорной кислоты, в количестве 125 мл СаНР04 на 1 л растворенного фосфопротеина.
Подготовка исходных компонентов для наполнителя включала в себя получение фракций порошка гидроксиапатита с размерами частиц от 1-40 мкм. Эта операция заключалась в просеивании порошка через сита соответствующих размеров. Далее в порошок гидроксиапатита добавлялся раствор аргинина (% масс. приведены выше) при интенсивном перемешивании. Далее смесь высушивалась при температуре 40-60°C в течение 10-15 минут. Это приготовление наполнителя. Сушка наполнителя при температуре ниже 40°C приводит к более длительному времени обработки, а при температуре выше 60°C идет разложение аминокислоты. К полученной порошковой массе добавляется раствор фосфопротеина при интенсивном перемешивании, а далее 2-8% раствор глутарового альдегида в соотношении 0,5:1:0,2 соответственно. Материал схватывается через 3 минуты и застывает через 15-20 минут. При добавлении полимерного протеина меньше 1 порошок цемента не проявляет эластичных свойств и рассыпается. Добавление же более 1 приводит к длительному времени схватывания порядка 40 минут и расслаиванию системы.
Изобретение иллюстрируется следующим примером, не ограничивающим объем притязаний.
Пример.
Для получения образца цемента, использовали следующее соотношение компонентов, в мас%:
порошок гидроксиапатита с размером частиц 1-40 мкм
- 14,1
фосфорнокислый кальций
- 8,2
аминокислота-аргинин
- 1,0
раствор казеина в 5%-ном водном растворе аммиака
в соотношении 1:4
- 74,8
глутаровый альдегид
- 1,9
Порошок гидроксиапатита с размером частиц 1-40 мкм и 1% раствор аргинина перемешивают в шаровой мельнице в течение 60 минут. Для формирования цемента непосредственно перед употреблением к полученному порошку добавляют смесь раствора казеина в 5%-ном водном растворе аммиака в соотношении 1:4 и раствора гидрофосфата кальция в ортофосфорной кислоте и интенсивно перемешивают в течение 1-2 мин, далее к полученному вязкому материалу для быстрого отверждения добавляется глутаровый альдегид при интенсивном перемешивании и материалом сразу же заполняется костный дефект. Время схватывания составляет 3 мин, а отверждения 15-20 мин.
Разработанный инъекционный биорезорбируемый материал для замещения костной ткани, после заполнения дефектов костной ткани образует материал, являющийся аналогом неорганической составляющей натуральной кости, и обладающий биосовместимостью, биоактивностью остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами, благодаря чему он постепенно замещается натуральной костной тканью, эффективно восстанавливая имеющиеся дефекты.
Результаты испытаний показали, что в отличие от известных цементов предлагаемые цементы обладают полной биосовместимостью с костной тканью, биодеградируемостью, создают условия уменьшения в необходимости пересадки костной ткани и общей длительности хирургического вмешательства.
В целях выяснения биодеградирующих свойств материала, его влияния на регенерацию костных клеток, остеокондуктивных и остеоиндуктивных свойств были проведены исследования на 20 крысах женского пола породы «Wistar» в возрасте 3-х месяцев. Был проведен комплекс лабораторных исследований, в том числе определены необходимые биохимические показатели, выполнялись рентгенологические исследования РКТ и также готовились и изучались гистологические препараты окружающих материал тканей.
В ходе исследования материал показал себя как биосовместимый, биодеградируемый, обладающий выраженными остеокондуктивными и остеоиндуктивными свойствами. В конечном итоге материал является мощным стимулятором остеогенеза, что подтверждается рентгенологическими, гистологическими и биохимическими методами исследования.