CZ280714B6 - Materiál pro kostní implantáty na bázi keramiky a způsob jeho výroby - Google Patents

Abstract

Materiálem je slinutá keramická hmota, ve které zůstává v podstatě zachována jemná porézní struktura kosti a která obsahuje více než 99 % hydroxylapatitu. Tento materiál se vyrábí tak, že se kostní hmota zbavená všech organických součástí podrobí působení vodného roztoku organické kyseliny, zvolené ze souboru alifatických monokarboxylových kyselin s 1 až 5 atomy uhlíku, jako je kyselina malonová, tartronová, jantarová, jablečná, vinná a citronová a poté se nechá slinout za teploty 900 .sup.o .n.C až 1400 .sup.o .n.C.ŕ

Description

Materiál pro implantáty na bázi přírodního kostního materiálu a způsob jeho výroby

Oblast techniky

Vynález se týká materiálu pro implantáty na bázi přírodního kostního materiálu a způsobu jeho výroby.

Dosavadní stav techniky

Na kvalitní materiál, používaný v medicíně při implantacích kostních náhrad, se klade požadavek vysoké mechanické stability. Materiály pro implantáty na minerální bázni mají vysokou mechanickou stabilitu jen tehdy, jsou-li použity ve formě keramiky, tj. tedy hmot, případně obrobků, slinutých za dostatečných teplot.

Z hlediska průběhu vhojení implanátu jsou obzvlášť ceněny materiály, které jsou vysoce biologicky aktivní. Vysoká biologická aktivita vede totiž k tomu, že implantát je organismem dobře přijat a integrován. V případě materiálů kostních náhrad to znamená, že implantát má záhy pevně a trvale srůst se somatogenními tkáněmi, zejména kostmi.

Materiál kostních náhrad na bázi kalciumfosfátové keramiky je vzhledem k tomu, že jeho chemické složení je podobné složení nerostné fáze fyziologických kostí, považován za biologicky aktivní. Nerostná fáze fyziologických kostí je tvořena převážně hydroxylapatitem, tj. fosforečnanem vápenatým souhrnného vzorce Ca₅(PO₄)OH.

Hydroxylapatit syntetického nebo organického původu, případně získaný z fyziologické kostní hmoty, je tedy surovinou, často užívanou při výrobě implantovatelných kostních náhrad. Hydroxylapatitová keramika je organismem prakticky neresorbovatelná. To znamená, že xenogenní hmota zůstává po dlouhou dobu zachována v prakticky nezměněné podobě. Její integrace v organismu probíhá tak, že srůstá s vlastní kostí a prorůstá okolní tkání.

Dnes dostupné keramické hmoty na bázi fosforečnanu vápenatého, používané při implantacích, se člení do dvou základních skupin.

V první skupině se používá synteticky vyrobeného fosforečnanu vápenatého, z něhož se vytvářejí kompaktní nebo porézní tělesa, která se poté nechají slinout na keramiku. Přednost těchto materiálů spočívá přirozeně v tom, že jejich syntetická struktura umožňuje u nich dosáhnout určitého chemického složení s velkou přesností a reprodukovatelnosti. Standardizace složení je při použití v medicíně nezanedbatelná.

Zkušenosti ukazují, že pevnost srůstu kompaktní kalciumfosfátové keramiky s vlastní kosti převážně není uspokojivá. Příznivěji se při vzrůstání chová porézní kalciumfosfátová keramika.

— 1—

Rozhodující nevýhodou syntetických materiálů je, že porézní tělesa se mohou vyrábět jen velmi složité a při vysokých nákladech. Dodnes ještě není možné připravit ze syntetických hmot tělesa s porézností, jaká je charakteristická pro fyziologickou kost. To se případně týká zejména otevřené porézností spongiosních kostí. Ukázalo se však, že tato pro kosti typická poréznost je přímo nezbytná pro vytvoření rychlé, pevné a trvalé vazby implantátu se somatogenni kostí.

Základem druhé skupiny jsou fyziologické kosti, které jsou různými postupy mineralizovány a převedeny na keramický systém, kde struktura kosti má zůstat co možná zachována. Společné všem těmto postupům je, že se fáze, která zbyla z kosti po odstranění organické složky, zpevní na keramiku slinutím za odpovídajících teplot.

Organická složka se odstraní chemickými rozpouštěcími postupy nebo pyrolytickými postupy. Výraznou biologickou předností implantátů z kostní keramiky, která se projevuje při jejich vrůstáni a vhojení v organismu, je vynikající podobnost s trámčinou fyziologických kostí.

Nevýhodou kostní keramiky je, že výchozí látkou k její výrobě je přírodní kostní produkt, jehož chemické složení je tím pádem značně podmíněno jeho původem a podléhá nekontrolované kolisavosti.

Minerální fáze kostí se sice skládá převážně z hydroxylapatitu, jeho obsah se však u jednotlivých druhů zvířat liší. Podíl jiných fází fosforečnanu vápenatého, stopových prvků a zejména uhličitanu vápenatého kolísá dokonce individuálně. Tak například koňské kosti mají zpravidla vyšší podíl uhličitanu vápenatého než hovězí kosti. Podíl uhličitanu vápenatého v kostech může kolísat plné v rozmezí 1 až 25 % hmotnostních.

Z tohoto důvodu se u výchozího materiálu prakticky nedá předpokládat zcela stálé jednotné chemické složení, které je podmínkou standardizovaného produktu. Tato proměnlivost chemického složení má naprosto evidentní vliv na biologickou aktivitu keramického kostního implantátu. Obsah oxidu vápenatého, který vznikl vypálením uhličitanu vápenatého, v organismu ovlivňuje pH okolního prostředí implantátu, což se klinicky manifestuje různou délkou období, ve kterém dojde k vzrůstu a vytvoření nové kostní tkáně.

Ukázalo se, a představuje to zvláštní problém, že kostní keramika má sklon k nekontrolovatelné instabilitě. Jak při skladování, tak v organismu může u implantátů z kostní keramiky po různé a předem neurčité době dojít ke ztrátě pevnosti, která vede až k rozpadu implantátu.

Podstata vynálezu

Základním úkolem předloženého vynálezu je vyvinout materiál pro implantáty na bázi kostní keramiky, jehož chemické složení nebude ovlivňováno fyziologickým kolísáním a který nebude nepředvídatelně instabilní.

-2CZ 280714 B6

Nyní bylo objeveno, že se může získat kostní keramika, v níž je jemná porézní struktura kosti v podstatě nezměněna a která, nezávisle na chemickém složení nerostné fáze původní kosti, obsahuje více než 99 % hydroxylapatitu. Postup spočívá v tom, že se kostní hmota, zbavená organických součástí, podrobí působení vodného roztoku organické kyseliny ze skupiny alifatických monokarboxylových kyselin s 1 až 5 atomy uhlíku. Takovou kyselinou je například kyselina malonová, tartronová, jantarová, jablečná, vinná a citrónová. Poté se získaný produkt nechá slinout na keramiku. Touto cestou se tedy získá kostní keramika stálého definovaného složení.

Překvapivě se tento materiál neukázal jako nestabilní, jak je tomu u obvyklé kostní keramiky.

Předmětem vynálezu je tedy materiál pro implantáty na bázi přírodního kostního materiálu, jehož podstata spočívá v tom, že je tvořen slinutým přírodním kostním materiálem, který má jemnou porézní strukturu přírodního kostního materiálu a který rentgenograficky vykazuje více než 99 % hydroxylapatitu.

Předmětem vynálezu je také způsob výroby tohoto materiálu pro implantáty, jehož podstata spočívá v tom, že se kostní hmota, zbavená všech organických součástí, podrobí působení vodného roztoku organické kyseliny, zvolené ze souboru alifatických monokarboxylových kyselin s 1 až 5 atomy uhlíku, jako kyselina malonová, tartronová, jantarová, jablečná, vinná a citrónová, a poté se nechá slinout za teploty 900 až 1 400 °C.

Na základě vlastního výzkumu instability obvyklé kostní keramiky se ukázalo, že její rozhodující příčinou je přístup vlhkosti. V období skladování se tento problém dá vyřešit balením keramiky do obalů, jež vlhkost nepropouštějí. Po chirurgické aplikaci je však keramický kostní implantát v organismu přirozeně vystaven působení vhodných médií. Jako příčina instability byl identifikován proměnlivý obsah uhličitanu vápenatého v původním kostním materiálu, kde pravděpodobně probíhá následující proces: během tepelné fáze zpracování, ve které se kosti mění na keramiku, dochází k přeměně uhličitanu vápenatého na oxid vápenatý. Ve slinuté keramice jsou tedy potom obsaženy fáze oxidu vápenatého ve stechiometricky ekvivalentním množství. Za přístupu vody, případně v podobě vzdušné vlhkosti při nechráněném skladování, nebo v organismu, probíhá postupná přeměna oxidu vápenatého na hydroxid vápenatý podle rovnice

CaO + H₂0 -----» Ca(OH)₂.

Při této reakci dochází k objemovému nárůstu fáze CaO, který početně činí asi 97 %. Tím se v keramické hmotě vytváří postupné pnutí a vlasové trhliny. Bobtnání a rozrušení keramiky může vést až k jejímu rozpadu na jednotlivé částečky.

Způsob podle vynálezu spočívá v tom, že se ještě před slinutím na keramiku z mineralizovaných kostí uvolní veškerý přítomný podíl uhličitanu vápenatého, případně oxidu vápenatého, jakož i popřípadě přítomné menší podíly jiných rozpustných látek. Reakce se provádí účelně pomocí vodných roztoků slabých organických kyselin. V první řadě přichází v úvahu použití alifatických mono-3CZ 280714 B6 karboxylových kyselin a 1 až 5 atomy uhlíku, alifatických dia trikarboxylových kyselin, jakož i jejich hydroxyderivátů, vždy celkem až se 6 atomy uhlíku. Takovými kyselinami jsou například kyselina mravenčí, octová, propionová, máselná, valerová, malonová, tartronová, jantarová, jablečná, vinná a citrónová.

Jako zvláště vhodná, snadno dostupná, levná a dobře zpracovatelná se osvědčila kyselina citrónová.

Použitá koncentrace roztoků kyselin se volí podle druhu a síly kyseliny, předpokládané doby jejího působení, druhu a teploty zpracování kostní hmoty, v rozmezí 1 až 30 %, přednostně 5 až 10 % hmotnostních. Teplota roztoku kyseliny se může libovolně nastavit na hodnotu v rozmezí 20 °C až teplota varu. Dostatečná doba působení je podle množství, velikosti kusů kostní hmoty a výše uvedených parametrů, 2 minuty až 24 hodin. Na základě výše uvedených rámcových parametrů může odborník bez dalšího snadno zjistit několika zkušebními pokusy, jaké nejvhodnější parametry procesu jsou vhodné v konkrétním případu.

Celkově lze konstatovat, že výše uvedené hodnoty je možno považovat za hrubé vodítko. Nebude-li jich dosaženo, nebo budou-li překročeny, nezpůsobí to zpravidla žádné další nežádoucí efekty, jestliže byl skutečně odstraněn veškerý oxid vápenatý.

Nejprve se musí kosti, použité jako výchozí materiál, zcela mineralizovat, tj. zbavit se všech organických součástí. Pokud na kostech ještě ulpívají měkké části, je prvním krokem jejich mechanické odstranění. Vždy se však musí odstranit organická fáze kosti, která je v podstatě tvořena kolagenem. To se provádí různými známými postupy, jako jsou například chemické postupy rozpuštění a extrakce, případně vytváření a/nebo působení látek, rozpouštějících tuky nebo bílkoviny a/nebo působení peroxidu vodíku. Jako obzvlášt jednoduché a efektivní se však osvědčily pyrolytické postupy. Při nich se organická fáze rozloží působením tepla a zbylý uhlík vyhoří za přebytku kyslíku. Pyrolýza kostí se obvykle provádí za teploty 500 až 1 000 °C, přednostně 600 až 800°C. Při mineralizaci kostního materiálu se také mohou kombinovat chemické rozpouštěcí procesy s pyrolytickými. Při uplatnění všech těchto postupů se musí brát zřetel na to, aby v podstatě zůstala zachována jemná porézní struktura kostí. Pro materiál implantátů na bázi kostní keramiky podle vynálezu je skutečné nezbytné, aby tato struktura zůstala v podstatě nezměněná. To znamená, že se výše uvedená opatření mají provádět co nejšetrněji. Pyrolýza se může provádět ještě způsobem podle DE-PS 37 27 606, kde speciální regulace teploty a redukční, popřípadě oxidační povahy atmosféry umožní výrazně šetrnou pyrolýzu.

Ukázalo se, že je výhodné kostní materiál ještě před použitím kyseliny podrobit předslinutí. Tím se zpevní vnitřní struktura minerální fáze kostí, která potom bez poškození vydrží zatížení, které vzniká vývojem C0₂ při reakci s kyselinou. Toto je významné zejména u spongiosních kostí, jejichž vysoce porézní, křehká struktura je přirozeně zvlášť, citlivá.

Předslinutí se provádí účelně při teplotě 600 až 1 000 °C, přednostně asi 900 °C.

-4CZ 280714 B6

V případě, že je nutné předslinutí, je účelné spojit tento proces s pyrolýzou. Potom se mohou oba kroky provádět kombinovaně.

K tomu, aby proběhla reakce s kyselinou, stačí kostní hmotu ponořit do kyselé lázně, v níž se ponechá po dostatečnou a účelně stanovenou dobu za odpovídající teploty. Vyluhování rozpustných součástí se může napomoci, jestliže roztok kyseliny cirkuluje.

Po skončení reakce s kyelinou se kostní materiál zbaví kyseliny promytím účelně demineralizovanou vodou.

Poté se obvyklými postupy a ve vhodných zařízeních uskuteční konečné slinutí na keramiku. K tomu postačí teplota 900 až 1 400 ’C. Obvykle se materiál ohřívá tak, že se teplota zvyšuje rychlostí 100 °C za hodinu na konečnou teplotu, například 1 250 ’C, která se udržuje ještě dalších 3 až 5 hodin. Pak se materiál nechá volně zchladnout.

Z chemického hlediska takto získaná kostní keramika obsahuje více než 99 % hydroxylapatitu, což je možno prokázat, vzhledem k přesnosti této analytické metody, rentgenografií. Tento materiál neobsahuje zejména již žádný podíl oxidu vápenatého, který je příčinou instability u obvyklé kostní keramiky.

U materiálu pro implantáty na bázi kostní keramiky podle vynálezu se dosud neznámým způsobem podařilo spojit výhodné vrůstové chování, které je dáno v podstatě nezměněnou trámčinou, tvořící základ kosti, s dosud nedosaženou stálostí chemického složení tohoto materiálu, jenž je tvořen hydroxylapatitem z více než 99 %. Zvláštní význam má to, že se u těchto materiálů neobjevuje problém nevypočitatelné instability.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

Surové hovězí kosti, zbavené měkkých částí, se rozřežou pilou a třikrát po jedné hodině vyvařují ve vodě. Kusy kostí se pak pod atmosférou dusíku postupně zahřívají na teplotu 450 °C tak, že se teplota zvyšuje rychlostí 50 °C za hodinu. V následující zahřívací periodě se teplota zvyšuje rychlostí 25 ’C za hodinu na 750 °C a dusíková atmosféra se plynule nahradí vzduchem. Dosažená teplota se udržuje ještě dalších 8 hodin. V závěru se zvyšováním teploty rychlostí 50 °C za hodinu dosáhne předslinovací teploty asi 900 °C.

Po ochlazení se kusy ponoří do cirkulujícího roztoku 5% (hmot.) kyseliny citrónové. Po vyjmutí z kyselé lázně se promyjí demiralizovanou vodou až do neutrální reakce.

Konečné slinutí se provádí zahříváním kusů, při němž se teplota postupně zvyšuje rychlostí 100 °C za hodinu na konečnou teplotu 1 250 °C, která se udržuje další 3 hodiny. Poté se kusy nechají volné vychladnout.

U takto získaných kusů kostní keramiky zůstává trámčina původních kostí zachována. Podle výsledků rentgenografie je kera

-5CZ 280714 B6 mika tvořena z více než 99 % hydroxylapatitem.

Příklad 2

Jestliže se stejnému procesu podrobí koňské kosti, získá se kostní keramika, která je rovněž tvořena z více než 99 % hydroxylapatitem.

Příklad 3 (srovnávací)

Koňské kosti se podrobí stejnému procesu jako v příkladu 1. Vypustí se však působení kyselinou. Získá se kostní keramika, která rentgenografíčky vykazuje 10% podíl oxidu vápenatého.

Claims (6)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Materiál pro implantáty na bázi přírodního kostního materiálu, vyznačující se tím, že je tvořen slinutým přírodním kostním materiálem, který má jemnou porézní strukturu přírodního kostního materiálu a který rentgenografíčky vykazuje více než 99 % hydroxylapatitu.
2. 2. Způsob výroby materiálu pro implantáty podle nároku 1, vyznačující se tím, že se kostní hmota, zbavená všech organických součástí, podrobí působení vodného roztoku organické kyseliny, zvolené ze souboru alifatických monokarboxylových kyselin s 1 až 5 atomy uhlíku, jako je kyselina malonová, tartronová, jantarová, jablečná, vinná a citrónová, a poté se nechá slinout za teploty 900 °C až 1 400 °C.
3. 3. Způsob podle nároku 2, vyznačující se tím, že se pro reakci s kyselinou použije vodného roztoku, který obsahuje 1 až 30 % hmotnostních kyseliny.
4. 4. Způsob podle nároků 2 a 3, vyznačující se tím, že se reakce s kyselinou provádí po dobu 2 minut až 24 hodin za teploty 20 °C až teploty varu.
5. 5. Způsob podle nároků 2 až 4, vyznačující se tím, že se reakce provádí s pomocí vodného roztoku kyseliny citrónové.
6. 6. Způsob podle nároků 2 až 5, vyznačující se tím, že se kostní hmota před reakcí s kyselinou nechá předslinout při teplotě 600 až 1 000 °C.