RU2542439C1

RU2542439C1 - Method for producing porous ceramic matrix of calcium carbonate for filling bone defects in reparative surgeries

Info

Publication number: RU2542439C1
Application number: RU2013156741/15A
Authority: RU
Inventors: Валерий Вячеславович Смирнов; Маргарита Александровна Гольдберг; Наталия Валерьевна Петракова; Сергей Миронович Баринов
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2015-02-20

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: what is described is a method for impregnation of porous polymer matrixes with liquid slurry of calcium carbonate powder containing sintering additives of alkaline metal carbonate or carbonates. The taken samples are dried and thermally treated to remove a fluid and to decompose an organic polymer. That results in producing porous ceramic matrix of calcium carbonate having a porosity of 40-60% and a compression resistance of 4-10 MPa after final sintering at temperature 540-620°C. What is described is a calcium carbonate material possessing the bioadhesive properties and high bioresorption that promotes the fast bone tissue repair.

EFFECT: calcium carbonate material possessing the bioadhesive properties and high bioresorption, promotes the fast bone tissue repair.

2 ex

Description

Перспективная медицинская технология - инженерия костной ткани, основана на имплантировании в место костного дефекта пористого матрикса с культивированными в нем клетками и факторами роста, необходимыми для остеосинтеза.A promising medical technology - bone tissue engineering, is based on the implantation of a porous matrix with the cells cultured in it and growth factors necessary for osteosynthesis into the site of the bone defect.

Одним из наиболее перспективных материалов матрикса является карбонат кальция, обладающий биоактивными свойствами и высокой биорезорбцией, что способствует быстрому восстановлению костной ткани. Ключевой проблемой является матрикс, который должен иметь высокую пористость и размер взаимосвязанных пор, достаточный для роста костной ткани de novo.One of the most promising matrix materials is calcium carbonate, which has bioactive properties and high bioresorption, which contributes to the rapid restoration of bone tissue. A key problem is the matrix, which must have a high porosity and interconnected pore size sufficient for bone growth de novo.

Основной сложностью в получении матриксов для инженерии костной ткани на основе карбоната кальция является термическая нестабильность данного соединения. В связи с этим получить прочные керамические матриксы путем спекания представляется затруднительным. На сегодняшний день в качестве матриксов на основе CaCO₃ применяют материалы из натурального коралла. (Sergeeva N.S., Sviridova I.K., Kirsanova V.A., Akhmedova S.A., Myslevtsev I.V., Shansky Ja.D. Skeleton of corals Acropora as a ″gold standard″ for development of new materials for bone substitution Ceramics / In: Abstract of 12th Annual Seminar & Meeting Cells and Tissue. Faenza, Italy, 2009. - P.72.) Однако существует ряд ограничений в возможности непосредственного использования природных кораллов в качестве имплантатов: широкая вариация химического, фазового состава природных кораллов и скорости их растворения, наличие неорганических и органических примесей. Натуральные кораллы характеризуются нерегулярной пористостью и колебаниями в составе и микроструктуре даже в пределах одного вида.The main difficulty in obtaining matrices for the engineering of bone tissue based on calcium carbonate is the thermal instability of this compound. In this regard, obtaining durable ceramic matrices by sintering is difficult. Today, natural coral materials are used as CaCO ₃ based matrices. (Sergeeva NS, Sviridova IK, Kirsanova VA, Akhmedova SA, Myslevtsev IV, Shansky Ja.D. Skeleton of corals Acropora as a ″ gold standard ″ for development of new materials for bone substitution Ceramics / In: Abstract of 12th Annual Seminar & Meeting Cells and Tissue. Faenza, Italy, 2009. - P.72.) However, there are a number of limitations in the possibility of direct use of natural corals as implants: a wide variation in the chemical, phase composition of natural corals and their dissolution rate, and the presence of inorganic and organic impurities. Natural corals are characterized by irregular porosity and fluctuations in the composition and microstructure even within the same species.

Наиболее близкими по техническому решению и достигаемому эффекту являются пористые матриксы на основе карбоната кальция для имплантации, получаемые прямой консолидацией порошка карбоната кальция на крахмале. (A.F Lemos, J.M.F Ferreira Porous bioactive calcium carbonate implants processed by starch consolidation // Materials Science and Engineering: С Volume 11, Issue 1, 30 June 2000, Pages 35-40.) В предложенной работе гранулы крахмала используются в качестве центров консолидации порошка карбоната кальция и в качестве порообразователя. Недостатком материала является быстрая растворимость крахмала, на котором осажден карбонат кальция, что может приводить к потери пористой структуры и, как следствие, формы имплантата.The closest in technical solution and the achieved effect are porous implants of calcium carbonate based on direct implantation of calcium carbonate powder on starch. (AF Lemos, JMF Ferreira Porous bioactive calcium carbonate implants processed by starch consolidation // Materials Science and Engineering: C Volume 11, Issue 1, 30 June 2000, Pages 35-40.) In the proposed work, starch granules are used as powder consolidation centers calcium carbonate and as a blowing agent. The disadvantage of the material is the rapid solubility of starch, on which calcium carbonate is deposited, which can lead to the loss of the porous structure and, as a consequence, the shape of the implant.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение пористого керамического матрикса на основе карбонат кальция с пористостью 40-60% и прочностью 4-10 МПа.The technical result of the invention is the production of a porous ceramic matrix based on calcium carbonate with a porosity of 40-60% and a strength of 4-10 MPa.

Технический результат достигается тем, что в способе получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях пористый керамический матрикс из карбоната кальция получали пропиткой пористой органической матрицы жидким шликером, содержащим жидкость, порошок карбоната кальция и спекающую добавку, с дальнейшей сушкой на воздухе и термообработкой при 540-620°C. При температуре 540-620°C происходит окончательное спекание пористого матрикса из карбоната кальция с пористостью 40-60% и прочностью 4-10 МПа при сжатии. В качестве пористой органической матрицы может использоваться любой полимерный органический материал, разлагающийся при температуре 150-500°C с образованием газообразных продуктов разложения. Используемый жидкий шликер содержит: 10-60 масс. % порошка карбоната кальция, 2-7 масс. % добавки карбоната или карбонатов щелочных металлов и остальное вода.The technical result is achieved by the fact that in the method for producing a porous ceramic matrix based on calcium carbonate for filling bone defects during reconstructive plastic operations, the porous ceramic matrix from calcium carbonate was obtained by impregnating the porous organic matrix with a liquid slip containing liquid, calcium carbonate powder and a sintering additive, with further drying in air and heat treatment at 540-620 ° C. At a temperature of 540-620 ° C, the final sintering of the porous matrix of calcium carbonate occurs with a porosity of 40-60% and a compressive strength of 4-10 MPa. As the porous organic matrix, any polymer organic material that decomposes at a temperature of 150-500 ° C with the formation of gaseous decomposition products can be used. Used liquid slip contains: 10-60 mass. % powder of calcium carbonate, 2-7 wt. % additive carbonate or carbonates of alkali metals and the rest is water.

При увеличении температуры термообработки выше 620°C происходит разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция и разрушение образца. В случае содержания спекающей добавки меньше 2 масс. % и/или температуре термообработки ниже 540°C, а также количества порошка карбоната кальция меньше 10 масс. % не происходит спекание керамического матрикса и не достигается заявленная прочность. При увеличении количества добавки более 7 масс. %, происходит сильная деформация пористого керамического матрикса. При увеличении количества порошка карбоната кальция в шликере более 60 масс. % происходит неравномерная пропитка пористой матрицы полимера, что приводит к неоднородной структуре и потере прочности после спекания. При использовании полимеров с температурой разложения ниже 150°C в процессе сушки или термообработки происходит разрушение термообрабатываемого образца, а при температуре разложения выше 500°C в образце могут оставаться токсичные продукты разложения выжигаемого полимера.With an increase in the heat treatment temperature above 620 ° C, the decomposition of calcium carbonate occurs with the formation of calcium oxide and the destruction of the sample. If the content of the sintering additive is less than 2 mass. % and / or heat treatment temperature below 540 ° C, as well as the amount of powder of calcium carbonate is less than 10 mass. % sintering of the ceramic matrix does not occur and the stated strength is not achieved. With an increase in the amount of additive more than 7 mass. %, severe deformation of the porous ceramic matrix occurs. With an increase in the amount of calcium carbonate powder in the slip more than 60 mass. % uneven impregnation of the porous matrix of the polymer occurs, which leads to an inhomogeneous structure and loss of strength after sintering. When using polymers with a decomposition temperature below 150 ° C during the drying or heat treatment, the heat-treated sample is destroyed, and at a decomposition temperature above 500 ° C, toxic decomposition products of the burned polymer may remain in the sample.

Пример 1. Пористая матрица из полиэтилена с пористостью 80% пропитывалась водным шликером, содержащим 40 масс. % порошка карбоната кальция, 2 масс. % спекающей добавки на основе карбоната натрия и воды. После сушки полученные заготовки термообрабатывали в печи до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 600°C. В результате получали пористый керамический матрикс на основе карбоната кальция, характеризующийся 50% пористостью и прочностью 5 МПа при сжатии.Example 1. A porous matrix of polyethylene with a porosity of 80% was impregnated with an aqueous slip containing 40 mass. % powder of calcium carbonate, 2 wt. % sintering additive based on sodium carbonate and water. After drying, the obtained preforms were heat treated in an oven until the organic polymer was completely removed. Final sintering was carried out at 600 ° C. As a result, a porous ceramic matrix based on calcium carbonate was obtained, characterized by 50% porosity and compressive strength of 5 MPa.

Пример 2. Пористая матрица из полиуретана с пористостью 60% пропитывалась водным шликером, содержащим 20 масс. % порошка карбоната кальция, 7 масс. % спекающей добавки (3,5 масс. % карбоната калия и 3,5 масс.% карбонат натрия) и воды. После сушки полученные заготовки термообрабатывали в печи до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 620°C. В результате получали пористый керамический матрикс на основе карбоната кальция, характеризующийся 40% пористостью и прочностью 8 МПа при сжатии.Example 2. The porous matrix of polyurethane with a porosity of 60% was impregnated with an aqueous slip containing 20 mass. % powder of calcium carbonate, 7 wt. % sintering additive (3.5 wt.% potassium carbonate and 3.5 wt.% sodium carbonate) and water. After drying, the obtained preforms were heat treated in an oven until the organic polymer was completely removed. Final sintering was carried out at 620 ° C. As a result, a porous ceramic matrix based on calcium carbonate was obtained, characterized by 40% porosity and compressive strength of 8 MPa.

Claims

A method of producing a porous ceramic matrix based on calcium carbonate for filling bone defects during reconstructive plastic surgery, characterized in that the porous ceramic matrix of calcium carbonate is obtained by impregnating the porous organic matrix with a liquid slip containing liquid, calcium carbonate powder and a sintering additive, with further drying in air and heat treatment at 540-620 ° C, at a temperature of 540-620 ° C, the final sintering of the porous matrix of calcium carbonate with a porosity of 40-60% and compressive strength of 4-10 MPa, a polymer organic material is used as a porous organic matrix, decomposing at a temperature of 150-500 ° C with the formation of gaseous decomposition products, the liquid slurry used contains: 10-60 wt.% calcium carbonate powder, 2- 7 wt.% Additives of carbonate or carbonates of alkali metals in any ratio and the rest is water.