RU191700U1 - Имплантат антимикробный для замещения костной ткани - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к медицинским изделиям и может быть использована в производстве имплантатов или трансплантатов для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, предназначенных для замещения костной ткани.Имплантат выполнен в форме костного блока, полученного из очищенной ксенокости, сохранившей естественные макро- и микропоры, содержащий морфогенетические белки, содержит противомикробный препарат. При этом противомикробный препарат расположен в макро- и микропорах костного блока в составе смеси с биоразлагаемым полимером (аморфный L,D-полилактид), или макро-и микропоры костного блока заполнены водным раствором противомикробного препарата ванкомицина, в концентрации 5 мг/мл. Костный блок выдержан в гипертоническом солевом растворе хлористого натрия NaCl с концентрацией от 1% до 10% в течение от 12 до 240 часов, выдержан в ультразвуковой ванне с раствором перекиси водорода, от 1% до 10%, в течение от 12 до 240 часов, подвергнут сверхкритической флюидной экстракции при температуре от 20°С до 70°С и давлении от 1000 psi до 10000 psi в течение от 30 до 500 минут, подвергнут лиофилизации.Технический результат заключается в обеспечении выраженной антимикробной активности, с дозированным пролонгированным высвобождением противомикробного препарата в зоне имплантации. При том что имплантат является биологическим опорным каркасом для роста костной ткани, обладает остеоиндуктивными свойствами, способен трансформировать недифференцированные мезенхимальные клетки в остеобласты, не вызывает иммунологического отторжения, основа для его изготовления (ксенокость) широко доступна. 1 н. и 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

Description

Область техники

Полезная модель относится к медицинским изделиям и может быть использована в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, для замещения костной ткани, при хирургическом лечении костных травм, воспалительных, онкологических и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости.

Уровень техники.

Для замещения дефектов кости используют имплантаты различной конструкции и из различных материалов. В качестве имплантатов используют имплантаты биологической природы, например фрагменты аутокости, аллокости, ксенокости специально подготовленные для имплантации, или имплантаты из искусственных материалов, например титана, углерода, полимеров, керамики, гидроксиапатита, обладающих биосовместимостью и достаточным уровнем прочности. Все эти имплантаты имеют свои преимущества и недостатки, идеального имплантат удовлетворяющего все потребности врача и пациента нет.

Известен пористый имплантат из никелида титана, заполненный раствором антибиотика в жидком геле (желатин, коллаген) (источник [1]: патентная заявка РФ, RU 2005122113).

Имплантат [1] для организма пациента является инородным, так как выполнен из металла. Материал имплантата не органический и по своему составу отличается от состава естественной кости, что может вызывать нежелательные ответные реакции, металлоз, отторжение. Для восстановления кости решающую роль играют биологические и механические свойства материала. Механическая структура пористости, расположение макро- и микропор и отверстий, каналов, их форма и размеры, не идентичны естественной (природной) структуре костного матрикса, что замедляет скорость формирования костной ткани, прорастания сосудов, пролиферацию клеток, протекание биохимических и физиологических процессов. Аналог не обеспечивает подавление Staphylococcus aureus.

Известен имплантат для замещения костных дефектов (источник [2]: патент РФ, RU 162540), состоящий из углерод-углеродного материала, содержащего пироуглеродную матрицу и армирующий каркас из углеродных волокон, выполнен в виде цилиндрического сегмента.

Данный аналог [2] выполняет функцию инертной, пассивной матрицы (кондуктора, каркаса), и не обладает свойствами катализатора роста костной ткани, не обладает антимикробной активностью, не препятствует размножению патологических микроорганизмов.

Известен персональный биоактивный структурированный имплантат для замещения дефекта кости (источник [3]: патент РФ, RU 173381). Выполнен из титана или биодеградируемого полимера по аддитивной технологии путем послойного наращивания материала по форме, размеру, структуре, заданной трехмерной математической моделью, построенной на основе трехмерной математической модели кости, полученной в результате компьютерной томографии, в виде тела, оснащенного с двух концов опорными ободками.

Недостатком аналога [3] является также то, что он не обеспечивает подавление патогенных микроорганизмов, не влияет на их свободное размножение.

Известен имплантат (источник [4]: патент RU 131592) для возмещения дефекта костей свода черепа, выполненный в виде сетчатого каркаса сплетенного по типу трикотажной вязки из никелид-титановой нити, снабжен слоем из пористой гемостатической губки, пропитанной антибиотиками.

Имплантат [4] выполнен из металла, не органический, и по своему составу отличается от состава естественной кости, что может вызывать нежелательные ответные реакции, металлоз, отторжение. Биологические и механические свойства, структура пористости, не идентичны природной структуре кости, что замедляет скорость формирования костной ткани, прорастания сосудов, пролиферацию клеток, протекание биохимических и физиологических процессов.

Распространенным подходом в хирургии является использование аутотрансплантатов (источник [5]: патент РФ, RU 2341217). Костный аутотрансплантат, сформирован из фрагментов кости пациента. Аутотрансплантат это наиболее эффективный материал для восстановления кости, поскольку оно является как остеиндуктивным, так и неимуногенным.

Однако использование собственной кости [5] пациента имеет недостатки, связанные с ограниченной доступностью, возможные осложнение и травма на донорском участке являются серьезными препятствиями для их использования.

Известны аллотрансплантаты (источник [6]: патент RU 2524618), когда костный аллогенный трансплантат, представляющий собой костный блок, получают из кости донора.

Применение аллогенной кости позволяет избежать недостатка создания второго операционного поля у пациента, но само по себе страдает от некоторых недостатков. Использование аллотрансплантата [6] связано с возможностью отторжения и также ограниченной доступностью, зависимостью от источника исходного материала, необходимостью наличия достаточного фонда донорской материала. Аллотрансплантат способен приводить к формированию более выраженного иммунного ответа, а также имеет низкую остеогенную способность.

Аналоги [5, 6] также не обладают антимикробной активностью. Не препятствует развитию инфекционных процессов в месте имплантации.

Известно остеопластическое средство (источник [7]: патент РФ, 2645072) содержащее, волокнистый полимер, гетерофазные фосфаты кальция и лекарственные вещества, измельченный деминерализованный и депротеинизированный костный матрикс, антибиотик.

Остеопластическое средство [7], не обладает опорными свойствами, естественными пористыми структурами, отличается по механическим свойствам от материала целой кости. Опорный каркас необходим для роста костной ткани, естественные макро- и микропоры, необходимы для межклеточной связи, васкуляризации, пролиферации клеток, диффузии биологических веществ.

Известен остеопластический и имплантационный материал, для замещения костной ткани (источник [8]: патент РФ, RU 2609201). Имплантат выполнен из фрагмента губчатой части кости (костного блока (матрикса)) сельскохозяйственного животного очищенной от липидов, выдержанной в гипертоническом солевом растворе хлористого натрия с концентрацией от 1% до 10% в течение 1-8 суток, в ультразвуковой ванне с раствором перекиси водорода (от 1% до 10%) в течение 1-8 суток, подвергнутой сверхкритической флюидной экстракции при температуре от 20°С до 70°С и давлении от 1000 до 10000 psi в течение от 30 до 500 мин., и лиофилизации в течение 1-48 ч, содержащей нативные морфогенетические белки, факторов роста костной ткани, содержащей естественные макро- и микропоры.

Имплантат для замещения костной ткани [8], наиболее близок по сущности, но не обладает антимикробной активностью, не препятствует размножению патологических микроорганизмов в месте имплантации, в частности Staphylococcus aureus, не способствует сдерживанию или подавлению инфекционных процессов. Патогенные микроорганизмы проникают в место имплантации через кровоток, могут быть занесены извне или могут находиться в очаге воспаления. Патогенные микроорганизмы (бактерии или микобактерии) при хирургическом лечении костных травм, воспалительных, онкологических и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости, могут приводить к осложнениям, например, таким как остеомиелит.

Таким образом, проблема разработки имплантатов с антимикробными свойствами, структурно идентичных естественной кости, обладающих остеогенными характеристиками, позволяющих одномоментно заместить дефект кости, способствовать росту костной ткани и препятствовать развитию инфекционных процессов является актуальной для современной медицинской науки.

Сущность полезной модели.

Задача настоящей полезной модели заключается в обеспечении имплантата, выраженной антимикробной активностью.

Технический результат заключается в обеспечении выраженной антимикробной активности, в частности в отношении Staphylococcus aureus, с дозированным пролонгированным высвобождением противомикробного препарата в зоне имплантации. При этом имплантат является биологическим опорным каркасом для роста костной ткани, обладает остеоиндуктивными свойствами, способен трансформировать недифференцированные мезенхимальные клетки в остеобласты. Обладает схожими с костью пациента механическими свойствами, обеспечивает клеточную адгезию, и структурой с естественными макро- и микропорами, необходимых для межклеточной связи, васкуляризации, пролиферации клеток, диффузии биологических веществ. Не вызывает иммунного ответа (иммунологического отторжения). Основа для его изготовления (ксенокость) широко доступна.

Технический результат достигается тем, что имплантат антимикробный для замещения костной ткани выполнен в форме костного блока полученного из очищенной губчатой части кости быков, сохранившей естественные макро- и микропоры, содержащей нативные морфогенетические белки, обработанной в гипертоническом солевом растворе хлористого натрия NaCl, выдержанной в ультразвуковой ванне с раствором перекиси водорода, подвергнутой сверхкритической флюидной экстракции, подвергнутой лиофилизации. Отличается тем, что содержит противомикробный препарат ванкомицин, расположенный в макро- и микропорах костного блока в составе смеси с биоразлагаемым полимером аморфным L,D-полилактидом.

Предпочтительно, до 78% противомикробного препарата высвобождаются дозировано в течение 30 дней после имплантации.

Осуществление технического решения.

Имплантат импрегнированный ванкомицином с полимерным носителем (фиг. 1 - Имплантат в герметичной упаковке). Имплантат выполнен в форме костного блока, полученного из очищенной губчатой части кости быка, размером 20×15×5 мм, сохранившей естественные макро- и микропоры. Имплантат содержит нативные

морфогенетические белки BMPs в материале костного блока. Макро- и микропоры костного блока заполнены смесью состоящей из аморфного L,D-полилактида и противомикробного препарата ванкомицин. Аморфный L,D-полилактид, это биоразлагаемый полимер, самопроизвольно разрушающийся в результате естественных микробиологических и химических процессов. Этим обеспечивается замедленное вымывание ванкомицина, и его продолжительное антимикробное действие в зоне имплантации. Содержание ванкомицина в среднем составляет около 100 мкг в костном блоке, 78% противомикробного препарата высвобождаются дозированно в течение 30 дней после имплантации. Средний выход противомикробного препарата, в процентах % от начального содержания в зависимости от продолжительности имплантации составляет 2,6% за сутки. Костный блок сформирован из губчатой кости, распиленной на блоки, размером 20×15×5 мм, очищенной от сухожилий и мягких тканей. Костный блок промыт проточной водой в течение 2 мин, обработан в 7% растворе NaCl в течение 12 часов. После обработки в 7% растворе NaCl костный блок промыт проточной водой. Костный блок обработан в ультразвуковой ванне в 0,1% растворе перекиси водорода в течение 48 часов. После обработки в ультразвуковой ванне в 0,1% растворе перекиси водорода костный блок промыт проточной водой. Если необходимо, костные блоки могут быть подвергнуты деминерализации соляной кислотой (0,5-4 М) в течение от 15 до 300 мин. После этого костные блоки (деминерализованные или недеминерализованные) подвергают лиофилизации в течение 1-48 ч. Костный блок подсушен на фильтровальной бумаге в течение трех часов в пластиковой таре. Костный блок подвергнут глубинной очистке путем сверхкритической флюидной экстракции с использованием диоксида углерода СО₂, который способен диффундировать в макро- и микропоры костного блока и растворять липиды. Экстракцию проводят с использованием следующих параметров: давление Р=5143 psi (35 Мпа), температура t=50°C, поток от 20 до 22 scfh (стандартные кубические футы в час. standard cubic feet per hour) (среднее значение 16,9 г/мин, жидкий СО₂) и чередованием по времени циклов, состоящих из динамического поточного режима, длительностью 25 мин, и статического режима, длительностью 5 мин. Экстракцию липидов из костного блока регистрируют, оценивают наличие посторонних веществ в выходящей двуокиси углерода, и при регистрации выхода чистого газа СО₂, без посторонних веществ, для достоверности выдерживают еще 25 минут поточного режима. Описанная обработка обеспечивает доступность (открытость) макро- и микропор костного блока, сохраняет нативные морфогенетические белки и удаляет вещества способные раздражать иммунную систему пациента.

Костный блок насыщен раствором противомикробного. Для импрегнации используют противомикробный препарат ванкомицин смешанный с аморфным L,D полилактидом, что обеспечивает абсорбцию антибиотика в объеме материала костного блока. Аморфный L,D полилактид выполняет функцию промежуточного носителя противомикробного препарата, смесь покрывает стенки макро-и микропор равномерно по всей поверхности и объему костного блока. Применяют аморфный L,D полилактид молекулярной массой 18 килодальтон (кДа), приведенная вязкость которого составляла 0,2 децилитра на грамм (дл/г). Смесь аморфного L,D полилактида и ванкомицина получают, добавляя порошок аморфного L,D полилактида, в количестве 1,8 грамм, в раствор этилового спирта, в количестве 50 мл, затем в полученный раствор добавляют ванкомицин из расчета 2 грамма на 50 мл раствора. В полученную вязкую смесь (раствор) помещают костный блок. Затем для пластификации аморфного L,D полилактида и удаления из смеси этилового спирта осуществляют сверхкритическую флюидную экстракции диоксидом углерода СО₂. Сосуд с размещенным в смеси костным блоком помещают в реактор установки сверхкритической флюидной экстракции фирмы, подают диоксид углерода CO₂, доводят среду до давления Р=3626 psi (25 Мпа), температуры Т=32°С, со скоростью потока 10 г/мин в течение 5 минут (для отгонки этилового спирта). Затем устанавливают статический режим при давлении Р=17404 psi (120 Мпа), температуре Т=32°С на 60 мин (для пластификации и набухания аморфного L,D полилактида). Далее сбрасывают давление до атмосферного. Имплантат, замораживают и лиофилизируют. Осуществляют газовую стерилизацию в среде оксида этанола, с последующим вакуумированием и аэрацией в течение 2 суток. Конечное содержание ванкомицина в среднем составляет 100 мкг в костном блоке. Полимер, заполняющий макро- и микропоры, увеличивает общую механическую прочность костного блока.

Средний выход ванкомицина из имплантата, в процентах % от начального содержания в зависимости от продолжительности имплантации составляет 19,11% на 2 сутки, 16,71% на 5 сутки, 16,10% на 8 сутки, 14,53% на 11 сутки, 1,71% на 14 сутки, 4,13% на 17 сутки, 0,45% на 20 сутки, 0,37% на 23 сутки, 3,70% на 26 сутки, 1,02% на 30 сутки инкубации. Остаточное содержание ванкомицина в имплантате 22% от начального содержания, на 30 сутки инкубации.

Использование имплантата.

Имплантат применяют в травматологии и ортопедии (например при ревизионном эндопротезировании и при переломах), челюстно-лицевой хирургии, для замещения костной ткани, путем заполнения утраченного или направленно удаленного объема костной ткани имплантатом. Имплантат целесообразно применять в случаях, когда необходимо постепенно создавать необходимую концентрацию противомикробного препарата в месте имплантации и обеспечивать длительное высвобождение противомикробного препарата, например при заполнении дефектов с целью снижения риска послеоперационного инфицирования. В ходе оперативного вмешательства удаляют патологически измененную костную ткань, очищают зону повреждения кости, в объем недостающей костной ткани устанавливают имплантат, одномоментно замещая отсутствующую костную ткань. При необходимости имплантат фиксируют в месте имплантации, например спицей Киршнера, костным винтом, или иным известным способом. После установки имплантата из костного блока высвобождается противомикробный препарат ванкомицин, который обладает антимикробной активностью, препятствует размножению патогенных микроорганизмов в месте имплантации, способствует сдерживанию и подавлению инфекционных процессов. Имплантат является биологическим опорным каркасом для роста костной ткани, механические свойства которого идентичны кости пациента, так как он состоит из губчатой ксенокости, подобранной из наиболее подходящей по механическим свойствам, с сохраненными естественными макро- и микропорами. Имплантат способствует образованию костной ткани, так как содержит морфогенетические белки (факторы роста костной ткани BMPs), которые инициируют трансформацию недифференцированных мезенхимальных клеток в остеобласты. Наличие макро- и микропор обеспечивает межклеточные связи, васкуляризацию, пролиферацию клеток, диффузию биологических веществ в зоне имплантации. Костный блок не вызывает иммунного ответа (иммунологического отторжения), в результате того, что обработан путем сверхкритическую флюидную экстракции диоксидом углерода СО₂. При наличии воспаления имплантат способен купировать инфекционный процесс в зоне имплантации. В процессе разложения из материала костного блока высвобождаются сохраненные нативные белковые факторы роста, стимулирующие остеогенез, формирование собственной костной ткани пациента.

Предлагаемый имплантат изготовлен авторами в ФГБУ «РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова Минздрава России и прошел экспериментальные исследования. В исследовании in vitro изучена антимикробная активность имплантата. Для оценки антибактериальных свойств имплантата использовали стандартные микробные культуры. Для проверки антимикробных свойств матрикса с ванкомицином использовали штамм Staphylococcus aureus АТСС 29213. Всего выполнено три серии тестов in vitro. Выход ванкомицина при использовании промежуточного полимерного носителя аморфного L/D полилактида в имплантате позволяет получить имплантат с дозированным пролонгированным выходом ванкомицина. Основной выход (68,16% от исходного содержания), ванкомицина происходит равномерно в течение первых 14 дней. После 30 дней инкубации остаточное содержание противомикробного препарата ванкомицина в костном блоке составиляет около 22%. Имплантат проявляет выраженную антимикробную активность в отношении Staphylococcus aureus.

Claims (6)

1. Имплантат антимикробный для замещения костной ткани, характеризующийся тем, что выполнен в форме костного блока, полученного из очищенной губчатой части кости быков, сохранившей естественные макро- и микропоры, содержащей нативные морфогенетические белки, обработанной в гипертоническом солевом растворе хлористого натрия NaCl, выдержанной в ультразвуковой ванне с раствором перекиси водорода с концентрацией 0,1% в течение 48 часов, подвергнутой сверхкритической флюидной экстракции диоксидом углерода при давлении 35 МПа, температуре 50°С и чередованием по времени циклов, состоящих из динамического поточного режима длительностью 25 мин, и статистического режима длительностью 5 мин, и подвергнутой лиофилизации, и содержащей противомикробный препарат ванкомицин, расположенный в макро- и микропорах костного блока в составе смеси с биоразлагаемым полимером аморфным L,D-полилактидом.

2. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что до 78% противомикробного препарата высвобождаются дозированно в течение 30 дней после имплантации.

3. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что до 60% противомикробного препарата высвобождаются дозированно в течение 14 дней после имплантации.

4. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что выполнен размером 20×15×5 мм.

5. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что костный блок деминерализован.

6. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что костный блок недеминерализован.

Images