RU2053737C1 - Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production - Google Patents
Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production Download PDFInfo
- Publication number
- RU2053737C1 RU2053737C1 RU93050910A RU93050910A RU2053737C1 RU 2053737 C1 RU2053737 C1 RU 2053737C1 RU 93050910 A RU93050910 A RU 93050910A RU 93050910 A RU93050910 A RU 93050910A RU 2053737 C1 RU2053737 C1 RU 2053737C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hydroxyapatite
- glass
- glasses
- biologically active
- bioactive
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления костных протезов и в восстановительной хирургии. The invention relates to medicine and can be used for the manufacture of bone prostheses and in reconstructive surgery.
В настоящее время для изготовления костных протезов и в восстановительной костной хирургии находят применение металлы и сплавы, полимерные и керамические материалы. Особое место в этом ряду занимают биоактивные кальцийфосфатный стекла и стеклокерамика. Основным их преимуществом является близость их химических и минералогических составов составу натуральных костей, что обуславливает их совершенную биологическую совместимость с физиологической средой человеческого организма. Тем не менее эти искусственные биоактивные материалы по своей структуре и текстуре мало соответствуют натуральным костным тканям, с которыми осуществляется их естественное срастание после установки. Другим недостатком кальцийфосфатных стекол и стеклокристаллических материалов является их хрупкость и плохая механическая обрабатываемость, что сильно затрудняет необходимую точную подгонку имплантатов к живой кости. At present, metals and alloys, polymer and ceramic materials are used in the manufacture of bone prostheses and in restoration bone surgery. Bioactive calcium phosphate glass and glass ceramics occupy a special place in this series. Their main advantage is the proximity of their chemical and mineralogical compositions to the composition of natural bones, which leads to their perfect biological compatibility with the physiological environment of the human body. Nevertheless, these artificial bioactive materials, in their structure and texture, do not correspond much to natural bone tissues, with which they naturally grow together after installation. Another disadvantage of calcium phosphate glasses and glass crystalline materials is their fragility and poor mechanical workability, which greatly complicates the necessary accurate fitting of implants to live bone.
Наиболее близким к предлагаемому является материал для костных имплантатов на основе фосфатов кальция, которые получают из гидроксиапатита, и способ изготовления этого материала [1]
Недостатками известного материала являются необходимость использования смеси фосфатов кальция, образующихся в результате химической реакции гидроксиапатита с карбонатной основой материала, а также невысокие физико-механические свойства.Closest to the proposed is a material for bone implants based on calcium phosphates, which are obtained from hydroxyapatite, and a method of manufacturing this material [1]
The disadvantages of the known material are the need to use a mixture of calcium phosphates formed as a result of the chemical reaction of hydroxyapatite with the carbonate base of the material, as well as low physical and mechanical properties.
Задачей изобретения является биоактивный материал для костной хирургии и способ его изготовления. The objective of the invention is a bioactive material for bone surgery and a method for its manufacture.
Поставленная задача решается тем, что в материал вводят:
биоактивную фазу, которая представляет собой гидроксиапатит с атомным отношением Сa/Р в пределах от 1,65 до 1,70, который по химическому составу соответствует костному апатиту человеческого организма;
поры размером от 50 до 300 мкм, которые соответствуют размерам живых костных клеток и концентрация которых в материале находится на уровне 5000-8000 мг/см3;
биоинертная или биоактивная стекломатрица, в которой равномерно распределены гидроксиапатит и поры.The problem is solved in that the material is introduced:
a bioactive phase, which is hydroxyapatite with an atomic ratio of Ca / P in the range from 1.65 to 1.70, which in chemical composition corresponds to bone apatite of the human body;
pores ranging in size from 50 to 300 microns, which correspond to the size of living bone cells and whose concentration in the material is at the level of 5000-8000 mg / cm 3 ;
bioinert or bioactive glass matrix, in which hydroxyapatite and pores are evenly distributed.
Поры разработанного материала является открытым, что позволяет отнести материал к разряду колонизируемых биоактивных материалов, соединение которых с костной тканью обеспечивается за счет врастания костных клеток в материал путем колонизации открытых пор. The pores of the developed material is open, which makes it possible to attribute the material to the category of colonized bioactive materials, the connection of which with bone tissue is ensured by the ingrowth of bone cells into the material by colonization of open pores.
Модификация структуры и свойств материала обеспечивается изменением соотношений его основных компонентов, содержание которых изменяется в следующих пределах, мас. Modification of the structure and properties of the material is provided by changing the ratios of its main components, the content of which varies in the following ranges, wt.
Гидроксиапатит,
Са10(РО4)6(ОН)2 от 5 до 60
Регулируемая пористость от 10 до 85;
Матричная стеклофаза от 95 до 40
В качестве порообразователя при синтезе данного биоактивного материала применяются карбонаты магния и кальция, которые могут быть введены в состав исходной смеси совместно или раздельно в количестве от 0,5 до 3,0 мас. карбонаты магния и кальция, органические твердые природные вещества, например, белки.Hydroxyapatite
Ca 10 (PO 4) 6 (OH) 2 from 5 to 60
Adjustable porosity from 10 to 85;
Matrix glass from 95 to 40
Magnesium and calcium carbonates are used as a blowing agent in the synthesis of this bioactive material, which can be introduced into the composition of the initial mixture together or separately in an amount of from 0.5 to 3.0 wt. magnesium and calcium carbonates, organic solids, for example, proteins.
В зависимости от требуемого уровня физико-химических и биологических свойств матрица материала может быть биоинертной или биоактивной. В качестве биоинертной стекломатрицы в настоящем изобретении применены нейтральные алюмоборосиликатные медицинские стекла и стекла группы "Пирекс". Биоактивные стекломатрицы представляют собой кальцийфосфатные стекла с содержанием оксида фосфора в количестве от 5 до 20 мас. Продуктом кристаллизации этих стекол является апатит, выделение которого усиливает биоактивность композиционного материала в целом. Depending on the required level of physicochemical and biological properties, the material matrix may be bioinert or bioactive. As a bioinert glass matrix in the present invention, neutral aluminoborosilicate medical glasses and Pyrex glass are used. Bioactive glass matrices are calcium phosphate glasses with a phosphorus oxide content of 5 to 20 wt. The crystallization product of these glasses is apatite, the release of which enhances the bioactivity of the composite material as a whole.
Состав стекломатриц приведен в таблице. The composition of glass matrices is given in the table.
В разработанном материале возможно применение биоактивных матричных стекол двух типов. Матрицы первого типа отличаются от высокой водоустойчивостью и по своему составу и структуре близки к кальциевым полевым шпатам. Применение таких матриц предусматривается в случае изготовления прочных композиционных материалов для стоматологического применения. Матрицы второго типа отличаются высоким содержанием щелочей и низким содержанием фосфора. Вследствие низкой водостойкости эти матрицы являются полностью резорбируемыми и со временем в человеческом организме полностью превращаются в живую кость. Two types of bioactive matrix glasses are possible in the developed material. Matrices of the first type differ from high water resistance and are similar in composition and structure to calcium feldspars. The use of such matrices is envisaged in the case of the manufacture of durable composite materials for dental use. Matrices of the second type are characterized by a high alkali content and a low phosphorus content. Due to the low water resistance, these matrices are completely resorbable and, over time, in the human body completely turn into living bone.
Для синтеза матричных стекол используются химические реактивы высокой чистоты в соответствии с требованиями токсикологии к материалам для эндопротезирования. For the synthesis of matrix glasses, high-purity chemicals are used in accordance with the requirements of toxicology for materials for endoprosthetics.
С другой стороны, применение гидроксиапатита и кальцийфосфатных стекол и биокерамики в костной хирургии известно. Эти материалы находят применение как в качестве базового конструкционного материала, так и в виде биоактивных покрытий на корундовой керамике и на металлических внутренних протезах. Тем не менее, сложность синтеза и обусловленная высокой твердостью сложность изготовления в клинических условиях элементов нужной формы и размеров крайне затрудняют широкое оперативное применение этих материалов. On the other hand, the use of hydroxyapatite and calcium phosphate glasses and bioceramics in bone surgery is known. These materials are used both as a basic structural material, and in the form of bioactive coatings on corundum ceramics and on metal internal prostheses. Nevertheless, the complexity of the synthesis and the high hardness of the complexity of manufacturing in clinical conditions the elements of the desired shape and size make it extremely difficult to widely use these materials.
По данному изобретению обрабатываемость биоактивного материала обеспечивается разрыхлением его структуры мелкими однородными по размеру порами за счет введения в состав исходной смеси соответствующих порообразователей. According to this invention, the workability of the bioactive material is ensured by loosening its structure with small pores of uniform size in size due to the introduction of the corresponding blowing agents into the composition of the initial mixture.
Процесс изготовления материала заключается в следующем. The manufacturing process of the material is as follows.
Рассчитанные в соответствии с заданным составом количества гидроксидапатита, матричного стекла и парообразователя тщательно перемешиваются до получения однородной по составу смеси. Гранулометрический состав компонентов смеси контролируют по величине их удельной поверхности в исходном состоянии. Cu 2/г; м2/г:
Гидроксидапатит от 1000 до 3000 0,1-0,3
Стекломатрица от 4000 до 6000 0,4-0,6
Порообразователь от 5000 до 10000 0,5-1,0
Подготовленная смесь укладывается в формы из титана или нержавеющей стали и подвергается термической обработке с цепью спекания и вспенивания в температурном интервале от 700 до 1000оС. Пористость готового продукта зависит от соотношения компонентов смеси, режима спекания и вспенивания и изменяется в пределах от 5 до 80% Прочность на изгиб материала зависит от его пористости и находится в пределах от 10 до 60 МПа. Время термической обработки при синтезе композиционного материала изменяется в зависимости от размеров образца и заданной конечной структуры и изменяется от 5 до 40 мин в электрической печи.The amounts of hydroxideapatite, matrix glass, and steam generator calculated in accordance with a given composition are thoroughly mixed until a mixture is uniform in composition. The particle size distribution of the components of the mixture is controlled by the value of their specific surface in the initial state. Cu 2 / g; m 2 / g:
Hydroxidapatite from 1000 to 3000 0.1-0.3
Glass matrix from 4000 to 6000 0.4-0.6
Pore former from 5000 to 10000 0.5-1.0
The prepared mixture is laid in the form of titanium or stainless steel and is subjected to heat treatment and sintering chain foaming temperature range from 700 to 1000 C. The porosity of the finished product depends on the mixture ratio, sintering conditions and frothing varies from 5 to 80 % Flexural strength of the material depends on its porosity and ranges from 10 to 60 MPa. The heat treatment time during the synthesis of the composite material varies depending on the size of the sample and the given final structure and varies from 5 to 40 minutes in an electric furnace.
В случае изготовления материала повышенной прочности в исходную смесь могут быть введены армирующие волокна различных типов. In the case of manufacturing a material of increased strength, reinforcing fibers of various types can be introduced into the initial mixture.
С целью расширения температурного интервала спекания в случае применения "коротких" матричных стекол с большим градиентом вязкости, в исходную смесь могут быть добавлены компоненты, снижающие вязкость матричного стекла, такие, как оксиды натрия и калия. In order to extend the sintering temperature range in the case of using “short” matrix glasses with a large viscosity gradient, components that reduce the viscosity of the matrix glass, such as sodium and potassium oxides, can be added to the initial mixture.
П р и м е р 1. Матричное стекло по 1, гидроксиапатит с атомным отношением Ca/P 1,66, полученный мокрым способом, и порообразователь, карбонат кальция, СаСО3, берутся в соотношении 70:30:1 и тщательно смешиваются. Полученная смесь загружается в платиновую или титановую форму, которая помещается в электрическую печь. Далее электрическая печь с находящейся в ней формой медленно нагревается до температуры 850оС и выдерживается при этой температуре в течение 30 мин. Охлаждение полученного блока до комнатной температуры осуществляется с учетом температурного интервала отжига матричного стекла.PRI me R 1. Matrix glass of 1, hydroxyapatite with an atomic ratio of Ca / P 1.66 obtained by the wet method, and the pore former, calcium carbonate, CaCO 3 are taken in a ratio of 70: 30: 1 and mixed thoroughly. The resulting mixture is loaded into a platinum or titanium form, which is placed in an electric furnace. Further, the electric furnace being in the form it is heated slowly to a temperature of 850 ° C and maintained at this temperature for 30 min. The obtained block is cooled to room temperature taking into account the temperature interval of the matrix glass annealing.
Готовая заготовка распиливается на куски требуемого размера в виде пластин, блоков, стержней и т.д. пригодных по форме для изготовления имплантатов требуемых размеров. The finished workpiece is sawn into pieces of the required size in the form of plates, blocks, rods, etc. suitable in shape for the manufacture of implants of the required size.
Выход Р2О5 в физиологический раствор составляет 3,0-3,5 мд/г в течение 3 недель.The output of P 2 About 5 in physiological saline is 3.0-3.5 ppm / g for 3 weeks.
П р и м е р 2. Для получения материала с большой пористостью и водопроницаемостью исходная смесь включает матричное стекло, гидроксидапатит и порообразователь в следующих количествах, мас. PRI me R 2. To obtain a material with high porosity and water permeability, the initial mixture includes a matrix glass, hydroxyapatite and pore former in the following quantities, wt.
Стеклянная мука с удель- ной поверхностью 0,5м2/г 88,0
Гидроксидапатит с удель- ной поверхностью 0,3 м2/г 10,0
Карбонат кальция с удель- ной поверхностью 1,0м2/г 2,0
После загрузок в платиновую или титановую форму смесь подвергается термической обработке при 780-800оС в течение 15 мин.Glass flour with a specific surface area of 0.5 m 2 / g 88.0
Hydroxidapatite with a specific surface area of 0.3 m 2 / g 10.0
Calcium carbonate with a specific surface area of 1.0 m 2 / g 2.0
Once weekly in a platinum or titanium shape mixture is subjected to a thermal treatment at 780-800 C for 15 min.
В результате спекания и вспенивания получается ячеистый материал с открытой пористостью до 80% и объемной массой 250,0 кг/м3. Материал легко поддается механической обработке и обладает прочностью на сжатие до 2,5 МПа. Из данного материала легко могут быть изготовлены имплантаты любых размеров и форм с помощью обычных инструментов, имеющихся в хирургических клиниках. Выход биоактивной фазы составляет 1,2-1,5 мг/г.As a result of sintering and foaming, a cellular material with an open porosity of up to 80% and a bulk density of 250.0 kg / m 3 is obtained. The material is easily machined and has a compressive strength of up to 2.5 MPa. Implants of any size and shape can easily be made from this material using conventional tools available in surgical clinics. The yield of the bioactive phase is 1.2-1.5 mg / g.
Материал предназначен для восстановительной костной хирургии, в частности в лицевой хирургии и нейрохирургии. The material is intended for reconstructive bone surgery, in particular in facial surgery and neurosurgery.
П р им е р 3. Прочный композиционный материал с высокой биоактивностью по предлагаемому способу получают из смеси, включающий следующие компоненты, мас. Example 3. A durable composite material with high bioactivity according to the proposed method is obtained from a mixture comprising the following components, wt.
Измельченное биоактивное стекло состава 3б с удельной поверхностью 0,6 м2/г 59,0
Гидроксиапатит с удельной поверхностью 0,1 м2/г 40,0
Карбонат кальция с удельной поверхностью 0,5 м2/г 1,0
Смесь подвергается термической обработке по двухстадийному режиму при температурах 750оС в течение 30 мин и при 960оС в течение 30 мин.Ground bioactive glass of composition 3b with a specific surface area of 0.6 m 2 / g 59.0
Hydroxyapatite with a specific surface area of 0.1 m 2 / g 40.0
Calcium carbonate with a specific surface area of 0.5 m 2 / g 1.0
The mixture is heat-treated by two-stage mode at 750 ° C for 30 minutes and at 960 ° C for 30 min.
Прочность на сжатие полученного материала не менее 300 МПа прочность при поперечном изгибе до 60 МПа, выход биоактивной фазы 6-8 мг/г. Материал может быть применен для восстановления плотных костных тканей и для изготовления штифтов искусственных зубов. The compressive strength of the obtained material is not less than 300 MPa, transverse bending strength up to 60 MPa, bioactive phase yield 6-8 mg / g. The material can be used to restore dense bone tissue and for the manufacture of artificial teeth pins.
П р и м е р 4. Полностью резорбируемый биоактивный композиционный материал для костной хирургии получается из смеси следующего состава, мас. PRI me R 4. Fully resorbable bioactive composite material for bone surgery is obtained from a mixture of the following composition, wt.
Водорастворимое матричное стекло в виде порошка с удельной поверхностью, 0,4 м2/г 64,0
Гидроксиапатит, полученный мокрым способом с атомным отношением Са/P1,67 и удельной поверхностью 0,2 м2/г;
Порообразователь, карбонат кальция с удельной поверхностью 0,8 м2/г 1,0.Water-soluble matrix glass in the form of a powder with a specific surface, 0.4 m 2 / g 64.0
Hydroxyapatite obtained by the wet method with an atomic ratio of Ca / P1.67 and a specific surface area of 0.2 m 2 / g;
Pore former, calcium carbonate with a specific surface area of 0.8 m 2 / g 1.0.
Смесь спекается и вспенивается до двухкратного увеличения объема в температурном интервале 700-760оС в течение 20 мин.The mixture is sintered and foamed to a two-fold increase in the temperature interval 700-760 ° C for 20 min.
Полученная заготовка пригодна для изготовления эндопротезов, имплантатов способами механической обработки; распиливание, сверление, шлифовка и т.п. The resulting blank is suitable for the manufacture of endoprostheses, implants by mechanical processing methods; sawing, drilling, grinding, etc.
Материал ячеистый с сообщающимися порами размером от 50 до 300 мкм, объемная масса материала до 800 кг/м3, прочность на сжатие до 30 МПа.Cellular material with interconnected pores ranging in size from 50 to 300 microns, bulk material mass up to 800 kg / m 3 , compressive strength up to 30 MPa.
Данная модификация разработанного материала предназначена для восстановительной костной хирургии и нейрохирургии, выход биоактивной фазы, гидроксидапатита Са10(РО)4)6 (ОН)2 до 10 мг/г.This modification of the developed material is intended for reconstructive bone surgery and neurosurgery, the output of the bioactive phase, hydroxidapatite Ca 10 (PO) 4 ) 6 (OH) 2 up to 10 mg / g.
Claims (4)
Гидроксиапатит с атомным отношением Са/Р 1,66 - 1,67 - 35-65
Стекломатрица - 35-65
Порообразователь - 0,5-10,0
2. Материал по п.1, отличающийся тем, что в качестве стекломатрицы используют нейтральные алюмоборсиликатные стекла.1. Bioactive microporous material for bone surgery based on hydroxyapatite, characterized in that it additionally contains a glass matrix and a blowing agent in the following ratio of components, wt.%:
Hydroxyapatite with an atomic ratio of Ca / P 1.66 - 1.67 - 35-65
Glass Matrix - 35-65
Pore former - 0.5-10.0
2. The material according to claim 1, characterized in that neutral aluminoborsilicate glasses are used as the glass matrix.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93050910A RU2053737C1 (en) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU93050910A RU2053737C1 (en) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2053737C1 true RU2053737C1 (en) | 1996-02-10 |
| RU93050910A RU93050910A (en) | 1996-11-10 |
Family
ID=20148989
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU93050910A RU2053737C1 (en) | 1993-11-10 | 1993-11-10 | Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2053737C1 (en) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2452515C1 (en) * | 2010-12-28 | 2012-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Bioactive microcellular material for orthopaedic surgery and method for making it |
| RU2479319C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-04-20 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики" (ОАО "ЦНИИАГ") | Silicon-doped calcium phosphate bioceramics (sbc) |
| RU2595703C1 (en) * | 2015-10-29 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Zirconium oxide-based method for producing porous bioactive ceramics |
-
1993
- 1993-11-10 RU RU93050910A patent/RU2053737C1/en active
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| ЕР N 0278583, кл. A 61L 27/00, 1988. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2452515C1 (en) * | 2010-12-28 | 2012-06-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева (РХТУ им. Д.И. Менделеева) | Bioactive microcellular material for orthopaedic surgery and method for making it |
| RU2479319C1 (en) * | 2011-11-15 | 2013-04-20 | Открытое акционерное общество "Центральный научно-исследовательский институт автоматики и гидравлики" (ОАО "ЦНИИАГ") | Silicon-doped calcium phosphate bioceramics (sbc) |
| RU2595703C1 (en) * | 2015-10-29 | 2016-08-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Zirconium oxide-based method for producing porous bioactive ceramics |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US3981736A (en) | Biocompatible glass ceramic material | |
| EP0987032B1 (en) | Ceramic material for osteoinduction comprising micropores in the surface of macropores | |
| Dorozhkin | Medical application of calcium orthophosphate bioceramics | |
| Dubok | Bioceramics―yesterday, today, tomorrow | |
| Billotte | Ceramic biomaterials | |
| CN106310381B (en) | A kind of calcium sulfate porous compound bio bracket of the degradable calcium phosphate-containing magnesium | |
| JP3658172B2 (en) | A storage stable formulation for calcium phosphate minerals prepared in situ | |
| CN104710188B (en) | A kind of calcium-silicate biological ceramics porous material, preparation method and application | |
| US7709081B2 (en) | Porous bioactive glass and preparation method thereof | |
| US5047031A (en) | In situ calcium phosphate minerals method | |
| Karamian et al. | Fabrication of hydroxyapatite-baghdadite nanocomposite scaffolds coated by PCL/Bioglass with polyurethane polymeric sponge technique | |
| EP3284487A1 (en) | Machinable preformed calcium phosphate bone substitute material implants | |
| JPH0222113A (en) | Production of calcium phosphate mineral | |
| JP2003507132A (en) | Resorbable bone substitutes and bone constituents | |
| JPH04504403A (en) | Synthetic ceramic materials and their manufacturing methods | |
| KR101558856B1 (en) | Bone substitute material | |
| Turner | Ceramics and glasses | |
| US7074730B2 (en) | Bioactive rhenanite glass ceramic | |
| Bayazit et al. | Evaluation of bioceramic materials in biology and medicine | |
| Drouet et al. | Types of ceramics: Material class | |
| US5634956A (en) | Bioceramics used in artificial bone and artificial dental implants and the process for the preparation thereof | |
| Havlik et al. | Hydroxyapatite | |
| KR101762580B1 (en) | A method for preparing porous bone graft materials | |
| US8545786B2 (en) | Manufacture of porous net-shaped materials comprising alpha or beta tricalcium phosphate or mixtures thereof | |
| RU2053737C1 (en) | Biologically active microporous material for bone surgery and method for its production |