RU2609831C1 - Способ изготовления имплантата - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления костных имплантатов в восстановительной хирургии. Описан способ изготовления имплантата из углеродного материала формированием волокнистой армирующей основы в виде каркаса, построенного из стержней, с последующим осаждением пироуглеродной матрицы последующей механической обработкой блока для придания имплантату требуемого размера и формы и последующей обработкой имплантата на воздухе при температуре 250-350°C или парами воды при температуре 450-650°C. Имплантат по своим механическим и токсическим свойствам полностью соответствует требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для замещения костных дефектов, и обладает повышенной биоактивностью. 2 з.п. ф-лы.

Description

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления костных имплантатов в восстановительной хирургии.

В настоящее время для изготовления имплантатов используются материалы различных классов: металлы (титан), керамика (оксиды алюминия и циркония, ситаллы, гидроксиапатит) и некоторые синтетические полимеры (высокомолекулярный полиэтилен и его производные).

Металлические, полимерные и многие другие материалы, используемые в качестве имплантатов, обладают рядом недостатков. Многочисленными исследованиями показано, что применение металлических имплантатов - особенно при воспалительных заболеваниях кости - часто приводит к резорбции костной ткани, а ионы металлов, диффундируя в окружающие ткани, вызывают их поражение - металлоз. К недостаткам металлических имплантатов следует отнести усталость металлов и их подверженность коррозии.

Полимерные материалы не обладают достаточной биологической инертностью, часто вызывают резорбцию костной ткани и подвержены биологическому старению, в процессе которого эти материалы выделяют токсичные и канцерогенные продукты. Самое главное - их механические свойства не обеспечивают опорность оперированной области.

Керамические материалы, обладая многими достоинствами, являются слишком хрупкими и имеют высокий модуль упругости по сравнению с костной тканью, что не позволяет плавно передавать нагрузку с имплантата на кость и, в конечном счете, приводит к резорбции кости.

Известен углеродный композиционный пористый материал для замещения костных дефектов (патент РФ №2181600). Материал полностью состоит из углерода и представляет собой прочный пористый композит, обладающий биосовместимостью. Свойства материала близки к свойствам кости. Имплантаты из такого материала ориентированы к замещению крупных костных дефектов при воспалительных (косный туберкулез, остеомиелит), дегенеративно-дистрофических заболеваниях кости и травмах, прежде всего конечностей и позвоночника.

Способ изготовления такого материала состоит в формировании армирующей основы и последующего осаждения пироуглеродной матрицы. Армирующая основа формируется в виде каркаса, собранного из стержней, сформованных из углеродных волокон. Каркас сначала собирают послойно, ориентируя стержни параллельно друг другу в каждом слое и под углом 60° по отношению к стержням предыдущего и последующего слоев. После сборки необходимого количества слоев в образовавшиеся вертикальные каналы устанавливают вертикальные стержни. Пироуглеродную матрицу осаждают обработкой газообразными углеводородами при температуре, превышающей температуру их термического разложения. Последующей механической обработкой из материала вырезают имплантат необходимых размеров и формы.

Недостатком известного материала является его недостаточно высокая биоактивность, т.е. слабая активация роста клеток новообразованной костной ткани на поверхности имплантата.

Задачей изобретения является создание имплантата с повышенной биоактивностью поверхности имплантата.

Технический результат достигается следующим образом.

Способ изготовления имплантата включает в себя изготовление блока формированием волокнистой армирующей основы в виде каркаса, построенного из стержней, и последующее осаждение пироуглеродной матрицы. Каркас собирают послойно, располагая стержни в каждом слое параллельно друг другу. Каждый слой стержней располагают под углом 60° по отношению к стержням последующего и предыдущего слоев до достижения требуемого количества слоев. После этого в образовавшиеся вертикальные каналы устанавливают дополнительные стержни. Используемые при сборке каркаса стержни сформованы из углеродных волокон таким образом, чтобы волокна располагались вдоль оси стержня: такую формовку обеспечивает, например, метод пултрузии. После сборки каркаса осуществляют осаждение пироуглеродной матрицы композиционного материала из газовой среды, содержащей по меньшей мере один углеводород, при температуре, превышающей температуру его разложения. При этом осаждающийся пироуглерод связывает углеродные волокна, формируя единый композиционный материал в виде прочного блока. Последующей механической обработкой из блока изготавливают имплантат требуемого размера и формы. После механической обработки имплантат обрабатывают на воздухе при температуре 250-350°С или парами воды при температуре 450-650°С.

При обработке на воздухе при температуре ниже 250°C и при обработке парами воды при температуре ниже 450°С не наблюдается заметного изменения биоактивности имплантата. При температуре обработки на воздухе выше 350°С и в парах воды выше 650°С происходит существенное окисление (выгорание) материала имплантата, что может привести к уменьшению его прочности.

Предпочтительно обработку на воздухе или парами воды проводить в течение не менее 10 минут для обеспечения полноты процесса активации воздухом или парами воды.

Предпочтительно, чтобы при сборке армирующего каркаса блока некоторые заранее выбранные стержни, стержни одного, нескольких или всех направлений армирования, используемые для формирования волокнистой армирующей основы, содержали в своем составе 0,1-12% масс. одного или нескольких химических веществ из группы: оксид алюминия, нитрат алюминия, карбид кремния, кремний, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, дигидрофосфат кальция, оксид титана, карбид титана, титан, гидрид титана, оксид циркония, карбид циркония, цирконий, гидрид циркония, оксинитрат циркония, оксихлорид циркония, оксид ниобия, карбид ниобия, оксид гафния, карбид гафния, карбид вольфрама. Это обеспечивает рентгеноконтрастность изготавливаемого имплантата, что упрощает наблюдение за его установкой рентгеновскими методами.

Сущность изобретения состоит в следующем.

Предлагаемый способ изготовления имплантата из композиционного материала можно разбить на несколько стадий:

1. Изготовление армирующей основы блока композиционного материала в виде каркаса, собранного из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержня.

Для формирования армирующего каркаса блока материала используют волокнистые армирующие элементы из углеродных волокон, ориентированных вдоль оси стержней, что обеспечивает наиболее полную реализацию модуля упругости углеродного волокна без травмирования его структуры. Для получения стержней, в частности, можно использовать технологию пултрузии, включающую:

- пропитку углеродных волокон полимерным связующим для формирования жгута,

- протягивание жгута через фильеру для получения требуемого сечения стержня,

- отверждение связующего.

Оптимальные условия получения углеволокнистых армирующих элементов определяют, варьируя концентрацию раствора полимерного связующего, температуру печей отверждения, скорость прохождения жгутов через фильерный блок.

Из стержней, сформованных из углеродных волокон, собирают послойно каркас на оправке. На первом этапе сборки в отверстиях по периметру оправки устанавливают стержни вертикально, далее осуществляют сборку горизонтальных слоев, устанавливая стержни в слое параллельно друг другу и под углом 60° по отношению к стержням предыдущего и последующего слоев. После укладки горизонтальных слоев на нужную высоту в образовавшиеся сквозные вертикальные каналы устанавливают дополнительные стержни. Каркас снимают с оправки.

Для получения в имплантате рентгеновского контраста в ходе сборки каркаса используют углеволокнистые стержни, содержащие химические вещества. Стержни, содержащие химические вещества, укладывают в каркас в тех направлениях и областях получаемого композиционного материала, где рентгеновский контраст необходим. При получении углеволокнистых стержней, содержащих химические вещества, применяют, например, ту же самую технологии пултрузии. Химические вещества вводят в состав стержня до и/или во время и/или после осуществления вышеописанных стадий изготовления углеволокнистого стержня, например, при пропитке углеродных волокон используют суспензию частиц химических веществ в полимерном связующем.

2. Далее каркас блока материала из стержней, сформованных из углеродных волокон, помещают в реактор и в среде газообразного углеводорода (углеводородов) осуществляют формировании пироуглеродной матрицы. Низкомолекулярные углеводороды (метан, этан, пропан, ацетилен, бензол и др.) и их смеси, например природный газ, при повышенной температуре, обычно в интервале 550-1200°С, способны вступать в гетерогенную химическую реакцию разложения с образованием углерода и водорода. Протекание реакции разложения в порах углеволокнистого каркаса обеспечивает формирование пироуглеродной матрицы. При этом могут быть использованы как изотермический, так и термоградиентный метод синтеза пироуглеродной матрицы. Для процесса можно использовать реактор из нержавеющей стали. Нагревателями могут служить углеграфитовые блоки или пластины, а нагрев может осуществляться пропусканием через них электрического тока. Реактор снабжен средствами подачи, регулирования и измерения расхода газа.

В результате такой обработки получают блок углеродного композиционного материала.

Следует заметить, что при использовании при сборке каркаса стержней, содержащих химические вещества, на этапе нагрева углеволокнистого каркаса до температуры осаждения пироуглеродной матрицы, а также в ходе осаждения матрицы содержащиеся в стержнях химические вещества, в зависимости от их состава, остаются неизменными по составу и структуре или преобразовываются в другие химические соединения. Образовавшиеся новые или неизменившиеся в ходе нагрева химические соединения локализованы в стержнях армирующей основы материала и в дальнейшем, при формировании пироуглеродной матрицы, входят в структуру получаемого композиционного материала. В ходе процесса осаждения пироуглерода поверхность частиц химических соединений постепенно покрывается пироуглеродом, который, как матрица, связывает их со всей макроструктурой как стержня, в котором они присутствуют, так и композиционного материала в целом. За счет содержащихся в материале химических соединений обеспечивается рентгеноконтрастность имплантата.

3. Традиционными методами механообработки (точение, фрезерование, сверление) из полученного блока вырезают имплантат необходимого размера и формы. В зависимости от размера блока и размера имплантата из блока могут быть вырезаны несколько имплантатов.

4. После механообработки и удаления продуктов резания с поверхности имплантата его обрабатывают нагреванием на воздухе или в парах воды. Эта обработка имеет целью изменить химическое строение поверхности имплантата. Экспериментально показано, что в области температур 250-350°С на воздухе и 450-650°С в парах воды на поверхности углеродного имплантата происходит образование основных (в отличие от кислотных) кислородсодержащих функциональных групп. Эти функциональные группы в воде и водных растворах за счет процессов гидролиза и ионного обмена в условиях физиологических значений рН придают поверхности имплантата положительный электрический заряд. Положительный заряд поверхности углеродного имплантата в водных растворах, в том числе в биологических растворах (кровь), обеспечивает лучшую адгезию биополимеров, белков крови, межклеточного матрикса и растущих клеток, прежде всего костной ткани.

Изобретение может быть пояснено следующим примером.

Для изготовления композиционного материала используют стержни диаметром 1,2 мм, сформованные из углеродных волокон марки УКН-5К. Стержни изготавливают технологией пултрузии, включающей:

- пропитку углеродных волокон полимерным связующим - водным раствором ПВС для формирования жгута,

- протягивание жгута через фильеру для получения сечения стержня, равного 1,2 мм,

- термообработку при 140°С для отверждения связующего.

Изготовление блока композиционного материала начинают с формирования волокнистой армирующей основы, т.е. со сборки каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Для этого:

1. На графитовой оправке устанавливают вертикально по ее периметру в отверстия стержни, которые в дальнейшем будут служить направляющими при сборке каркаса.

2. В горизонтальной плоскости на оправке перпендикулярно направляющим стержням укладывают стержни на расстоянии 1,2 мм друг от друга параллельно друг другу.

3. Следующий (второй) слой формируют на первом, укладывая стержни на таком же расстоянии друг от друга параллельно друг другу под углом 60° к стержням первого слоя.

4. Следующий (третий) слой формируют на втором, укладывая стержни на таком же расстоянии друг от друга параллельно друг другу, под углом 60° к стержням второго слоя в направлении, не совпадающем с направлением первого слоя.

5. Четвертый слой собирают так же, как первый, пятый слой, как второй, и т.д. Необходимую высоту материала получают, укладывая нужное количество слоев.

6. В образовавшиеся после сборки слоев вертикальные каналы каркаса устанавливают вертикальные стержни.

7. Формирование пироуглеродной матрицы производят в реакторе в среде природного газа при 950°С. Обработку производят до увеличения массы каркаса в 3 раза.

В результате получают блок композиционного материала со следующими свойствами: плотность - 1,63 г/см³, модуль упругости материала - 12 ГПа, прочность при сжатии - 92 МПа.

Механической обработкой блока материала изготавливают имплантат необходимого размера и формы. После очистки поверхности имплантата от загрязнений, возникших при механической обработке, имплантат обрабатывают на воздухе при температуре 320°С в течение 30 минут.

Проведенные токсикологические исследования имплантата в соответствии с ГОСТ Ρ ИСО 10993-99 и ГОСТ Ρ 52770-2007 показали:

1. Изменение рН водной вытяжки (3 суток, 37°С, соотношение 10 г материала и 500 мл воды) по сравнению с контрольной дистиллированной водой составляет 0,7 (допустимое значение 1,0).

2. Максимальное значение оптической плотности водной вытяжки в УФ-области спектра в интервале длин волн 230-360 нм составляет 0,1 (допустимое значение 0,3).

3. Содержание в водной вытяжке формальдегида менее 0,01 мг/л, винилацетата - менее 0,02 мг/л (допустимые значения - 0,1 и 0,2 мг/л соответственно).

4. Изучение токсичности на анализаторе токсичности АТ-05, используя замороженную в парах жидкого азота гранулированную сперму быка, показало индекс токсичности 86,4% (допустимое значение 70-120%). Имплантат нетоксичен.

5. Для определения уровня биоактивности имплантата проведен тест сравнения предлагаемого имплантата и известного имплантата, т.е. имплантата без обработки воздухом или парами воды при повышенных температурах. В тесте определялась активность поверхности имплантата поддерживать рост клеток и степень адгезии выращенных клеток к поверхности имплантата. Для определения активности поверхности тестированных имплантатов осуществляли в одинаковых условиях (37°С) рост фибробластов легких эмбриона человека. Было установлено, что предлагаемые в данном изобретении имплантаты поддерживают рост и кластерирование фибробластов значительно активнее и имеют их поверхностную концентрацию на 15% больше, чем известные. При этом одновременно повышается и доля веретенообразных фибробластов (по отношению к сфероидным), что однозначно указывает на более предпочтительное формирование фибробластов на поверхности предлагаемых имплантатов. Адгезионная способность фибробластов, оцененная по изменению концентрации фибробластов на поверхности имплантатов до и после одновременного ополаскивания образцов в физиологическом растворе, у предлагаемых имплантатов выше на более чем 20%.

Таким образом, полученный имплантат по своим механическим и токсическим свойствам полностью соответствует требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для замещения костных дефектов, и обладает повышенной биоактивностью.

Claims (3)

1. Способ изготовления имплантата из композиционного материала для замещения костных дефектов, включающий изготовление блока формированием армирующей основы блока в виде каркаса послойной укладкой стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержня, располагая стержни в каждом слое параллельно относительно друг друга и под углом 60° по отношению к стержням последующего и предыдущего слоев, до достижения требуемого количества слоев с последующей укладкой в образовавшиеся вертикальные каналы дополнительных стержней и последующего формирования матрицы осаждением пироуглерода из газовой среды, содержащей по меньшей мере один углеводород, при температуре, превышающей температуру его разложения, и последующую механическую обработку блока для изготовления имплантата требуемого размера и формы, отличающийся тем, что после механической обработки имплантат обрабатывают на воздухе при температуре 250-350°С или парами воды при температуре 450-650°С

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что обработку на воздухе или парами воды проводят в течение не менее 10 минут.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при сборке армирующего каркаса блока некоторые заранее выбранные стержни, стержни одного, нескольких или всех направлений ориентирования, используемые для формирования волокнистой армирующей основы, содержат в своем составе 0,1-12% масс. одного или нескольких химических веществ из группы: оксид алюминия, нитрат алюминия, карбид кремния, кремний, ортофосфат кальция, пирофосфат кальция, дигидрофосфат кальция, оксид титана, карбид титана, титан, гидрид титана, оксид циркония, карбид циркония, цирконий, гидрид циркония, оксинитрат циркония, оксихлорид циркония, оксид ниобия, карбид ниобия, оксид гафния, карбид гафния, карбид вольфрама.