Opis wynalazku Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania implantu ceramicznego do wype lniania ubyt- ków tkanki kostnej, stosowanego w chirurgii ko sci. Ortopedia i traumatologia narz adów ruchu w coraz wi ekszym stopniu pos luguje si e ró znymi ma- teria lami syntetycznymi przy leczeniu ubytków kostnych i rekonstrukcji stawów. Ubytki takie wyst epuj a w torbielach kostnych, w nowotworowych ogniskach uk ladu kostnego, przy wszczepianiu endoprotez, w niektórych postaciach zmian zwyrodnieniowych czy w osteotomiach koryguj acych zniekszta lcenia osi ko nczyn. Ponadto wyst epuj a w urazach zmia zd zeniowych ko sci g abczastej w obr ebie nasad i przynasad ko sci d lugich, ko sci miednicy i st epu, a tak ze przy uszkodzeniach trzonów kr egów. Ubytki kostne s a na ogó l uzupe lniane w lasn a ko scia pacjenta lub ko sci a z banku ko sci, które to ko sci posiadaj a zdolno sci ko sciotwórcze i ulegaj a przebudowie po wszczepieniu. Nie daj a one jednak mocnej stabilizacji wewn etrznej zw laszcza w pierwszym okresie po zabiegu. Cz esto zdarza si e, ze nie jest mo zliwe uzyskanie ich w odpowiedniej ilo sci lub jako sci odpowiadaj acej potrzebom powsta lym w czasie zabiegu chirurgicznego np. w przypadku osteoporozy. Stosowane w ortopedii metale w wi ek- szo sci podlegaj a korozji szczelinowej, w zerowej i napi eciowej, co szczególnie w srodowisku biologicz- nym, powoduje powstawanie toksycznych produktów wyzwalaj acych miejscowe stany zapalne i cz este reakcje alergiczne. Niektóre metale o ma lej podatno sci na korozj e jak tytan i jego stopy s a lepiej tole- rowane przez organizm cz lowieka i maj a zastosowanie w produkcji endoprotez, laczników do zespa- lania z lama n, stabilizatorów kr egos lupa i implantów stomatologicznych. Jednak ze zauwa zono nieko- rzystne oddzia lywanie immunologiczne i rozlu znienie po laczenia tytanu z ko scia poprzez otaczanie si e tkank a w lóknist a prawdopodobnie poprzez wytwarzanie si e po laczenia Ti(HPO 4 ) 2 (H 2 O). Dlatego pro- wadzi si e wspó lcze snie intensywne poszukiwania znalezienia trwa lej, odpornej na dzia lanie p lynów organizmu warstwy ceramicznej na powierzchni implantów tytanowych (hydroksyapatyt, bioszk lo, diament). Wi ekszosc stosowanych w medycynie polimerów organicznych ulega w srodowisku biolo- gicznym degradacji i starzeniu, trac ac swoje pocz atkowe w la sciwo sci i wytwarzaj ac produkty dra zni a- ce tkanki biorcy. Ostatnio sugeruje si e jednak, ze niektóre poliuretany s a biozgodne. Za nieszkodliwe dla organizmu cz lowieka uwa za si e poli(kwas mlekowy) lub poli(kwas glikolowy), a tak ze poli(alkohol winylowy). Rozk ladaj a si e one w organizmie pod wp lywem oddzia lywania p lynów fizjologicznych, a ko ncowym produktem przemiany jest woda i dwutlenek w egla. Zauwa zono jednak, ze w obr ebie tkanki kostnej zresorbowany implant z poli(kwasu mlekowego) pozostawia po sobie tkank e w lóknist a zamiast oczekiwanej tkanki kostnej. Prawdopodobnie po srednim produktem rozk ladu jest kwas mle- kowy lub glikolowy obni zaj acy nadmiernie lokalne pH srodowiska. Lepiej zachowuj a si e kompozyty zawieraj ace te polimery i materia ly ceramiczne (na przyk lad hydroksyapatyt), chocia z na ogó l maja gorsze w la sciwo sci mechaniczne. Poniewa z srodowisko fizjologiczne cz lowieka lub zwierz ecia ma charakter utleniaj acy, zarówno metale jak i polimery organiczne ulegaj a w nim, w krótszych lub d lu zszych okresach czasu - zale znie od rodzaju materia lu, istotnym zmianom chemicznym. Zmiany te oddzia luj a bardzo cz esto szkodliwie na organizm pacjenta wywo luj ac w nim reakcje metaboliczne, bakteryjne, immunologiczne, a nawet rakotwórcze. Natomiast liczne badania na zwierz etach i próby kliniczne wykaza ly, ze wiele tlenkowych mate- ria lów ceramicznych jest w pe lni biozgodnych. Znalaz ly one zastosowanie w chirurgii kostnej. Niemniej poszukiwania nowych materia lów bioceramicznych lub zawieraj acych je kompozytów ci agle trwaj a. D azy si e do poprawy ich przydatno sci dla celów chirurgicznych i rozszerzenia zakresu ich zastoso- wa n. Z punktu widzenia zachowania biologicznego wyró znia si e trzy rodzaje materia lów ceramicz- nych: 1) oboj etne wobec organizmu pacjenta: AI 2 O 3 , ZrO 2 , TiC 2 , 2) o aktywnej powierzchni: hydroksy- apatyt, szk la bioaktywne, 3) resorbowane: w eglan wapnia, niektóre fosforany wapnia. Po wprowadzeniu do tkanki pacjenta materia ly typu 1) lub 2) pozostaj a w nim trwale, co czasem jest zalet a a czasem ich wad a. W szczególno sci materia ly zwarte, nieporowate umieszczone trwale w ko sciach wykazuj a znacznie wy zsze od nich modu ly spr ezysto sci (tlenek glinu: ~ 380 GPa, hydro- ksyapatyt: ~ 120 GPa, ko sc zbita: ~ 30 GPa, ko sc g abczasta: ~ 1 GPa). Tak du za ró znica modu lu spr ezystosci mi edzy implantami, w tym metalowymi, a tkank a kostn a prowadzi do przenoszenia ob- ciaze n tylko przez implant; pozbawiona ich ko sc ulega zanikowi lub niekorzystnej przebudowie. Mo zna tego unikn ac przez wprowadzanie implantów bioceramicznych o du zej porowato sci. Wp lywa to jednak na ich znaczne os labienie mechaniczne.PL 203 495 B1 3 Znany jest z opisu patentowego nr PL. 107 161 sposób otrzymywania porowatego ceramiczne- go materia lu ortopedycznego, polegaj acy na tym, ze tlenek glinu o uziarnieniu ponizej 10 µm w ilo sci od 90 do 100 czesci wagowych miesza si e z tlenkiem magnezu w ilo sci od 2 do 6 cz esci wagowych i w eglanem wapnia w ilo sci od 1 do 4 cz esci wagowych, a nast epnie dodaje si e od 40 do 70 cz esci wagowych 5-40% roztworu wodnego politlenochlorku glinu i ponownie miesza. Z otrzymanej masy odlewa si e ortopedyczne kszta ltki, które suszy si e w temperaturze od 100 do 150°C i wypala w tempe- raturze od 1450 do 1650°C, po czym trawi si e 50-100% kwasem fosforowym w temperaturze od 150 do 250°C w czasie od 10 do 200 minut. Nast epnie kszta ltki p lucze si e w wodzie a z do zaniku jonów fosforanowych i ponownie suszy w temperaturze od 100 do 150°C. Opis patentowy nr PL. 189 123 ujawnia sposób wytwarzania kompozytowego tworzywa implan- tacyjnego, który polega na tym, ze wst epnie pra zony w temperaturze od 700 do 900°C proszek hy- droksyapatytowy w ilo sci od 70 do 95% obj. miesza si e z w lóknami w eglowymi w ilo sci od 5 do 30% obj., pokrytymi wcze sniej warstewka fosforanów wapnia. Po dok ladnym wymieszaniu substraty podda- je si e procesowi mielenia, przesiewa przez sito 0,2 mm, po czym formuje i spieka korzystnie lacznie technik a prasowania na gor aco w atmosferze argonu pod ci snieniem od 20 do 30 MPa w temperatu- rze od 1000 do 1200°C z wytrzymaniem w maksymalnej temperaturze przez okres od 15 do 45 minut. Do sporz adzenia mas ceramicznych i nadania im w la sciwej konsystencji u zywa si e niekiedy wodnych roztworów tylozy i/lub poliw eglanu amonu, i/lub karboksymetylocelulozy z dodaniem, w razie potrzeby, wody. Sposób wed lug wynalazku polega na tym, ze sporz adza si e zestaw sk ladaj acy si e z w eglanu wapnia o uziarnieniu poni zej 100 µm w ilo sci od 50 do 90% wagowych, zwi azków pierwiastków z gru- py litowców i/lub z grupy berylowców o uziarnieniu poni zej 35 µm w ilo sci lacznej od 0,1 do 10% wa- gowych oraz hydroksyapatytu i/lub ortofosforanu wapniowego, i/lub oksyortofosforanu wapniowego w ilo sci lacznej od 0,1 do 40% wagowych. Z otrzymanej masy formuje sie w znany, dowolny sposób kszta ltk e, któr a wypala si e w atmosferze utleniaj acej lub oboj etnej w temperaturze od 440 do 710°C i - w razie potrzeby - obrabia mechanicznie i czy sci. Zwi azkiem pierwiastka z grupy litowców jest fluorek litu, fosforan litu, w eglan litu, lub ich dowol- na mieszanina, a zwi azkiem pierwiastka z grupy berylowców jest chlorek wapnia, fluorek wapnia lub ich dowolna mieszanina. W eglan wapnia ma korzystnie posta c krystalograficzn a aragonitu lub kalcytu. Gazem obojetnym jest korzystnie azot, wodór, dwutlenek w egla, argon, hel lub ich dowolna mieszanina. Otrzymany przedstawionym powy zej sposobem materia l ceramiczny charakteryzuje si e porowa- to sci a otwart a od 5 do 95% i wielko sci a porów otwartych od 10 do 2000 µm. Przeprowadzone do- swiadczenia wykaza ly, ze materia l ten jest dobrze tolerowany przez tkanki zywe zwierz at do swiad- czalnych. Otrzymany materia l ma modu l sprezysto sci zbli zony do modu lu spr ezysto sci ko sci i zarazem wystarczaj ac a wytrzyma lo sc mechaniczn a na zginanie od 2 do 110 MPa. Ponadto jest on ca lkowicie resorbowany w organizmie z równoczesnym zast epowaniem nowo odbudowan a, pe lnowarto sciow a ko sci a. Porowato sc materia lu umo zliwia nas aczanie go substancjami farmakologicznymi o dzia laniu leczniczym, antybakteryjnym, aktywuj acym. Przedstawione cechy, w la sciwo sci materia lu umo zliwiaj a wykonywanie z niego najwy zszej jako- sci implantów stosowanych w chirurgii ko sci. Przedmiot wynalazku zilustrowany jest przyk ladami wykonania. P r z y k l a d I Przygotowanie masy polega na odwa zeniu i zmieszaniu w eglanu wapnia w postaci aragonitu o uziarnieniu poni zej 100 µm w ilo sci 65,0% wagowych, fluorku litu w ilo sci 5,0% wagowych, ortofosfo- ranu wapnia w ilo sci 30% wagowych oraz dodaniu 8%-owego wodnego roztworu tylazy w ilo sci 17 cz esci wagowych na ka zde 100 cz esci wagowych proszku. W wyniku ponownego, dok ladnego wymieszania otrzymuje si e plastyczn a mas e. Z masy formuje si e kszta ltk e, któr a wypala si e w atmos- ferze powietrza w temperaturze 460°C w czasie 2,0 godzin z przetrzymaniem przez okres 1,2 godziny, a nast epnie studzi. Wypalona kszta ltka ma porowato sc otwart a 21,0% wyznaczon a metod a wa zenia hydrostatycznego, g estosc pozorn a 2,0 g/cm 3 i wytrzyma losc na sciskanie 61,5 MPa. Kszta ltk e podda- je si e obróbce mechanicznej na pile tarczowej i szlifierce, nadaj ac jej ostateczny kszta lt i wymiary. Po obróbce kszta ltk e p lucze si e w wodzie destylowanej oraz suszy.PL 203 495 B1 4 P r z y k l a d II Sporz adza si e zestaw proszkowy sk ladaj acy si e z syntetycznego aragonitu o uziarnieniu poni- zej 100 µm w ilo sci 55,0% wagowych, kalcytu o uziarnieniu poni zej 100 µm w ilo sci 30,0% wagowych, w eglanu litu w ilo sci 7,5% wagowych, ortofosforanu wapniowego w ilo sci 6,0% wagowych i oksyorto- fosforanu wapniowego w ilo sci 1,5% wagowych, do którego dodaje si e 12% roztwór wodny po- li(alkoholu winylu) w ilo sci 10 cz esci wagowych na ka zde 100 cz esci wagowych zestawu proszku. Z ujednorodnionej mieszanki sporz adza si e granulat, z którego po przesianiu na sicie 0,5 mm prasuje sie pod ci snieniem 80 MPa kszta ltk e implantu. Kszta ltk e t e wypala si e w temperaturze 690°C w czasie 3,0 godzin z wytrzymaniem w maksymalnej temperaturze przez 0,8 godziny, a nast epnie studzi w sposób kontrolowany. Tak wytworzona kszta ltka ma porowato sc otwart a 13,5% wyznaczon a meto- d a wa zenia hydrostatycznego, g estosc pozorn a 2,31 g/cm 3 i wytrzyma losc mechaniczn a na sciskanie 95,5 MPa. P r z y k l a d III Przygotowuje si e w znany sposób mas e lejn a z proszku zawieraj acego aragonit syntetyczny o uziarnieniu poni zej 100 µm w ilo sci 75,0% wagowych, fluorek litu w ilo sci 5,0% wagowych, chlorek wapnia w ilo sci 2,0% wagowych, ortofosforan wapnia w ilo sci 18% wag, do którego dodaje si e 6 cz e- sci wagowych 5% wodnego roztworu karboksymetylocelulozy, 15 cz esci wagowych wody i 0,3 czesci wagowych poliw eglanu amonu na ka zde 100 cz esci wagowych proszku. Z masy tej odlewa si e kszta ltk e, któr a wypala si e w atmosferze powietrza w temperaturze 540°C w czasie 4,0 godzin z prze- trzymaniem przez okres 1,5 godziny, a nast epnie studzi. Wypalona kszta ltka ma porowato sc otwart a 25,0% wyznaczon a metod a wa zenia hydrostatycznego, g esto sc pozorn a 2,1 g/cm 3 i wytrzyma losc na sciskanie 56,4 MPa. Kszta ltk e poddaje si e r ecznej obróbce mechanicznej, nadaj ac jej ostateczny kszta lt i wymiary. Po obróbce kszta ltk e p lucze si e w wodzie destylowanej oraz suszy. PL