Костный имплантат
BONE IMPLANT

Изобретение относится к области медицины и медицинской технологии, а именно к костным имплантатам. Это имплантаты, которые заменяют или дополняют костную ткань, полностью или частично закреплены в костной ткани или соединяют части костей. Наиболее важные свойства костных имплантатов, принимаемые во внимание при их применении - это механическая прочность, химическая стойкость, биологическая совместимость, способность к интеграции в костную ткань (остеоинтеграции). Оптимизация применения имплантатов костной ткани с учетом их свойств является важной задачей современной медицины в хирургии, ортопедии, травматологии, стоматологии.
Имплантаты из неорганических материалов, которые чаще всего используют как имплантаты костной ткани, можно разделить на две большие группы - металлические имплантаты и имплантаты, изготовленные из материалов на основе оксидов, в частности оксида алюминия, оксида циркония, оксида кремния.
Металлические имплантаты получили широкое распространение после открытия явления остеоинтеграции титана [Branemark, 1969, Scand. J. Plast. Reconstr. Surg., 3, 81-100]. Чистый титан и его сплавы (Ti с добавками V, Al, Nb, Zr) до сих пор применяется в качестве основы для имплантатов наиболее часто. Преимуществами титановых имплантатов являются прочность, способность к остеоинтеграции, отработанные медицинские протоколы, длительный опыт применения. Недостатком титановых имплантатов является электрохимическая активность металлов, которая может вызывать различные осложнения при использовании имплантатов из титана и его сплавов [Pozhitkov, 2015, Plos One, 10(10): e0140393].
Для улучшения биологической совместимости поверхность титановых имплантатов часто модифицируют. Пескоструйная обработка, травление и оксидирование повышают микрошероховатость и гидрофильность поверхности титанового имплантата и приводят к повышению скорости интеграции имплантата с костной тканью. Другие варианты модификации поверхности включают нанесение на поверхность титановых имплантатов составов с гидроксиапатитом или биостеклом, улучшающих остеопластические свойства имплантата, однако этот эффект бывает недолог из-за резорбции нанесенного поверхностного слоя.
У имплантатов из материалов на основе оксидов преимуществом является стойкость к химическим воздействиям. При изготовлении имплантатов используются поликристаллические, в частности керамические, а также монокристаллические и стеклообразные оксидные материалы. Известен имплантат из керамики, содержащей поликристаллический оксид алюминия [Heimke, 1975, US Patent 3919723]. Известен также имплантат из монокристаллического оксида алюминия [Hirabayashi, 1978, US Patent 4122605], который является прототипом данного изобретения. Прочность на сжатие и на растяжение и химическая стойкость монокристаллического оксида алюминия очень высоки. Однако оксид алюминия биологически инертен, имеет высокий модуль упругости Юнга и положительный дзета-потенциал при физиологических pH. Это может приводить к затруднениям при остеоинтеграции и к резорбции костной ткани с течением времени при длительном использовании имплантата.
2
Имплантаты, изготовленные из оксидной керамики на основе ZrO, имеют высокие эстетические качества; они являются вторыми по частоте применения после титановых имплантатов. Материалы на основе диоксида циркония, стабилизированного иттрием, имеют высокую химическую и биологическую устойчивость, высокую прочность, относительно невысокий модуль Юнга [Yilmaz, 2007, J. Prosth. Dent., 98, 120-12]. Однако возможное старение циркониевой керамики в водном окружении делает ненадежным прогноз стабильности циркониевых имплантатов при длительном использовании.
2
2
5
2
2
5
Имплантаты костной ткани на основе оксида кремния известны начиная с применения биостекла 45S5 состава SiO-PO-CaO-NaO [Hench, 1971, J. Biomed. Mater. Res. Symposium No. 2 (Part 1), 117-141]. Биостекла можно использовать в виде порошка, как наполнитель для костной пластики при заполнении дефектов кости. В дальнейшем остеоинтегрированное биостекло замещается живой костной тканью. Первоначально предполагалось, что остеоинтеграцию индуцирует наличие PO и CaO в составе биостекла, что приближает состав биостекла к составу гидроксиапатита костной ткани, однако в дальнейшем было обнаружено, что и безфосфорные и бескальциевые силикатные стекла также обладают высокими остеоиндуктивными свойствами [Hench, 1979, US Patent 4171544].
Биосовместимость и возможность остеоинтеграции у силикат-содержащих имплантатов, как и у титановых имплантатов, зависит от структуры поверхности. Проводились опыты [Li, 1992, J. Am. Ceram. Soc., 75 (S) 2094-2097] по определению образования кристаллов гидроксиапатита на различных поверхностях оксида кремния при помещении образцов в SBF-раствор (SBF - simulated body fluid, имитация внеклеточной жидкости). Такой SBF-тест часто используется для оценки возможности остеоинтеграции и как индикатор биологической совместимости материалов. Было обнаружено, что слой гидроксиапатита образуется на поверхности оксида кремния в случае замачивания в SBF-растворе силикагеля с развитой шероховатой поверхностью, но этого не происходит для случая силикатного стекла с гладкой поверхностью.
Силикатные биостекла обладают высокой остеоиндуктивностью и остеокондуктивностью, однако имеют низкую прочность, хрупки и подвержены рассасыванию при длительном нахождении в костной ткани. Эти свойства затрудняют их использование в качестве основы нерезорбируемых костных имплантатов. Повышение прочности и снижение резорбции силикатных материалов известно для искусственных зубов из литий-дисиликатной стеклокерамики [Barrett, 1980, US Patent 4189325] и апатит-волластонитовой стеклокерамики [Yoshida, 1985, US Patent 4560666]. Силикатные биокерамики таких составов имеют отличную совместимость с окружающими тканями и более высокую, чем у биостекол, прочность, но при этом имеют пониженную способность к остеоинтеграции.
Приведенные данные показывают перспективность использования в медицине костных имплантатов из силикатных материалов, однако свойства имплантатов из многих из таких материалов ограничивают область их применения.
В настоящем изобретении для расширения спектра медицинских изделий для имплантации в костную ткань и получения имплантатов высокой прочности, способных к остеоинтеграции, костные имплантаты изготавливают из силикатных минеральных агрегатов и горных пород с плотной спутанно-волокнистой или тонкокристаллической структурой, известных под общим названием “жад” (jade). Жадами называют, среди многих, следующие агрегаты и горные породы: относящиеся к истинным жадам жадеитовый жад и нефритовый жад, а также прочие жады - ксонотлитовый жад, везувианитовый жад, бовенитовый жад, пектолитовый жад, гидрогроссуляровый жад.
Многие жады имеют названия и синонимы, основанные на свойствах породы или на названии местности. Например, жадеитовые жады известны в разных местах в зависимости от мест добычи, некоторых изменений в цвете, свойствах и составе под следующими названиями: жад альбит, жад белый, жад бирманский, жад розовый, жад зимородковый, жад изумрудный, жад инкский, жад императорский, жад итоигавский, жад китайский, жад королевский, жад омфацитовый, жад пурпурный, жад таумавский, жад фейтс-ю, жад чиунг-ю, жад мау-сит-сит, жад юньнаньский, жад японский. Для нефритовых жадов также известны многочисленные названия, в том числе, следующие: американский, вайомингский, восточный, вулканический, гроздьевидный, камфорный, канадский, канский, кантонский, канчинский, кан-юаньский, кашгарский, корейский, костяной, лао-каньцинский, лао-канюаньский, леопардовый, лю, маори, монтерейский, ново-гвинейский, новозеландский, новокаледонский, пекинский, севанский, рисовый, русский, рыбацкий, сибирский, синьцзянский, снежный, туркестанский, хортуньский, хотанский, чхунчхонский, шанхайский, швейцарский, яркендский. Бовенитовые жады известны, в том числе, под следующими названиями: новый, афганский, куньлуньский, сужоу. Гидрогроссуляровые жады известны, в том числе, под следующими названиями: африканский, трансваальский, южноафриканский. Везувианитовые жады известны, в том числе, под следующими названиями: американский, калифорнийский, пакистанский. Пектолитовые жады известны также как ларимар и аляскинский жад.
Подобно многим минералам, и особенно минеральным агрегатам и горным породам, жады имеют несколько различающийся состав в зависимости от месторождения или условий образования, вследствие явления изоморфизма - изменчивости состава при сохранении кристаллической структуры и существенных свойств. Это массивные и прочные силикатные минеральные агрегаты и горные породы, естественно встречающиеся в природе, или синтетические материалы аналогичной структуры и состава. Как неожиданно выяснилось, имплантаты из этих материалов имеют оптимальные характеристики для интеграции в костную ткань.
Эти минеральные агрегаты и горные породы устойчивы к образованию трещин, имеют плотную вязкую структуру, обеспечивающую высокую прочность в сочетании с относительно невысоким модулем упругости. За исключением жадеитового жада, жады являются гидросиликатами. Они полупрозрачны, просвечивают в тонком слое, при обработке приобретают характерную шероховатую матовую поверхность. С древнейших времен жады высоко ценились в камнерезном деле, из них изготавливали орудия труда (ножи, топоры) и предметы искусства (камеи, статуэтки, ювелирные изделия). По механическим свойствам эти минеральные агрегаты могут конкурировать с титаном и сталью, а по прочности на сжатие превосходят многие сплавы. Однако свойства жадов, относящиеся к возможности интеграции в костную ткань, не привлекали внимания исследователей.
В состав жадов входит оксид кремния, что делает их перспективными в точки зрения биологической совместимости и способности к остеоинтеграции. Волокнистая структура этих силикатов обеспечивает упругость и микрошероховатую поверхность, необходимую для образования прочной связи с костной тканью. Жады являются диэлектриками, не участвуют в электрохимических реакциях, гидрофильны. Именно комплекс свойства позволил надеяться на высокое качество имплантатов костной ткани из жадов согласно настоящему изобретению.
При оценке возможности применения жадов как материалов для изготовления костных имплантатов их высокая прочность была подтверждена экспериментально. В испытаниях использовались цилиндрические полированные образцы жадов без трещин, включений и прочих дефектов. Результаты измерений приведены в таблице 1.
Было показано, что жады имеют высокую прочность на сжатие, изгиб, высокую ударную вязкость, высокую трещиностойкость (таблица 1). Модуль упругости жадов относительно невысок и сопоставим с модулем упругости титана (таблица 1).
Таблица 1
Название жада
жадеитовый жад
нефритовый жад
ксонотлитовый жад
везувианитовый жад
бовенитовый жад
пектолитовый жад
гидрогроссуляровый жад
Основной минерал
жадеит
нефрит
ксонотлит
везувианит
бовенит
пектолит
гидрогроссуляр
Состав основного минерала
Na(Al,Fe)Si<sub>2</sub>O<sub>6</sub>
Ca<sub>2</sub>(Mg,Fe)<sub>5</sub>Si<sub>8</sub>O<sub>22</sub>(OH)<sub>2</sub>
Ca<sub>6</sub>[Si<sub>6</sub>O<sub>17</sub>(OH)<sub>2</sub>]
Ca<sub>10</sub>(Mg,Fe)<sub>2</sub>Al<sub>4</sub>[(OH)<sub>4</sub>(SiO<sub>4</sub>)<sub>5</sub>(Si<sub>2</sub>O<sub>7</sub>)<sub>2</sub>]
(Mg,Fe)<sub>3</sub>(OH)<sub>4</sub>Si<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
NaCa<sub>2</sub>[Si<sub>3</sub>O<sub>8</sub>(OH)]
Ca<sub>3</sub>Al<sub>2</sub>[SiO4]<sub>2</sub>(OH)<sub>4</sub>
Плотность
3,3
2,9
2,7
3,3
2,6
2,9
3,5
Твердость по Моосу
6,5 – 7,0
6,0 – 6,5
6,5
6,5 – 7,0
4
5
6,5 – 7,0
Прочность на сжатие, МПа
>400
>400
>400
>400
>400
>400
>400
Прочность на изгиб, МПа
>100
>100
>50
>50
>50
>50
>50
Модуль Юнга, ГПа
150-250
100-150
100-200
100-200
100-200
100-200
100-200
Трещиностойкость, МПа*м<sup>1/2</sup>
>5
>6
>4
>2
>2
>2
>2
Таблица 2
Название жада
жадеитовый жад
нефритовый жад
ксонотлитовый жад
везувианитовый жад
бовенитовый жад
пектолитовый жад
гидрогроссуляровый жад
Угол смачивания, градусов
<90
<90
<90
<90
<90
<90
<90
Дзета-потенциал в водном растворе, mV
<0
<0
<0
<0
<0
<0
<0
SBF-тест, образование гидроксиапатита
+
++
+++
++
+
++
++
Цитотоксичность
-
-
-
-
-
-
-
Прикрепление остеобластов in vitro
+
+
+
+
+
+
+
Пролиферация остеобластов in vitro
+
+
+
+
+
+
+
Крутящий момент срыва, Н*см
>2
>2
>2
>2
>2
>2
>2
Проверка свойств материалов в водных растворах показала, что жады гидрофильны, угол смачивания всех жадов меньше 90 градусов (таблица 2). Дзета-потенциал жадов отрицателен (таблица 2), что характерно для способных к остеоинтеграции материалов.
Полученные результаты показывают перспективность использования жадов для производства имплантатов. Однако взаимодействие этих силикатов с костной тканью ранее не было изучено. Приведенные ниже результаты исследования показали, что имплантаты из жадов согласно настоящему изобретению обладают неожиданно хорошей биологической совместимостью и способностью к остеоинтеграции.
Для первоначальной оценки биосовместимости имплантаты из жадов поместили в SBF-раствор согласно методике [Li, 1992, J. Am. Ceram. Soc., 75 (S) 2094-2097]. Через 1-4 недели после начала опыта на поверхности всех исследуемых имплантатов образовались кристаллы гидроксиапатита (таблица 2), что подтверждает перспективу биологической совместимости и возможности остеоинтеграции имплантатов из жадов согласно настоящему изобретению.
Для проверки биологической совместимости имплантатов из жадов согласно настоящему изобретению было изучено их взаимодействие in vitro с клетками мышиных остеобластов. Определяли токсичность имплантатов согласно настоящему изобретению для клеток, проверяли прикрепление клеток к поверхности имплантатов и пролиферацию клеток в их присутствии. Использовались стандартные методики с окрашиванием 3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-2,5-дифенилтетразолий бромида (МТТ-тест), измерялась активность щелочной фосфатазы. Было обнаружено, что имплантаты из жадов согласно настоящему изобретению не обладают токсическим действием на клетки, вызывают прикрепление и пролиферацию остеобластов (Таблица 2).
Для проверки остеоинтеграции была проведена имплантация имплантатов в костную ткань. Для этого цилиндрические имплантаты из жадов помещали в отверстия в кости голени морских свинок. На концах имплантатов были выбраны фаски для передачи крутящего момента. Через 6 недель после имплантации был измерен крутящий момент, необходимый для срыва прикрепления имплантатов к костной ткани, и было обнаружено, что момент срыва после приживления имплантата превышает момент срыва при внедрении имплантата в костную ткань (таблица 2). Полученные данные подтверждают способность к остеоинтеграции имплантатов согласно настоящему изобретению.
Таким образом, имплантаты костной ткани из жадов согласно настоящему изобретению в дополнение к высоким механическим характеристикам и высокой гидрофильности, имеют высокую биологическую совместимость и способность к остеоинтеграции. Дополнительным преимуществом имплантатов из жадов являются их диэлектрические свойства. Отсутствие электропроводимости позволяет применять МРТ, КТ и прочие связанные с передачей электрических сигналов медицинские процедуры. Комплекс свойств позволяет использовать имплантаты костной ткани из жадов в хирургии, ортопедии, стоматологии. Технический результат изобретения - расширение арсенала медицинских изделий для имплантации в костную ткань и получение имплантатов высокой прочности, способных к остеоинтеграции.
Примерный и не исчерпывающий перечень имплантатов, согласно настоящему изобретению изготовленных из жада, включает имплантаты для замещения костной ткани, объемные насыпные наполнители в форме гранул для включения в состав для заполнения дефектов костной ткани, костные винты, имплантаты для сращения костей, фиксирующие штифты имплантатов или для имплантатов, имплантаты для реконструкции черепа, а также ортопедические имплантаты, чрескожные остеоинтегрируемые имплантаты, стоматологические имплантаты.
Для ортопедических имплантатов особое значение имеет высокая прочность жадов, которая позволяет использовать их в имплантатах суставов и в высоконагруженных частях эндопротезов. В группу ортопедических имплантатов входят имплантаты тазобедренного сустава, имплантаты коленного сустава, имплантаты плечевого сустава, имплантаты локтевого сустава, имплантаты лучезапястного сустава, имплантаты голеностопного сустава, имплантаты подтаранного сустава, имплантаты плюснефалангового сустава, имплантаты суставов пальцев, или, в целом, имплантаты суставов, имплантаты позвоночника, в том числе имплантаты позвонка и имплантаты межпозвоночного диска, имплантаты головки лучевой кости, имплантаты большого пальца, имплантаты для остеотомии (высокой остеотомии большеберцовой кости). Особенно предпочтительными ортопедическими имплантатами являются имплантаты суставов, в частности, имплантат тазобедренного сустава и имплантат коленного сустава. Имплантат тазобедренного сустава может представлять собой протез головки и протез диафиза (ножку эндопротеза или диафиз бедренной кости) и протез вертлужной впадины. В имплантат коленного сустава могут входить большеберцовый и бедренный компоненты коленного сустава.
Следующая группа имплантатов из жадов согласно настоящему изобретению - чрескожные остеоинтегрируемые имплантаты (эндоэкзопротезы), которые с одной стороны интегрированы в кость дистальной части сустава, их внекостная часть выходит за пределы тела сквозь ткани и кожу пациента, а внешняя часть имплантата используется для крепления внешних экзопротезов. Для эндоэкзопротезов, как и для ортопедических имплантатов, определяющее значение имеет высокая прочность имплантатов из жадов. В группу чрескожных остеоинтегрируемых имплантатов входят эндоэкзопротезы для ног, эндоэкзопротезы для рук, эндоэкзопротезы для пальцев, эндоэкзопротезы для косметических операций.
В группу относящихся к стоматологическим имплантатам медицинских изделий входят зубной имплантат (винтовой, цилиндрический, конический или пластинчатый), зубной имплантат с интегрированным абатментом, зубной имплантат с интегрированным абатментом и коронкой, зубная балка.
Для зубных имплантатов для зоны улыбки крайне важен внешний вид, структура и цвет реставрации. Следует отметить, что вид имплантатов из жадов согласно настоящему изобретению может значительно изменяться в зависимости от состава жада, его условий образования, его месторождения. Классические жады зеленых тонов, но встречается практически вся палитра цветов. Жады белого цвета также широко распространены, и часто ценятся не меньше зеленых. Например, природный белый нефритовый жад, или нефрит “цвета бараньего сала”, хорошо известен и имеет высокую стоимость в ряде стран, его широко используют в производстве ювелирных изделий высокого класса. В природе встречаются также белый жадеитовый жад, ксонотлитовый жад, везувианитовый жад, бовенитовый жад, пектолитовый жад. Синтетические жады также могут быть любых цветов, в том числе белого. Именно имплантаты из жадов белого и близких к нему тонов наиболее предпочтительны для применения в зоне улыбки.
Зубной имплантат из жада может быть винтовой, цилиндрической, конусной или пластинчатой формы, разборный или объединенный с абатментом. В разборном имплантате крепление зубного абатмента к имплантату может производиться винтом или цементом. Диэлектрические и механические свойства имплантата из жада обеспечивают электрохимическую изоляцию внутреннего крепежного винта от биологических жидкостей тела. Это позволяет использовать различные материалы, не только титан, но и сталь, и прочие сплавы, для скрепления частей разборного зубного имплантата. И имплантат корня зуба, и абатмент, и коронка могут быть изготовлены из белого жада или подобраны в тон зубов пациента. Потребительские, в частности косметические, характеристики таких имплантатов для зоны улыбки превосходят потребительские характеристики металлических имплантатов при прочих равных условиях.
Предпочтительным зубным имплантатом является изготовленная из жада остеоинтегрируемая балка для крепления на альвеолярный отросток. Форма и размеры балки подбираются под пациента, на альвеолярном отростке готовят площадку для контакта балки с костной тканью, может быть сделано углубление, соответствующее форме нижней части балки. Балка, в которой имеются отверстия для крепления, может крепиться на кость сквозь предусмотренные отверстия с помощью подготовленного комплекта из одного или нескольких винтовых эндооссальных имплантатов или костных винтов. Происходящая остеоинтеграция приводит к субпериостальной или эндооссально-субпериостальной имплантации комбинированного комплекса балки и винтового имплантата или костного винта. При этом комбинированный имплантат надежно крепится на альвеолярный отросток, а костная пластика может быть минимизирована. Этот имплантат в дальнейшем используется как основа для крепления зубных протезов, равномерно распределяет жевательную нагрузку на площадь контакта балки с костью. Применение таких конструкций оправдано для случая имплантации в область моляров, или для случая костной ткани 3 или 4 типа, или для случая недостаточного для эндооссальной имплантации объема альвеолярного отростка.
Особенно предпочтительным зубным имплантатом является объединенный с абатментом зубной имплантат, который может применяться в протоколе одноэтапной имплантации. Коронку закрепляют сразу после имплантации или после успешного приживления имплантата. Применение интегрированного имплантата повышает удобство работы для врача и надежность зубного протеза для пациента. Дальнейшее упрощения конструкции имплантата - единый моноблочный искусственный зуб из белого жада, в котором эндооссальный имплантат, абатмент и зубная коронка объединены в единое медицинское изделие. Это может быть изделие из линейки стандартных размеров для дальнейшей обточки по месту, или оно может быть индивидуально изготовлено на заказ по размерам пациента.
Примеры.
Пример 1. Изготовленные из пектолитового жада гранулы объемного насыпного наполнителя для остеопластики. Смесь гранул с  аутологичной костной стружкой имплантируют в дефект костной ткани.
Пример 2. Имплантат межпозвоночного диска из пектолитового жада.
Пример 3. Имплантат для реконструкции черепа, изготовленный из пектолитового жада, с использованием CAD/CAM технологии.
Пример 4. Эндопротез вертлужной впадины тазобедренного сустава из пектолитового жада.
Пример 5. Изготовленная из пектолитового жада объединенная головка и ножка эндопротеза тазобедренного сустава.
Пример 6. Бедренный компонент эндопротеза коленного сустава из пектолитового жада.
Пример 7. Винтовой субгингивальный эндооссальный зубной имплантат из пектолитового жада. Используется как искусственный корень зуба при имплантации в альвеолярный отросток по протоколу 2-этапной схемы.
Пример 8. Зубной винтовой эндооссальный имплантат из белого пектолитового жада с интегрированным абатментом для применения в одноступенчатой дентальной имплантации в область улыбки.
Пример 9. Единый моноблочный искусственный зуб резец из белого пектолитового жада, в котором объединены эндооссальный винтовой имплантат, абатмент и зубная коронка. Коронка обтачивается по месту.
Пример 10. Остеоинтегрируемая балка из белого пектолитового жада, крепится на альвеолярный отросток через отверстия в балке с помощью винтового имплантата из пектолитового жада. Балка крепится эндооссально-субпериостально, на посадочное место в костной ткани, подготовленное по форме нижней части балки. Балка компенсирует нехватку костной ткани в зоне улыбки, служит основой для зубных протезов.
Предлагается использовать костные имплантаты из жадов согласно формуле изобретения.