RU2132702C1 - Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making - Google Patents
Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making Download PDFInfo
- Publication number
- RU2132702C1 RU2132702C1 RU97121824A RU97121824A RU2132702C1 RU 2132702 C1 RU2132702 C1 RU 2132702C1 RU 97121824 A RU97121824 A RU 97121824A RU 97121824 A RU97121824 A RU 97121824A RU 2132702 C1 RU2132702 C1 RU 2132702C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- glass
- granules
- hap
- hydroxylapatite
- making
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области биоматериаловедения, технологии синтеза стеклокристаллических материалов, технологии изготовления изделий медицинского назначения, имплантируемых в костную ткань при заполнении ее дефектов. The invention relates to the field of biomaterial science, technology for the synthesis of glass crystal materials, manufacturing technology for medical devices implanted in bone tissue when filling its defects.
Технологический аспект проблемы состоит в том, что для пористых микроимплантатов в виде микрогранул, позволяющих расширить возможные области использования этих материалов в медицине, например, при лечении микродефектов костной ткани в узких пародонтальных полостях, клиновидных дефектах и т.д., не существует простой и экономичной технологии получения их из материалов, содержащих кальциевые фосфаты и полностью удовлетворяющих требованиям применения, хранения, стерилизации. The technological aspect of the problem is that for porous microimplants in the form of microgranules, which expand the possible areas of use of these materials in medicine, for example, in the treatment of bone microdefects in narrow periodontal cavities, wedge-shaped defects, etc., there is no simple and economical technologies for their production from materials containing calcium phosphates and fully meeting the requirements of application, storage, sterilization.
Хотя биоматериалы на основе фосфатов кальция для замещения косной ткани известны с 20 гг. нашего столетия [Albez F.H,//Ann.Surg.,1920, 71, h.321], до сих пор отсутствует оптимальное материаловедческое решение получения наиболее удобных для имплантирования гранулированных пористых микроимплантатов, содержащих фосфат кальция (в частности, гидроксилапатит) с комплексом свойств: остеосовместимости, времени биодеградации (соответствие времени замещения костной тканью), оптимальной пористости и механической прочности, обеспечивающих устойчивость при имплантировании без стерилизации, хранении. Лучшие из известных остеозамещающих материалов, полученных в гранулированной форме ("Речо" фирма "Интерпор", CШF) на основе природных кораллов [Ray D.Y., Linneham S. A. //Natiire, 1974, 247, p.220]. Метод получения включает заготовку морепродукта в экологически благополучном регионе мирового океана, удаление органической матрицы, гидротермальное замещение в растворах фосфата аммония части кораллового скелетного карбоната кальция на гидроксилапатит, сушку, спекание по режиму, сохраняющему текстуру и прочность кораллового экзоскелета: каналы, сквозные поры (с диаметром 150-500 мкм) при общей пористости до 50-70% объема [Ohomiro М., 0hgusci H.//Biometrics, 1991,12,h. 4] . При этом состав материала представлен не стехиометрическим Ca10(PO4)2OH, а дефектным карбонатапатитом с включением Mg-витлокита, то есть рентгеноструктурным аналогом биоминерала костей [Мак-Коннел Д.//В сб. Фосфор в окружающей среде М.: Мир, 1977, с.462].Указанные материалы имеют скорость остеозамещения: слой в 1,5 мм замещается костной тканью от 6 до 24 недель, что связывают с наличием именно остеокондукторных свойств карбонатапатита. Однако материалы фирмы "Интерпор" не доступны для масштабного применения в отечественной практике (например, при лоскутной операции при лечении пародонтоза в сегмент альвеолярного гребня челюстной кости имплантируют 3-5 граммов материала, его стоимость составляет 2-3 млн. руб.).Although biomaterials based on calcium phosphates to replace inert tissue have been known since the 20s. of our century [Albez FH, // Ann.Surg., 1920, 71, h.321], there is still no optimal material science solution for obtaining the most suitable for implantation of granular porous microimplants containing calcium phosphate (in particular, hydroxylapatite) with a complex of properties : osteocompatibility, biodegradation time (correspondence with the time of bone tissue replacement), optimal porosity and mechanical strength, providing stability during implantation without sterilization, storage. The best known osteoplastic materials obtained in granular form (Recho firm Interpor, CFS) based on natural corals [Ray DY, Linneham SA // Natiire, 1974, 247, p.220]. The production method includes the preparation of seafood in an environmentally safe region of the oceans, the removal of the organic matrix, hydrothermal substitution in solutions of ammonium phosphate of a part of coral skeletal calcium carbonate with hydroxylapatite, drying, sintering according to a regime that preserves the texture and strength of the coral exoskeleton: channels, through pores (with a diameter of 150-500 μm) with a total porosity of up to 50-70% of the volume [Ohomiro M., 0hgusci H. // Biometrics, 1991, 12, h. 4] . Moreover, the composition of the material is represented not by stoichiometric Ca 10 (PO 4 ) 2 OH, but by defective carbonatapatite with the inclusion of Mg-vitlokite, that is, an X-ray structural analogue of bone biomineral [McConnell D. // In Sat. Phosphorus in the environment M .: Mir, 1977, p.462]. The indicated materials have an osteosubstitution rate: a layer of 1.5 mm is replaced by bone tissue from 6 to 24 weeks, which is associated with the presence of osteoconductor properties of carbonatapatite. However, Interpor materials are not available for large-scale use in domestic practice (for example, 3-5 times grams of material are implanted in the segment of the jaw bone during periodontal surgery to treat periodontal disease, its cost is 2-3 million rubles).
Радикальные попытки предельно удешевить остеозамещение с помощью стехиометрического ГАПа - Ca10(PO4)2(OH)2, применив его в виде полупродукта биокерамики - мелкокристаллического порошка, не могли достичь цели, так как, подвергаясь гидролизу в водных средах организма, гидроксилапатит физиологически несовместим с клетками костной и соединительной ткани, ведь балансовый pH гидролиза = 12,8 [Альтшуллер З.С. В сб. "Фосфор в окружающей среде". Ю-М: Мир, 1977, с.268]. При изготовлении ГАП-керамических материалов путем термообработки устраняется гидролитическое расщепление связей Ca-O-P в кристалле ГАПа. Однако сохранение структурно-химических свойств ГАПа возможно только до 1100 град C, и ограничение температур реальных процессов 1150-1200 град C предопределяет в способах получения плотных гранулированных форм ГАП-материалов такие способы, как спекание под давлением, в средах аргона, вакууме и т.д. [Shtrief H., Musse P.//Brit.Cer. Res., 1990, 45, p.59].Radical attempts to reduce the cost of osteosubstitution to the utmost with the help of a stoichiometric HAP - Ca 10 (PO 4 ) 2 (OH) 2 , using it as a semi-product of bioceramics - a fine crystalline powder, could not achieve the goal, since, undergoing hydrolysis in aqueous media of the body, hydroxylapatite is physiologically incompatible with bone and connective tissue cells, because the balance pH of hydrolysis = 12.8 [Altshuller Z.S. On Sat "Phosphorus in the environment." Yu-M: Mir, 1977, p.268]. In the manufacture of HAP ceramic materials by heat treatment, the hydrolytic cleavage of Ca-OP bonds in the HAP crystal is eliminated. However, the structural and chemical properties of HAP can be preserved only up to 1100 deg C, and limiting the temperature of real processes to 1150-1200 deg C determines methods such as sintering under pressure in argon, vacuum, etc., in methods for producing dense granular forms of HAP materials. d. [Shtrief H., Musse P. // Brit.Cer. Res., 1990, 45, p. 59].
Плотноспеченные гранулированные "Аллотропат", "Дурапатит" и др. продукты не обладают свойствами остеокондукторов и протекторов, не биодеградируют и потому используются как материалы для контурной пластики с проблематичной эффективностью. Имплантация требует применения мер предосторожности. При малой прочности, чтобы не допустить фрагментирования гранул (во избежание эмболии сосудов микрочастицами, эксплантации материала и т.д.) весь объем материала из аппликатора отбрасывают. Он не подлежит повторной стерилизации. The densely sintered granulated Allotropat, Durapatit and other products do not have the properties of osteoconductors and protectors, are not biodegradable and therefore are used as materials for contour plastics with problematic effectiveness. Implantation requires precautionary measures. At low strength, in order to prevent fragmentation of the granules (in order to avoid vascular embolism by microparticles, explantation of the material, etc.), the entire volume of material from the applicator is discarded. It cannot be re-sterilized.
Получение пористых биодеградирующих кальцийфосфатных спеченных материалов с заявленным стехиометрическим составом Ca10(PO4)2(OH2) на практике не реализовано.Obtaining porous biodegradable calcium phosphate sintered materials with the claimed stoichiometric composition of Ca 10 (PO 4 ) 2 (OH 2 ) has not been implemented in practice.
Все промышленные продукты (пористые гранулы "Апокерам", "Остеген") представляют собою либо бифазную смесь ГАП с ТКФ, либо смесь продуктов термолиза ГАПа, более растворимых в водных средах, чем ГАП, деградирующий в клеточно-опосредованных реакциях с клетками костной ткани [De Groot//Proc.10th Europ. Conf. in Biomot. Davos,1993, p.80]. All industrial products (porous granules "Apokeram", "Ostegen") are either a biphasic mixture of HAP with TCP, or a mixture of HAP thermolysis products, more soluble in aqueous media than HAP, degrading in cell-mediated reactions with bone cells [De Groot // Proc. 10th Europ. Conf. in biomot. Davos, 1993, p.80].
Известны способы получения трещиностойких ГАП, содержащих композиционные материалы. Например [заявка Японии 264007 МКИ C 04 B 35/80. Э.Агиро, И. Мауура, Н.Накамара, N 63-212545, заявл.29.08.88, оп.05.03.90// Кохой Токке, сер.1, 1990, 15, с.331], в ходе которого ГАП смешивают с нитевидными кристаллами карбида кремния, пропитывают растворами Ca(СО3)2, H3PO4, сушат, прокаливают, получают пористое изделие - каркас определенной формы, в конечной стадии пропитываемый расплавом стекла в системе Ca-Al2O3-P2O5.Known methods for producing crack resistant HAP containing composite materials. For example [Japanese application 264007 MKI C 04
Все имплантаты, нашедшие применение в медицине, на основе разработанных композитов с применением оксидов ZrO2, TiO2, SiC, BN стекла [Dushtyt P. //Biomtd. Mat. Res., 1987, 21, p.219] представляют собою массивные изделия. Произвольный выбор состава, игнорирование различия в ТКЛР стекла и ГАПа, стабильности расплава, характера взаимодействия, приводящего к получению вторичных кристаллических продуктов, делают получение микроизделий с заданной пористостью невозможным. В то же время достоверно получено [Hulbert S.Y. et al.// J.Ctr.lnst. 1982, 8,4, p. 13], что оптимальный размер пор (150-100 мкм) и расстояние между ними, то есть поверхности имплантата, является одним из основных параметров, влияющих на замещение костной ткани, особенно при статических нагрузках на имплантат.All implants that have found application in medicine, based on developed composites using oxides ZrO 2 , TiO 2 , SiC, BN glass [Dushtyt P. // Biomtd. Mat. Res., 1987, 21, p. 219] are massive products. An arbitrary choice of composition, ignoring the difference in the thermal expansion coefficient of glass and HAP, melt stability, and the nature of the interaction leading to the production of secondary crystalline products make the production of microproducts with a given porosity impossible. At the same time, reliably obtained [Hulbert SY et al. // J. Ctr. Lnst. 1982, 8.4, p. 13] that the optimal pore size (150-100 μm) and the distance between them, that is, the surface of the implant, is one of the main parameters that affect bone replacement, especially with static loads on the implant.
Известны попытки получения микроимплантатов из биоситаллов, в которых необходимым проявлением остеосовместимости является наличие ГАП-слоя в продуктах поверхностного разрушения. Присутствие в составе этих материалов соединений CaO и P2O5 является [Саркисов Л.Ю., Михайленко Л.Ю., Строганова О. С. //Техника и технология ситаллов, 1994, 1, N 2, с. 5] предпосылкой для проявления этих свойств.Attempts are known to obtain microimplants from bio-metals in which the necessary manifestation of osteocompatibility is the presence of a HAP layer in the surface destruction products. The presence of CaO and P 2 O 5 in the composition of these materials is [Sarkisov L.Yu., Mikhailenko L.Yu., Stroganova O.S. // Technique and technology of sitalls, 1994, 1,
Наиболее близким по технической сущности к достигаемому результату является биоситалл, включающий в себя, мас.%:
SiO2 - 37,2-38,5
P2O5 - 15,5-13,2
Al2O3 - 6,2-6,5
CaO - 33,5-35,0
MgO - 3,1-1,8
ZnO - 4,5-5,0
[(решение ВНИИГПЭ по выдаче патента РФ на изобретение от 27.03.97 по заявке 05028466/14(020049) от 26.02.92), входящий в состав "Композиция для заполнения костных полостей"].The closest in technical essence to the achieved result is bio-metal, including, wt.%:
SiO 2 - 37.2-38.5
P 2 O 5 - 15.5-13.2
Al 2 O 3 - 6.2-6.5
CaO - 33.5-35.0
MgO - 3.1-1.8
ZnO - 4.5-5.0
[(decision of VNIIGPE on the grant of a patent of the Russian Federation for an invention dated 03/27/97 on application 05028466/14 (020049) dated 02/26/92), which is part of the "Composition for filling bone cavities"].
Один из авторов состава биоситалла М-31 является соавтором заявляемого изобретения, что позволяет иметь информацию о свойствах, структурно-химических особенностях получения из исходного композита М-31 биоситалла, обладающего остеосовместимостью и свойствами остеопротектора, имеющего монокристаллическую фазу корбоната ГАПа. One of the authors of the composition of B-metal M-31 is a co-author of the claimed invention, which allows you to have information about the properties, structural and chemical features of obtaining from the original composite M-31 a bio-metal having osteocompatibility and properties of an osteoprotector having a single-crystal HAPa corbonate phase.
Из данного биоситалла, принятого авторами за прототип, были изготовлены пористые микроимплантаты - гранулы, которые имели также недостаточную прочность, не были устойчивы к режиму термоциклирования. Porous microimplants were made from this bio-glass, which was adopted by the authors as a prototype — granules, which also had insufficient strength, were not resistant to thermal cycling.
Кристаллизация в биоситалле-прототипе имеет поверхностный характер и идет от поверхности гранул внутрь, то есть неравномерно по объему. Crystallization in the biositall prototype has a surface character and goes from the surface of the granules inward, that is, unevenly in volume.
Минимальная доля монокристаллической фазы не превышала в стеклокристаллическом материале 30 объемных% и не могла быть увеличена за счет изменения дисперсности порошка стекла. Это не позволяло изменять интервал времени биодеградации (в сторону увеличения) таких имплантатов, что также не допускало повысить эффективность применения материала на длительный срок остеозамещения. The minimum fraction of the single-crystal phase did not exceed 30% by volume in the glass-crystalline material and could not be increased due to a change in the dispersion of the glass powder. This did not allow changing the biodegradation time interval (upward) of such implants, which also did not allow increasing the efficiency of the material for a long period of osteosubstitution.
Цель изобретения - увеличение механической прочности, устойчивости к режиму термоциклирования и синхронизации процессов разрушения и остеозамещения костной тканью пористых микроимплантатов в виде гранул, полученных по предлагаемому способу изготовления из заявляемого остеопластического стеклокристаллического композиционного материала. The purpose of the invention is the increase in mechanical strength, resistance to thermal cycling and synchronization of the processes of destruction and bone replacement of bone tissue with porous microimplants in the form of granules obtained by the proposed method of manufacturing from the inventive osteoplastic fiberglass composite material.
Поставленная цель достигается тем, что остеопластический стеклокристаллический композиционный материал для изготовления пористых микроимплантатов в виде гранул, содержащих SiO2; P2O5; Al2O3; CaO; MgO; ZnO, дополнительно содержит гидроксилапатит (ГАП) при следующем соотношении компонентов, мас. %:
SiO2 - 26,0-33,4
P2O5 - 10,5-13,5
Al2O3 - 4,3-5,5
CaO - 23,6-30,4
MgO - 2,1-2,7
ZnO - 3,5-4,5
Гидроксилапатит (ГАП) - 10,00-30,00
и может быть получен способом, включающим смешивание тонкодисперсных порошков стекла и ГАП в соотношениях согласно заявляемому составу, приготовление пластической массы, изготовление гранулята, удаление связующих веществ, спекание гранул и ситаллизации.This goal is achieved in that the osteoplastic glass crystal composite material for the manufacture of porous microimplants in the form of granules containing SiO 2 ; P 2 O 5 ; Al 2 O 3 ; CaO; MgO; ZnO additionally contains hydroxylapatite (HAP) in the following ratio of components, wt. %:
SiO 2 - 26.0-33.4
P 2 O 5 - 10.5-13.5
Al 2 O 3 - 4.3-5.5
CaO - 23.6-30.4
MgO - 2.1-2.7
ZnO - 3.5-4.5
Hydroxylapatite (HAP) - 10.00-30.00
and can be obtained by a method including mixing finely divided glass and HAP powders in proportions according to the claimed composition, preparing a plastic mass, producing granulate, removing binders, sintering granules and sintering.
Из доступной патентной и научной литературы авторам неизвестны композиционные остеопластические стеклокристаллические материалы указанного состава для изготовления пористых микроимплантатов в виде гранул. Предложенный композиционный материал благодаря достигнутым структурно- химическим свойствам обеспечивает высокие эксплуатационные свойства остеозамещающих микроимплантатов в виде гранул и позволяет утверждать, что заявляемое техническое решение соответствует требованиям критериев "новизна" и "существенные отличия". Of the available patent and scientific literature, the authors are not aware of composite osteoplastic glass-crystal materials of this composition for the manufacture of porous microimplants in the form of granules. Due to the achieved structural and chemical properties, the proposed composite material ensures high operational properties of osteo-substituting microimplants in the form of granules and allows us to state that the claimed technical solution meets the requirements of the criteria of “novelty” and “significant differences”.
В доступной нам литературе не приведены сведения о применении в качестве эффективного нуклеатора объемной кристаллизации в процессе получения стеклокристаллического материала - ГАП, а для инициирования процесса в фосфатной фазе - ликванте исходного биостекла, содержащей в латентном виде зародыши ГАПа. The literature available to us does not provide information on the use of volume crystallization as an effective nucleator in the process of obtaining a glass-crystalline material - HAP, and for initiating the process in the phosphate phase - a liquid of the initial bioglass containing latent HAP nuclei.
Синтез предлагаемого остеопластического стеклокристаллического композиционного материала осуществлялся следующим образом:
1. Проводился синтез стекла состава, мас.%:
SiO2 - 26,0-33,4
P2O5 - 10,5-13,5
Al2O3 - 4,3-5,5
CaO - 23,6-30,4
MgO - 2,1-2,7
ZnO - 3,5-4,5
в печи с обогревом при t=1450 град C в течение 3 часов. Шихтные материалы и реактивы применялись марок "чда" и "кч" с ограничением содержания тяжелых элементов в пределах 10-3...10-4%.The synthesis of the proposed osteoplastic glass crystal composite material was carried out as follows:
1. The synthesis of glass composition was carried out, wt.%:
SiO 2 - 26.0-33.4
P 2 O 5 - 10.5-13.5
Al 2 O 3 - 4.3-5.5
CaO - 23.6-30.4
MgO - 2.1-2.7
ZnO - 3.5-4.5
in a furnace with heating at t = 1450 degrees C for 3 hours. Charge materials and reagents were used of the “chda” and “kch” grades with a limitation of the content of heavy elements within 10-3 ... 10-4%.
Готовая стекломасса вырабатывалась отливкой на холодную воду с ориентированием соотношения фазы-ликванта и матрицы. Затем стекло высушивалось при t= 90. . . 100 град C и измельчалось в фарфоровой мельнице сухим помолом с уралитовыми телами. Молотое стекло проходило ситовое рассеяние для получения порошка с размером частиц менее 60 мкм. The finished glass melt was produced by casting into cold water with orientation of the ratio of phase-liquid and matrix. Then the glass was dried at t = 90.. . 100 degrees C and ground in a porcelain mill with dry grinding with uralite bodies. Ground glass was screened to obtain a powder with a particle size of less than 60 microns.
Исходный ГАП - мелкокристаллический промышленный продукт со стеклометрической формулой (Ca10(PO4)6(OH)2 с размерами кристаллов 1...3 мкм (по ТУ 118- 095-56-91 производства АО "Каскор") содержал примесей тяжелых элементов менее 10-4%.The initial HAP - a small-crystalline industrial product with a glassometric formula (Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 with a crystal size of 1 ... 3 μm (according to TU 118-095-56-91 manufactured by AO Kaskor) contained impurities of heavy elements less than 10-4%.
Содержание предлагаемых исходных компонентов нового остеопластического стеклокристаллического материала представлены в табл. 1 (табл. 1-4 см. в конце описания). The content of the proposed starting components of the new osteoplastic glass crystal material are presented in table. 1 (tab. 1-4 see at the end of the description).
2. Способ получения композиционного материала в виде пористых микрогранул из стеклокристаллических компонентов включает следующие стадии. 2. A method for producing a composite material in the form of porous microgranules from glass crystalline components includes the following steps.
1) Взвешивание необходимых количеств порошков стекла и ГАП согласно заявляемому составу (табл. 1) и их смешивание. 1) Weighing the required quantities of glass powders and HAP according to the claimed composition (table. 1) and mixing them.
2) Овлажнение смеси порошков раствором пластифицирующего вещества. 2) Moisturizing a mixture of powders with a solution of a plasticizing substance.
3) Протирание полученной массы через сито с отверстиями 1500 мкм или в специальных протирочных машинах - грануляторах. 3) Rubbing the resulting mass through a sieve with holes of 1500 microns or in special cleaning machines - granulators.
4) Высушивание гранул-заготовок. 4) Drying of the pellet blanks.
5) Гранулы-заготовки спекаются в муфельной печи по специальному режиму, совмещающему спекание и ситаллизацию. 5) Billet granules are sintered in a muffle furnace according to a special regime combining sintering and sinterization.
6) Охлаждение вместе с выключенным муфелем. 6) Cooling with the muffle turned off.
Состав стеклокомпозита и режимы ситаллизации подобраны таким образом, чтобы композиционный материал имел мелкокристаллическую структуру, равномерно закристаллизованную во всем объеме. Равномерное развитие центров кристаллизации по всему объему предопределено тщательным перемешиванием тонкодисперсных порошков стекла и ГАПа, то есть созданием условий, где кристаллы ГАПа (даллита) из объема фазы-ликвата стекла растут на многочисленных поверхностях зародышей кристаллизации (затравок кристаллизации), в качестве которых и выступает не исходный порошкообразный синтетический ГАП, а даллит, который в процессе термообработки, совмещенной с термолизом углеродсодержащих порофора-пластификатора, получается по реакциям обмена и замещения части PO4 группы в решетке Ca10(PO4)6(OH)2 на Ca3, что является приоритетной новизной способа. Выделившаяся кристаллическая фаза, R-графически идентифицированная как карбонат ГАП (даллит), придает композиту повышенные эксплуатационные характеристики. Ячеистая структура гранул закреплена стеклофазой, играющей на стадии спекания роль стабилизирующей структуры.The composition of the glass composite and the modes of crystallization are selected so that the composite material has a fine crystalline structure uniformly crystallized in the entire volume. The uniform development of crystallization centers throughout the volume is predetermined by careful mixing of finely dispersed powders of glass and HAP, that is, the creation of conditions where HAP (dallite) crystals from the volume of the glass-liquid phase grow on numerous surfaces of crystallization nuclei (crystallization seeds), which are not the initial powdered synthetic hydroxyapatite, and dallite, which is obtained by exchange reactions during heat treatment combined with the thermolysis of carbon-containing porophore-plasticizer and the replacement of part of the PO4 group in the lattice of Ca 10 (PO 4 ) 6 (OH) 2 with Ca 3 , which is a priority novelty of the method. The precipitated crystalline phase, R-graphically identified as HAP carbonate (dallite), gives the composite enhanced performance. The cellular structure of the granules is fixed by a glass phase, which plays the role of a stabilizing structure at the sintering stage.
Процесс кристаллизации - выделения монофазы ГАПа (даллита) совмещен по температурно-временному режиму с режимами спекания и оплавления гранул. Кристаллические границы интегрируются в стеклофазе в условиях заявляемого способа. Единственная кристаллическая фаза, соответствующая 60 об.% по сравнению с 30 об.% прототипа исключает вторичную кристаллизацию из стекла. The crystallization process - the separation of the HAPa monophase (dallite) is combined in the temperature-time regime with the regimes of sintering and fusion of granules. Crystal boundaries are integrated in the glass phase in the conditions of the proposed method. The only crystalline phase corresponding to 60 vol.% Compared with 30 vol.% Of the prototype excludes secondary crystallization from glass.
Заявляемым способом получены изделия (в нашем случае пористые микрогранулы) из нового по составу стеклокристаллического композиционного материала с новыми ценными свойствами, превосходящими свойства исходных материалов. The inventive method obtained products (in our case, porous microspheres) from a new composition of glass-crystal composite material with new valuable properties superior to the properties of the starting materials.
По предлагаемому способу изготовлены пористые гранулы наиболее удобных для имплантации размеров диаметром 100... 1500 мкм, с необходимым, не остеклованным, а частично глазурованным состоянием поверхности, с открытой пористостью, диаметром пор 100. . . 120 мкм для инфильтрации костной ткани [Huldert S.F.//cal.J.Am.cer.int/ 1982, 8, 4, р.131]. According to the proposed method, porous granules of the most convenient sizes for implantation with a diameter of 100 ... 1500 microns, with the necessary, not vitrified, and partially glazed surface condition, with open porosity, pore diameter of 100 are made. . 120 μm for bone tissue infiltration [Huldert S.F. //cal.J.Am.cer.int/ 1982, 8, 4, p. 131].
Свойства полученных пористых материалов определяли методами, обычно используемыми при определении свойств материалов из биоситаллов того же назначения. Для сопоставления значений свойств были изготовлены пористые гранулы из стекла - прототипа и заявляемого (граничные составы) биоситалла. The properties of the obtained porous materials were determined by the methods usually used in determining the properties of materials from bio-metals of the same purpose. To compare the values of the properties, porous granules were made of glass - a prototype and the claimed (boundary compositions) bio-metal.
Изучение свойств полученных стеклокристаллических композиционных материалов определялось на стандартной модели. Из литературных данных известно, что Ca-P материалы неустойчивы к длительному воздействию физиологических растворов. Были изготовлены цилиндрические образцы материалов всех составов при одинаковой пористости материала, d=h=10 мм и определена σсж начальных образцов и образцов после выдержки в растворах 0,85% NaCl (физиологический раствор) в течение 10 суток. Результаты определения представлены в табл. 2.The study of the properties of the obtained glass-crystal composite materials was determined on a standard model. From literature data it is known that Ca-P materials are unstable to prolonged exposure to physiological solutions. Cylindrical samples of materials of all compositions were made with the same porosity of the material, d = h = 10 mm, and σ compress of the initial samples and samples after exposure to 0.85% NaCl solutions (physiological solution) for 10 days was determined. The results of the determination are presented in table. 2.
Таким образом из анализа значений механической прочности на сжатие видно, что
у прототипа - уменьшение σсж на 10%;
у заграничных составов на 9 - 29%;
у заявляемых составов < 10% - 8%, 7% и 0, т.е. практически изменения не существенны, образцы сохраняют прочность.Thus, an analysis of the values of the mechanical compressive strength shows that
the prototype is a decrease in σ sg by 10%;
in foreign trains by 9 - 29%;
the claimed compounds <10% - 8%, 7% and 0, i.e. practically, the changes are not significant, the samples retain their strength.
Устойчивость к термоциклированию, характеризующая сколько (в % к весу) гранул рассыпалось, не сохранив форму, определялась следующим образом:
гранулы общим весом 3 г засыпались в кюветы из термостойкого стекла и помещались в термостат с t= 120 град C и выдерживались в течение 1 часа (режим подбирался максимально приближенный к режимам сухожаровой стерилизации). После выдержки гранулы высыпались на металлический поддон при комнатной температуре 18-20 град C.Resistance to thermal cycling, characterizing how many (in% by weight) granules crumbled without preserving their shape, was determined as follows:
granules with a total weight of 3 g were poured into cuvettes made of heat-resistant glass and placed in a thermostat with t = 120 degrees C and kept for 1 hour (the mode was selected as close as possible to the dry heat sterilization modes). After exposure, the granules spilled onto a metal tray at room temperature 18-20 degrees C.
После охлаждения проводился ситовой анализ гранул и определялось в% отношение количества гранул (в г), оставшихся на сите с размером ячейки 1000 мкм. After cooling, a sieve analysis of the granules was carried out and the ratio of the number of granules (in g) remaining on the sieve with a mesh size of 1000 μm was determined in%.
g0 - вес гранул до испытания = 3 г (навеска), прошедших через сито 1500 мкм и оставшихся на сите 1000 мкм;
g1 - вес гранул, прошедших через сито 1500 мкм и оставшихся на сите 1000 мкм после испытаний в термостате.g0 is the weight of the granules before the test = 3 g (sample), passed through a sieve of 1500 μm and remaining on a sieve of 1000 μm;
g1 is the weight of the granules passing through a 1500 μm sieve and remaining on a 1000 μm sieve after testing in a thermostat.
Уст.терм. (g0 - g1)/g0 100%. Set term. (g0 - g1) / g0 100%.
Результаты определения представлены в табл. 3. The results of the determination are presented in table. 3.
Из представленных данных видно, что сохраняют форму, то есть устойчивы к термоциклированию практически все гранулы (доля фрагментировавшихся не превосходит 7%, что составляет необходимый допуск), а стекло-прототип и зарубежные составы теряют от 25% до 40% всех целых гранул в режиме повторной стерилизации. It can be seen from the data presented that they retain their shape, that is, almost all granules are resistant to thermal cycling (the fraction of fragmented particles does not exceed 7%, which is the necessary tolerance), and the prototype glass and foreign compositions lose from 25% to 40% of all whole granules in the mode re-sterilization.
Данные, приведенные в табл.4, указывают, что скорости разрушения пористых имплантатов на стендовых испытаниях в условиях, имитирующих воздействие биосред организма (крови, плазмы) в температурном режиме протока, коррелируются с результатами медико-биологических экспериментов. The data presented in Table 4 indicate that the destruction rates of porous implants in bench tests under conditions that simulate the effects of body biological media (blood, plasma) in the temperature regime of the duct are correlated with the results of biomedical experiments.
Анализ расчетных значений скоростей разрушения для образцов одинаковой пористости в равных условиях (температура, состав реагента, скорость протока) позволяет установить, что с увеличением содержания кристаллической фазы скорость разрушения уменьшается (для заявляемых составов от 30...50% по сравнению с прототипом). Analysis of the calculated values of the destruction rates for samples of the same porosity under equal conditions (temperature, reagent composition, flow rate) allows us to establish that with an increase in the content of the crystalline phase, the destruction rate decreases (for the claimed compositions from 30 ... 50% compared to the prototype).
Это позволяет введением в стеклокристаллический композит определенного количества ГАПа, то есть варьированием состава получить материал либо для контурной пластики, либо для лечения пациентов с проблемами остеогенеза, когда собственное остеообразование замедлено, либо для лечения заболеваний, не осложненных системными поражениями остеогенетических процессов, что выгодно отличает этот материал и раскрывает широкий диапазон его применения
Описание конкретных примеров изготовления пористых имплантатов в виде гранул из остеопластического стеклокристаллического композиционного материала.This allows the introduction of a certain amount of HAPa into the glass crystal composite, i.e., by varying the composition, to obtain material either for contour plasty, or for treating patients with osteogenesis problems, when their own osteogenesis is slowed down, or for treating diseases not complicated by systemic lesions of osteogenetic processes, which distinguishes this material and reveals a wide range of its application
Description of specific examples of the manufacture of porous implants in the form of granules from an osteoplastic glass crystal composite material.
Пример 1
1. Измельчаем исходное стекло в шаровой фарфоровой мельнице с уралитовыми шарами в течение 5 часов. Просеиваем через сито с размером ячейки не более 60 мкм.Example 1
1. Grind the original glass in a porcelain ball mill with uralite balls for 5 hours. Sift through a sieve with a mesh size of not more than 60 microns.
2. Взвешиваем 90 г стеклопорошка и 10 г ГАП, перемешиваем. 2. Weigh 90 g of glass powder and 10 g of HAP, mix.
3. 10 г парафина /марка A/ растворяем в 25 мл бензина /ГОСТ 84-53/ очищенного, авиационного Б-70, ВР-1 ГОСТ 5827-68, добавляем к смеси порошков и тщательно перемешиваем. 3. 10 g of paraffin / grade A / are dissolved in 25 ml of gasoline / GOST 84-53 / purified, aviation B-70, BP-1 GOST 5827-68, add to the powder mixture and mix thoroughly.
4. Протираем полученную массу через сито с размером ячейки 1500 мкм. 4. Wipe the resulting mass through a sieve with a mesh size of 1500 microns.
5. Помещаем гранулы на пористый поддон и высушиваем на воздухе до исчезновения запаха бензина. 5. We place the granules on a porous tray and dry in air until the smell of gasoline disappears.
6. Переносим гранулы на кварцевый поддон и помещаем в холодную муфельную печь, нагрев которой до t= 500 град C осуществляется со скоростью 8-10 град/мин. 6. Transfer the granules to a quartz tray and place in a cold muffle furnace, the heating of which to t = 500 deg C is carried out at a speed of 8-10 deg / min.
7. После достижения данной температуры поддон с гранулами переносится в другой муфель, нагретый до t = 970 ± 10 град C, и выдерживается в течение 30 минут. 7. After reaching this temperature, the pan with granules is transferred to another muffle, heated to t = 970 ± 10 degrees C, and held for 30 minutes.
8. Муфельная печь отключается, и производится самопроизвольное охлаждение гранул вместе с печью. 8. The muffle furnace is switched off, and the granules are spontaneously cooled together with the furnace.
Пример 2
1. Из примера 1.Example 2
1. From example 1.
2. Ввзвешиваем 80 г стеклопорошка в 20 г ГАП, перемешиваем. 2. Weigh 80 g of glass powder into 20 g of HAP, mix.
3, 4, 5, 6. Из примера 1. 3, 4, 5, 6. From example 1.
7. Выдержка в муфельной печи в течение 35 минут при t=970±10 град C. 7. Exposure in a muffle furnace for 35 minutes at t = 970 ± 10 degrees C.
8. Из примера 1. 8. From example 1.
Пример 3
1. Из примера 1.Example 3
1. From example 1.
2. Взвешиваем 70 г стеклопорошка и 30 г ГАП, перемешиваем. 2. Weigh 70 g of glass powder and 30 g of HAP, mix.
3, 4, 5, 6. Из примера 1. 3, 4, 5, 6. From example 1.
7. Выдержка в печи в течение 40 минут при t=970±10 град C. 7. Exposure in the oven for 40 minutes at t = 970 ± 10 degrees C.
8. Из примера 1. 8. From example 1.
Пример 4
1. Из примера 1.Example 4
1. From example 1.
2. Взвешиваем 95 г стеклопорошка и 5 г ГАП, перемешиваем. 2. Weigh 95 g of glass powder and 5 g of HAP, mix.
3, 4, 5, 6. Из примера 1. 3, 4, 5, 6. From example 1.
7. Ввыдержка в муфельной печи в течение 30 минут при температуре 970±10 град C. 7. Extract in a muffle furnace for 30 minutes at a temperature of 970 ± 10 degrees C.
8. Из примера 1. 8. From example 1.
Пример 5
1. Из примера 1.Example 5
1. From example 1.
2. Взвешиваем 65 г стеклопорошка и 35 г ГАП. 2. Weigh 65 g of glass powder and 35 g of HAP.
3, 4, 5, 6. Из примера 1. 3, 4, 5, 6. From example 1.
7. Выдержка в муфельной печи в течение 50 минут при 970±10 град C. 7. Exposure in a muffle furnace for 50 minutes at 970 ± 10 degrees C.
8. Из примера 1. 8. From example 1.
Пример 6
Стекло - прототип подвергается предварительной ситаллизации для выделения ГАП - фазы.Example 6
The glass prototype undergoes preliminary crystallization to isolate the HAP phase.
1. Из примера 1. 1. From example 1.
2. Взвешиваем 100 г стеклопорошка. 2. Weigh 100 g of glass powder.
3, 4, 5, 6. Из примера 1. 3, 4, 5, 6. From example 1.
7. Выдержка в муфельной печи в течение 20 минут при ±10 град C. 7. Exposure in a muffle furnace for 20 minutes at ± 10 degrees C.
8. Из примера 1. 8. From example 1.
Технико-экономические преимущества заявляемых составов нового остеопластического биоматериала. Technical appraisal and economic benefits of the claimed compositions of the new osteoplastic biomaterial.
1. Разработанные авторами составы и технология создания стеклокристаллического материала впервые эффективно и экономично решают проблему получения прочных пористых гранулированных микроимплантатов для замещения дефектов костной ткани. Основной областью применения нового материала может быть лечение в стоматологии наиболее распространенного парадонта, заполнение мелких дефектов костной ткани без опасения фрагментации и эксплантации материала. Биоситалл может вноситься как самостоятельно, так и в сочетании с биополимерами, физрастворами, лекарственными средствами, применяемыми при лечении заболеваний. 1. The compositions and the technology for creating glass-crystalline material developed by the authors for the first time effectively and economically solve the problem of obtaining durable porous granular microimplants to replace bone defects. The main area of application of the new material may be the treatment in dentistry of the most common periodontium, filling in small defects of bone tissue without fear of fragmentation and explantation of the material. Biosital can be applied both independently and in combination with biopolymers, saline solutions, and drugs used in the treatment of diseases.
2. Достигнутое по сравнению с прототипом расширение диапазона времени замещения материала позволяет рекомендовать применение материала при лечении комплексных заболеваний с изменением скорости остеогенеза. 2. Achieved in comparison with the prototype, the expansion of the range of time of replacement of the material allows us to recommend the use of the material in the treatment of complex diseases with a change in the rate of osteogenesis.
Биологическая активность материала, его остеосовместимость сохранены как у заявляемых составов, так и у прототипа, основная монокристаллическая фаза представлена карбонатом ГАПа - даллитом - аналогом биоминерала. Максимальное содержание примесей тяжелых элементов не превосходит 10-4% и соответствует требованиям ИСО-4045. The biological activity of the material, its osteocompatibility is preserved both in the claimed compositions and in the prototype, the main single-crystal phase is represented by HAPa carbonate - dallite - an analogue of biomineral. The maximum content of impurities of heavy elements does not exceed 10-4% and meets the requirements of ISO-4045.
3. Экономичный и упрощенный способ получения пористых гранул, равно как и недефицитные и доступные сырьевые материалы, производимые в РФ, позволяют предложить отечественной медицине материал, соответствующий мировым стандартам, но значительно более дешевый. 3. An economical and simplified method for producing porous granules, as well as non-deficient and affordable raw materials produced in the Russian Federation, make it possible to offer domestic medicine a material that meets international standards, but is much cheaper.
4. Улучшенные характеристики механической прочности, условия термоциклирования обеспечивают простоту упаковки, хранения, повторную стерилизацию при использовании материала, что немаловажно при проведении операций в поликлинических условиях. 4. Improved characteristics of mechanical strength, thermal cycling conditions provide ease of packaging, storage, re-sterilization when using the material, which is important when conducting operations in outpatient conditions.
Claims (1)
SiO2 - 26,0 - 33,4
P2O5 - 10,5 - 13,5
Al2O3 - 4,3 - 5,5
CaO - 23,6 - 30,4
MgO - 2,1 - 2,7
ZnO - 3,5 - 4,5
Гидроксиапатит (ГАП) - 10,0 - 30,0
2. Способ изготовления пористых имплантатов в виде гранул, включающий синтез стекла, смешение стекла и гидроксиапатита (ГАП), приготовление пластической массы, изготовление гранулята, удаление связующих веществ, спекание гранул, отличающийся тем, что смешение стекла и ГАП осуществляют в соотношении согласно п. 1, а процесс спекания совмещен с одноступенчатым режимом направленной кристаллизации, в результате чего выделяется монокристаллический ГАП в фазе даллита в 30 - 60 об.%.1. Osteoplastic glass-crystal composite material for the manufacture of porous implants in the form of granules containing SiO 2 , P 2 O 5 , Al 2 O 3 , CaO, MgO, ZnO and hydroxyapatite (HAP), characterized in that the components are in the following ratio, wt .%:
SiO 2 - 26.0 - 33.4
P 2 O 5 - 10.5 - 13.5
Al 2 O 3 - 4.3 - 5.5
CaO - 23.6 - 30.4
MgO - 2.1 - 2.7
ZnO - 3.5 - 4.5
Hydroxyapatite (HAP) - 10.0 - 30.0
2. A method of manufacturing porous implants in the form of granules, including the synthesis of glass, the mixing of glass and hydroxyapatite (HAP), the preparation of plastic mass, the manufacture of granulate, the removal of binders, the sintering of granules, characterized in that the mixing of glass and HAP is carried out in the ratio according to paragraph 1, and the sintering process is combined with a single-stage mode of directional crystallization, as a result of which a single-crystal HAP in the dallite phase of 30-60 vol.% Is released.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121824A RU2132702C1 (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU97121824A RU2132702C1 (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2132702C1 true RU2132702C1 (en) | 1999-07-10 |
Family
ID=20200629
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU97121824A RU2132702C1 (en) | 1997-12-26 | 1997-12-26 | Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2132702C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669554C1 (en) * | 2017-12-22 | 2018-10-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Method for producing biodegradable composite materials with open porosity for bone tissue recovery |
CN112662908A (en) * | 2021-01-04 | 2021-04-16 | 云南迈特力医疗技术有限公司 | Preparation device and method of porous low-melting-point metal exoskeleton |
-
1997
- 1997-12-26 RU RU97121824A patent/RU2132702C1/en active
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2669554C1 (en) * | 2017-12-22 | 2018-10-12 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Method for producing biodegradable composite materials with open porosity for bone tissue recovery |
CN112662908A (en) * | 2021-01-04 | 2021-04-16 | 云南迈特力医疗技术有限公司 | Preparation device and method of porous low-melting-point metal exoskeleton |
CN112662908B (en) * | 2021-01-04 | 2023-09-12 | 云南迈特力医疗技术有限公司 | Preparation device and method of porous low-melting-point metal exoskeleton |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Fabbri et al. | Hydroxyapatite-based porous aggregates: physico-chemical nature, structure, texture and architecture | |
US5064436A (en) | Bone prosthetic material | |
US6846493B2 (en) | Synthetic biomaterial compound of calcium phosphate phases particularly adapted for supporting bone cell activity | |
US6585992B2 (en) | Synthetic biomaterial compound of calcium phosphate phases particularly adapted for supporting bone cell activity | |
Padilla et al. | Hydroxyapatite/SiO2–CaO–P2O5 glass materials: in vitro bioactivity and biocompatibility | |
US5549123A (en) | Process for producing biocompatible implant material by firing a mixture of a granulated powder and a combustible substance | |
US20070059379A1 (en) | Inorganic resorbable bone substitute material | |
JPS6343106B2 (en) | ||
Zanetti et al. | Characterization of novel akermanite: poly‐ϵ‐caprolactone scaffolds for human adipose‐derived stem cells bone tissue engineering | |
US7074730B2 (en) | Bioactive rhenanite glass ceramic | |
CN101631512B (en) | Method for preparing a composite material, resulting material and use thereof | |
EP1056486B1 (en) | A synthetic biomaterial compound | |
KR101762580B1 (en) | A method for preparing porous bone graft materials | |
Fine et al. | Differential response of human blood leukocytes to brushite, monetite, and calcium polyphosphate biomaterials | |
RU2132702C1 (en) | Osteoplastic glass ceramic composition material for making porous implants as granules and method of their making | |
RU2395476C1 (en) | Method of preparing porous hydroxyapatite granules | |
PL210026B1 (en) | Method of manufacturing the high-porous, bioactive calcium phosphate implant material | |
RU2303580C2 (en) | Method for manufacturing hydroxyapatite ceramics with bimodal distribution of pores | |
Bouregba et al. | Silicocarnotite synthesis and bioactivity in artificial saliva medium | |
JPH0575427B2 (en) | ||
KR960006855B1 (en) | Biomaterial for implant using glass-ceramics with bioactivity as well as biocompatibility and the manufacturing method | |
Skorokhod et al. | Porosity and bioactivity of hydroxyapatite-glass composites | |
Ivanchenko et al. | Structure and properties of composite materials based on hydroxylapatite | |
Vijayakumar et al. | Investigation on the Synthesis, Biomineralization, Mechanical Strength and Biocompatibility of Rankinite Bioceramics Derived from Eggshell and Rice Husk Waste for Biomedical Applications | |
JPH0390152A (en) | Bioactive implant material |