RU2617052C1 - Композиционный углеродный наноматериал для замещения костных дефектов, способ его изготовления и имплантат из композиционного углеродного наноматериала - Google Patents

Abstract

Группа изобретений относится к медицине. Описан композиционный углеродный наноматериал для замещения костных дефектов, включающий пироуглеродную матрицу и волокнистую армирующую основу, выполненную в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержней, и содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован параллельно ориентированными стержнями, а стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°, при этом средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм, Описан также способ получения материала, содержащего пироуглеродную матрицу и многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси стержней, при этом материал имплантата имеет модуль упругости не более 15 ГПа, открытая пористость материала не менее 5% об., а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала не превышает 30 нм. Материал и имплантаты из него для замещения костных дефектов обладают механическими свойствами, близкими к свойствам кости. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 1 пр.

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии, травматологии и ортопедии, и может быть использовано при хирургическом лечении воспалительных, дегенеративно-дистрофических, онкологических заболеваний кости, а также костных травм.

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, полиметилметакрилат и др.).

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 и подвержены биологическому старению, в процессе которого эти материалы могут выделять токсичные и канцерогенные продукты. Самое главное - они не могут быть использованы для замещения костных дефектов, т.к. 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), являющийся наиболее близким аналогом к предлагаемому изобретению. Материал полностью состоит из углерода и представляет собой прочный, пористый композит, обладающий биосовместимостью. Известный материал содержит в своей структуре армирующую основу и матрицу. Армирующая основа выполнена в виде каркаса, содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован стержнями. Стержни каждого слоя каркаса ориентированы относительно стержней последующего и предыдущего слоев под углом 60°. Стержни сформованы из углеродных волокон. Матрица материала выполнена из пироуглерода.

Способ изготовления известного композиционного 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.

Недостатком известного композиционного материала является его относительно высокая жесткость: модуль упругости материала - 30-40 ГПа - существенно превышает модуль упругости костной ткани (12-15 ГПа), что снижает эффективность применении изготовленных из него имплантатов.

Задачей изобретения является создание биосовместимого пористого композиционного материала для замещения костных дефектов с упругими характеристиками, приближенными к свойствам кости, способа получения такого материала и вариантов имплантатов для замещения костных дефектов.

Технический результат достигается в сочетании композиционного углеродного наноматериала, способа его изготовления и имплантата, изготовленного из композиционного углеродного наноматериала следующим образом:

Композиционный углеродный наноматериал для замещения костных дефектов, включает пироуглеродную матрицу и волокнистую армирующую основу, выполненную в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержней, и содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован параллельно ориентированными стержнями, а стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°, при этом средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм, открытая пористость материала не менее 5% об., а модуль упругости композиционного наноматериала не превышает 15 ГПа.

Способ изготовления композиционного углеродного наноматериала для замещения костных дефектов включает формирование армирующей основы в виде каркаса послойной укладкой стержней, сформованных из углеродных волокон, ориентированных вдоль оси стержня, располагая стержни в каждом слое параллельно друг другу 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 последующее формирование матрицы осаждением пироуглерода из газовой среды, содержащей, по меньшей мере, один углеводород, при температуре, превышающей температуру его разложения, при этом газовая среда содержит дополнительно водород в количестве 2-45% об., а процесс формирования прироуглеродной матрицы осуществляют при градиенте температуры внутри каркаса 10-100°С/мм.

Имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала, содержащего пироуглеродную матрицу и многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси стержней, при этом материал имплантата имеет модуль упругости не более 15 ГПа, открытая пористость материала не менее 5% об., а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала не превышает 30 нм.

При модуле упругости углеродного композиционного наноматериала более 15 ГПа его упругие свойства превышают упругие свойства кости, что снижает эффективность применения материала, а точнее имплантатов из него, при замещении костных дефектов, т.к. высокая жесткость материала имплантата не позволяет плавно передавать нагрузку с имплантата на кость что, в конечном счете, приводит к резорбции кости.

При среднем размере графитоподобных фрагментов в углеродном наноматериале более 30 нм не удается реализовать структуру материала, обеспечивающую модуль упругости менее 15 ГПа.

При отрытой пористости углеродного наноматериала менее 5%об. Снижаются остеокондуктивные свойства материала - имплантаты из такого материала хуже фиксируются в костном ложе новообразованной костной тканью.

Использование при получении композиционного углеродного наноматериала газовой смеси с содержанием водорода менее 2% не обеспечивает формирования необходимой структуры пироуглеродной матрицы. При содержании водорода более 45% об. процесс формирования матрицы происходит очень медленно из-за значительного снижения концентрации углеводородов в газовой среде. Формирование равномерной структуры пироуглеродной матрицы со средним размером графитовых фрагментов менее 30 нм обеспечивается при проведении процесса из водородсодержащей газовой смеси при градиенте температуры внутри каркаса не менее 10°С/мм. Осуществление процесса синтеза при градиенте температуры более 100°С/мм технически затруднено из-за теплофизических проблем создания такого градиента температуры в армирующей основе.

Предпочтительно, чтобы массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляла 30-38%. Этот интервал связан с предпочительной плотностью сборки армирующего каркаса: при малом содержании углеродных волокон в структуре материала армирующий каркас более пористый и рыхлый, что затрудняет проведение последующих стадий получения композиционного наноматериала. Тоже можно сказать и о больших, чем указанные, содержаниях углеродных волокон. Каркас в этом случае получается слишком плотный, что также затрудняет реализацию последующих стадий получения наноматериала.

Предпочтительно, чтобы диаметр стержней, содержащих углеродные волокна, составлял 0,7-2 мм. При применении стержней диаметром более 2 мм армирующая основа имеет рыхлую крупнопористую структуру, менее предпочтительную для изготовления из такого материала имплантатов для замещения кости. При диаметре стержней менее 0,7 мм значительно увеличивается трудоемкость изготовления армирующей основы за счет того, что увеличивается количество стержней, необходимых для сборки каркаса.

Предпочтительно, чтобы композиционный материал имел плотность 1,2-1,8 г/см³. Меньшая плотность материала обусловливается его повышенной пористостью и приводит к снижению прочности композиционного материала, что недопустимо при его применении для замещения костных дефектов. Пористость материалов с плотностью выше 1,8 г/см³ слишком низкая для обеспечения прорастания новообразованных костных блоков вглубь материала в послеоперационный период замещения костных дефектов.

Предпочтительно, если при сборке каркаса из стержней дополнительные (вертикальные) стержни превышают по длине высоту уложенных слоев, а после установки дополнительных стержней продолжают сборку слоев каркаса до достижения необходимой высоты каркаса. Тем самым упрощается сборка армирующей основы, особенно в случае большой высоты собираемого каркаса.

Предпочтительно, чтобы имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала был выполнен в виде цилиндра. Такая форма имплантата предпочтительна при замещении костных дефектов позвонков и при замещении межпозвонковых дисков, т.к. во многих случаях совпадает с формой компенсируемого костного дефекта.

Предпочтительно для ряда применений, чтобы имплантат был выполнен в виде цилиндра с отсеченным параллельно цилиндрической оси цилиндрическим сегментом, при этом объем отсеченного сегмента составляет менее 40% от объема цилиндра. Если объем отсеченного цилиндрического сегмента менее 40% от объема цилиндра, то имплантат имеет достаточно большую площадь поперечного сечения, и, следовательно, бо'льшую прочность при сжатии и изгибе.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде цилиндра с двумя отсеченными параллельно цилиндрической оси и параллельно друг другу цилиндрическими сегментами, при этом объем одного отсеченного сегмента составляет менее 20% от объема цилиндра. Если объем одного отсеченного цилиндрического сегмента менее 20% от объема цилиндра, то имплантат имеет большую площадь поперечного сечения, и, следовательно, низкую бо'льшую прочность при сжатии и изгибе.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде цилиндра, верхнее основание которого не параллельно нижнему основанию и имеет угол наклона 4-10°.

Предпочтительно, чтобы высота цилиндрического имплантата составляла 4-100 мм, а диаметр основания - 10-30 мм. Эти размеры предпочтительны по антропологическим особенностям скелета человека и наиболее часто встречающихся случаев замещения костных дефектов.

Предпочтительно, чтобы имплантат в виде цилиндра, имел сквозное отверстие, ось которого параллельно оси цилиндра. В этом случае перед установкой имплантата в костный дефект или в область межпозвонкового диска отверстие может быть заполнено осеоиндуктивным или остекондуктивным материалом (например, гидроксиапатитом) для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде цилиндра, имел два глухих отверстия, оси которых параллельны оси цилиндра. Перед установкой имплантата в костный дефект или в область межпозвонкового диска отверстия могут быть заполнены осеоиндуктивным или остекондуктивным материалом для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации или лекарственными веществами, обеспечивающими, например, подавление воспалительных процессов в области имплантации.

Предпочтительно, чтобы диаметр отверстий составлял 0,1-0,5 от диаметра цилиндра. Если диаметр отверстий менее 0,1 от диаметра цилиндра, то такое отверстие менее удобно для размещения в нем указанных выше веществ. При диаметре отверстия более 0,5 от диаметра цилиндра снижается площадь поперечного сечения имплантата, и, следовательно, снижается прочность имплантата при сжатии и изгибе, что для ряда применений менее предпочтительно.

Предпочтительно, чтобы на поверхностях оснований цилиндра у имплантата были выполнены один или несколько пазов глубиной 0,5-2 мм и шириной 1-3 мм. Такие пазы увеличивают площадь контакта поверхности имплантата с костными тканями, в которые установлен имплантат, и повышают прочность его закрепления в образующимся после операции костно-углеродном блоке. Перед установкой имплантата в костный дефект или в область межпозвонкового диска пазы могут быть заполнены осеоиндуктивным или остекондуктивным материалом для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации. При ширине пазов менее 1 мм и глубине более 2 мм их размеры малы и затруднено размещение в отверстиях указанных выше веществ. Пазы шириной более 3 мм в ряде случаев могут приводить к существенному снижению прочности имплантата, что недопустимо. Формирование пазов глубиной менее 0,5 мм технически более сложно.

Предпочтительно, чтобы имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала был выполнен в виде трех соосных цилиндров, при этом диаметры крайних цилиндров одинаковы и меньше диаметра среднего цилиндра. Такая форма имплантата предпочтительна при замещении костных дефектов конечностей. Например, при этом крайние цилиндры имплантата устанавливаются в середину трубчатой кости, а центральная часть имплантата обеспечивает опороустойчивость оперированной области.

Предпочтительно, чтобы диаметр среднего цилиндра имплантата, выполненного в виде трех соосных цилиндров, составлял 10-30 мм, диаметр крайних цилиндров составлял 5-15 мм, общая длина имплантата - 20-140 мм, а длина крайнего цилиндра имплантата - 5-20 мм.

Предпочтительно, чтобы имплантат в виде трех соосных цилиндров имел сквозное отверстие или два глухих отверстий, ось которых совпадает с осью цилиндров. Перед установкой имплантата в область замещаемого костного дефекта отверстия могут быть заполнены осеоиндуктивным или остекондуктивным материалом для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации или лекарственными веществами, обеспечивающими, например, подавление воспалительных процессов в области имплантации.

Если в имплантате выполнены отверстия, то предпочтительно, чтобы диаметр сквозного отверстия или глухих отверстий имплантата в виде трех соосных цилиндров составлял 0,3-0,5 от диаметра крайних цилиндров. Если диаметр отверстий менее 0,3 от диаметра крайнего цилиндра, то такое отверстие менее удобно для размещения в нем указанных выше веществ. При диаметре отверстия более 0,5 от диаметра цилиндра снижается площадь поперечного сечения имплантата, и, следовательно, снижается прочность имплантата при сжатии и изгибе, что для ряда применений менее предпочтительно.

Для ряда случаев предпочтительно, чтобы имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала был выполнен в виде призмы. Такая форма имплантата может быть применена, например, для компенсации таких костных дефектов позвонков, которые частично затрагивают тело позвонка.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде призмы с Г-образным основанием. Такая форма имплантата может быть применена, например, для компенсации таких костных дефектов позвонков, которые частично затрагивают тело позвонка.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде призмы с П-образным основанием. Такая форма имплантата может быть применена, например, для компенсации таких костных дефектов позвонков, которые частично затрагивают тело позвонка.

Предпочтительно, чтобы имплантат был выполнен в виде призмы с основанием в виде креста. Такая форма имплантата может быть применена, например, для компенсации костных дефектов позвонков, которые частично затрагивают тело верхнего и нижнего позвонка по отношению к замещаемому позвонку.

Предпочтительно, чтобы длина стороны основания призмы составляет 8-30 мм, а высота призмы - 4-100 мм.

Если в имплантате в форме призмы выполнены отверстия, которые могут быть заполнены осеоиндуктивным или остекондуктивным материалом для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации или лекарственными веществами, обеспечивающими, например, подавление воспалительных процессов в области имплантации, то предпочтительно, чтобы диаметр сквозного отверстия или глухих отверстий составлял 0,1-0,5 от диаметра крайних цилиндров. Если диаметр отверстий менее 0,1 от диаметра крайнего цилиндра, то такое отверстие менее удобно для размещения в нем указанных выше веществ. При диаметре отверстия более 0,5 от диаметра цилиндра снижается площадь поперечного сечения имплантата, и, следовательно, снижается прочность имплантата при сжатии и изгибе, что для ряда применений менее предпочтительно.

Сущность изобретения, включающего три объекта - материал, способ и устройство, состоит в том, что сформированная армирующая структура из стержней, содержащих углеродные волокна, в виде каркаса связана пироуглеродной матрицей в единый композиционный наноструктурный материал. Этот материал содержит множество регулярно расположенных пор. Материал обладает не только высокими механическими свойствами, являющимися следствием особенностей структуры армирования и свойств матрицы, но и биосовместимостью и хорошей обрабатываемостью, обеспечиваемой за счет наноструктурного углерода, что позволяет использовать материал для изготовления имплантатов костей. Важно, что углеродная структура материала, построенная из графитоподобных нанофрагментов размером не более 30 нм, обеспечивает материалу модуль упругости не более 15 ГПа, что максимально приближает свойства имплантатов к свойствам замещаемой кости, а существующая в материале открытая пористость - не менее 5% - обеспечивает фиксацию изготовленных из него имплантатов за счет врастания новообразованной кости в пористую структуру материала и формирования таким образом костно-углеродного блока. При этом очень важным является наличие именно открытой, т.е. сообщающейся с поверхностью, пористости, которая, как показывают эксперименты, активна для формирования новообразованной кости в объеме пор.

Макро- и наноструктура изготавливаемого углеродного композиционного наноматериала формируется за счет технологических особенностей его получения, реализуемых в предлагаемом способе его изготовления. При этом достигаются не только размерные особенности графитоподобных нанофрагментов, определяющих структуру материала и его упругие свойства, но и такие свойства, как открытая пористость, плотность, массовая доля углеродных волокон в материале. Эти параметры имеют предпочтительные диапазоны, приведенные нами в описании.

При реализации способа изготовления материала, для формирования армирующего каркаса используют волокнистые армирующие элементы - стержни 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.

Для упрощения сборки каркасов большой высоты, предпочтительно производить сборку каркаса следующим образом. После сборки слоев каркаса из стержней на заданную высоту таким образом, как это описано выше, устанавливают вертикальные стержни длиной больше, чем высота собранных слоев. Затем продолжают сборку слоем каркаса из стержней по той же технологической схеме, размещая их в этом случае между вертикальными стержнями. Таким образом обеспечивается упрощение сборки армирующего каркаса большой высоты, т.к. установка вертикальных стержней в каркасе представляет определенную сложность из-за того, что необходимо обеспечить точное позиционирование всех стержней во всех слоях армирующей основы. Любой сбой приводит к невозможности установки вертикального стержня из-за перекрытия вертикального канала стержнями, лежащими в слое.

После завершения сборки каркас снимают с оправки.

Далее каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, помещают в реакционную камеру и в среде, содержащей газообразный углеводород (углеводороды) осуществляют формирование 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. Протекание реакции разложения в порах углеволокнистого каркаса обеспечивает формирование пироуглеродной матрицы. Для получения углеродного композиционного материала, содержащего графитоподобные фрагменты размером менее 30 нм, синтез пироуглеродной матрицы в предлагаемом изобретении осуществляют из смеси углеводород - водород с содержанием водорода 2-45% об.

Наличие водорода в газовой смеси ограничивает протекание процессов гомогенного разложения углеводородов, происходящих с образованием углеродных частиц непосредственно в объеме газовой смеси, т.е. образование сажи, присутствие которой в структуре материала недопустимо. Кроме того, наличие водорода существенным образом влияет на характер протекания гомогенно-гетерогенных процессов образования пироуглерода, существенно ограничивая гомогенную составляющую таких процессов и увеличивая тем самым вклад собственно гетерогенных, т.е. протекающих непосредственно на всей внутренней поверхности армирующей основы, процессов формирования пироуглерода. Тем самым достигается получение наноструктурного материала со средним размером графитоподобных фрагментов в его структуре не превышающим 30 нм.

Для обеспечения равномерного заполнения армирующей основы наноструктурной пироуглеродной матрицей, процесс формирования матрицы реализуется в градиенте температуры 10-100°С/мм. Применение градиента температуры при синтезе пироуглерода внутри пористого каркаса позволяет реализовать синтез матрицы в ограниченном пространстве каркаса - только в том, где температура каркаса превышает температуру разложения используемого углеводорода. Для этого, например, по оси собранного каркаса устанавливают нагреватель, например в виде трубки из углеграфитового материала, через который пропускают электрический ток. За счет разогрева нагревателя и охлаждения внешней поверхности каркаса в нем устанавливается градиент температуры. Тем самым в армирующем каркасе создается зона повышенной температуры, где температура превышает температуру разложения углеводорода. Эта зона расположена у нагревателя, поэтому процесс формирования матрицы происходит только здесь. Повышая температуру нагревателя в соответствии с оптимальными условиями получения материала, перемещают зону протекания процесса синтеза пироуглеродной матрицы от нагревателя к периферии обрабатываемого каркаса, например, со скоростью не более 5 мм/час. Синтез пироуглеродной матрицы осуществляют в специальной камере, которая снабжена средствами подачи, регулирования и измерения расхода газа. Температурный режим, расход газа и время осуществления процесса выбирают так, чтобы полученный композиционный материал, предпочтительно, имел плотность 1,2-1,8 г/см³, при этом открытая пористость составляла не менее 5% от объема материала, а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала не превышал 30 нм.

Имплантат, предлагаемый в данном техническом решении для замещения костных дефектов, состоит из углеродного композиционного наноструктурного материала, содержащего пироуглеродную матрицу и армирующий каркас из углеродных волокон, а именно многонаправленный каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси стержней. Наноструктура имплантата сформирована графитовыми фрагментами, имеющими средний размер не более 30 нм. За счет сочетания углеволокнистой макроструктуры с наноструктурой имплантат обладает высокой прочностью и модулем упругости (не более 15 ГПа) хорошо сбалансированным с модулем упругости кости. Материал имплантата обладает хорошей биосовместимостью. Имплантаты могут иметь различную форму и размеры, которые наиболее адекватно подходят для конкретного случая применения в зависимости от формы и размеров дефекта, а также от вида заболевания и метода хирургического лечения.

В предлагаемом техническом решении сформулированы предпочтительные формы имплантатов для замещения костных дефектов. Так, например, одной из предпочтительных форм имплантата является форма цилиндра. Такая форма близка к форме часто встречающихся на практике костных дефектов - это форма позвонков, межпозвонковых дисков, трубчатых костей конечностей.

В определенных случаях хирургического вмешательства более предпочтительной является несколько модифицированная цилиндрическая форма, а именно - боковая поверхность имплантата образована цилиндрической поверхностью и плоскостью, образованной отсеченным цилиндрическим сегментом. Такая форма имплантата является предпочтительной, например, при замещении костных дефектов позвонков. В этом случае, при установке имплантата в позвоночном столбе, цилиндрическая поверхность ориентируется параллельно передней стороне позвоночного столба, совпадая по форме с формой передней поверхности позвонков. При этом плоская сторона имплантата сориентирована вглубь позвоночного столба и обеспечивает, за счет пространства отсеченного цилиндрического сегмента, свободное пространство для расположения спинномозгового канала. Тем самым достигается максимальное заполнение костного дефекта без деформирования спинномозгового канала. Верхнее и нижнее основание имплантата в виде круговых сегментов контактируют с расположенными, соответственно, верхним и нижним позвонками по отношению к костному дефекту. При установке имплантата в костный дефект обеспечивается контакт этих поверхностей имплантата со здоровой костной тканью, что создает опороспособность позвоночного столба.

Следующим вариантом формы имплантата является имплантат, боковая поверхность которого образована цилиндрической поверхностью и двумя плоскостями, образованными отсеченными цилиндрическими сегментами. Имплантат такой формы могут быть применены, например, при замещении костных дефектов позвонков, межпозвонковых дисков и мыщелков.

В ряде случаев предпочтительно, чтобы верхнее основание имплантата было не параллельно нижнему основанию и имело угол наклона 4-10°. Такая форма имплантатов является предпочтительной при замещении дефектов межпозвонковых дисков, например, при замещении межпозвонковых дисков нижнего поясничного и крестцового отделов позвоночника. Тем самым достигается максимальное заполнение дефекта. Верхнее и нижнее основание имплантата контактируют с расположенными, соответственно, верхним и нижним позвонками по отношению к дефекту. При установке имплантата в дефект обеспечивается контакт этих поверхностей имплантата со здоровой костной тканью, что создает опороспособность позвоночного столба.

Возможно применение имплантата, объем которого образован тремя цилиндрами разного диаметра, имеющими общую ось. Диаметры крайних цилиндров меньше диаметра среднего цилиндра. Такая форма имплантатов является оптимальной, например, при замещении костных дефектов трубчатых костей конечностей. В этом случае, при установке имплантата в зоне дефекта, цилиндрическая ось имплантата ориентируется параллельно оси трубчатой кости, а диаметр среднего цилиндра имплантата близок по форме и размеру с формой и размером трубчатой кости в зоне замещаемого костного дефекта. При этом крайние цилиндры имплантата устанавливаются вглубь внутреннего канала трубчатой кости и обеспечивают фиксацию имплантата в зоне дефекта. Тем самым достигается максимальное заполнение костного дефекта без существенного деформирования костномозгового канала. При установке имплантата в костный дефект обеспечивается контакт этих поверхностей имплантата со здоровой костной тканью, что создает опороспособность в зоне дефекта.

Предпочтительными являются следующие особенности имплантата, которые могут быть использованы в его конструкции в зависимости от принятой хирургом стратегии проведения операции.

Имплантат может иметь одно сквозное отверстие. Отверстие может иметь цилиндрическую или эллиптическую форму. Отверстие может быть использовано для размещения в нем остекондуктивных или остеоиндуктивных материалов, обеспечивающих ускорение формирование костной ткани, сращивание имплантата с костной тканью и формирование единого костно-углеродного блока в зоне замещаемого дефекта. Такими материалами могут быть фосфаты кальция (гидросиапатит, трикальцийфосфат), в том числе с добавками коллагена или белками, ускоряющими формирование остеобластов (факторы роста костной ткани), или фрагментами костной ткани пациента (аутокость), забор которых может быть осуществлен в ходе операции или перед ней. Кроме того, в это отверстие могут быть размещены лекарственные средства пролонгированного действия, обеспечивающие медленное выделение активных лекарственных веществ в оперированную область в послеоперационном периоде, что особенно важно при лечении воспалительных заболеваний (костный туберкулез, остеомиелит).

Имплантат может иметь два глухих отверстия. Эти отверстия могут быть использованы для размещения в них остекондуктивных или остеоиндуктивных материалов и лекарственных веществ, как это описано выше.

Имплантат может иметь пазы, сформированные на основаниях. Пазы увеличивают поверхность контакта имплантата с совмещенной с ним костной ткани. За счет пазов обеспечивается более прочное механическое сопряжение имплантата с костной тканью, как за счет сил трения при его установке, так и за счет врастания новообразованной кости в пазы в послеоперационном периоде. В пазах также могут быть размещены материалы, ускоряющие рост костной ткани, как это описано выше.

Указанные предпочтительные дополнительные особенности могут сочетаться в имплантате в различных комбинациях, а сами имплантаты использованы в вертебрологии, косной хирургии конечностей, челюстно-лицевой хирургии при замещении различных костных дефектов.

Имплантаты применяют, например, следующим образом при замещении костных дефектов позвоночника. Перед применением имплантаты стерилизуют. Стерилизация имплантатов осуществляется обычным способом, например, в автоклаве. Форма и размер имплантата определяется хирургом до операции на основании рентгенологической оценки величины костного дефекта. В ходе операции доступ к пораженному отделу позвоночника и радикальный этап операции производят по стандартным хирургическим методикам. После проведения резекции пораженных областей выполняют установку имплантата. В состоянии реклинации имплантат плотно внедряют в диастаз. Положение имплантата должно соответствовать оси нагрузки позвоночника. Имплантат обеспечивает надежную стабилизацию оперированного отдела позвоночника. В завершающей части операции паравертебральные ткани над областью пластики ушивают 2-3 кетгутовыми швами. Рану послойно ушивают. Накладывают асептическую повязку.

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 поливинилового спирта - для формирования жгута, протягивание жгута через фильеру для получения сечения стержня равного 1,2 мм, термообработку при 140°С для отверждения связующего.

Изготовление композиционного материала начинают с формирования волокнистой армирующей основы, т.е. со сборки каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Для этого на графитовой оправке устанавливают вертикально по ее периметру в отверстия стержни, которые в дальнейшем будут служить направляющими при сборке каркаса. В горизонтальной плоскости на оправке, перпендикулярно направляющим стержням, укладывают стержни на расстоянии 1,2 мм друг от друга, параллельно друг другу. 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. 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 совпадающим с направлением первого слоя. Четвертый слой собирают также как первый, пятый слой - как второй и т.д. Необходимую высоту каркаса получают укладывая нужное количество слоев. В образовавшиеся после сборки слоев вертикальные каналы каркаса устанавливают вертикальные стержни.

Собранный каркас снимают с оправки и по его вертикальной оси устанавливают графитовый нагреватель. Полученную сборку помещают в реакционную камеру, устанавливая нагреватель в тоководы. Камеру заполняют реакционной газовой смесью. На тоководы подают напряжение и пропусканием тока обеспечивают нагрев нагревателя до температуры 1100°C. При этом в каркасе реализуется градиент температуры 20°C/мм. обработку каркаса проводят в течение 54 часов в газовой среде метан - 75% об., водород - 25% об. В ходе обработки повышаю температуру нагревателя таким образом, чтобы градиент температуры в каркасе не превысил 100°C/мм. После обработки сборку извлекают из реакционной камеры.

В результате получают композиционный углеродный наноматериал в котором массовая доля волокон составляет 32%, средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала - 11 нм, модуль упругости материала при сжатии - 12 ГПа, прочность при сжатии - 82 МПа, плотность - 1,67 г/см³, открытая пористость - 10% об. Плотность материала определяли гидростатическим методом, пористость - водопоглощением, модуль упругости и прочность - на испытательных машинах, средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала - методом рентгеноструктурного анализа.

Полученный материал хорошо обрабатывается традиционными методами механической обработки: сверлением, фрезерованием, резанием. Из материала изготавливают имплантаты в виде цилиндра высотой 30 мм и диаметром 20 мм и размером 7×3×3 мм.

Проведенные токсикологические испытания (в соответствии с ГОСТ P ИСО 10993-99 и ГОСТ P 52770-2007) показали, что изменение рН водной вытяжки (3 суток, 37°С, соотношение 10 г материала и 500 мл воды) по сравнению с контрольной дистиллированной водой составляет 0,3 (допустимое значение 1,0). Максимальное значение оптической плотности водной вытяжки в УФ области спектра в интервале длин волн 230-360 нм составляет 0,1 (допустимое значение 0,3). Содержание в водной вытяжке формальдегида 0,01 мг/л, винилацетата - менее 0,05 мг/л (допустимые значения - 0,1 и 0,2 мг/л, соответственно). Изучение токсичности на анализаторе токсичности АТ-05, используя замороженную в парах жидкого азота гранулированную сперму быка, показало индекс токсичности 94,2% (допустимое значение 70-120%). Таким образом, материал не токсичен.

Для определения реакции костной ткани на имплантацию в нее углеродного композиционного материала выполнены хирургические операции на кроликах породы шиншилла весом 2,9-3,1 кг с использованием изготовленных имплантатов. Оперативное вмешательство заключалось в обнажении дистального эпиметафиза бедренной кости, гребня подвздошной кости, формировании в них стандартного дефекта размером 7×3×3 мм и внедрении в него углеродного наноструктурного имплантата, изготовленного по предлагаемому техническому решению. Имплантаты извлекались при сроках 1, 2, 3, 4 недели и 3 месяца после операции, область операции осматривалась. При удалении имплантатов в указанные сроки никаких воспалительных или остеолитических процессов не выявлялось. Через 1 неделю между костью и имплантатом определялось небольшое количество геморрагического экссудата, к 2 неделям он уже не определялся. В срок 3 и 4 недели в местах контакта с костной тканью на поверхности имплантата появлялся тонкий слой соединительной ткани.

При ортотопической имплантации углеродных наноструктурных имплантатов обнаружено, что неблагоприятных изменений со стороны окружающих имплантат тканей и внутрисуставных образований во всех сроках наблюдения не наблюдалось. С конца второй недели отмечен процесс костеобразования, исходящей из костного ложа. К 2 месяцам костные балки вплотную наслаивались на имплантат. При микроскопии в отраженном свете распилов препаратов в срок 2 месяца зафиксированы участки врастания костной ткани не только в краевые отделы имплантата, но и в более глубокие его ячейки. Люминесцентная микроскопия распилов препаратов в срок 1-2 месяца после операции выявляла яркое свечение новообразованной кости на границе кость-имплантат, также появлялось свечение и внутри имплантата, свидетельствующее о прорастании костной ткани не только в краевые, но и в глубже расположенные поры материала. К 3 месяцам имплантат был плотно окружен костной тканью. Это свидетельствует об инертности материала, который не препятствует росту костной ткани внутри и вокруг имплантатов. Стенки костного дефекта были склерозированы. Послеоперационный рубец в области сшитых мышц, фасций без воспалительных явлений. Макроскопически увеличенных лимфатических узлов (парааортальных) не обнаружено.

К концу 1 года наблюдалось прорастание в краевые отделы имплантата новообразованной кости по всей окружности имплантата. На микрорентгенограммах с прямым увеличением фронтальных и сагиттальных шлифов выявлялось сохранение в костной ткани естественной ориентации и плавного перехода костных балок из ложа в поры имплантата без линии разрыва или перелома.

Таким образом, экспериментальная работа на животных показала, что наноуглеродные имплантаты прочно фиксируются в костном ложе животных, жесткость фиксации полностью сохраняется в течение всего периода наблюдения, а прочность самого имплантата не уменьшается, причем в его структуре определяются участки оссификации без каких-либо признаков резорбции материала. То есть, полученный материал по своим механическим, токсическим, остеокондуктивным свойствам полностью соответствует требованиям, предъявляемым к материалам, используемым для замещения костных дефектов.

Применение предлагаемого изобретения обеспечивает реализацию способа изготовления биосовместимого пористого углеродного наноструктурного композиционного материала для замещения костных дефектов с упругими характеристиками, приближенными к свойствам кости и имплантатов для замещения костных дефектов при проведении операций по восстановлению функций костного скелета человека.

Claims (25)

1. Композиционный углеродный наноматериал для замещения костных дефектов, включающий пироуглеродную матрицу и волокнистую армирующую основу, выполненную в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержней, и содержащего вертикально установленные стержни и горизонтальные слои, каждый из которых образован параллельно ориентированными стержнями, а стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°, отличающийся тем, что модуль упругости наноматериала не превышает 15 ГПа, открытая пористость не менее 5% об., а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм.

2. Композиционный углеродный наноматериал по п. 1, отличающийся тем, что массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляет 30-38%.

3. Композиционный углеродный наноматериал по п. 1, отличающийся тем, что диаметр стержней, содержащих углеродные волокна, составляет 0,7-2 мм.

4. Композиционный углеродный наноматериал по п. 1, отличающийся тем, что его плотность составляет 1,2-1,8 г/см³.

5. Способ изготовления композиционного углеродного наноматериала для замещения костных дефектов по п. 1, включающий формирование армирующей основы в виде каркаса послойной укладкой стержней, сформованных из углеродных волокон, ориентированных вдоль оси стержня, располагая стержни в каждом слое параллельно друг другу 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, отличающийся тем, что газовая среда содержит дополнительно водород в количестве 2-45% об., а процесс формирования прироуглеродной матрицы осуществляют при градиенте температуры внутри каркаса 10-100°С/мм.

6. Способ по п. 5, отличающийся тем, что дополнительные стержни превышают по длине высоту уложенных слоев, а после установки дополнительных стержней продолжают сборку слоев каркаса до достижения необходимой высоты каркаса.

7. Имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала по п. 1, содержащего пироуглеродную матрицу и многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси стержней, отличающийся тем, что материал имплантата имеет модуль упругости не более 15 ГПа, открытая пористость материала не менее 5% об., а средний размер графитовых фрагментов в структуре материала не превышает 30 нм.

8. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра.

9. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра с отсеченным параллельно цилиндрической оси цилиндрическим сегментом, при этом объем отсеченного сегмента составляет менее 40% от объема цилиндра.

10. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра с двумя отсеченными параллельно цилиндрической оси и параллельно друг другу цилиндрическими сегментами, при этом объем одного отсеченного сегмента составляет менее 20% от объема цилиндра.

11. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра, верхнее основание которого не параллельно нижнему основанию и имеет угол наклона 4-10°.

12. Имплантат по п. 8-11, отличающийся тем, что высота цилиндра составляет 4-100 мм, а диаметр основания 10-30 мм.

13. Имплантат по п. 8-11, отличающийся тем, что он имеет сквозное отверстие, параллельное оси цилиндра.

14. Имплантат по п. 8-11, отличающийся тем, что он имеет два соосных глухих отверстия, параллельные оси цилиндра.

15. Имплантат по п. 8-11, отличающийся тем, что он имеет сквозное или два соосных глухих отверстий, параллельные оси цилиндра, диаметр которых составляет 0,1-0,5 от диаметра цилиндра.

16. Имплантат по п. 8-11, отличающийся тем, что на поверхностях оснований цилиндра выполнены один или несколько пазов глубиной 0,5-2 мм и шириной 1-3 мм.

17. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде трех соосных цилиндров, при этом диаметры крайних цилиндров одинаковы и меньше диаметра среднего цилиндра.

18. Имплантат по п. 17, отличающийся тем, что он имеет сквозное отверстие или два глухих отверстия, ось которых совпадает с осью цилиндров.

19. Имплантат по п. 17, отличающийся тем, что диаметр сквозного отверстия или глухих отверстий составляет 0,3-0,5 от диаметра крайних цилиндров.

20. Имплантат по любому из пп. 17-19, отличающийся тем, что диаметр среднего цилиндра составляет 10-30 мм, диаметр крайних цилиндров составляет 5-15 мм, общая длина имплантата 20-140 мм, а длина крайнего цилиндра 5-20 мм.

21. Имплантат по п. 7, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы.

22. Имплантат по п. 21, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы с Г-образным основанием.

23. Имплантат по п. 22, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы с П-образным основанием.

24. Имплантат по п. 22, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы с основанием в виде креста.

25. Имплантат по п. 21-24, отличающийся тем, что длина стороны основания призмы составляет 8-30 мм, а высота призмы 4-100 мм.