Патент на изобретение №2175249

(54) ХИРУРГИЧЕСКИЙ КОСТНЫЙ ИМПЛАНТАТ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области биологического материаловедения разделов медицины: хирургия, травматология, ортопедия и может быть использовано при реконструкционно-хирургических вмешательствах на разных отделках скелета, в т. ч. при лечении позвоночника. Хирургический костный имплантат из биоситалла, основной кристаллической фазой которого является карбогидроксила патит (даллит) – синтетический аналог биоминерала кости человека, в котором новым является то, что он изготовлен многослойным путем совмещения слоев биоситалла различной структуры при соотношении объема сетчато-ячеистых остеокондуктивных слоев и объема мелкопористых несущих слоев 1:4 – 2:3, а для изготовления биоситалла исходные компоненты взяты в следующем соотношении, мас. %: SiO₂ – 29,6-31,5; Al₂O₃ – 4,9-5,2; Са₃(РО₃)₂ – 14,6-15,3; CaCO₃ – 41,3-44,5; MgO – 2,4-2,6; ZnO – 4,0-4,2. Хирургический имплантат обладает возможностями оптимизировать сроки получения положительного результата операции в различных участках скелета за счет изменения соотношения объемов совмещенных слоев. Прочная остеоинтеграция имплантата не является препятствием для проявления костной тканью всех ее морфогенетических потенций: граница соединения имплантат – кость доступна физиологической репарации – ремоделированию в течение всего срока (годы) пребывания имплантата в организме. 2 табл.

Изобретение относится к области биологического материаловедения и применяется в разделах медицины: хирургии, травматологии, ортопедии, и может быть использовано при реконструкционно-хирургических вмешательствах на разных отделах скелета, в т.ч. при лечении позвоночника.

Проблема замены дефектов костной ткани хирургическими имплантатами, изготовленными из современных материалов: металлов, сплавов, новых биоматериалов на основе Al₂O₃, ZrO₂, шпинелей, фосфатов кальция, в т.ч. гидроксилаппатита, до сих пор не нашла удовлетворительного решения.

Недостатком каждого из перечисленных материаловедческих решений явилось несоответствие свойств имплантатов природе регенеративных процессов костной ткани.

Однако металлы и синтетические полимеры по химическому составу неадекватны натуральной кости, и в живом организме они всегда будут оставаться чужеродными элементами и не заменятся натуральной костью.

Попытки решить проблему использованием широкопористых имплантатов из биодеградирующих материалов на основе фосфатов кальция (пат. 3242364, Япония, 1990; пат. 2108069, RU, 1996, пат. 50117518, US, 1990), и композиций гидроксилаппатита со стеклом (пат. 2053737, RU, 1996, пат. 2105529, RU, 1995), как наиболее близких по химическому составу к составу биоминерала натуральной кости, не оправдали надежд, т к., помимо слабых прочностных характеристик, не обеспечивали синхронности процессов биодеградации и остеорепарации и разрушались раньше, чем образовывались блочные костные структуры.

Наиболее близким из ряда стеклокристаллических биоактивных материалов по технической сущности к заявляемому решению является и, поэтому принят авторами за прототип, костный имплантат (пат. 2104040, RU, 1998), изготовленный из биоситалла при следующем соотношении компонентов, мас.%: SiO₂ – 37.2-39,3; P₂O₅ – 12,0 – 15,5; CaO – 18,8 – 34,0; Al₂O₃ – 6,2 – 9,0; MgO – 3,0 – 12,5; ZnO – 3,7 – 6,0; CaF₂ – 0,05 – 0,6, позволяющем получить диапазон кристаллических фаз от Ca₁₀Mg₂H₂(PO₄) – Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ – Ca₃(PO₄)₂ и имеющий два слоя: внутренний, имитирующий спонгиозный и внешний, имитирующий кортикальный слой кости за счет различной пористости. Однако структурное решение изготовления имплантата, предложенное в этом патенте, не обеспечивает достаточных прочностных характеристик, что осложняет создание сложнопрофильного контура имплантата механической обработкой, особенно со стороны спонгиозного слоя. Использование таких имплантатов в операциях, сопровождаемых приложением к ним (имплантатам) нагрузок, опасно образованием сколов и трещин в процессе установки. И, хотя такой имплантат имеет достаточную площадь спонгиозного слоя, большая часть этого слоя не участвует в процессах остеогенеза, а лишь ослабляет прочностные характеристики имплантата.

Задача, решаемая данным изобретением, состоит в создании нового искусственного остеосовместимого хирургического имплантата, обладающего наряду с повышенными прочностными характеристиками, также способностью к формообразованию и способностью синхронизировать процессы образования “костного блока” в ходе остеорепарации и процессы деградации материала самого имплантата.

Поставленная задача достигается тем, что хирургический имплантат из биоситалла, основной кристаллической фазой которого является карбогидроксилаппатит (даллит) – синтетический биоминерал кости человека, изготовлен многослойным путем совмещения слоев биоситалла различной структуры при соотношении объемов сетчато-ячеистых остеокондуктивных слоев к несущим плотным слоям 1: 4-2:3, обеспечивающем синхронизацию процесса образования “костного блока” с процессом деградации имплантата, а в качестве исходных материалов для изготовления биоситалла взяты компоненты в следующем соотношении, мас.%: SiO₂ – 29,6-31,5; Al₂O₃ – 4,9-5,2; Ca₃(PO₃)₂ – 14,6-15,3; CaCO₃ – 41,3-44,5; MgO – 2,4-2,6; ZnO – 4,0-4,2.

Структурное отличие совмещаемых слоев достигается путем введения в исходную смесь для получения сетчато-ячеистого остеокондуктивного слоя твердофазного порообразователя органического происхождения.

Применение твердофазного порообразователя различного гранулометрического состава позволяет на стадии подготовки исходной смеси заложить требуемый размер и форму пор остеокондуктивного слоя.

Изготовление внешних слоев мелкопористыми, механическая прочность на изгиб которых достигает 160-170 МПа, позволяет проводить профилизацию опорных площадок имплантата без образования трещин и сколов, а также уменьшает возможность скалывания имплантата при приложении к нему усилий в процессе проведения операции.

В случае повышенных требований к механической прочности, имплантат изготавливают с введением во внутрь сетчато-ячеистого остеокондуктивного слоя несущих мелкопористых слоев
Примеры решения предлагаемого хирургического имплантата приведены в табл. 1.

В реализации этих примеров были получены имплантаты для вертебрологического применения. Особенностью этих имплантатов является требование величины площади контактного слоя опорной площадки с ложем в теле позвонков в интервале 100-300 мм², при этом указанный имплантат должен обеспечить образование прочного костного блока.

Целью медико-биологических испытаний для заявленных имплантатов явилось проведение сравнительного анализа процессов остеоинтеграции двух – и многослойных имплантатов, полученных из биоситаллов совмещением слоев разной пористости.

Место и время проведения: Экспериментальный отдел ВМедА. г. Санкт-Петербург, сентябрь 1996 г – сентябрь 1998 г.

Материалы и методы. Макеты имплантатов, представленные в МедА, были изготовлены НПФ “Элкор” из биоситалла заявленного состава в виде параллелипипеда. В модели вертебрологического имплантата имитировались: общая геометрическая поверхность (размеры) площадь контакта опорной площадки с ложем тела позвонка (103-310 мм²; изменяющиеся соотношения объемов плотных и пористых слоев, их соотношения в поверхности контакта. В серии имплантататов Д-двуслойные (прототип), размером 5 х 7 х 10 мм, изменялась толщина пористого слоя, иммитирующего спонгиозный участок кости от 2,5; 2,0; 1,0 мм, при этом общая геометрическая поверхность (310 мм²) оставалась постоянной, а соотношение объемов изменялось в пределах: 50 об. %; 40 об.%; 20 об.% (по патенту N 2104040). В серии Т-многослойных в примерах а), б) и с) следует: а) 70/280 мм² – соотношение площади пористого слоя к общей площади имплантата, что составляет 25 об. %; в) 140/210 мм² – соотношение площади пористого слоя к общей площади имплантата, что составляет 67 об.%; с) 14/28 мм² – соотношение площади пористого слоя к общей площади, что составляет 50 об.%.

Имплантаты не требовали предстерилизационной подготовки. Стерилизация осуществлялась непосредственно перед операцией в автоклаве при 110^oC, 1,1 атм., 3 мин.

Животные: 18 беспородных собак массой 10-13 кг, возраст 1,5 – 3 года.

Техника имплантирования: Имплантация осуществлялась после предмедикации, под наркозом (в/м калипсол 10,0, тиопентал натрия, аминазин 3,0). В гребне подвздошной кости структуры которой морфологически близки к губчатым структурам позвонковых тел, долотом готовились места для введения имплантатов соответствующих размеров. Имплантаты вводились плотной посадкой (использовали молоток). Классифицированы имплантаты: погружные, непогружные. Животное после операции сутки проводило в станке, в дальнейшем содержание и наблюдение по стандарту.

Контроль имплантаированного изделия: рентгенологически после введения и при эксплантировании из тела животного.

Сроки эксплантирования: 1 мес., 3 мес., 6 мес., 12 мес. Забор костного участка гребня подвздошной кости с имплантатами проводили фрезерованием участка и с помощью долота. Удаленный фрагмент фиксировали в 10% растворе формалина; декальцификацию проводили по стандартной методике в растворе трилона B, 5% растворе азотной кислоты. Гистологические шлиф-срезы толщиной 10-12 мкм окрашивали гематоксилином, эозином по Ван-Гизону. Гистологический анализ проводили микроскопическим методом в диапазоне увеличения 50-400 х (микроскоп Jenamed). Поперечные срезы имплантатов специально подготовленные (обезжиривание, удаление органики, полировка, напыление C-покрытия в вакууме) исследовали методом микрорентгеноспектрального анализа и методом РЭМ (анализатор фирмы “Cameca”).

Результаты исследования:
1. Для имплантатов серии Д отмечена большая нестабильность при имплантации: имплантаты либо раскалывались, либо имели после имплантирования трещины, фиксировали фрагментирование пористого слоя, его отслаивание. При неплотном введении (разрушение пористого слоя) имплантат фиксировался с образованием плотной соединительной капсулы вокруг оставшегося плотного участка. Резорбция широкопористых участков фиксировалась через 1 месяц. Отмечалось наличие макрофагальной реакции вокруг частиц разрушенного пористого участка. Для имплантатов с трещинами наблюдалась резорбция участков имплантата со стороны пористого слоя и рост костной ткани в трещины плотного слоя.

2. Для имплантатов серии Т в), с) отмечалась активная клеточная реакция костной ткани с образованием пластинчатых костных структур новообразованной кости во внутренних участках сетчато-ячеистого слоя (с диаметром 150- 200 мкм) к 6-12 мес.

При исследовании имплантатов серии Т а) образование костных структур было замедлено. Однако эти имплантаты обладают максимальными прочностными характеристиками и перспективны для особо нагружаемых участков.

Все имплантаты этих серий сохраняли геометрические формы наружных слоев и были хорошо интегрированы. В тех случаях, когда имплантат верхней площадкой выступал в кортикальный слой подвздошной кости, также наблюдалось плотное фиксирование, без образования промежуточных соединительных структур.

ВЫВОДЫ: На основании полученных экспериментальных результатов для погружных и нагружаемых имплантатов, контактирующих с губчатыми структурами подвздошной кости, можно достоверно утверждать, что только многослойные имплантаты при сохранении соотношения объемов сетчато-ячеистых слоев и мелкопористых несущих слоев в интервале 1:4 – 2:3, могут синхронизировать процессы остеоинтеграции, остеокондукции с образованием прочного костного блока. Имплантаты перспективны для вертебрологического и хирургического применения.

Испытания проводили:
Доцент, к.м.н. Орлов В.П., ст. лаборант Быков В.Н.

Разработанный и предлагаемый имплантат может быть изготовлен промышленным путем и использован в таких разделах медицины, как хирургия, травматология, ортопедия, при реконструкционно-хирургических вмешательствах на разных отделах скелета, в т.ч. при лечении позвоночника.

Формула изобретения

Хирургический костный имплантат из биоситалла на основе кристаллической фазы карбогидроксилапатита(даллит), отличающийся тем, что имплантат состоит из чередующихся сетчато-ячеистого остеокондуктивного и мелкопористого слоев при соотношении их объема 1:4 – 2:3 соответственно, изготовленных из биоситалла различного гранулометрического состава при его компонентном соотношении, мас.%:
SiO₂ – 29,6 – 31,5
Al₂O₃ – 4,9 – 5,2
Ca₃(PO₃)₂ – 14,6 – 15,3
CaCO₃ – 41,3 – 44,5
MgO – 2,4 – 2,6
ZnO – 4,0 – 4,2с

РИСУНКИ

MM4A – Досрочное прекращение действия патента СССР или патента Российской Федерации на изобретение из-за неуплаты в установленный срок пошлины за поддержание патента в силе

Дата прекращения действия патента: 14.04.2007

Извещение опубликовано: 27.02.2008 БИ: 06/2008