СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЦЕМЕНТА БРУШИТНОГО ТИПА ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ
METHOD OF OBTAINING BRUSHITE-TYPE CEMENT FOR REPLACEMENT OF BONE DEFECTS

Предлагаемое изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, и может быть использовано при немедленной имплантации после удаления зуба для уплотнения и стабилизации импланта, при хирургическом лечении, при проведении одноэтапного синус-лифтинга, при заполнении лунки после экстракции зуба, при пародонтологическом лечении для получения костного заместителя и заполнителя костных дефектов, при заполнении периодонтальных костных дефектов.
В стоматологической практике при хирургическом лечении костных дефектов широко применяются остеопластические материалы, которые делятся на группы по составу и природе происхождения: натуральные (донорская кость человека, кость крупного животного, минералы - кораллы и т.д.) и синтетические (гранулы и цементы: апатитные, брушитные).
Известен материал для возмещения дефектов кости и способ его получения по патенту РФ №2303436. Вещество для возмещения дефектов кости содержит гидроксиапатит, трикальцийфосфат, коллаген, а также дополнительно содержит неколлагеновые белки костной ткани. Способ осуществляют путем воздействия на костную ткань, сушки и стерилизации, при этом проводят деминерализацию костной ткани соляной кислотой, нейтрализацию полученного раствора щелочью, подщелачивание полученной суспензии оксидом кальция при рН 11,0-12,0, отмывание осадка водой до нейтральной реакции, далее осуществляют лиофильную сушку и стерилизацию для мобилизации пептидных факторов роста. Вещество, полученное предложенным способом, обладает выраженными свойствами инициировать костеобразование, поскольку оно содержит ростовые факторы костной ткани. Данное техническое решение обладает следующими недостатками: сложность и длительность осуществления способа. А самому материалу присущи недостатки, свойственные недостаткам натурального костного замещения:
- дополнительная травматизация пациента при пересадке собственной кости, риск инфицирования при пересадке донорской кости, забор ограниченного количества материала, опасность инфицирования пациентов вирусами СПИДа, опасных форм гепатита, туберкулеза. Требуется создание специальных банков хранения, тестирование трупной кости и препаратов из нее для получения специального сертификата;
- у препаратов из кости крупного рогатого скота установлена неразрешимая проблема, связанная с вирулентностью прионов - носителей заболевания Крейцфельда-Якобса. В США и странах ЕС запрещены все препараты, получаемые из костного мозга, губчатой кости, гипофиза и эпифиза крупного рогатого скота.
Известны способы получения композиционных материалов, где в качестве основного компонента используется β-трикальцийфосфат, что придает способность осуществлять регенерацию костной ткани благодаря сквозным порам. Например, композиционный материал для замещения костной ткани, содержащий фосфаты кальция - гидроксиапатит в виде гранул, порошкообразные бета-трикальцийфосфаты, а также коллаген и хондроитинсульфат, взятые в массовом соотношении 12-20:6-12:30-40:34-38 (Пат. РФ 2122437, кл. A61L 27/00, 1996). К недостаткам этого способа следует отнести сложность и многостадийность при получении материала, кроме того, низкие механические свойства изделий из него приводят к тому, что в процессе хранения, транспортировки и при подготовке к применению гранулы легко растрескиваются и рассыпаются.
Перспективными в качестве синтетических заместителей кости являются кальцийфосфатные цементы благодаря следующим преимуществам:
- способны затвердевать in situ - тем самым стабилизировать окружающие ткани;
- их можно использовать без применения разделительной мембраны, что снижает стоимость и длительность операции;
- плотное прилегание цемента к кости при заполнении дефекта обеспечивает остеоинтеграцию и формирование новой кости. Регенерация кости происходит на границе «кость-цемент», с течением времени продвигающейся к центру материала.
Синтетические кальцийфосфатные цементы делятся на две группы: апатитные - на основе осажденного гидроксиапатита (ГАП) и брушитные - на основе дикальцийфосфата дигидрата (ДКФД). Основной недостаток материалов на основе ГАП - низкая резорбируемость в физиологической среде, поэтому в медицинской практике применяются композиции на основе ГАП и β-трикальцийфосфата, растворимость которого на порядок выше, чем растворимость ГАП. Цементы брушитного типа характеризуются выделением кристаллов ДКФД, резорбируемость которых превышает таковой показатель β-ТКФ. Основное условие образования ДКФД при комнатной температуре и при 37°С - значение водородного показателя должно быть 3-4,5. («Биокерамика на основе фосфатов кальция» гл.5. «Некоторые аспекты взаимодействия фосфатов кальция с физиологической средой». М.Баринов, В.С.Комлев, Москва, «Наука», 2005 г.).
Известны способы получения стоматологических материалов путем взаимодействия затворяющей жидкости, как правило растворов солей фосфатов, и реакционно-твердеющей смеси порошков, содержащих смесь гидроксиапатита и кальцийфосфатов (патенты РФ №2292867, №2292865). Недостатком таких технических решений является сложность соблюдения при затворении соотношения «порошок-жидкость», нарушение которого является причиной получения конечного продукта, отличающегося по своим физико-механическим свойствам от требуемых.
Из описания к патенту РФ №2236215 известен способ получения цемента для замещения костной ткани, включающий перемешивание в шаровой мельнице в течение 24 часов в инертной атмосфере следующих твердых предварительно высушенных компонентов: трикальцийфосфата, тетракальцийфосфата, бикарбоната натрия и фтористого натрия, затем порошок цемента для стерилизации помещают в полиэтиленовый пакет, запаивают и подвергают γ-облучению дозой 20000 Гр. Рабочую пасту из подготовленной порошковой смеси формируют непосредственно перед применением, для чего к полученному порошку добавляют 6-10%-ный гель гидроксиапатита, перемешивают в течение 3 мин и немедленно после перемешивания помещают в дефект костной ткани. Время отверждения составляет 15 мин. Недостатком этого способа и подобных способов по патентам РФ №№2236216 и 2236217, отличающихся друг от друга составом порошковой смеси, является сложность и длительность подготовки порошковой смеси, необходимость применения инертной атмосферы и довольно длительное время твердения рабочей пасты - 15 мин.
Наиболее близким выбранным за прототип является способ получения материала «VitalOs Cement» фирмы PD (Швейцария), осуществляемый путем дозированной подачи и смешения двух паст на водной основе, что обеспечивает образование брушитного цемента по уравнению реакции:
В состав материала входит трикальцийфосфат 36%, монокальцийфосфат 23%, сульфат кальция 11,5%, особо чистая вода 27%, минеральный наполнитель до 100%. Получаемый брушитный цемент стимулирует костное новообразование в течение нескольких месяцев (http://www.vitalos.com/PAGES/why%20vitalos.php, инструкция к PD «VitalOs Cement»).
Недостатком данного способа является то, что, во-первых, одна из паст при хранении склонна к седиментации, во-вторых, полученный цемент твердеет в течение 10 минут, в-третьих, он имеет низкое значение рН, стабилизация которого происходит в течение суток. Низкое значение рН неблагоприятно воздействует на окружающие ткани: в зависимости от собственной буферной емкости, кость, столь длительное время находящаяся в контакте с цементом, слегка закисляется, что может вызвать некоторые побочные биологические реакции.
Задачей предлагаемого изобретения является создание способа получения цемента брушитного типа для замещения костных дефектов, характеризующегося сокращенным временем полного твердения до 4-5 минут и сокращением времени стабилизации рН до 2 часов.
Технический результат:
- обеспечение механической прочности получаемого цемента брушитного типа не менее 15-20 МПа;
- пролонгированное предоставление организму "строительного" материала в системе: резорбция предлагаемого цемента брушитного типа - новообразование кости;
- длительная седиментационная устойчивость паст способствует увеличению срока их хранения без изменения реологических свойств, что обеспечивает удобство использования и возможность точного дозирования для смешения.
Поставленная задача решается путем использования предложенного способа, включающего дозированное смешение двух паст на водной основе, содержащих кальцийфосфаты, соль сульфата и минеральный наполнитель, однако в отличие от прототипа первая паста содержит β-трикальцийфосфат и наноразмерный гидроксиапатит с размером кристаллов 30-40×100-200 нм в виде 10-20% водной суспензии, в состав второй пасты входит монокальцийфосфат моногидрат и раствор сульфата одновалентного металла, при следующем соотношении компонентов (масс.%):
Состав первой пасты:
β-Трикальцийфосфат
50-70
Наноразмерный гидроксиапатит с размером
кристаллов 30-40×100-200 нм
2-10
Дистиллированная вода
до 100
Состав второй пасты:
Монокальцийфосфат моногидрат
47-65
Сульфат одновалентного металла
5-22
Дистиллированная вода
30-48
Для осуществления предлагаемого изобретения во вторую пасту вводят сульфат натрия или смесь сульфата натрия и сульфата калия при соотношении 20:1. Введение сульфата калия не влияет на основные характеристики готового цемента, но наличие ионов калия позволит получить дополнительный эффект снижения болевой чувствительности за счет снижения силы импульсов при их прохождении по нервным волокнам. Новыми признаками, которые соответствуют критериям «новизна» и «изобретательский уровень» в предложенном техническом решении, являются состав паст и количественные соотношения.
Так, введение в первую пасту гидроксиапатита с размером кристаллов 30-40 нм на 100-200 нм, в виде 10-20% водной суспензии, позволяет обеспечить седиментационную устойчивость первой пасты при длительном хранении и пролонгирование резорбции полученного цемента брушитного типа.
Модификация состава второй пасты, включающей монокальцийфосфат моногидрат, компонентом, содержащим сульфат-ион в виде соли одновалентного металла, позволяет:
- стабилизировать вторую пасту за счет частичной реакции сульфат-иона соли одновалентного металла с монокальцийфосфат моногидратом, в результате которой образуется необходимое для этого количество сульфата кальция;
- при смешении паст в результате частичной реакции сульфат-иона соли одновалентного металла с β-трикальцийфосфатом получить в брушитном цементе кристаллы кальция сульфата, способствующие образованию частиц неравноосной морфологии, обеспечивающих механическое зацепление, что позволит гарантировать достаточную механическую прочность цемента.
Образующийся в цементе брушитного типа сульфат кальция обладает способностью к быстрой резорбции тканевыми жидкостями, в результате чего в цементе появляются поры, обеспечивающие возможность врастания в них мелких кровеносных сосудов, в результате резорбция цемента усиливается и стимулирует костнообразование.
Состав паст и количественное содержание каждого компонента позволяет:
- получить при их смешении цемент брушитного типа, обладающий заявленными в задаче характеристиками: сокращенным временем полного твердения до 4-5 минут, пролонгированной резорбцией, механической прочностью не менее 15-20 МПа;
- обеспечить время стабилизации рН в течение 2 часов благодаря наиболее оптимальному соотношению входящих в состав первой пасты основного фосфата и кислого фосфата во второй пасте;
- получить седиментационно-устойчивую консистенцию паст, что обеспечивает возможность стерилизовать материал непосредственно в любом дозирующем устройстве и корректно дозировать пасты для получения продукта.
На фигуре представлено изображение образца цемента на изломе через час после образования - четко видно наличие частиц неравноосной морфологии. Изображение получено на растровом электронном микроскопе РЭМ Quanta 200-3d при увеличении ×5000 раз.
Способ осуществляют следующим образом.
Для приготовления первой пасты используют β-трикальцийфосфат в виде порошка с размером основной фракции - 3-5 мкм (не менее 80-85%), к которому добавляют 10-20% водную суспензию гидроксиапатита с размером кристаллов гидроксиапатита по ширине - 30-40 нм, длине - 100-200 нм, дистиллированную воду и перемешивают до получения однородной пасты.
Пасту вторую готовят смешиванием монокальцийфосфата моногидрата в смесителе типа краскотерки с 25,0%-ным водным раствором сульфата натрия.
Все компоненты берут в заявленных количественных соотношениях.
При смешивании паст в равных объемных отношениях вручную в течение 5 секунд или через специальную насадку при одновременной подаче из двойного шприца образуется пластичная паста, хорошо затекающая в дефект сложной морфологии. В течение рабочего времени пасту можно формовать. Затем во время твердения массу выдерживают для формирования цемента.
Рабочее время смешанного материала - 1 минута,
Время твердения смешанного материала - 4-5 минут.
Прочность при сжатии - 15-20 МПа.
Значение водородного показателя 2%-ной суспензии полученного цемента в дистиллированной воде через 2 часа от начала смешивания рН=5,58-5,98.
Примеры конкретного выполнения.
Физические свойства цементов брушитного типа, полученных по примерам конкретного выполнения предлагаемого изобретения, приведены в таблице.
Номер примера
Показатели
Объемное соотношение паст
Текучесть, мм
Рабочее время
Время твердения пасты
Прочность при сжатии, МПа
рН через 2 часа от начала смешивания
1.
1:1
23-24
1,0 мин
5,0 мин
20
5,58
2.
1:1
22-23
1,0 мин
5,0 мин
15
5,96
3.
1:1
18-19
50,0 мин
24 ч
0,5
7,5
4.
1:1
17-18
3 ч
*
*
3,85
5.
1:1
*
1 ч
*
*
6,8
6.
2:1
23-24
24 ч
*
*
5,6
7.
1:1
*
5 мин
25 мин
1,0
5,5
Знаком «*» отмечены показатели, которые определить оказалось невозможно.
Пример 1.
1. Для приготовления первой пасты в фарфоровый барабан шаровой мельницы загружают 100,0 г β-трикальцийфосфата, 100,0 г мелющих тел (фарфоровые шары) диаметром 20 мм. Обрабатывают в течение 30 минут. Порошок просеивают через капроновую сетку с размерами ячейки 29 мкм в сборник. Отсев крупной фракции направляют на дополнительный помол. Гранулометрическим анализом определена основная фракция - 3-5 мкм (80-85%).
2. В емкость смесителя загружают 50,0 г подготовленного β-трикальцийфосфата, 20,0 г водной суспензии гидроксиапатита (содержание гидроксиапатита составляет 10-20%, размер кристаллов гидроксиапатита: ширина - 30-40 нм, длина - 100-200 нм) и 30,0 г дистиллированной воды, что соответствует оптимальному значению компонентов в заявляемых пределах.
3. Пасту вторую готовят смешиванием 50,0 г монокальцийфосфата моногидрата в смесителе типа краскотерки с 50,0 г 25,0%-ного водного раствора сульфата натрия.
4. Пасты в равных объемных отношениях смешивают вручную в течение 5 секунд или выдавливают через специальную насадку при одновременной подаче из двойного шприца.
Как видно из таблицы, рабочее время, время твердения цемента и время стабилизации рН соответствуют заявленным значениям.
Пример 2.
1. Из примера 1.
2. В емкость смесителя загружают 70,0 г подготовленного β-трикальцийфосфата, 10,0 г водной суспензии гидроксиапатита (содержание гидроксиапатита составляет 10-20%, размер кристаллов гидроксиапатита: ширина - 30-40 нм, длина - 100-200 нм) и 20,0 г дистиллированной воды.
3. Из примера 1.
4. Из примера 1.
Как видно из таблицы, рабочее время, время твердения цемента и время стабилизации рН соответствуют заявленным значениям.
Пример 3.
1. Из примера 1.
2. В емкость смесителя загружают 75,0 г подготовленного β-трикальцийфосфата, 10,0 г водной суспензии гидроксиапатита (содержание гидроксиапатита составляет 10-20%, размер кристаллов гидроксиапатита: ширина - 30-40 нм, длина - 100-200 нм) и 15,0 г дистиллированной воды.
3. Из примера 1.
4. Из примера 1.
При увеличении содержания β-трикальцийфосфата выше заявленных пределов композиция теряет тиксотропные свойства, взаимодействие компонентов в таком соотношении не ведет к образованию прочного брушитного цемента.
Пример 4.
1. Из примера 1.
2. Из примера 1.
3.Пасту вторую готовят смешиванием 80,0 г монокальцийфосфата моногидрата в смесителе типа краскотерки с 20,0 г 25,0%-ного водного раствора сульфата натрия.
4. Из примера 1.
При увеличении содержания монокальцияфосфата моногидрата выше заявленных пределов композиция теряет тиксотропные свойства, образуется длительно структурируемая рыхлая масса с низким значением водородного показателя.
Пример 5.
1. Из примера 1.
2. Из примера 1.
3. Пасту вторую готовят смешиванием 30,0 г монокальцийфосфата моногидрата в смесителе типа краскотерки с 70,0 г 25,0%-ного водного раствора сульфата натрия.
4. Смешивание паст в равных объемных соотношениях в течение 5 секунд удается только вручную, т.к. смешивание паст через специальную насадку при одновременной подаче из двойного шприца невозможно.
Как видно из таблицы, при снижении содержания монокальцийфосфата моногидрата ниже заявленных пределов, после смешивания паст устанавливается рН выше необходимого значения для образования брушитного цемента, в результате образуется неустойчивая неструктурирующаяся масса.
Пример 6.
1. Из примера 1.
2. Из примера 1.
3. Из примера 1.
4. При смешивании паст в течение 5 секунд в объемных отношениях: 2 мл первой пасты и 1 мл второй пасты образуется пластичная паста, хорошо затекающая в дефект сложной морфологии. В течение рабочего времени пасту можно формовать. Затем во время твердения массу выдерживают для формирования цемента.
Однако нарушение при смешивании объемных соотношений двух паст приводит к тому, что полученная композиция структурируется в течение длительного времени (более 24 часов). Образующаяся масса не имеет прочностных показателей
Пример 7.
1. Из примера 1.
2. Из примера 1.
3. Пасту вторую готовят смешиванием 50,0 г монокальцийфосфата моногидрата в смесителе типа краскотерки с 50,0 г 5,0%-ного водного раствора сульфата натрия.
4. Пасты для смешивания взяты в равных объемных отношениях. Однако, в случае снижения содержания сульфата натрия, вторая паста имеет слишком высокую текучесть, что усложняет ее дозированную подачу, поэтому смешивание возможно осуществить только вручную в течение 5 секунд, а смешивание паст через специальную насадку при одновременной подаче из двойного шприца невозможно. После смешивания двух паст получается композиция с длительным временем отверждения и низким показателем прочности.
Как видно из примеров, поставленная задача достигается только при соблюдении заявляемых параметров по составу паст, что соответствует заявленному рабочему времени композиции, времени твердению цемента, времени стабилизации рН и прочностным показателям (примеры 1-2).
Таким образом, только совокупность количественных и качественных заявляемых параметров приводит к достижению технического результата, а именно композиция при отверждении кратковременно воздействует на окружающие ткани за счет сокращения времени стабилизации среды до нейтрального значения водородного показателя до 2 часов, время твердения сокращено до 4-5 минут.
Достигнутый результат соответствует требованиям, предъявляемым к материалам для костного замещения.