способ формирования костной ткани на основе фосфата кальция (гидроксоапатита)

Формула изобретения

Способ формирования костной ткани путем помещения коллагенового матрикса в солевой раствор, содержащий препараты кальция, фосфата и гидроксида с последующим проведением электрофореза, отличающийся тем, что в раствор соли кальция добавляют гидроксид кальция или карбонат кальция.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к созданию твердых тканей на основе фосфата кальция (гидроксоапатита) и коллагена, которые могут быть использованы как при лечении, так и при протезировании участков, пораженных дистрофией, при дефектах костной ткани врожденных и приобретенных заболеваниях.

Известен способ формирования костной ткани, когда пересадочный материал приготавливают путем перемешивания деминерализованных и стерилизованных костных частиц с костным морфогенетичсским белком. Таким образом получают коллагеновую губчатую смесь, которую имплантируют в область пораженного участка кости. Однако полученный в этом случае материал не имеет достаточной степени структурной интегрированности компонентов, он также является низкотехнологичным. [Патент США N 4394370].

За прототип выбран способ формирования костной ткани, разработанный авторами, в соответствии с которым в коллагеновый матрикс, помещенный в жидкую среду между разноименными электродами, вводятся ионы кальция (Ca²⁺) с одной стороны, а с другой стороны ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-). В результате электрофореза ионы принимают направленное движение, приводящее к реакции:

5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃ (гидроксоапатит).

Полученное вещество (гидроксоапатит) потом осаждается на коллагеновой основе. [Патент РФ N 2053733].

К недостаткам прототипа следует отнести то, что при пропускании электрического тока одновременно происходит электролиз раствора соли кальция, в результате которого образуется кислота, что связано с появлением в растворе ионов водорода (+H⁺). Это приводит к изменению pH (со стороны ионов кальция до pH = 1,5 - 2,0 и со стороны фосфат-ионов до pH = 5,5 - 6,0). Вместе с ионами кальция (Ca²⁺) ионы водорода (H⁺) диффундируют в коллаген и частично растворяют образующийся гидроксоапатит. Происходит реакция, обратная образованию соли:

Ca₅(OH)(PO₄)₃ + H⁺ = 5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + H₂O

Поэтому равномерного образования солевого компонента во всем объеме имплантата не происходит, несмотря на высокую степень структурной интегрированности компонентов в отдельных местах коллагена во всем объеме она не достигается. Кроме того, образуются побочные продукты, снижающие биологическую эффективность получаемого материала.

Технический результат заявленного решения заключается в стабилизации pH на границе коллаген - рабочий раствор: в растворе с ионом кальция до pH = 11, в растворе с фосфат-ионом до pH = 10,5 - 11. Это обеспечивает максимальное приближениие свойств полученного материала к свойствам нативной кости за счет нейтрализации образующихся при электролизе ионов водорода (H⁺), что способствует равномерному распределению солевого компонента во всем объеме коллагена, т.к. исключается частичное растворение соли в отдельных его участках.

Это достигается тем, что в раствор соли кальция вводится гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в избытке относительно основного компонента при постоянном перемешивании.

Предложенный способ заключается в следующем. Коллагеновый матрикс помещают в жидкую среду между разноименными электродами. Электроды с одной стороны омываются раствором, содержащим ионы кальция (Ca²⁺), а с другой стороны - раствором, содержащим ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-). При этом происходит реакция:

5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃

Образующийся гидроксоапатит осаждается на коллагеновой основе. Для нейтрализации ионов водорода (H⁺), которые также образуются в результате электролиза в раствор соли кальция, вводят гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в избытке относительно основного компонента при постоянном перемешивании.

Происходит реакция нейтрализации ионов водорода, что предотвращает растворение гидроксоапатита в некоторых участках коллагена:

Ca(OH)₂ + H⁺ = Ca²⁺ + 2H₂O

Другим преимуществом технического решения является постоянное пополнение запасов ионов кальция (Ca²⁺), что положительно влияет на образование солевого компонента в объеме коллагена.

Полученный материал высушивают, стерилизуют гамма-излучением и подготавливают к имплантации.

Пример. Для получения коллагенового матрикса производят деминерализацию кости, далее осаждают коллаген из раствора. Коллагеновый матрикс может быть взят в готовом виде, приготовленный по любой другой технологии. Перед употреблением коллагеновый матрикс гидратируют дистиллированной водой в соотношении по массе 1:20 (вода:коллаген).

Гидратированный образец помещают в жидкую среду между разноименными полюсами источника постоянного тока. Один электрод погружают в раствор, содержащий соль кальция (CaCl₂), а другой - в раствор, содержащий ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-) (раствор (NH₄)₃PO₄). Кроме того, в раствор соли кальция добавляют избыток (по массе относительно соли кальция) гидроксида кальция (Ca(OH)₂) при постоянном перемешивании раствора.

Затем в течение 4 - 10 часов через растворы пропускают электрический ток начальной плотностью 50 мА/см². Масса исходного образца 0,4 - 0,6 граммов.

Под действием электрического тока происходят реакции:

1) 5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃

на катоде (в растворе соли CaCl₂) происходит разрядка иона хлора с последующим растворением, что приводит к образованию HCl и накоплению ионов водорода (H⁺). Их нейтрализация обеспечивается Ca(OH)₂ по реакции:

2) Ca(OH)₂ + H⁺ = Ca²⁺ + 2H₂O.

В качестве нейтрализующего вещества можно использовать карбонат кальция (CaCO₃).

Гидроксоапатит Ca₅(OH)(PO₄)₃, образующийся под воздействием электрофореза, осаждается на коллагене. Процентное содержание солевого компонента в материале зависит от времени и плотности тока. В таблице раскрыта эта зависимость. Полученный материал (коллаген-апатитовый композит или имплантат) был исследован путем заполнения костных полостей. Композит обеспечивает хорошую степень регенерации костной ткани в дефектном участке.

Он не токсичен, не иммуногенен. Имеет высокую степень биосовместимости (без образования антител или отторжения). Равномерность распределения солевого компонента в коллагеновой матрице показана компьютерно-томографически, а также электронографически.

Положительный эффект предложенного технического решения состоит в получении материала с высокой степенью структурной интегрированности во всем объеме, что обеспечивает высокую скорость регенераторного процесса.