Способ получения костного имплантата с деминерализованным поверхностным слоем
METHOD OF PRODUCING BONE IMPLANT WITH DEMINERALISED SURFACE LAYER

Изобретение относится к медицине, а именно: к травматологии, ортопедии, гнойной хирургии, к другим отраслям восстановительной хирургии для репарации минерализованной соединительной ткани в инфицированных ранах, репродукции тканей и биопротезирования. Может быть применено в работе «банков тканей» для обеспечения учреждений здравоохранения костными имплантатами и имплантационными препаратами.
В практике травматологии и ортопедии существует потребность в костных имплантатах с высокой механической прочностью, соизмеримой с механическими свойствами нативной костной ткани длинных костей, ее кортикального слоя.
Предложено множество способов решения проблемы хрупкости костей - состояние, широко известное всем хирургам в области ортопедии.
Предложено множество способов решения данной проблемы, одним из которых является использование аутологичных (аутотрансплантаты) или гетерологичных костей человека или животных, прошедших деминерализацию.
Известны различные технологии получения трансплантатов и имплантатов в зависимости от поставленных задач.
Известен способ механической обработки костных образцов invitro (пат. РФ №2629664), включающий механическую обработку с использованием стерильной рабочей жидкости и последующую стерилизацию, консервацию полученных образцов. Сначала осуществляют стерилизацию костного образца озоно-кислородной смесью с концентрацией озона (5-10) мг/л в течение (10-12) минут, затем механическую обработку проводят режущими инструментами в рабочей жидкости, в качестве которой используют стерильный, охлажденный до температуры +(4÷6)°С раствор Рингера с содержанием сангвиритрина в концентрации 0,01% в пересчете на активное вещество. После этого полученные образцы повторно стерилизуют озоно-воздушной смесью аналогичным образом.
Данный способ обеспечивает механическую обработку костных образцов, их стерилизацию при сохранении остеоиндуктивных свойств после механической обработки, сохранность морфологических и биопластических свойств стерилизуемых объектов, сокращение трудоемкости, времени подготовки имплантатовк их клиническому использованию и образцов для различных физико-химических исследований. Недостатком метода является отсутствие выраженного остеостимулирующего эффекта для ускорения процесса консолидации кости. Биодеградация такого имплантата занимает длительный период времени.
Известен способ получения костного имплантата на основе стерильного деминерализованного костного матрикса (пат. РФ №2679121), выбранный в качестве прототипа, включающий полную деминерализацию заготовки в растворе соляной кислоты 0,8 н с последующей комбинированной стерилизацией деминерализованного имплантата совместно с упаковкой озоно-воздушной смесью с концентрацией озона (6-8) мг/л, продолжительностью (10-20) минут в проточном режиме и радиационным облучением потоком быстрых электронов при величине поглощенной дозы (11-15)кГр герметично упакованных образцов. При этом механическую обработку костного матрикса проводят с учетом направления остеонных структур кости в стерильном, охлажденном до +4°С растворе Рингера, с содержанием сангвиритрина 0,01% в пересчете на активное вещество, и дополнительно осуществляют инкубацию деминерализованного костного матрикса в 0,2% растворе сангвиритрина при температуре +37°С в течение (72-144)часов, после чего готовое средство высушивают при +20°С и герметично упаковывают. Недостатком методаявляется отсутствие необходимыхпрочностных характеристик у деминерализованныхкостных имплантатов, что не позволяет имплантатамвыполнять опорную функцию.
Технической задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения имплантата с деминерализованным поверностным слоем, сочетающего остеоиндуктивные, остеокондуктивные свойства деминерализованного костного матрикса поверхностного слоя и механическую прочность нативной кости имплантата.
Технический результат изобретения состоит в получении костных имплантатов с деминерализованным поверхностным слоем, что обеспечивает повышение остеоиндуктивного потенциала его поверхностного деминерализованного слоя, одновременно сохраняя его прочностные характеристики на 94,5% от нативного компактного вещества диафиза бедренной кости половозрелой особи быка, придание антимикробных свойств имплантату за счет иммобилизации антимикробного средства на деминерализованном поверхностном слое.
Достижение технического результатавозможно при использовании способа получения костного имплантата с деминерализованным поверхностным слоем и антимикробными свойствами, включающего механическую обработку кости в среде охлажденного до +4°С раствора 0,9% натрия хлорида, деминерализацию образцов в растворе деминерализованной среды, содержащей антимикробное средство, инкубацию полученных образцов в растворе 0,9% натрия хлорида с последующей стерилизацией озоно-кислородной смесью. При этом деминерализацию поверхностного слоя проводят на глубину 0,3-0,4 мм в деминерализующей среде, в качестве которой используют раствор соляной кислоты (0,8 н) или раствор ортофосфорной кислоты (15%) в течение 24 часов при комнатной температуре по всей внешней поверхности имплантата.
Пример 1 Получение костного имплантата.
С периостальной поверхности диафиза кости удаляют мягкие ткани, выделяют диафиз, из костно-мозгового канала диафиза и с его эндостальной поверхности удаляют костный мозг. Заготовки помещают в 3% раствор перекиси водорода для удаления компонентов крови.
Из фрагмента диафиза кости методом фрезерования в охлаждающей среде с использованием полых фрез получают цилиндрические заготовки имплантатов диаметром 5 мм. Также осуществляли предлагаемый способ на цилиндрических заготовках диаметром 10 мм со сквозным отверстием по центру диаметром 4 мм. В качестве охлаждающей среды используют охлажденный до t = +4°С раствор 0,9% натрия хлорида.
Для деминерализации поверхностного слоя образцов на глубину 0,2-0,3 мм, полученные из костных заготовок образцы цилиндрической формы (5× 12,5) мм инкубируют в деминерализующую среду, в качестве которой используют или раствор соляной кислоты (0,8 н) или раствор ортофосфорной кислоты (15%). Деминерализацию проводят в течении 24 часов при комнатной температуре и соотношении объема образец/раствор - 1/100. Выбранная деминерализующая среда обеспечивает щадящую деминерализацию и одинаковую динамику удаления минеральной фазы из костных образцов.
Полученные образцы с деминерализованным поверхностным слоем отмывают в дистиллированной воде и высушивают в асептических условиях при t = +20°С. Глубину деминерализованного поверхностного слоя образцов контролируют гистоморфометрическим методом с использованием световой или сканирующей электронной микроскопии на поперечном срезе цилиндрического образца.
После инкубации образцов в деминерализующей среде в течение 24 часов при комнатной температуре глубина деминерализованного поверхностного слоя образца составляет (0,2-0,3) мм (см. рисунок 1).
В Таблице 1 представлена зависимость глубины деминерализованного поверхностного слоя образца и его механической прочности в зависимости от времени инкубации в одной из деминерализующих сред.
Механические характеристики изготовленных костных образцов контролируют посредством измерения предела прочности при сжатии с использованием испытательных установок, в частности, комплекса INSTRON 6022 (Англия). Механическая прочность образцов с полученным деминерализованным поверхностным слоем глубиной (0,2-0,3) мм ниже нативных образцов на 5 - 6% и составляет - 179,6±6,2 МПа.
Контроль степени (полноты) деминерализации проводят с помощью элементного анализа контрольного (нативного) и образца с деминерализованным поверхностным слоем с использованием энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии.
Результаты элементного анализа образцов контрольной группы и образцов с деминерализованным поверхностным слоем показывают уменьшение относительного процентного содержания в костной ткани определяемых химических элементов, формирующих минеральную фазу кости и увеличение относительного процентного содержания определяемых химических элементов, формирующих органическую фазу кости. Так, при проведении элементного анализа в деминерализованном костном матриксе поверхностного слоя образца содержание Са, Na, Mg - ниже чувствительности прибора, при этом отмечено уменьшение относительного процентного содержания Р - в 45 раз, увеличение относительного процентного содержания N - в 2,5 раза, С - в 4,5 раза.
Для придания полученным имплантатам с деминерализовнным поверхностным слоем антибактериальных свойств с целью их использования в лечении инфицированных ран, образцы инкубируют в растворе 0,9% натрия хлорида с концентрацией сангвиритрина 0,05% для его иммобилизации на деминерализованном матриксе поверхностного слоя. Инкубацию проводят при t = +37°С в течение 72 часов.
2
Препарат Сангвиритрин является растительным антимикробным лекарственным средством. Производитель: ФГБНУ ВИЛАР (Россия) - Фармакопейная статья 42-2444-98. Представляет собой субстанцию в виде суммы бисульфатов двух близких по структуре и физико-химическим свойствам четвертичных бензо[с]фенантридиновых алкалоидов сангвинарина (I 2R=CH) и хелеритрина (IIR=Me) (в виде моногидратов).
Полученные имплантаты с антибактериальными свойствами высушивают в асептических условиях при t = +20°C, помещают в открытую упаковку, проводят первый этап комбинированной стерилизации - обработку имплантата озоно-кислородной смесью с концентрацией озона (6-8) мг/л в течение 10 минут в проточном режиме совместно с упаковкой. После этого, с использованием термоаппарата F70-400 (Нидерланды), герметично запаивают упаковку с имплантатами и проводят второй этап стерилизации герметично упакованных имплантатов - радиационным облучением с величиной поглощенной дозы (11-15) кГр.
В результате использования предлагаемого способа повышаются остеоиндуктивные свойства при обеспечении необходимых прочностных характеристик имплантата. При этом, механическая прочность образца составляет 179,6±6,2 МПа, что на 5,5% меньше механической прочности образца из нативного компактного вещества бедренной кости быка. Полученный деминерализованный поверхностный слой имплантата, благодаря повышенной сорбционной способности, позволяет обеспечить иммобилизацию на его поверхности лекарственного средства сангвиритрин для придания имплантату антибактериальных свойств.