RU88954U1

RU88954U1 - IMPLANT FOR REPLACEMENT OF BONE DEFECTS

Info

Publication number: RU88954U1
Application number: RU2009128605/22U
Authority: RU
Inventors: Сергей Константинович Гордеев; Олег Иванович Киселев; Светлана Борисовна Корчагина; Александр Юрьевич Мушкин; Михаил Викторович Беляков; Валентина Николаевна Гусева; Валерий Григорьевич Самодай; Владимир Леонидович Брехов
Original assignee: Сергей Константинович Гордеев; Олег Иванович Киселев
Priority date: 2009-07-15
Filing date: 2009-07-15
Publication date: 2009-11-27

Abstract

Имплантат для замещения костных дефектов в виде блока цилиндрической или призматической формы, основа которого выполнена из композиционного материала, содержащего многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси указанных стержней, и углеродную матрицу, отличающийся тем, что основа имплантата покрыта слоем гидроксиаппатита с содержанием 0,05-1 г гидроксиаппатита на 1 см2 поверхности основы.An implant for replacing bone defects in the form of a block of a cylindrical or prismatic shape, the base of which is made of a composite material containing a multidirectional reinforcing frame of rods molded from carbon fibers located along the axis of these rods, and a carbon matrix, characterized in that the implant base is coated with a layer hydroxyappatite with a content of 0.05-1 g of hydroxyappatite per 1 cm2 of the surface of the base.

Description

Полезная модель относится к медицине, а именно к хирургии, травматологии и ортопедии и может быть использовано при хирургическом лечении воспалительных и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости, а также костных травм.The utility model relates to medicine, namely to surgery, traumatology and orthopedics and can be used in the surgical treatment of inflammatory and degenerative-dystrophic bone diseases, as well as bone injuries.

При хирургическом лечении костных заболеваний и травм возникает необходимость компенсации (замещении) костных дефектов с помощью имплантатов. В качестве имплантатов используют костные фрагменты пациента или искусственные материалы, обладающие биосовместимостью и достаточным уровнем прочности.In the surgical treatment of bone diseases and injuries, it becomes necessary to compensate (replace) bone defects with implants. Bone fragments of the patient or artificial materials with biocompatibility and a sufficient level of strength are used as implants.

Известен имплантат, описанный в патенте РФ №2204361 [приор. 04.07.2000, Кл. A61F 2/44]. Имплантат выполнен из углерод-углеродного композиционного материала, содержащего пироуглеродную матрицу и многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси указанных стержней. Имплантат может иметь форму призмы (прямоугольной, с основаниями П- или Г-образными), а также в виде цилиндра. Известный имплантат обладает достаточным уровнем прочности, хорошей биосовместимостью, после операционного применения хорошо фиксируется в кости.A known implant described in the patent of the Russian Federation No. 2204361 [prior. 07/04/2000, Cl. A61F 2/44]. The implant is made of a carbon-carbon composite material containing a pyrocarbon matrix and a multidirectional reinforcing frame of rods molded from carbon fibers located along the axis of these rods. The implant may be in the form of a prism (rectangular, with bases U- or L-shaped), as well as in the form of a cylinder. The known implant has a sufficient level of strength, good biocompatibility, after surgical use is well fixed in the bone.

Недостатком известного имплантата является относительно медленное прорастание его костной тканью, что увеличивает сроки постельного режима и реабилитации больных, перенесших операцию с установкой костного имплантата.A disadvantage of the known implant is the relatively slow germination of its bone tissue, which increases the time of bed rest and rehabilitation of patients who underwent surgery with the installation of a bone implant.

Задачей полезной модели является имплантат, обеспечивающий ускорение формирования костной ткани на поверхности имплантата и восстановления опороспособности костного скелета.The objective of the utility model is an implant that accelerates the formation of bone tissue on the surface of the implant and restores the support ability of the bone skeleton.

Поставленная задача решается тем, что имплантат выполнен в виде блока цилиндрической или призматической формы, основа которого выполнена из композиционного материала, содержащего многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси указанных стержней и углеродную матрицу, которая покрыта слоем гидроксиаппатита с содержанием 0,05-1 г гидроксиаппатита на 1 см² поверхности основы.The problem is solved in that the implant is made in the form of a block of cylindrical or prismatic shape, the base of which is made of composite material containing a multidirectional reinforcing frame of rods formed of carbon fibers located along the axis of these rods and a carbon matrix, which is coated with a layer of hydroxyappatite containing 0.05-1 g of hydroxyappatite per 1 cm ^{2 of the} surface of the base.

Содержание гидроксиаппатита менее 0,05 г гидроксиаппатита на 1 см² поверхности основы нецелесообразно, т.к. его содержание слишком мало для эффективного ускорения формирования костной ткани на поверхности имплантата.The content of hydroxyappatite is less than 0.05 g of hydroxyappatite per 1 cm ^{2 of} the base surface is impractical, because its content is too low to effectively accelerate the formation of bone tissue on the surface of the implant.

Содержание гидроксиаппатита более 1 г гидроксиаппатита на 1 см² поверхности основы нетехнологично, т.к. слой гидросиаппатита в этом случае оказывается довольно большой толщины, что затрудняет инкорпорацию материала в костную ткань.The content of hydroxyappatite is more than 1 g of hydroxyappatite per 1 cm ^{2 of} the base surface is not technologically advanced, because the hydrosiappatite layer in this case is quite large in thickness, which makes it difficult to incorporate the material into the bone tissue.

Сущность изобретения состоит в следующем. Имплантат, предлагаемый в данном техническом решении, состоит из углеродной основы и слоя гидроксиаппатита, покрывающего основу. Углеродная основа обеспечивает механические свойства имплантата, необходимые для формирования опороспособности костного скелета. Гидроксиаппатит, являясь главным компонентом костной ткани, нанесенный на поверхность углеродной основы, значительно ускоряет процессы формирования новообразованной кости.The invention consists in the following. The implant proposed in this technical solution consists of a carbon base and a layer of hydroxyappatite covering the base. The carbon base provides the mechanical properties of the implant, necessary for the formation of the support ability of the bone skeleton. Hydroxyappatite, being the main component of bone tissue deposited on the surface of the carbon base, significantly accelerates the formation of newly formed bones.

Следует отметить, что используемый в качестве основы углеродный материал определяет высокую биосовместимость основы имплантата, имеющей гетерогенную структуру, которая сформирована углеродными волокнами и углеродной связкой, связывающей углеродные волокна в единый композит. Структура углерода в углеродных волокнах и углеродной связке различна. Это связано с особенностями их получения. Углеродные волокна являются продуктом высокотемпературной обработки (карбонизации и последующей графитации) полимеров (полиакрилонитрил, вискоза и др.), тогда как углеродное связующее сформировано путем высокотемпературного разложения газообразных углеводородов. Различные методы получения обеспечивают различие в содержании углеродных атомов с разной гибридизацией валентных электронов (sp³, sp², sp) в структуре волокон и связующего. Гетерогенная структура материала обеспечивает хорошую адгезию растущих клеток костной ткани на поверхности материала. Это связано с возможностью клеток к локализации на поверхности тех или иных фрагментов структуры, а также на границе раздела углеродных фаз. Сформированный на поверхности основы слой гидроксиаппатита (с содержанием 0,05-1 г гидроксиаппатита на 1 см² поверхности основы) не только покрывает ее, но и проникает в поры имплантата. Причем гидроксиаппатит, в силу своих остеоиндуктивных свойств, способствует проникновению в него оссеина (коллагена 1 типа) и остеобластов. Это упрощает доставку таких элементов как кальций и фосфор к месту формирования костной ткани, т.е. к оперированной области. За счет этого сокращаются сроки восстановления пациента.It should be noted that the carbon material used as the base determines the high biocompatibility of the implant base, which has a heterogeneous structure, which is formed by carbon fibers and a carbon bond that binds carbon fibers into a single composite. The carbon structure in carbon fibers and carbon binder is different. This is due to the features of their receipt. Carbon fibers are the product of high-temperature processing (carbonization and subsequent graphitization) of polymers (polyacrylonitrile, viscose, etc.), while the carbon binder is formed by the high-temperature decomposition of gaseous hydrocarbons. Different production methods provide a difference in the content of carbon atoms with different hybridizations of valence electrons (sp ³ , sp ² , sp) in the structure of the fibers and the binder. The heterogeneous structure of the material ensures good adhesion of growing bone cells to the surface of the material. This is due to the ability of cells to localize on the surface of certain fragments of the structure, as well as at the interface of carbon phases. A layer of hydroxyappatite formed on the base surface (with a content of 0.05-1 g of hydroxyappatite per 1 cm ^{2 of} the base surface) not only covers it, but also penetrates the pores of the implant. Moreover, hydroxyappatite, due to its osteoinductive properties, promotes the penetration of ossein (type 1 collagen) and osteoblasts into it. This simplifies the delivery of elements such as calcium and phosphorus to the site of bone formation, i.e. to the operated area. Due to this, the recovery time of the patient is reduced.

Таким образом, предлагаемые имплантаты сочетают в себе биологическую совместимость, фиксационные, остеокондуктивные и остеоиндуктивные свойства. Все это обеспечивает хорошее сочетание имплантатов с костным окружением и быстрое прорастание имплантатов новообразующейся костной тканью и формирование костно-углеродного блока. За счет этого обеспечивается биофиксация имплантата в организме пациента без применения других материалов для их фиксирования. Особенности состава и структуры материала имплантатов позволяют эффективно использовать их при различных заболеваниях кости.Thus, the proposed implants combine biocompatibility, fixative, osteoconductive and osteoinductive properties. All this provides a good combination of implants with a bone environment and the rapid germination of implants by newly formed bone tissue and the formation of a bone-carbon block. This ensures biofixation of the implant in the patient's body without the use of other materials for their fixation. Features of the composition and structure of the material of the implants make it possible to effectively use them for various bone diseases.

Следующий пример характеризует сущность предлагаемого изобретения:The following example characterizes the essence of the invention:

Имплантат для замещения костных дефектов в виде прямоугольной призмы (параллелепипеда) размером 5×5×10 мм состоит из углеродной основы, покрытой слоем гидрокиаппатита. Основа имплантата состоит из углеродных волокон (объемное содержание 28%об.) и углеродного связующего. Пористость основы имплантата - 9%об. Углеродная основа имплантата получена путем сборки заготовки из углеродных стержней диаметром 1,2 мм, сформованных из углеродных волокон, в четырех направлениях (три из которых лежат в одной плоскости и образуют угол 60° друг по отношению к другу, а четвертое - ортогонально первым трем) и последующего формирования в заготовки углеродного связующего. Формирование связующего проводят из газообразных углеводородов - метана - при температуре 1000°С до обеспечения указанной выше пористости. Поверхность имплантата покрыта слоем гидроксиаппатита с содержанием 0,15 г на 1 см² поверхности основы. Покрытие осуществляют из водной пасты гидроксиаппатита с последующей сушкой при 120°С.An implant for the replacement of bone defects in the form of a rectangular prism (parallelepiped) measuring 5 × 5 × 10 mm consists of a carbon base coated with a layer of hydrocappatite. The implant base consists of carbon fibers (volume content of 28% vol.) And a carbon binder. The porosity of the implant base is 9% vol. The carbon base of the implant was obtained by assembling a workpiece from carbon rods with a diameter of 1.2 mm, molded from carbon fibers, in four directions (three of which lie in the same plane and form an angle of 60 ° relative to each other, and the fourth is orthogonal to the first three) and subsequent formation of a carbon binder into the preform. The binder is formed from gaseous hydrocarbons - methane - at a temperature of 1000 ° C until the above porosity is achieved. The surface of the implant is covered with a layer of hydroxyappatite containing 0.15 g per 1 cm ^{2 of the} surface of the base. The coating is carried out from an aqueous paste of hydroxyappatite, followed by drying at 120 ° C.

Экспериментальные исследования по замещению костных дефектов хирургическим путем на 5 кроликах показали, что предлагаемый имплантат не вызывает каких-либо отрицательных реакций со стороны костного ложа, прочно фиксируется в нем, благодаря быстрому формированию косно-углеродного блока за счет новообразованной костной ткани.Experimental studies on the surgical replacement of bone defects in 5 rabbits showed that the proposed implant does not cause any negative reactions from the bone bed, is firmly fixed in it, due to the rapid formation of an inert carbon block due to newly formed bone tissue.

Таким образом, применение предлагаемого изобретения обеспечивает возможность эффективного замещения костных дефектов различного типа, что важно для повышения качества лечения и обеспечения здоровья нации.Thus, the application of the invention provides the ability to effectively replace bone defects of various types, which is important to improve the quality of treatment and ensure the health of the nation.

Claims

An implant for replacing bone defects in the form of a block of a cylindrical or prismatic shape, the base of which is made of a composite material containing a multidirectional reinforcing frame of rods molded from carbon fibers located along the axis of these rods, and a carbon matrix, characterized in that the implant base is coated with a layer hydroxyappatite with a content of 0.05-1 g of hydroxyappatite per 1 cm ^{2 the} surface of the base.