CZ299109B6

CZ299109B6 - Kostní náhrady a výplne na bázi kompozitních materiálu a zpusob jejich prípravy

Info

Publication number: CZ299109B6
Application number: CZ20050694A
Authority: CZ
Inventors: Balík@Karel; Cerný@Martin; Sochor@Miroslav; Suchý@Tomáš; Sucharda@Zbynek; Hulejová@Hana; Pešáková@Vlasta
Original assignee: Ústav struktury a mechaniky hornin AV CR, v.v.i.
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2008-04-23
Also published as: CZ2005694A3

Abstract

Kostní náhrady a výplne na bázi kompozitních vláknitých materiálu sestávají z vícevrstvé výztuže zeskelné tkaniny, prosycené polymerním materiálem, tvorícím matrici, která zahrnuje 40 až 70 % hmotn.kompozitu. Skelná tkanina je z hlinitoboritokremicitého nebo hlinitovápenatokremicitého skla, prosycená matricí z vytvrzené smesi 90 až 95 % hmotn. siloxanové pryskyrice a 5 až 10 % hmotn. hydroxyapatitového prášku o prumerné velikosti cástic 5 .mi.m. Siloxanovou pryskyricí je látka, vybraná ze skupiny zahrnující polymetylsiloxan, polypropylsiloxan, polyisopropylsiloxan a polyetylsiloxan. Povrch kostní náhrady a výplne má otevrené póry o prumeru0,2 až 0,8 mm, jejichž plošná hustota je 100 až 500 póru/cm.sup.2.n.. Skelná tkanina má vazbu, vybranou ze skupiny zahrnující plátnovou, atlasovou a keprovou vazbu. Pro prípravu kostních náhrad a výplní se do povrchu kompozitu pred vytvrzením vlisuje frakce ve vode rozpustné soli, vybrané ze skupiny zahrnující NaCl a KCl, o velikosti cástic 0,2 až0,8 mm, která se po vytvrzení vymyje z kompozitu proudem vody a ponorí do destilované vody po dobu v podstate 4 hodin a následne se prípadné zbytky soli odstraní opakovanou Soxhletovou extrakcí v destilované vode.

Description

Oblast techniky

Předmětem vynálezu jsou kostní náhrady a výplně na bázi kompozitních vláknitých materiálů pro použití v ortopedii a způsob jejich přípravy.

Dosavadní stav techniky

Materiály používané v ortopedii pro náhradu kostí musí vykazovat vyšší mechanickou pevnost než vykazuje lidská kost a mají vlastnosti (tuhost, modul pružnosti), blížící se co nejvíce k vlastnostem kosti. Jsou biokompatibilní a bioaktivní, to znamená podporují vrůstání kostních buněk do kostní náhrady. Doposud se některé části kostí nahrazují vlastní kostí pacienta, což sice zaručuje biokompatibilitu, ale odebrání kosti předpokládá další operaci navíc, dochází k nebezpečí infekce a k další ztrátě krve. Z umělých náhrad jsou nejznámější kostní náhrady ze slitin kovů, zpravidla slitin na bázi titanu. Mají sice vysokou mechanickou pevnost, ale jejich tuhost je pro tyto účely příliš vysoká a často dochází ke spongializaci kosti. Dále se v medicíně využívají umě20 lé náhrady ze syntetických polymerů, např. vysokomolekulámího polyetylénu, polyamidu, nasycených polyesterů a podobně. Jejich nevýhodou jsou neuspokojivé dlouhodobé mechanické vlastnosti, například snížená odolnost proti otěru nebo proti trvalým deformacím při vystavení mechanické zátěži (creep). Keramické materiály jsou buď bioinertní jako například oxidy hliníku a zirkonia, nebo dokonce bioaktivní jako hydroxyapatit, přičemž prvně zmíněné mají vysokou mechanickou pevnost, ale jsou křehké. Stejně křehký s malou mechanickou pevností je i hydroxyapatit ve formě keramiky. Hydroxyapatitem ve formě prášku je dále možno povlékat kovové náhrady kosti, např. technologií plazmového nanášení, často je ovšem na závadu malá adheze povlaku ke kovovému povrchu. Jako biomateriály byly zkoušky i kompozity, a to kompozity uhlík-polymer či uhlík-uhlík. Kompozity uhlík-polymer vykazovaly sice vhodné mechanické vlastnosti, ale po delší době uložení v organizmu docházelo k vyluhování nízkomolekulámích složek z polymeru tělní tekutinou, nebo dokonce k narušení polymemí struktury, čímž došlo k výraznému zhoršení mechanických vlastností materiálu nebo dokonce ke zhoršení biokompatibility. Kompozity uhlík-uhlík měly rovněž uspokojivé mechanické vlastnosti, byly výrazně bioinertní, ale jejich příprava byla složitá, mnohastupňová, což při běžné výrobě podstatně zvyšuje náklady. V patentové přihlášce US 2005/0136764 je například popisována kompozitní tkanina pro kostní náhrady, zahrnující biostabilní pružnou šňůru z vláknitého materiálu, připevněnou ke zlomené kosti a umožňující jak posuvný, tak i výkyvný pohyb jednotlivých částí kosti vůči sobě. Kompozitní materiál obsahuje nosnou matrici vhodného tvaru z biodegradovatelného materiálu, která je spojena s uvedenou šňůrou pomocí biokompatibilního chemického pojivá. Biodegrado40 vatelný materiál kompozitu může být tvořen polymerem, případně keramickým materiálem nebo pojivém, např. hydroxyapatitem ve formě keramiky, s výše uvedenými nevýhodami. V dokumentu WO 2005/018698 je popsán další příklad strukturální kompozitní bioabsorpční tkaniny z textilních vláken pro kostní náhrady, v různých prostorových konfiguracích, tak aby byla zvýšena pevnost v tahu a modul pružnosti. Tkanina se vyznačuje anizotropními vlastnostmi. Předmětem řešení je zde vytvoření výztužné struktury s těsnou interakcí mezi matricí a výztužnými vlákny. Je popisována bioabsorpční matrice z bioaktivních polymerů nebo jejich směsí, případně bioaktivní keramiky, zahrnující bioaktivní skla, a směsí uvedených materiálů. Nevýhodou jsou především vyšší pořizovací náklady a zvýšené nároky na použitou technologii přípravy kompozitu.

Podstata vynálezu

Předmětem tohoto vynálezu jsou kostní náhrady a výplně na bázi kompozitních vláknitých materiálů, sestávající z vícevrstvé výztuže ze skelné tkaniny, prosycené polymemím materiálem, tvo55 řičím matrici, která zahrnuje 40 až 70 % hmotn. kompozitu. Podstata vynálezu spočívá v tom, že

-1 CZ 299109 B6 skelná tkanina je z hlinitoboritokřemičitého nebo hlinitovápenatokřemičitého skla, prosycená matricí z vytvrzené směsi 90 až 95 % hmotn. siloxanové pryskyřice a 5 až 10 % hmotn. hydroxyapatitového prášku o průměrné velikosti částic 5 pm. Siloxanovou pryskyřicí je látka, vybraná ze skupiny zahrnující polymetylsiloxan, polypropylsiloxan, polyisopropylsiloxan a polyetylsiloxan.

Kostní náhrady nebo výplně mají povrch s otevřenými póry o průměru 0,2 až 0,8 mm, jejichž plošná hustota je 100 až 500 pórů/cm². Skelná tkanina má vazbu, vybranou ze skupiny zahrnující plátnovou, atlasovou a keprovou vazbu.

Předmětem vynálezu je dále způsob přípravy těchto kostních náhrad a výplní, kde do povrchu io kompozitu se před vytvrzením vlisuje frakce ve vodě rozpustné soli, vybrané ze skupiny zahrnující NaCl a KC1, o velikosti částic 0,2 až 0,8 mm, která se po vytvrzení vymyje z kompozitu proudem vody a ponoří do destilované vody po dobu v podstatě 4 hodin a následně se případné zbytky soli odstraní opakovanou Soxhletovou extrakcí v destilované vodě.

Bylo zjištěno, že mechanické vlastnosti tohoto kompozitu, a to zejména pevnost v ohybu a modul pružnosti, s výztuží tvořenou skelnou tkaninou na bázi hlinitoboritokřemičitanového skla s plátnovou vazbou a siloxanovou pryskyřicí jsou prakticky shodné s vlastnostmi lidské kosti. Je-li žádoucí vyšší pevnost v ohybu, je vhodnější použít jako výztuž skelnou tkaninu na bázi hlinitovápenato-křemičitého skla s atlasovou vazbou.

Matrice může být dále adována práškovým hydroxyapatitem v množství 0,5 až 25 % hmotn. hydroxyapatitu, vztažených na sušinu matrice, a povrch materiálu opatřen systémem otevřených pórů o optimální velikosti 250 až 800 pm. Po této úpravě vykazuje kompozit bioaktivní vlastnosti, definovanou otevřenou pórovitost a umožňuje optimální vrůstání kostních buněk. Může být použit jako kostní náhrada.

Při přípravě kostních náhrad podle tohoto vynálezu se postupuje tak, že se jednotlivé vrstvy tkaniny, tvořící výztuž, buď předimpregnují prekurzorem matrice, to je roztokem siloxanového polymeru, z něhož je rozpouštědlo posléze odpařeno, a tento polotovar se pak poskládá z potřeb30 ného počtu vrstev a předtvaruje do žádaného tvaru. Případně se výztuž předtvaruje do žádaného tvaru a následně prosytí siloxanovou pryskyřicí za normálního tlaku nebo v uzavřeném prostoru pod zvýšeným tlakem resp. za vakua a nechá vytvrdit při teplotě v rozsahu od 130 do 250 °C, tlaku od 0,1 do 5 MPa po dobu 0,5 až 6 hodin. Při přípravě kompozitu s obsahem hydroxyapatitu se siloxanová pryskyřice před použitím smísí s 0,5 až 25 hm. % práškového hydroxyapatitu o velikosti částic 0,1 do 10 pm, obvykle v oblasti 5 pm. Požadovaný systém pórů se vytvoří tak, že před vytvrzením je do povrchu kompozitu vlisována frakce zdravotně nezávadné, ve vodě rozpustné krystalické anorganické sloučeniny, s výhodou KC1 nebo NaCl o velikosti částic 0,2 až 0,8 mm, která se po vytvrzení důkladně vymyje vodou tak, že se celý výlisek opláchne proudem vody, ponoří na dobu 4 hod. do destilované vody a následně se opakovanou Soxhletovou extrakcí v přístroji naplněném destilovanou vodou za zvýšené teploty kvantitativně odstraní zbytek soli. Výhodou v porovnání se známými postupy je skutečnost, že kompozit podle tohoto vynálezu je složen z levných prekurzorů a jeho výroba je jednoduchá a ekonomicky nenáročná. Jeho mechanické vlastnosti, pevnost v ohybu a modul pružnosti, jsou prakticky shodné s vlastnostmi lidské kosti. Jestliže je opatřen póry s optimální velikostí a frakcí rozptýleného hydroxyapatitu v matri45 ci, jedná se o materiál s bioaktivním charakterem, který umožňuje bezproblémové srůstání s tkáněmi pacienta.

-2CZ 299109 B6

Příklady provedení

Řešení podle vynálezu je podrobněji vysvětleno pomocí následujících příkladů provedení.

Příklad 1

Výztuž kompozitu, tvořená plátnovou tkaninou hlinitoboritokřemičitého skla je prosycena přelo kurzorem matrice na bázi polymetylsiloxanu (Lukosil 130). Tento siloxan je předtím pečlivě smíšen s 10 hm. % (vztaženo na sušinu polymetylsiloxanu) hydroxyapatitového prášku o velikosti částic 5 pm. Připravovaný kompozit, složený z deseti vrstev výztuže o výsledné tloušťce 1,8 mm, je posléze z obou stran na povrchu opatřen frakcí jedlé soli o velikosti částic 0,5 až 0,7 mm.

Při následném vytvrzení kompozitu za tlaku 1,5 MPa a teploty 250 °C po dobu 4 hodin je sůl vlisována do povrchu kompozitu. Konečná fáze zpracování spočívá v pečlivém vymytí částic soli z kompozitu proudem vody, ponechání ponořených kompozitů 4 hodiny v destilované vodě a v následné desetinásobné Soxhletové extrakci destilovanou vodou při teplotě 80 °C, čímž je povrch kvantitativně očištěn od soli a získá požadovaný charakter (tvar a velikost pórů) otevřené pórovitosti.

Příklad 2

V případě vyšších požadavků na mechanickou pevnost kostních náhrad a výplní, například vyš25 šleh hodnot ohybové pevnosti, je výztuž kompozitu tvořena atlasovou tkaninou bezalkalického hlinitovápenatokřemičitého skla a je prosycena prekurzorem matrice na bázi polymetylsiloxanu (Lukosil 130). Tento siloxan je pečlivě smísen s 5 hm. % (vztaženo na sušinu polymetylsiloxanu) hydroxyapatitového prášku o velikosti částic 5 pm. Připravovaný kompozit, složený z deseti vrstev výztuže o výsledné tloušťce 1,5 mm, je z obou stran na povrchu opatřen frakcí jedlé soli o velikosti částic 0,5 až 0,7 mm. Při následném vytvrzení kompozitu za tlaku 1,5 MPa a teploty 250 °C po dobu čtyř hodin je sůl vlisována do povrchu kompozitu. Konečná fáze zpracování spočívá v pečlivém vymytí částic soli z kompozitu proudem vody, ponechání ponořených kompozitů čtyři hodiny v destilované vodě a v následné desetinásobné Soxhletové extrakci destilovanou vodou při teplotě 80 °C, čímž je povrch kvantitativně očištěn od soli a získá požadovaný charak35 ter (tvar a velikost pórů) otevřené pórovitosti.

Průmyslová využitelnost

Kostní náhrady a výplně na bázi kompozitních vláknitých materiálů podle tohoto vynálezu lze využít v humánní a veterinární medicíně, zejména v ortopedii a chirurgii. Kompozit může být rovněž využit jako příložná výztužná dlaha.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

5 1. Kostní náhrady a výplně na bázi kompozitních vláknitých materiálů, sestávající z vícevrstvé výztuže ze skelné tkaniny, prosycené polymemím materiálem, tvořícím matrici, která zahrnuje 40 až 70 % hmotn. kompozitu, vyznačující se tím, že skelná tkanina je z hlinitoboritokřemičitého nebo hlinitovápenatokřemičitého skla, prosycená matricí z vytvrzené směsi 90 až 95 % hmotn. siloxanové pryskyřice a 5 až 10 % hmotn. hydroxyapatitového prášku o průměrné

10 velikosti částic 5 pm.
2. Kostní náhrady a výplně podle nároku 1, vyznačující se tím, že siloxanovou pryskyřicí je látka, vybraná ze skupiny zahrnující polymetylsiloxan, polypropylsiloxan, polyisopropylsiloxan a polyetylsiloxan.
3. Kostní náhrady a výplně podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že jejich povrch má otevřené póry o průměru 0,2 až 0,8 mm, jejichž plošná hustota je 100 až 500 pórů/cm².
4. Kostní náhrady a výplně podle některého z nároků 1 až 3, vyznačující se tím, že

20 skelná tkanina má vazbu, vybranou ze skupiny zahrnující plátnovou, atlasovou a keprovou vazbu.
5. Způsob přípravy kostních náhrad a výplní podle některého z nároků laž4, vyznačující se tím, že do povrchu kompozitu se před vytvrzením vlisuje frakce ve vodě rozpustné soli, vybrané ze skupiny zahrnující NaCl a KC1, o velikosti částic 0,2 až 0,8 mm, která se po

25 vytvrzení vymyje z kompozitu proudem vody a ponoří do destilované vody po dobu v podstatě 4 hodin a následně se případné zbytky soli odstraní opakovanou Soxhletovou extrakcí v destilované vodě.