БИОАКТИВНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОСТНОЙ ХИРУРГИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ

БИОАКТИВНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОСТНОЙ ХИРУРГИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ


RU (11) 2053737 (13) C1

(51) 6 A61F2/28, A61L27/00 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 17.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1996.02.10 
(21) Регистрационный номер заявки: 93050910/14 
(22) Дата подачи заявки: 1993.11.10 
(45) Опубликовано: 1996.02.10 
(56) Аналоги изобретения: ЕР N 0278583, кл. A 61L 27/00, 1988. 
(71) Имя заявителя: Белецкий Борис Иванович; Власова Елена Борисовна 
(72) Имя изобретателя: Белецкий Борис Иванович; Власова Елена Борисовна 
(73) Имя патентообладателя: Белецкий Борис Иванович; Власова Елена Борисовна 

(54) БИОАКТИВНЫЙ МИКРОПОРИСТЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ КОСТНОЙ ХИРУРГИИ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ 
Использование: в медицине, а именно, при изготовлении костных протезов и в востановительной хирургии. Сущность изобретения: биоактивный микропористый материал включает: гидроксиапатит с атомным отношением Ca/P 1,66-1,67 - 35-65, стекломатрицу 35-65 и порообразователь 0,5-10,0. В качестве стекломатрицы могут быть использованы нейтральные алюмоборсиликатные стекла, водорастворимые стекла с содержанием оксида натрия 20-30 мас.%, кремнезема 30-38 и оксида фосфора 2,0-8,0 мас.% или биоактивные кальцийфосфатные стекла с атомным отношением Ca/P 0,8-1,0. Способ изготовления биоактивного микропористого материала заключается в том, что смесь на основе гидрооксиапатита подвергают термообработке сначала при температуре 500-750oС в течение 6-10 ч. , а затем при температуре 800-1000oС в течение 10-60 мин, после чего материал охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью 1-3oС/мин. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 табл. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ


Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления костных протезов и в восстановительной хирургии.
В настоящее время для изготовления костных протезов и в восстановительной костной хирургии находят применение металлы и сплавы, полимерные и керамические материалы. Особое место в этом ряду занимают биоактивные кальцийфосфатный стекла и стеклокерамика. Основным их преимуществом является близость их химических и минералогических составов составу натуральных костей, что обуславливает их совершенную биологическую совместимость с физиологической средой человеческого организма. Тем не менее эти искусственные биоактивные материалы по своей структуре и текстуре мало соответствуют натуральным костным тканям, с которыми осуществляется их естественное срастание после установки. Другим недостатком кальцийфосфатных стекол и стеклокристаллических материалов является их хрупкость и плохая механическая обрабатываемость, что сильно затрудняет необходимую точную подгонку имплантатов к живой кости.
Наиболее близким к предлагаемому является материал для костных имплантатов на основе фосфатов кальция, которые получают из гидроксиапатита, и способ изготовления этого материала [1]

Недостатками известного материала являются необходимость использования смеси фосфатов кальция, образующихся в результате химической реакции гидроксиапатита с карбонатной основой материала, а также невысокие физико-механические свойства.
Задачей изобретения является биоактивный материал для костной хирургии и способ его изготовления.
Поставленная задача решается тем, что в материал вводят:

биоактивную фазу, которая представляет собой гидроксиапатит с атомным отношением Сa/Р в пределах от 1,65 до 1,70, который по химическому составу соответствует костному апатиту человеческого организма;

поры размером от 50 до 300 мкм, которые соответствуют размерам живых костных клеток и концентрация которых в материале находится на уровне 5000-8000 мг/см3;

биоинертная или биоактивная стекломатрица, в которой равномерно распределены гидроксиапатит и поры.
Поры разработанного материала является открытым, что позволяет отнести материал к разряду колонизируемых биоактивных материалов, соединение которых с костной тканью обеспечивается за счет врастания костных клеток в материал путем колонизации открытых пор.
Модификация структуры и свойств материала обеспечивается изменением соотношений его основных компонентов, содержание которых изменяется в следующих пределах, мас.
Гидроксиапатит,

Са10(РО4)6(ОН)2 от 5 до 60

Регулируемая пористость от 10 до 85;

Матричная стеклофаза от 95 до 40

В качестве порообразователя при синтезе данного биоактивного материала применяются карбонаты магния и кальция, которые могут быть введены в состав исходной смеси совместно или раздельно в количестве от 0,5 до 3,0 мас. карбонаты магния и кальция, органические твердые природные вещества, например, белки.
В зависимости от требуемого уровня физико-химических и биологических свойств матрица материала может быть биоинертной или биоактивной. В качестве биоинертной стекломатрицы в настоящем изобретении применены нейтральные алюмоборосиликатные медицинские стекла и стекла группы "Пирекс". Биоактивные стекломатрицы представляют собой кальцийфосфатные стекла с содержанием оксида фосфора в количестве от 5 до 20 мас. Продуктом кристаллизации этих стекол является апатит, выделение которого усиливает биоактивность композиционного материала в целом.
Состав стекломатриц приведен в таблице.
В разработанном материале возможно применение биоактивных матричных стекол двух типов. Матрицы первого типа отличаются от высокой водоустойчивостью и по своему составу и структуре близки к кальциевым полевым шпатам. Применение таких матриц предусматривается в случае изготовления прочных композиционных материалов для стоматологического применения. Матрицы второго типа отличаются высоким содержанием щелочей и низким содержанием фосфора. Вследствие низкой водостойкости эти матрицы являются полностью резорбируемыми и со временем в человеческом организме полностью превращаются в живую кость.
Для синтеза матричных стекол используются химические реактивы высокой чистоты в соответствии с требованиями токсикологии к материалам для эндопротезирования.
С другой стороны, применение гидроксиапатита и кальцийфосфатных стекол и биокерамики в костной хирургии известно. Эти материалы находят применение как в качестве базового конструкционного материала, так и в виде биоактивных покрытий на корундовой керамике и на металлических внутренних протезах. Тем не менее, сложность синтеза и обусловленная высокой твердостью сложность изготовления в клинических условиях элементов нужной формы и размеров крайне затрудняют широкое оперативное применение этих материалов.
По данному изобретению обрабатываемость биоактивного материала обеспечивается разрыхлением его структуры мелкими однородными по размеру порами за счет введения в состав исходной смеси соответствующих порообразователей.
Процесс изготовления материала заключается в следующем.
Рассчитанные в соответствии с заданным составом количества гидроксидапатита, матричного стекла и парообразователя тщательно перемешиваются до получения однородной по составу смеси. Гранулометрический состав компонентов смеси контролируют по величине их удельной поверхности в исходном состоянии. Cu 2/г; м2/г:

Гидроксидапатит от 1000 до 3000 0,1-0,3

Стекломатрица от 4000 до 6000 0,4-0,6

Порообразователь от 5000 до 10000 0,5-1,0

Подготовленная смесь укладывается в формы из титана или нержавеющей стали и подвергается термической обработке с цепью спекания и вспенивания в температурном интервале от 700 до 1000оС. Пористость готового продукта зависит от соотношения компонентов смеси, режима спекания и вспенивания и изменяется в пределах от 5 до 80% Прочность на изгиб материала зависит от его пористости и находится в пределах от 10 до 60 МПа. Время термической обработки при синтезе композиционного материала изменяется в зависимости от размеров образца и заданной конечной структуры и изменяется от 5 до 40 мин в электрической печи.
В случае изготовления материала повышенной прочности в исходную смесь могут быть введены армирующие волокна различных типов.
С целью расширения температурного интервала спекания в случае применения "коротких" матричных стекол с большим градиентом вязкости, в исходную смесь могут быть добавлены компоненты, снижающие вязкость матричного стекла, такие, как оксиды натрия и калия.
П р и м е р 1. Матричное стекло по 1, гидроксиапатит с атомным отношением Ca/P 1,66, полученный мокрым способом, и порообразователь, карбонат кальция, СаСО3, берутся в соотношении 70:30:1 и тщательно смешиваются. Полученная смесь загружается в платиновую или титановую форму, которая помещается в электрическую печь. Далее электрическая печь с находящейся в ней формой медленно нагревается до температуры 850оС и выдерживается при этой температуре в течение 30 мин. Охлаждение полученного блока до комнатной температуры осуществляется с учетом температурного интервала отжига матричного стекла.
Готовая заготовка распиливается на куски требуемого размера в виде пластин, блоков, стержней и т.д. пригодных по форме для изготовления имплантатов требуемых размеров.
Выход Р2О5 в физиологический раствор составляет 3,0-3,5 мд/г в течение 3 недель.
П р и м е р 2. Для получения материала с большой пористостью и водопроницаемостью исходная смесь включает матричное стекло, гидроксидапатит и порообразователь в следующих количествах, мас.
Стеклянная мука с удель- ной поверхностью 0,5м2/г 88,0

Гидроксидапатит с удель- ной поверхностью 0,3 м2/г 10,0

Карбонат кальция с удель- ной поверхностью 1,0м2/г 2,0

После загрузок в платиновую или титановую форму смесь подвергается термической обработке при 780-800оС в течение 15 мин.
В результате спекания и вспенивания получается ячеистый материал с открытой пористостью до 80% и объемной массой 250,0 кг/м3. Материал легко поддается механической обработке и обладает прочностью на сжатие до 2,5 МПа. Из данного материала легко могут быть изготовлены имплантаты любых размеров и форм с помощью обычных инструментов, имеющихся в хирургических клиниках. Выход биоактивной фазы составляет 1,2-1,5 мг/г.
Материал предназначен для восстановительной костной хирургии, в частности в лицевой хирургии и нейрохирургии.
П р им е р 3. Прочный композиционный материал с высокой биоактивностью по предлагаемому способу получают из смеси, включающий следующие компоненты, мас.
Измельченное биоактивное стекло состава 3б с удельной поверхностью 0,6 м2/г 59,0

Гидроксиапатит с удельной поверхностью 0,1 м2/г 40,0

Карбонат кальция с удельной поверхностью 0,5 м2/г 1,0

Смесь подвергается термической обработке по двухстадийному режиму при температурах 750оС в течение 30 мин и при 960оС в течение 30 мин.
Прочность на сжатие полученного материала не менее 300 МПа прочность при поперечном изгибе до 60 МПа, выход биоактивной фазы 6-8 мг/г. Материал может быть применен для восстановления плотных костных тканей и для изготовления штифтов искусственных зубов.
П р и м е р 4. Полностью резорбируемый биоактивный композиционный материал для костной хирургии получается из смеси следующего состава, мас.
Водорастворимое матричное стекло в виде порошка с удельной поверхностью, 0,4 м2/г 64,0

Гидроксиапатит, полученный мокрым способом с атомным отношением Са/P1,67 и удельной поверхностью 0,2 м2/г;

Порообразователь, карбонат кальция с удельной поверхностью 0,8 м2/г 1,0.
Смесь спекается и вспенивается до двухкратного увеличения объема в температурном интервале 700-760оС в течение 20 мин.
Полученная заготовка пригодна для изготовления эндопротезов, имплантатов способами механической обработки; распиливание, сверление, шлифовка и т.п.
Материал ячеистый с сообщающимися порами размером от 50 до 300 мкм, объемная масса материала до 800 кг/м3, прочность на сжатие до 30 МПа.
Данная модификация разработанного материала предназначена для восстановительной костной хирургии и нейрохирургии, выход биоактивной фазы, гидроксидапатита Са10(РО)4)6 (ОН)2 до 10 мг/г. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ


1. Биоактивный микропористый материал для костной хирургии на основе гидроксиапатита, отличающийся тем, что он дополнительно содержит стекломатрицу и порообразователь при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гидроксиапатит с атомным отношением Са/Р 1,66 - 1,67 - 35-65

Стекломатрица - 35-65

Порообразователь - 0,5-10,0

2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве стекломатрицы используют нейтральные алюмоборсиликатные стекла.
3. Материал по пп. 1 и 2, отличающийся тем, что в качестве стекломатрицы используют водорастворимые стекла с содержанием оксида натрия 20-30 мас.%, кремнезема 30-38 мас.% и оксида фосфора 2,0-8,0 мас.%.
4. Материал по пп.1-3, отличающийся тем, что в качестве стекломатрицы используют биоактивные кальцийфосфатные стекла с атомным отношением Са/Р 0,8-1,0.
5. Способ изготовления биоактивного микропористого материала путем термообработки смеси на основе гидроксиапатита, отличающийся тем, что термообработку осуществляют в две стадии, сначала при 500-750oС в течение 6-10 ч, а затем при 800-1000oС в течение 10-60 мин, после чего материал охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью 1-3 град/мин.