RU2333010C1 - Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations - Google Patents

Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations Download PDF

Info

Publication number
RU2333010C1
RU2333010C1 RU2006143798/15A RU2006143798A RU2333010C1 RU 2333010 C1 RU2333010 C1 RU 2333010C1 RU 2006143798/15 A RU2006143798/15 A RU 2006143798/15A RU 2006143798 A RU2006143798 A RU 2006143798A RU 2333010 C1 RU2333010 C1 RU 2333010C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
osteal
tissue
granules
defects
bone
Prior art date
Application number
RU2006143798/15A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Валерий Иванович Чиссов
Сергей Миронович Баринов
Наталия Сергеевна Сергеева
Игорь Владимирович Решетов
Ирина Константиновна Свиридова
Валентина Александровна Кирсанова
Инна Вилоровна Фадеева
Владимир Сергеевич Комлев
Сурая Абдулла кызы Ахмедова
Михаил Михаилович Филюшин
Original Assignee
Федеральное государственное учреждение "Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" (ФГУ "МНИОИ им. П.А. Герцена Росмедтехнологий")
Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской академии наук, (ИМЕТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное учреждение "Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" (ФГУ "МНИОИ им. П.А. Герцена Росмедтехнологий"), Институт металлургии и материаловедения им. А.А.Байкова Российской академии наук, (ИМЕТ РАН) filed Critical Федеральное государственное учреждение "Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена Федерального агентства по высокотехнологичной медицинской помощи" (ФГУ "МНИОИ им. П.А. Герцена Росмедтехнологий")
Priority to RU2006143798/15A priority Critical patent/RU2333010C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2333010C1 publication Critical patent/RU2333010C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: described is material for closing osteal defects at reparative-plastic operations, manufacturing osteal implants, replacement of defects at various osteal pathologies. The material is made of calcium phosphate, represents particles of carbon-replaced hydroxyapatite with the general formula: Ca10(PO4)x(OH)y(CO3)z where 5<X<6, 0<Y<2, 0<Z<1, contains of 0.6 to 6.0 wt % CO32- groups, with an adjustable nuclear ratio of calcium/phosphorus of 1.5 to 2.1. The material is made in the form of porous spherical granules with diameter of 100 to 1000 microns, having a rough microrelief of an external surface, with the size of pores from 0.5 to 15.0 mcm at the general open porosity of 50 to 80% and a specific surface of 0.3 to 0.6 m2/g. The material possesses the following properties: high adhesion in relation to cells; combination of osteoconductivity properties and osteoinductance; affinity of chemical and phase structure of implanted material to structure of replaced tissue; adjustability of rate of dissolution at its replacement by an osteal tissue; possibility of three-dimensional uniform filling of the osteal defect repeating its form. The material can be saturated with autologous mesenchymal stem cells.
EFFECT: improved properties of the material.
2 cl, 1 tbl, 6 dwg

Description

Изобретение относится к медицине, в частности к фосфорсодержащим пористым материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях.The invention relates to medicine, in particular to phosphorus-containing porous materials intended for the manufacture of bone implants and / or replacement of defects in various bone pathologies.

В настоящее время известен ряд композиционных материалов на основе кальций-фосфатной керамики, используемых в качестве матриксов для клеточных технологий восстановления поврежденных костных тканей.Currently, a number of composite materials based on calcium phosphate ceramics are known that are used as matrices for cellular technologies for the repair of damaged bone tissues.

Известен пример использования в качестве имплантата костной ткани гранулированного гидроксиапатита (далее - ГА) с частичным (1,2 и 2,05%) замещением на карбонатгидроксиапатит (далее - КГА), что сопоставимо с заявляемым материалом по содержанию карбонат групп. Размер зерен указанного материала составляет 0,33 и 0,24 мкм, соответственно (Journal of materials science: materials in medicine 16 (2005) 899-907). Описан эксперимент in vivo на овцах. К недостаткам известного материала при использовании его в качестве имплантата костной ткани относится то обстоятельство, что частицы КГА получены путем спекания керамических тел и последующим измельчением компакта, что приводит к резкому снижению прочности имплантата. Кроме того, малый размер зерен и отсутствие внутренних пор является значительным препятствием для процесса остеогенеза.A well-known example is the use of granular hydroxyapatite (hereinafter - HA) as a bone tissue implant with partial (1.2 and 2.05%) substitution with carbonate hydroxyapatite (hereinafter - KHA), which is comparable with the claimed material in terms of carbonate groups. The grain size of this material is 0.33 and 0.24 μm, respectively (Journal of materials science: materials in medicine 16 (2005) 899-907). An in vivo experiment on sheep is described. The disadvantages of the known material when used as a bone tissue implant include the fact that KHA particles are obtained by sintering ceramic bodies and subsequent grinding of the compact, which leads to a sharp decrease in the strength of the implant. In addition, the small grain size and the absence of internal pores is a significant obstacle to the process of osteogenesis.

Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является КГА, представляющий собой пористые тела, полученные путем пропитывания целлюлозных губок порошком КГА с последующим спеканием. Испытание в качестве имплантагов костной ткани проводилось in vivo на новозеландских белых кроликах (Journal of the European Ceramic Society 23 (2003) 2931-2937). Принят за прототип. Данный материал, включающий КГА, имеет взаимосвязанную систему микро- и макропор с общей пористостью до 45%. Соотношение Са/Р в известном КГА составляет 2,01±0,02. Такой материал, используемый в качестве костного заместителя, проявил в эксперименте свойства биорезорбции и ускорения процесса остеогенеза по сравнению с материалом, состоящим из чистого ГА. Однако, как следует из содержания прототипа, имплантируемый материал размещают в костном дефекте в виде керамических частиц неправильной формы, что может вызвать значительные затруднения при заполнении дефектов сложной конфигурации и травмировать окружающую ткань из-за неправильной формы частиц, вызывая воспаления и другие негативные последствия. Кроме того, соотношение Са/Р в прототипе фиксировано равным 2,01±0,02, что не позволяет варьировать химические свойства предлагаемого КГА в требуемых пределах.The closest analogue to the claimed invention is KGA, which is a porous body obtained by impregnating cellulose sponges with KGA powder, followed by sintering. Bone implant testing was conducted in vivo in New Zealand white rabbits (Journal of the European Ceramic Society 23 (2003) 2931-2937). Adopted for the prototype. This material, including KGA, has an interconnected system of micro- and macropores with a total porosity of up to 45%. The Ca / P ratio in the known KGA is 2.01 ± 0.02. Such material, used as a bone substitute, showed in the experiment the properties of bioresorption and acceleration of the osteogenesis process in comparison with a material consisting of pure HA. However, as follows from the content of the prototype, the implantable material is placed in the bone defect in the form of ceramic particles of irregular shape, which can cause significant difficulties in filling defects of complex configuration and injure the surrounding tissue due to irregular particle shape, causing inflammation and other negative consequences. In addition, the ratio of Ca / P in the prototype is fixed equal to 2.01 ± 0.02, which does not allow to vary the chemical properties of the proposed KGA within the required limits.

Заявляемое изобретение направлено на решение задачи создания синтетического неорганического композиционного материала, предназначенного для замещения различных костных дефектов.The claimed invention is directed to solving the problem of creating a synthetic inorganic composite material designed to replace various bone defects.

При использовании заявляемого изобретения могут быть достигнуты следующие технические и лечебные результаты:When using the claimed invention, the following technical and therapeutic results can be achieved:

- биологическая активность имплантируемого материала, в том числе высокие адгезивные свойства по отношению к клеткам;- biological activity of the implanted material, including high adhesive properties with respect to cells;

- сочетание свойств остеокондуктивности и остеоиндуктивности;- a combination of the properties of osteoconductivity and osteoinductance;

- близость химического и фазового состава имплантируемого материала к составу замещаемой ткани;- the proximity of the chemical and phase composition of the implanted material to the composition of the replaced tissue;

- регулируемость скорости растворения при его замещении костной тканью:- adjustable dissolution rate when it is replaced by bone tissue:

- возможность трехмерного равномерного заполнения костного дефекга, повторяющего его форму.- the possibility of three-dimensional uniform filling of bone defecg, repeating its shape.

Указанные технические и лечебные результаты при осуществлении изобретения достигаются за счет того, что материал для закрытия костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях представляет собой частицы КГА с системой взаимосвязанных микро- и макропор.The indicated technical and therapeutic results during the implementation of the invention are achieved due to the fact that the material for closing bone defects during reconstructive plastic surgery is a particle of KHA with a system of interconnected micro- and macropores.

Особенность изобретения заключается в том, что КГА имеет общую формулу Са10(PO4)×(СО3)у(ОН)z, где 5<Х<6, 0<Y<2, 0<Z<1, содержит от 0,6 до 6,0 мас.% групп СО32-, с регулируемым атомным соотношением кальций/фосфор от 1,5 до 2,1. При этом материал выполнен в форме пористых сферических гранул диаметром от 100 до 1000 мкм, имеющих шероховатый микрорельеф внешней поверхности, и размерами пор от 0,5 до 15,0 мкм при общей открытой пористости от 50 до 80% и удельной поверхностью от 0,3 до 0,6 м2/г;A feature of the invention is that the KGA has the general formula Ca 10 (PO 4 ) × (CO 3 ) y (OH) z , where 5 <X <6, 0 <Y <2, 0 <Z <1, contains from 0 , 6 to 6.0 wt.% Groups CO 3 2- , with an adjustable atomic ratio of calcium / phosphorus from 1.5 to 2.1. The material is made in the form of porous spherical granules with a diameter of 100 to 1000 microns, having a rough microrelief of the outer surface, and pore sizes of 0.5 to 15.0 microns with a total open porosity of 50 to 80% and a specific surface of 0.3 up to 0.6 m 2 / g;

Сущность изобретения состоит в следующем.The invention consists in the following.

Основным требованием к материалам, используемым в качестве матриксов для клеточных технологий восстановления поврежденных костных тканей, является их биологическая активность. Под понятием биологическая активность подразумевается способность синтетического материала активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними, проявляя остеокондуктивность и/или остеоиндуктивность. Остеокондуктивность - это способность материала к адгезии и связыванию остеогенных клеток, обеспечению биологических потоков, неоваскуляризации и поддержанию процессов пролиферации и дифференцировки клеток из окружающей живой ткани с образованием непосредственной связи с костной тканью и постепенным замещением новообразующейся тканью. Остеоиндуктивность - это способность материала индуцировать на его поверхности дифференцировку клеток из окружающих некостных тканей в остеообразующие клетки (хондроциты, остеобласты). Сочетание остеокондуктивного и остеоиндуктивного поведения возможно при условии, когда материал оказывает влияние на функции клеток, например, усиливая эффективность дифференцировки мезенхимальных стволовых клеток в остеообразующие при культивировании первых на биоактивном материале. Заявляемый материал полностью соответствует указанным требованиям, что подтверждено результатами экспериментов in vitro и in vivo, приводимыми ниже.The main requirement for the materials used as matrices for cell technology for the restoration of damaged bone tissue is their biological activity. The term biological activity means the ability of a synthetic material to actively interact with surrounding tissues with the formation of a direct connection with them, exhibiting osteoconductivity and / or osteoinductance. Osteoconductivity is the ability of a material to adhere and bind osteogenic cells, ensure biological fluxes, neovascularization and maintain the processes of proliferation and differentiation of cells from surrounding living tissue with the formation of a direct connection with bone tissue and the gradual replacement of newly formed tissue. Osteoinductance is the ability of a material to induce on its surface the differentiation of cells from surrounding non-bone tissues into osteo-forming cells (chondrocytes, osteoblasts). A combination of osteoconductive and osteoinductive behavior is possible provided that the material affects the functions of the cells, for example, increasing the efficiency of differentiation of mesenchymal stem cells into osteoblast when cultivating the former on bioactive material. The inventive material is fully consistent with these requirements, which is confirmed by the results of in vitro and in vivo experiments, given below.

При разработке материалов для реконструкции костных тканей целесообразно достичь максимальной близости химического и фазового состава имплантируемого материала к составу замещаемой ткани. С этой точки зрения особый интерес для применения в качестве биологически активного материала представляют собой КГА. Установлено, что биологический апатит костных и зубных тканей содержит значительные количества карбонат групп. В зависимости от возраста человека, содержание групп СО32- в костных тканях достигает от 2,3 до 8,0 мас.%. Известны оценки того, что минеральная составляющая эмали, дентина и костной ткани содержит, соответственно, 3,5, 5,6 и 7,4 мас.% групп СО32-. Карбонатные группы создают решеточные искажения, микронапряжения и дефекты кристаллической решетки, что способствует увеличению резорбируемости материала и усилению способности к остеоинтеграции. Заявляемый материал содержит от 0,6 до 6,0 мас.% групп СО32-.When developing materials for bone tissue reconstruction, it is advisable to achieve maximum closeness of the chemical and phase composition of the implanted material to the composition of the replaced tissue. From this point of view, KGA are of particular interest for use as biologically active material. It has been established that biological apatite of bone and dental tissues contains significant amounts of carbonate groups. Depending on the age of the person, the content of CO 3 2- groups in bone tissues reaches from 2.3 to 8.0 wt.%. It is known that the mineral component of enamel, dentin and bone tissue contains, respectively, 3.5, 5.6 and 7.4 wt.% Groups of CO 3 2- . Carbonate groups create lattice distortions, microstresses, and defects in the crystal lattice, which contributes to an increase in the resorbability of the material and an increase in the ability to osseointegration. The inventive material contains from 0.6 to 6.0 wt.% Groups of CO 3 2- .

Важным критерием при выборе материала для имплантата является кинетика растворения керамики внеклеточными жидкостями организма (кинетика биорезорбции). Установлено, что оптимальная кинетика биорезорбции, соответствующая кинетике остеогенеза в процессе замещении матрикса новообразующейся костной тканью, имеет место при атомном соотношении кальций/фосфор от 1,5 до 2,1. Разработанная технология позволяет регулировать указанное атомное соотношение, что, в конечном счете, позволяет достичь технического эффекта регулируемости скорости биорезорбции.An important criterion when choosing a material for an implant is the kinetics of ceramic dissolution by extracellular body fluids (bioresorption kinetics). It has been established that the optimal kinetics of bioresorption, corresponding to the kinetics of osteogenesis during the replacement of the matrix with newly formed bone tissue, occurs at an atomic ratio of calcium / phosphorus from 1.5 to 2.1. The developed technology allows you to adjust the specified atomic ratio, which, ultimately, allows you to achieve the technical effect of the adjustable speed of bioresorption.

Заявляемый материал выполнен в форме гранул, имеющих сферическую форму с шероховатой внешней поверхностью, диаметром от 100 до 1000 мкм, и размерами пор от 0,5 до 15,0 мкм при общей открытой пористости от 50 до 80% и удельной поверхностью от 0,3 до 0,6 м2/г. Гранулы имеют систему открытых взаимосвязанных пор.The inventive material is made in the form of granules having a spherical shape with a rough outer surface, a diameter of from 100 to 1000 microns, and pore sizes from 0.5 to 15.0 microns with a total open porosity of 50 to 80% and a specific surface of 0.3 up to 0.6 m 2 / g. Granules have a system of open interconnected pores.

Использование сферических гранул, имеющих указанные размеры, позволяет осуществить трехмерное равномерное заполнение костного дефекта, повторяющее его форму. Гранулы меньшей величины (менее 100 мкм) представляют собой порошок, частицы которого при внесении в костный дефект слипаются друг с другом, образуя непроницаемую массу. Излишняя величина гранул (более 1000 мкм) снижает площадь контакта с окружающей биологической тканью, вызывает затруднения их размещения в дефектах неправильной формы.The use of spherical granules having the indicated dimensions allows for a uniform three-dimensional filling of the bone defect, repeating its shape. Granules of a smaller size (less than 100 μm) are a powder, the particles of which, when introduced into a bone defect, stick together with each other, forming an impenetrable mass. Excessive size of granules (more than 1000 microns) reduces the area of contact with the surrounding biological tissue, causing difficulties in their placement in defects of irregular shape.

Пористость, особенно наличие взаимосвязанной системы пор, усиливает адгезивные свойства материала. Наличие мелких пор, с диаметром ~5,0 мкм, создает условия для проникновения в имплантат внеклеточной жидкости из окружающих тканей. Взаимосвязанная система более крупных пор с размерами 10,0-15,0 мкм создает оптимальные условия для замещения матрикса остеогенными клетками, неоваскуляризации и поддержания процессов пролиферации и дифференцировки клеток из окружающей живой ткани с образованием непосредственной связи с костной тканью и постепенным замещением новообразующейся тканью. На этапе предподготовки биоимплантата, включающего культивирование мезенхимальных стволовых клеток (далее МСТ), пористость гранул приобретает особое значение, поскольку с увеличением пористости увеличивается культуральная поверхность матрикса. Шероховатость внешней поверхности гранул обеспечивает повышение их адгезивных свойств по отношению к остеообразующим клеткам. Удельная поверхность менее 0,3 м2/г неэффективна для адгезии; при удельной поверхности более 0,6 м2/г гранулы имеют малый размер и склонны к образованию агломератов и плотной массы, что затрудняет заполнение ими костного дефекта.Porosity, especially the presence of an interconnected pore system, enhances the adhesive properties of the material. The presence of small pores with a diameter of ~ 5.0 μm creates the conditions for the penetration of extracellular fluid into the implant from surrounding tissues. An interconnected system of larger pores with sizes of 10.0-15.0 μm creates optimal conditions for the replacement of the matrix with osteogenic cells, neovascularization and maintenance of proliferation and differentiation of cells from surrounding living tissue with the formation of a direct connection with bone tissue and the gradual replacement of newly formed tissue. At the stage of pre-preparation of the bioimplant, including the cultivation of mesenchymal stem cells (hereinafter referred to as MCT), the granule porosity acquires special significance, since with the increase in porosity the matrix cultural surface increases. The roughness of the outer surface of the granules provides an increase in their adhesive properties with respect to osteo-forming cells. A specific surface of less than 0.3 m 2 / g is ineffective for adhesion; at a specific surface of more than 0.6 m 2 / g, the granules are small and prone to the formation of agglomerates and dense mass, which makes it difficult to fill them with a bone defect.

Таким образом, за счет трехмерной укладки пористых керамических гранул в костном дефекте достигается оптимальный режим репаративного остеогенеза. При этом шероховатость поверхности отдельных гранул значительно увеличивает общую площадь поверхности, и следовательно, площадь для активной клеточной экспансии. Тем самым шероховатость поверхности гранул обеспечивает им матриксные качества - способствует миграции остеобластов с заселением отдельных гранул и формированием зрелой костной ткани. Пористость создает условия для эффективного неоваскулогенеза.Thus, due to the three-dimensional laying of porous ceramic granules in the bone defect, an optimal regime of reparative osteogenesis is achieved. Moreover, the surface roughness of individual granules significantly increases the total surface area, and therefore, the area for active cell expansion. Thus, the surface roughness of the granules provides them with matrix qualities - it facilitates the migration of osteoblasts with the colonization of individual granules and the formation of mature bone tissue. Porosity creates the conditions for effective neovasculogenesis.

Заявляемый материал в полной мере отвечает требованиям биосовместимости, предъявляемым к материалам для имплантации, то есть отсутствию цитотоксических и других отрицательных реакций при контакте с живой тканью. Заявляемый материал обладает остеогенным эффектом, иммунной инертностью.The inventive material fully meets the biocompatibility requirements for materials for implantation, that is, the absence of cytotoxic and other negative reactions in contact with living tissue. The inventive material has an osteogenic effect, immune inertness.

Указанные качества заявляемого материала подтверждены экспериментальными результатами, проведенными in vitro и in vivo.The indicated qualities of the claimed material are confirmed by experimental results carried out in vitro and in vivo.

Эксперименты in vitro no оценке динамики нарастания клеток на образцах заявляемого материала выполнены на модели клеточной линии иммортализованных нормальных фибробластов человека (далее ФЧ), полученной из Коллекции Типовых Клеточных культур Медико-Генетического научного центра РАМН. Жизнеспособность ФЧ в динамике эксперимента оценивали с помощью МТТ метода. При исследовании острой токсичности КГА с 0,6% и 6,0% замещения анионами СО32- было установлено отсутствие токсических проявлений этих материалов в отношении перевивной культуры ФЧ - после культивирования в течение суток культуры ФЧ выживало 70-85% клеточной популяции. Авторами изобретения были также исследованы матриксные свойства указанных КГА при долгосрочном культивировании на них ФЧ. Установлено, что при регулярной смене ростовой среды дважды в неделю количество ФЧ на этих материалах монотонно увеличивалось вплоть до 28-х суток наблюдения. Учитывая, что через сутки после инкубации с этими материалами выжило 70-85% от инициального пула клеток, к окончанию эксперимента популяция ФЧ увеличилась на образцах 0,6% и 6,0% замещения анионами СО32- в 9 и 7 раз соответственно.In vitro experiments to assess the dynamics of cell growth on the samples of the claimed material were performed on a model of the cell line of immortalized normal human fibroblasts (hereinafter referred to as PS), obtained from the Collection of Typical Cell Cultures of the Medical Genetic Research Center of the Russian Academy of Medical Sciences. The viability of the PS in the dynamics of the experiment was evaluated using the MTT method. In the study of acute toxicity of CAA with 0.6% and 6.0% substitution by CO 3 2– anions, the absence of toxic manifestations of these materials with respect to transplantable culture of FC was found - after culturing for one day culture of FC survived 70-85% of the cell population. The inventors also investigated the matrix properties of these KGAs during long-term cultivation of PS on them. It was found that with a regular change in the growth medium twice a week, the amount of PS on these materials monotonically increased up to the 28th day of observation. Given that a day after incubation with these materials survive 70-85% from an initial pool of cells, the end of the experimental population on the FF samples increased 0.6% and 6.0% of replacement anions CO 3 2- in 9 and 7 times, respectively.

В экспериментах in vivo при подкожной трансплантации мышам заявляемых биокерамических материалов установлено, что на изученных сроках наблюдения исследуемые биокерамические материалы не вызывали реакции воспаления, макро- и микропризнаков отторжения, что свидетельствует об их биосовместимости. Через две недели после подкожной трансплантации было обнаружено, что гранулы КГА, имеющие сферическую форму разных размеров и шероховатую наружную поверхность, окружены зрелой соединительной тканью. Внутреннее пространство гранул разрежено и имеет многочисленные полости, которые активно заселяются фибробластами. Параллельно процессу инкапсулирования каждой гранулы КГА и конгломерата гранул в целом, активно наблюдается процесс неоваскуляризации. Фибробласты начинают формировать вокруг себя соединительную ткань с отложением межклеточного матрикса. В этих островках «юной» соединительной ткани также начинается процесс неоваскуляризации.In in vivo experiments with subcutaneous transplantation into mice of the claimed bioceramic materials, it was found that, at the studied observation time, the bioceramic materials studied did not cause an inflammation reaction, macro- and micro-signs of rejection, which indicates their biocompatibility. Two weeks after subcutaneous transplantation, it was found that KHA granules, having a spherical shape of different sizes and a rough outer surface, are surrounded by mature connective tissue. The inner space of the granules is sparse and has numerous cavities that are actively populated by fibroblasts. In parallel with the encapsulation process of each KHA granule and the granule conglomerate as a whole, the process of neovascularization is actively observed. Fibroblasts begin to form around them connective tissue with deposition of the intercellular matrix. In these islands of "young" connective tissue, the process of neovascularization also begins.

Таким образом, результаты исследования матриксных качеств гранул КГА с различной степенью замещения анионами СО32- свидетельствуют об их пригодности для замещения костных дефектов (см. таблицу).Thus, the results of a study of the matrix qualities of KHA granules with varying degrees of substitution with CO 3 2- anions indicate their suitability for replacing bone defects (see table).

Биомедицинские показатели гранул КГА в зависимости от их физико-химических характеристикBiomedical indicators of KHA granules depending on their physicochemical characteristics Образец №Sample No. Размер гранул, мкмThe size of the granules, microns Содержание СО32-, масс.%The content of CO 3 2- , wt.% Соотношение Са/РCa / P ratio Пористость, %Porosity,% Размер пор, мкмPore size, microns РезультатResult 1one <100<100 3,03.0 1,81.8 7070 0,5-100.5-10 Слипание и агломерирование гранулAdhesion and agglomeration of granules 22 100one hundred 3,03.0 1,81.8 6565 0,5-100.5-10 Удовлетворительный результат*Satisfactory result * 33 500500 3,03.0 1,81.8 7474 0,5-100.5-10 Удовлетворительный результат*Satisfactory result * 4four 10001000 3,03.0 1,81.8 8080 0,5-100.5-10 Удовлетворительный результат*Satisfactory result * 55 10001000 0,10.1 1,81.8 5959 0,5-100.5-10 Низкая скорость резорбцииLow resorption rate 66 10001000 7,07.0 2,52,5 6060 Слишком высокая скорость резорбцииResorption rate too high 77 10001000 3,03.0 1,81.8 6868 0,50.5 Недостаточные адгезивные свойстваInadequate adhesive properties 88 10001000 3,03.0 1,41.4 8080 >10> 10 Назкая шероховатость поверхности и низкая динамика нарастания клетокNarrow surface roughness and low cell growth dynamics 99 10001000 4,54,5 2,22.2 6565 0,5-100.5-10 Удовлетворительный результат*Satisfactory result * 1010 10001000 3,03.0 1,81.8 8383 0,5-100.5-10 Гранулы непрочныеGranules are fragile 11eleven 10001000 3,03.0 1,71.7 4747 0,5-100.5-10 Не происходит эффективного заполнения клеткамиEffective cell filling does not occur. 88 >1000> 1000 3,03.0 1,71.7 6565 Неэффективно заполнение костного дефектаBone defect filling is ineffective * - по результатам испытаний in vitro выраженные матриксные качества поверхности образцов.* - according to the results of in vitro tests, the expressed matrix qualities of the surface of the samples.

В настоящее время получила развитие концепция, основанная на использовании стромальных стволовых клеток, пролиферация и дифференцировка которых обеспечивает регенерацию тканей. Для реализации данной технологии большое значение имеют параметры и свойства матриксов для культивирования клеток с последующей их имплантацией в тканевый дефект.Currently, a concept based on the use of stromal stem cells, the proliferation and differentiation of which provides tissue regeneration, has been developed. For the implementation of this technology, the parameters and properties of the matrices for the cultivation of cells with their subsequent implantation in a tissue defect are of great importance.

Для получения биоимплантата гранулы КГА были насыщены аутологичными МСК. Для этого паспортизованная по имуннофенотипу, морфологии и пролиферативной активности культура МСК 1-3 пассажей была перенесена в культуральную емкость, содержащую гранулы КГА в полной ростовой среде в количестве 5-50 тыс. клеток на см2. Количество клеточной массы определялось величиной удельной поверхности керамического материала и предполагаемым объемом тканевого дефекта. Установлено, что по истечении 5-8 суток совместного культивирования биоимплантат (МСК, иммобилизованные на КГА матриксе) может быть использован для интраоперационного замещения костного дефекта любой конфигурации и объема.To obtain a bioimplant, KHA granules were saturated with autologous MSCs. For this, a culture of MSC 1-3 passports certified by immunophenotype, morphology, and proliferative activity was transferred to a culture vessel containing KHA granules in complete growth medium in an amount of 5-50 thousand cells per cm 2 . The amount of cell mass was determined by the specific surface area of the ceramic material and the estimated volume of the tissue defect. It was found that after 5-8 days of co-cultivation, the bioimplant (MSC immobilized on the KGA matrix) can be used for intraoperative replacement of a bone defect of any configuration and volume.

Таким образом, изложенные сведения свидетельствуют о том, что заявляемый материал для закрытия костных дефектов при реконструктивно-пласгических операциях отвечает критериям патентоспособности и обладает значительными преимуществами по сравнению с известными материалами того же назначения.Thus, the above information indicates that the claimed material for closing bone defects during reconstructive-plasmatic operations meets the criteria of patentability and has significant advantages compared with known materials of the same purpose.

Авторами были также проведены исследования in vivo, касающиеся возможности закрытия костного дефекта голени крысы гранулированной КГА керамикой, и керамикой, насыщенной аутологичными МСК. Для этого было сформировано 3 группы животных:The authors also conducted in vivo studies regarding the possibility of closing the bone defect of the lower leg of the rat with granular KHA ceramics, and ceramics saturated with autologous MSCs. For this, 3 groups of animals were formed:

1 гр. - дефект голени - контрольная группа для изучения спонтанного закрытия дефекта;1 g - shin defect - a control group to study the spontaneous closure of the defect;

2 гр. - имплантация в дефект гранул КГА, предварительно насыщенных полной ростовой средой;2 gr. - implantation of KGA granules pre-saturated with a complete growth medium into the defect;

3 гр. - закрытие дефекта голени крысы биоимплантатами - гранулами КГА с иммобилизованными аутологичными МСК III пассажа.3 gr. - closing of the tibia defect in the rat with bioimplants - KHA granules with immobilized autologous MSCs of passage III.

Для создания костного дефекта крысам- самцам линии Wistar под общим наркозом формировали окончатый дефект верхнего кортикального слоя голени длиной 5-7 мм. Содержимое костного канала под дефектом удаляли до нижнего кортикального слоя. Затем дефект полностью заполняли гранулированной КГА биокерамикой. Для предотвращения периостальной физиологической регенерации надкостницу по краям дефекта срезали. Операцию заканчивали послойным ушиванием раны. В сроки 3, 7, 9, 12 недель, 6, 9 и 12 месяцев по 3 животных каждой группы выводили из эксперимента. Ткани зоны дефекта с окружающими тканями использовали для приготовления гистологических препаратов.To create a bone defect, male Wistar rats under general anesthesia formed a fenestrated defect of the upper cortical layer of the lower leg 5-7 mm long. The content of the bone channel under the defect was removed to the lower cortical layer. Then the defect was completely filled with granular KGA bioceramics. To prevent periosteal physiological regeneration, the periosteum was cut off along the edges of the defect. The operation was completed by layering the wound. In terms of 3, 7, 9, 12 weeks, 6, 9 and 12 months, 3 animals of each group were removed from the experiment. Tissue defect area tissues with surrounding tissues were used to prepare histological specimens.

Динамика замещения дефекта голени крыс гранулами КГА представлена на фиг 1a - 1 г (увел.× 100), окраска - гематоксилин-эозин.The dynamics of the replacement of the tibia defect in rats with KHA granules is shown in Figs. 1a - 1 g (enlarged × 100), color - hematoxylin-eosin.

Установлено, что уже через 3 недели после травмы гранулы КГА без аутологичных МСК стимулировали остео- и хондрогенез. (Фиг.1а), причем эти процессы протекали параллельно с биорезорбцией вещества гранул. В результате в зоне костномозгового канала и на месте верхнего кортикального слоя гранулы сетчатой структуры оказались «вмурованными» в юную костную ткань с очагами гемопоэза, а в зоне формирующейся надкостницы - окружены волокнистой соединительной тканью. К 7- 9-й неделям процесс остеогенеза нарастал (Фиг.1б, в), к 13 неделям остатки гранул были замурованы в зрелую костную ткань (Фиг.1г). Таким образом, гранулированный КГА продемонстрировал выраженные остеокондуктивные свойства: даже в крупном очаге гемопоэза остатки гранул были окружены ободком формирующейся костной ткани.It was found that already 3 weeks after the injury, KHA granules without autologous MSCs stimulated osteo- and chondrogenesis. (Figa), and these processes proceeded in parallel with the bioresorption of the substance of the granules. As a result, in the area of the medullary canal and in place of the upper cortical layer, the granules of the reticular structure were “embedded” in the young bone tissue with foci of hematopoiesis, and in the area of the emerging periosteum, they were surrounded by fibrous connective tissue. By the 7th-9th weeks, the process of osteogenesis was growing (Fig. 1b, c), by 13 weeks the remains of the granules were walled up in mature bone tissue (Fig. 1d). Thus, the granular KHA showed pronounced osteoconductive properties: even in a large hemopoiesis focus, the remains of the granules were surrounded by the rim of the forming bone tissue.

В 3-й группе животных (закрытие дефекта гранулами КГА, насыщенными аутологичными МСК) процессы репаративного остеогенеза протекали активнее, чем во 2-й опытной группе: уже через 2 недели после имплантации наблюдалась активная оссификация с очагами гемопоэза в промежутках между «разреженными» гранулами, которая свидетельствовала о формировании губчатой костной ткани, причем эти процессы к 7-й - 9-й неделям визуализировались и внутри резорбирующихся гранул (Фиг.2а, б). В эти же сроки был отмечен и процесс физиологического ремоделирования костной ткани:In the 3rd group of animals (closing the defect with KHA granules saturated with autologous MSCs), the processes of reparative osteogenesis proceeded more actively than in the 2nd experimental group: 2 weeks after implantation, active ossification was observed with foci of hematopoiesis between the “sparse” granules, which testified to the formation of cancellous bone tissue, and these processes by the 7th - 9th weeks were visualized inside the resorbable granules (Figa, b). At the same time, the process of physiological remodeling of bone tissue was noted:

скопления многоядерных остеокластов вокруг остатков отдельных гранул во внутреннем слое надкостницы.accumulations of multinucleated osteoclasts around the remains of individual granules in the inner layer of the periosteum.

Таким образом установлено, что пористые гранулы КГА без аутологичных МСК и нагруженные аутологичными МСК обладают остеокондуктивными и остеоиндуктивными потенциями. Важно при этом отметить, что данный биоматериал не угнетает морфогенетических потенций окружающих тканей и стимулирует репаративную регенерацию.Thus, it was found that porous KHA granules without autologous MSCs and loaded with autologous MSCs have osteoconductive and osteoinductive potencies. It is important to note that this biomaterial does not inhibit the morphogenetic potentials of the surrounding tissues and stimulates reparative regeneration.

Claims (2)

1. Материал для закрытия костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях на основе фосфатов кальция, представляющий собой частицы карбонатзамещенного гидроксиапатита с системой взаимосвязанных микро- и макропор, отличающийся тем, что карбонатзамещенный гидроксиапатит общей формулы Са10(PO4)×(ОН)у(СО3)z, где 5<Х<6, 0<Y<2, 0<Z<1, содержит от 0,6 до 6,0 мас.% групп СО32- с регулируемым атомным отношением кальций/фосфор от 1,5 до 2,1, при этом материал выполнен в форме пористых сферических гранул диаметром от 100 до 1000 мкм, имеющих шероховатый микрорельеф внешней поверхности, и с размерами пор от 0,5 до 15,0 мкм при общей открытой пористости от 50 до 80% и удельной поверхностью от 0,3 до 0,6 м2/г.1. Material for closing bone defects during reconstructive plastic surgery based on calcium phosphates, which is a carbonate-substituted hydroxyapatite particle with a system of interconnected micro- and macropores, characterized in that carbonate-substituted hydroxyapatite of the general formula Ca 10 (PO 4 ) × (OH) y ( СО 3 ) z , where 5 <X <6, 0 <Y <2, 0 <Z <1, contains from 0.6 to 6.0 wt.% CO 3 2- groups with an adjustable atomic ratio of calcium / phosphorus from 1 , 5 to 2.1, while the material is made in the form of porous spherical granules with a diameter of from 100 to 1000 microns, having a rough m krorelef outer surface and having a pore size of from 0.5 to 15.0 microns for a total open porosity of 50 to 80% and a specific surface area of 0.3 to 0.6 m 2 / g. 2. Материал по п.1, отличающийся тем, что он дополнительно насыщен аутологичными мезенхимальными стволовыми клетками.2. The material according to claim 1, characterized in that it is additionally saturated with autologous mesenchymal stem cells.
RU2006143798/15A 2006-12-12 2006-12-12 Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations RU2333010C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006143798/15A RU2333010C1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2006143798/15A RU2333010C1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2333010C1 true RU2333010C1 (en) 2008-09-10

Family

ID=39866827

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2006143798/15A RU2333010C1 (en) 2006-12-12 2006-12-12 Material for closing osteal defects at reparative-plastic operations

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2333010C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115814160A (en) * 2022-10-21 2023-03-21 深圳兰度生物材料有限公司 Bone repair material and preparation method thereof

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. OF THE EUROPEAN CERAMIC SOCIETY, V.23, N.15, 2003, p.2931-2937, реферат. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115814160A (en) * 2022-10-21 2023-03-21 深圳兰度生物材料有限公司 Bone repair material and preparation method thereof
CN115814160B (en) * 2022-10-21 2024-02-06 深圳兰度生物材料有限公司 Bone repair material and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ribas et al. Current advances in bone tissue engineering concerning ceramic and bioglass scaffolds: A review
Rh. Owen et al. Hydoxyapatite/beta‐tricalcium phosphate biphasic ceramics as regenerative material for the repair of complex bone defects
Rahaman et al. Bioactive glass in tissue engineering
Wu et al. 3D-printing of highly uniform CaSiO 3 ceramic scaffolds: preparation, characterization and in vivo osteogenesis
Oryan et al. Bone regenerative medicine: classic options, novel strategies, and future directions
EP1385449B1 (en) Biologically-functionalised, metabolically-inductive implant surfaces
EP0987032B1 (en) Ceramic material for osteoinduction comprising micropores in the surface of macropores
RU2491960C9 (en) Three-dimensional matrixes from structured porous monetite for tissue engineering and bone regeneration and method of their obtaining
DeBruijn et al. Bone induction by implants coated with cultured osteogenic bone marrow cells
Gu et al. Biodegradable borosilicate bioactive glass scaffolds with a trabecular microstructure for bone repair
ES2665848T3 (en) Calcium phosphate material
ES2356304T3 (en) HARMONY PRODUCT FOR HUMAN BONE TISSUE ENGINEERING, PROCEDURES FOR PREPARATION.
Al-Munajjed et al. Influence of a novel calcium-phosphate coating on the mechanical properties of highly porous collagen scaffolds for bone repair
JP2013509260A (en) Dynamically bioactive bone graft material with artificially created porosity
Agacayak et al. Effects of mesenchymal stem cells in critical size bone defect.
Rahaman Bioactive ceramics and glasses for tissue engineering
Adel‐Khattab et al. Development of a synthetic tissue engineered three‐dimensional printed bioceramic‐based bone graft with homogenously distributed osteoblasts and mineralizing bone matrix in vitro
Lee et al. Effects of porous beta-tricalcium phosphate-based ceramics used as an E. coli-derived rhBMP-2 carrier for bone regeneration
Hu et al. Porous biphasic calcium phosphate ceramics coated with nano-hydroxyapatite and seeded with mesenchymal stem cells for reconstruction of radius segmental defects in rabbits
Shepherd et al. Synthetic hydroxyapatite for tissue engineering applications
CN103341206A (en) Calcium phosphate/collagen/bone-like apatite three-level bionic bone tissue engineering scaffold and preparation method thereof
Sa et al. Beneficial effects of biomimetic nano-sized hydroxyapatite/antibiotic gentamicin enriched chitosan–glycerophosphate hydrogel on the performance of injectable polymethylmethacrylate
Dorozhkin Calcium orthophosphate bioceramics
Lee et al. Whitlockite granules on bone regeneration in defect of rat calvaria
Amin et al. Bioceramic scaffolds

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20181213