RU2053737C1

RU2053737C1 - Биоактивный микропористый материал для костной хирургии и способ его изготовления

Info

Publication number: RU2053737C1
Application number: RU93050910A
Authority: RU
Inventors: Борис Иванович Белецкий; Елена Борисовна Власова
Original assignee: Борис Иванович Белецкий; Елена Борисовна Власова
Priority date: 1993-11-10
Filing date: 1993-11-10
Publication date: 1996-02-10

Abstract

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 500-750^oС в течение 6-10 ч. , а затем при температуре 800-1000^oС в течение 10-60 мин, после чего материал охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью 1-3^oС/мин. 2 с. и 4 з. п. ф-лы, 1 табл.

Description

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; м^2/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 1000^оС. 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 850^оС 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 780-800^оС 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 750^оС в течение 30 мин и при 960^оС 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 700-760^оС 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.

Claims

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 500-750^oС в течение 6-10 ч, а затем при 800-1000^oС в течение 10-60 мин, после чего материал охлаждают до температуры окружающей среды со скоростью 1-3 град/мин.