биокерамика силикокальцийфосфатная ("бкс") и способ ее изготовления
Классы МПК: | A61L27/42 имеющие неорганическую матрицу A61L27/12 фосфорсодержащии материалы, например апатит A61F2/28 кости |
Автор(ы): | Шаповалов Анатолий Борисович (RU), Солунин Виктор Леонидович (RU), Гурский Борис Георгиевич (RU), Власова Елена Борисовна (RU), Шумский Вячеслав Иванович (RU), Никитин Александр Александрович (RU), Кедров Андрей Владимирович (RU), Царев Валерий Николаевич (RU) |
Патентообладатель(и): | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики" (ОАО "ЦНИИАГ") (RU) |
Приоритеты: |
подача заявки:
2011-11-15 публикация патента:
20.04.2013 |
Изобретение относится к медицине, а именно к составу пористой биостеклокерамики, содержащей мелкодисперсное натрийсиликатное стекло, гранулы синтетических минералов - фосфатов кальция, входящих в состав нативной костной ткани, волластонита, образующегося при кристаллизации натрийсиликатного стекла, а также добавку карбоната и углеродсодержащего порообразователя. Изобретение также относится к способу получения медицинских имплантационных материалов и изделий на основе предложенного состава, пригодного для замещения и устранения костных дефектов и деформаций в челюстно-лицевой хирургии, хирургической стоматологии, нейрохирургии, травматологии и ортопедии. Биокерамика постепенно замещается костной тканью и состоит из компонентов, не оказывающих токсического, аллергического, канцерогенного и мутагенного действия на организм человека. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 4 пр.
Формула изобретения
1. Биокерамика силикокальцийфосфатная «БКС», содержащая гидроксиапатит, натрийсиликатную матрицу и порообразователи органического и неорганического происхождения, отличающаяся тем, что дополнительно содержит волластонит и -трикальцийфосфат, который с гидроксиапатитом образует биоактивную фазу, причем фракционный состав биоактивной фазы и матрицы изменяется в пределах их объемного содержания от 1:1 до 4:1.
2. Биокерамика по п.1, отличающаяся тем, что натрийсиликатная матрица выполнена с удельной поверхностью до 2,4 м2 /г и ее содержание не превышает 35 мас.%, а в качестве порообразователя используется карбонат, имеющий удельную поверхность до 3,0 м 2/г в количестве до 10 мас.%.
3. Способ изготовления биокерамики по п.1 основан на термообработке механической смеси биорезорбируемых и биорезистивных компонентов, отличающийся тем, что термообработку осуществляют путем нагревания смеси до температуры 600°С в течение 60 мин, спекания при температурах от 600 до 800°С в течение 40 мин, вспенивания при температурах от 800 до 850°С в течение 10 мин, после чего следует снижение температуры до 560°С в течение 45 мин, уменьшение температуры от 560 до 480°С в течение 30 мин, дальнейшее снижение температуры до 20°С происходит по инерционному режиму охлаждения электропечи.
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к медицине, а именно к составу биокомпозиционного материала, способу его изготовления, и может быть использовано для изготовления имплантационных материалов и изделий, предназначенных для замещения и устранения дефектов и деформаций в реконструктивно-восстановительной и костно-пластической хирургии.
В последнее время для клинического применения предложены биоактивные композиционные материалы, которые успешно конкурируют с металлами и сплавами, оксидной керамикой, полимерами и материалами на основе углерода. Особый интерес вызывают пористые остеокондуктивные материалы, в том числе кальцийфосфатные биостеклокерамические материалы, которые способствуют прикреплению, пролиферации и дифференциации костных клеток в остеобласты с последующим аппозиционным формированием новой костной ткани на их поверхности. Характерной особенностью этих материалов является то, что они не подвержены капсулированию со стороны организма. В этом случае костная ткань, врастая в имплантат, способна образовывать с ним биохимическую связь. Такая реакция организма на имплантацию биоактивных неорганических кальцийфосфатных материалов объясняется близостью их минерального состава и поровой структуры к нативной кости [Никитин А.А., Заусова О.В., Титова Н.В., Шаповалов А.Б., Власова Е.Б., Попова Л.А. Использование биосовместимой кальций-фосфатной стеклокерамики «БКС» при хирургическом лечении кист челюстей // Стекло и керамика. - 2007. - № 10. - С.37-38].
Клинически доказана возможность применения кальцийфосфатных материалов при замещении дефектов и устранении деформаций различных костных тканей [Солунин В.Л., Шаповалов А.Б., Власова Е.Б., Топилина Л.А., Никитин А.А., Никитин Д.А., Кедров А.В. Новые отечественные имплантационные материалы и их применение в клинической практике // Стекло и керамика. - 2010. - № 12. - С.27-30].
Недостатком кальцийфосфатной биостеклокерамики является значительное содержание (более 50 мас.%) стеклофазы, что обуславливает низкую резорбируемость и хрупкость имплантационного материала. Хрупкость материала затрудняет его механическую обточку во время припасовки к костному ложу, а также вызывает трудности крепления имплантата к кости [Косяков М.Н. Клинико-экспериментальное обоснование применения апатитосиликатных имплантатов для замещения дефектов и деформаций костей лицевого черепа: дис. канд.мед.наук. - М., 2002, 121 с.].
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является материал для костных имплантатов на основе медицинского стекла и гидроксиапатита и способ изготовления этого материала (патент RU 2053737 - прототип).
Многочисленные клинические наблюдения позволили установить недостатки этого прототипа, которые заключаются в том, что кость может врасти в поры имплантата лишь на незначительную глубину, образуя недостаточно прочную поверхностную связь с имплантатом. Кроме того, даже при длительном контакте с внутренней средой организма имплантат не подвергается резорбции и замещению костной тканью.
Целью изобретения является создание остеокондуктивной биокерамики силикокальцийфосфатной («БКС»), постепенно замещающейся костной тканью, и способа изготовления на ее основе имплантационных материалов и изделий для устранения дефектов и деформаций в реконструктивно-восстановительной и костно-пластической хирургии.
Поставленная цель решается посредством того, что композиционный материал состоит из биосовместимых биорезистивных и биорезорбируемых компонентов, не оказывающих общетоксического, аллергического, канцерогенного и мутагенного действия на организм человека и хорошо развитой однородной поровой структурой, также обеспечивающей эффективность клинического применения данной разработки в указанных областях медицины.
Состав биокомпозиционного материала «БКС» включает следующие компоненты:
- биорезистивную стекловидную натрийсиликатную матрицу, обеспечивающую равномерное распределение минеральных фаз (биоактивной и упрочняющей), порообразователей и пор разного размера и формы;
- биорезорбируемую биоактивную фазу, состоящую из фосфатов кальция гидроксиапатита (ГА) Са10(PO4)6 (ОН)2 и более резорбируемого -трикальцийфосфата (
-ТКФ)
-Са3(PO4)2, обеспечивающих пролонгированное протекание процесса остеогенеза в имплантационном материале;
- упрочняющую минеральную фазу (волластонит CaSiO3), образующуюся при кристаллизации стекловидной матрицы в результате ее термообработки;
- порообразователи органического и неорганического происхождения, которые вводят раздельно, а именно: предварительно разведенный в дистиллированной воде крахмал, который смешивают с порошком ГА или -ТКФ для получения пористых гранул, в то время, как карбонат кальция СаСО3 смешивают с порошком стекловидной матрицы для образования пористой структуры биокомпозиционного материала;
- взаимопроникающие поры с бимодальным распределением по размеру и форме, а именно сферические диаметром менее 50 до 100 мкм для обеспечения адсорбции протеинов и адгезии остеогенных клеток, а также канальные диаметром от 100 до 200 мкм и более для васкуляризации кровеносными сосудами и колонизации костными клетками всего объема имплантата.
Разработанный способ изготовления имплантационного материала «БКС» с преимущественно открытой ячеисто-канальной поровой структурой позволяет отнести его к числу остеопроводящих, остеокондуктивных, обеспечивающих оптимальные условия для прикрепления, пролиферации и дифференциации клеток в остеобласты с последующим аппозиционным формированием кости на поверхности и в объеме имплантата.
Температурно-временной режим спекания биокерамики «БКС» обеспечивает получение минерального состава и бимодальных пор, распределение которых в структуре материала осуществляется в следующих пределах:
- сферические поры диаметром менее 50 мкм и от 50 до 100 мкм составляют 45-55% и 20-25% соответственно;
- канальные поры диаметром от 100 до 200 мкм и более 200 мкм составляют 10-5% и 8-10% соответственно.
Изменение поровой структуры и свойств материала регулируется соотношениями между минеральными фазами и стекловидной матрицей, содержание которых изменяется в следующих пределах:
- Минеральные фазы | не менее 65 мас.% |
- Стекловидная матрица | не более 35 мас.% |
- Открытая пористость | от 60 до 70% |
- Водопоглощение | не менее 65% |
- Водородный показатель | от 6 до 9 |
В качестве стекловидной натрийсиликатной матрицы в настоящем изобретении применены медицинские стекла. В частности, может быть использовано медицинское тарное стекло марки МТО с содержанием оксидов (мас.%): 73,0±0,50 SiO2, 2,5±0,20 Al2O 3, 2,0±0,30 MgO, 8,0±0,30 СаО, 14,5±0,25 Na2O. Применение стекла МТО обеспечивает образование пористого каркаса, на поверхности и внутри перегородок которого находятся минералы фосфаты и силикаты кальция. Экспериментально доказано, что силанольные группы ( Si-OH), присутствующие в данной матрице, повышают склонность материала к реминерализации костного ГА после имплантации.
Гидрофильность, характерная для натрийсиликатных стекол, способствует быстрому смачиванию и пропитыванию всего объема имплантата тканевой жидкостью, а также, в случае необходимости, лекарственными средствами (антибиотиками, антисептиками и другими препаратами).
Введение в состав материала порообразователей в количестве от 0,1 до 10 мас.% обеспечивает получение имплантационного материала с хорошо развитой однородной, преимущественно открытой поровой структурой, которая благоприятствует протеканию процесса остеогенеза.
Изменение поровой структуры и свойств материала достигается также за счет подбора фракционного состава биоактивной фазы и стекловидной матрицы, исходя из условия, что их объемное содержание изменяется от 1:1 до 4:1 в зависимости от случая клинического применения.
Процесс изготовления биокерамики «БКС» включает следующие стадии.
Измельчение натрийсиликатного стекла до получения стеклопорошка с удельной поверхностью от 1,2 до 2,4 м2/г. Размер частиц стекловидной матрицы при этом составляет от 2 до 1 мкм. Добавляют карбонатсодержащий порообразователь с удельной поверхностью от 2,5 до 3,0 м2/г, что соответствует размеру частиц от 0,9 до 0,7 мкм, и оба компонента тщательно перемешивают до получения однородной смеси.
Грануляцию биоактивной фазы осуществляют, добавляя связующее вещество, в качестве которого может выступать поливиниловый спирт, коллаген или крахмал. Присутствие одного из этих компонентов обеспечивает получение гранул с удельной поверхностью от 0,01 до 0,2 м2/г, а их размер изменяется от 1000 до 100 мкм.
Рассчитанные в соответствии с заданным составом количества биоактивной фазы и стекловидной матрицы перемешивают в мельнице с корундовыми стаканами, скорость вращения которых составляет 50-100 об/мин, в течение 3-10 минут.
Подготовленную смесь укладывают в секционные металлические формы, которые помещаются в лабораторную электрическую печь. Нагрев печи осуществляется в соответствии с температурно-временным режимом спекания по заданной программе. Скорость подъема и снижения температуры регулируется по зонам, обеспечивая образование преимущественно открытой поровой структуры. Процесс спекания имплантационных материалов включает следующие зоны:
- нагревание в течение 60 минут при температурах до 600°С со скоростью 8-10°С/мин;
- спекание в течение 40 минут при температурах от 600 до 800°С со скоростью 4-6°С/мин;
- вспенивание в течение 10 минут при температурах от 800 до 850°С со скоростью 4-6°С/мин;
- снижение температуры в течение 45 минут до 560°С со скоростью 6°С/мин;
- уменьшение температуры в течение 30 минут от 560 до 480°С со скоростью 2°С/мин;
- медленное охлаждение до 20°С со скоростью 1°С/мин.
Спеченные заготовки биокерамики «БКС» вынимают из форм и распиливают на блоки и пластины, размеры которых указаны в таблице 1. Заготовки, имеющие трещины или полости диаметром более 2 мм, измельчают в щековой дробилке для получения гранул и порошков. Размер полученных гранул и порошков представлен в таблице 2.
Полученные имплантационные материалы промывают в ультразвуковой мойке с использованием дистиллированной воды, сушат, упаковывают и маркируют.
Пример 1. Состав смеси для получения гранул и порошков различной дисперсности из биокерамики силикокальцийфосфатной «БКС» для челюстно-лицевой хирургии, стоматологии и травматологии.
Биоактивная фаза и стекловидная матрица берутся в объемном соотношении 4:1. При этом соотношение фракций (0,9-0,7) мм, (0,7-0,4) мм и (0,4-0,2) мм биоактивной фазы составляет соответственно 1:2:2.
Пример 2. Состав смеси биокерамики для получения пористых блоков и пластин из биокерамики силикокальцийфосфатной «БКС» для челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии и травматологии.
Биоактивная фаза и стекловидная матрица берутся в объемном соотношении 1:1. При этом соотношение фракций (2,0-1,0) мм и (1,0-0,9) мм биоактивной фазы составляет соответственно 2:1.
Пример 3. Способ получения гранул и порошков различной дисперсности по примеру 1.
Полученную по примеру 1 смесь засыпают в форму, уплотняют с помощью ручной подпрессовки и спекают в электрической лабораторной печи по указанному режиму. Спеченные образцы, предназначенные для грануляции, распиливают на блоки кубической формы с размером ребра 25 мм, засыпают в щековую дробилку, ширина щели которой в зависимости от требуемого размера гранул и порошков изменяется от 0,1 до 10 мм. Рассев гранул и порошков на фракции осуществляется в течение 5-10 минут на вибросите с амплитудой просеивания 1,5-3,0 мм. При этом фактический выход продукта составляет:
3,00-4,00 | 8% |
2,00-3,00 | 10% |
1,00-2,00 | 12% |
1,00-0,67 | 13% |
0,67-0,39 | 13% |
0,39-0,20 | 19% |
0,20-0,09 | 25% |
Пример 4. Способ изготовления блоков и пластин по примеру 2.
Полученную по примеру 2 смесь засыпают в мельницу и перемешивают со скоростью вращения стакана 60 об/мин в течение 5 минут. Приготовленную смесь укладывают в пресс-форму, уплотняют на гидравлическом прессе под нагрузкой 50 кН и спекают в электрической лабораторной печи. Особенность температурно-временного режима спекания заключается в увеличении скорости на 5°С/мин при нагревании до 850°С и уменьшении в 2 раза времени спекания, что обеспечивает получение материала с более развитой поровой структурой.
Далее полученную заготовку распиливают на блоки, пластины и фрезеруют с частотой вращения фрезы до 20000 об/мин. После механической обработки имплантаты промывают дистиллированной водой с использованием ультразвука с частотой 42000 Гц при температуре 50°С в течение 10 мин. Сушка имплантатов происходит при температуре 120°-150°C в течение 3-4 часов.
Допуск по линейным размерам изделий из биокерамики «БКС» составляет ±2 мм.
Разработанный состав биокерамики силикокальцийфосфатной «БКС» и способ ее изготовления обеспечивает получение биосовместимых и остепроводящих имплантационных материалов с открытой пористостью до 70%, водопоглощением не менее 65% и изменением водородного показателя в физиологическом растворе от 6 до 9 единиц, что способствует протеканию процесса регенерации костной ткани при замещении дефектов и деформаций кости.
Клинически доказана целесообразность применения биокерамики «БКС» в виде пористых блоков, пластин, гранул и порошков различной дисперсности в челюстно-лицевой хирургии, стоматологии, нейрохирургии и травматологии для устранения:
- крупных дефектов и деформаций врожденного и приобретенного характера костного скелета человека после удаления доброкачественных опухолей на различных костях, а также огнестрельных ранений и остеомиелита;
- средних и мелких послеоперационных дефектов кости лицевого и мозгового черепа и альвеолярных отростков верхней и нижней челюстей различной этиологии и синуслифтинга;
- крупных, средних и мелких пародонтальных дефектов костной ткани челюстей.
Класс A61L27/42 имеющие неорганическую матрицу
Класс A61L27/12 фосфорсодержащии материалы, например апатит