WO2017180019A1 - Biologically active composite material for repairing bone defects and preparation method thereof - Google Patents

Biologically active composite material for repairing bone defects and preparation method thereof Download PDF

Info

Publication number
WO2017180019A1
WO2017180019A1 PCT/RU2016/000735 RU2016000735W WO2017180019A1 WO 2017180019 A1 WO2017180019 A1 WO 2017180019A1 RU 2016000735 W RU2016000735 W RU 2016000735W WO 2017180019 A1 WO2017180019 A1 WO 2017180019A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
phosphate
reaction
cement
powder
composite material
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000735
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Виталий Васильевич ГУЗЕЕВ
Андрей Александрович НЕСТЕРЕНКО
Original Assignee
Виталий Васильевич ГУЗЕЕВ
Андрей Александрович НЕСТЕРЕНКО
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 Виталий Васильевич ГУЗЕЕВ, Андрей Александрович НЕСТЕРЕНКО filed Critical Виталий Васильевич ГУЗЕЕВ
Publication of WO2017180019A1 publication Critical patent/WO2017180019A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/54Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
    • A61F2/00Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/28Bones
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/12Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14Macromolecular materials
    • A61L27/22Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
    • A61L27/24Collagen

Definitions

  • the invention relates to medicine and can be used in traumatology, orthopedics, maxillofacial, facial and dental surgery, as well as in dentistry and cosmetology to replace and eliminate bone defects.
  • bone-replacing materials The main requirement for bone-replacing materials is biological compatibility with bone tissues and the absence of negative reactions when implanting and being in them for a long time. Therefore, these materials should be close in structure and properties to the matrix of bone tissues in chemical composition, not to change the chemical composition in the area of contact with the body, to be reconstructed into bone material without changing the volume, to be able to replace bone defects of complex anatomical shape in a liquid or viscous state and during the operation, turn into a solid material with mechanical properties comparable to bone tissue.
  • Nonmetallic bioactive materials most fully meet the specified requirements, since they combine biological compatibility and bioresorbability. Such materials include composites based on calcium, magnesium, potassium, sodium phosphates, biopolymers of various nature - proteins and polysaccharides.
  • cement materials are known (Loreley Morejo n-Alonso, Oscar Jacinto Bareiro Ferreira, Raurl Garcia Carrodeguas, Luis Alberto dos Santos Bioactive composite bone cement based on a-tricalcium phosphate / tricalcium silicate J Biomed Mater Res Part 2012: 100B: 94 -102), which is obtained by mixing the reaction-hardening powder (RTP) of ⁇ -TCP with a cement liquid containing sodium phosphates. The result is cement based on precipitated oxyhydroxyapatite (OGA).
  • RTP reaction-hardening powder
  • OOA precipitated oxyhydroxyapatite
  • Composite material for bone tissue replacement is also known [RU 2122437, A 61 L 27/00, A61F2 / 28 27.1 1.1998], containing inorganic calcium phosphates and biopolymers, chondroitin sulfate (CS), and calcium hydroxylapatite (HA) is used as calcium phosphate in the form of granules with a diameter of 1.5 - 2.0 mm and powder of beta-tricalcium phosphate (TCF) with a particle diameter of not higher than 50 microns, chondroitin sulfate and collagen powders with a particle diameter not exceeding 50 microns and a 2% collagen solution are used as biopolymers in the amount of 1 ob.ch. solution for 2 vol.h. mixtures of powders and granules used, and GA, TKF, collagen and cholesterol are taken in the ratio of 12-20: 6-12: 30-40: 34-38 wt.h.
  • CS chondroitin sulfate
  • HA calcium hydroxy
  • biomaterials based on hydroxyapatite and biopolymer-collagen for example, a composition for bioactive microporous material that simulates natural bone structures, [RU 2349289, CI, A61F2 / 28, A61L27 / 10, A61L27 / 12, A61L27 / 56, 03.20.2009] powdered medical glass, hydroxyapatite powder, carbonate pore former and zeolite grains with a grain size of less than 1 mm and a pore size of from 0.5 nm to 20 ⁇ m, granulated together with hydroxyapatite to a grain size of more than 50 ⁇ m to 1 mm, in the following ratio of components, wt.%:
  • the disadvantage of this composition is the relatively low mechanical strength and relatively low porosity, which does not allow for sufficient penetration of intercellular fluids.
  • reaction-hardening powder containing and - tricalcium phosphate
  • cement fluid containing water
  • the reaction-hardening powder further comprises particles of hydroxyapatite ranging in size from 50 to 220 microns
  • cement fluid further comprises phosphoric acid, magnesium phosphate, sodium phosphate and / or potassium in the following ratio of components in calcium phosphate cement:
  • the amount of cement fluid (ml) to the amount of the reaction-hardening powder mixture (g) is in the range of 0.45-0.75.
  • the disadvantage of this material is the relatively low compatibility with bone tissue, due to the fact that the set of ingredients of this composition does not fully correspond to the micro- and macroelement composition of bone tissue and, therefore, has relatively low rates of biocompatibility, osteogenic and osteoinductive properties.
  • the composition has a relatively narrow scope, because after preliminary molding of the product to eliminate the bone tissue defect, its heat treatment is required, which changes the volume of the cement mass and the shape of the product, which complicates the replacement of a defect of complex shape and does not allow qualitatively replacing defects of complex shape.
  • the problem solved in the invention with respect to the material is to develop a material with higher compatibility with bone tissue, which provides the possibility of better replacement of defects of complex shape and has a higher safety of use.
  • the required technical result is to increase biocompatibility with bone tissue, increasing the possibility of more high-quality replacement of defects of complex shape and increased safety of use.
  • a binder liquid is additionally introduced, containing a solution of native collagen type II and IV and lysine powder, while the reaction-hardening powder further comprises brushite, the cement fluid further comprises magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate, and ⁇ -tricalcium phosphate is used as tricalcium phosphate in the reaction-hardening powder, in the following ratio,% May:
  • binder fluid
  • the amount of reaction-hardening powder (g) to the binder fluid (ml) and the amount of cement fluid (ml) is in the range 1: (0.2-0.3): (0.3-0.5)
  • the disadvantage of this method is the relatively narrow scope, since the material obtained using this method has a relatively low biological activity and relatively low mechanical strength.
  • the disadvantage of this method is the relatively narrow scope, since the material obtained using this method has a relatively low biological activity and relatively low safety.
  • the problem solved by the invention in relation to the method is to expand the scope of its application with the aim of providing the possibility of obtaining a material having higher compatibility with bone tissue, which enables better replacement of defects of complex shape and has a higher safety of use.
  • the required technical result is to expand the scope in order to ensure the possibility of obtaining a material having increased biocompatibility with bone tissue, increased ability to better replace defects of complex shape and increased safety of use.
  • a plastic mass is formed, which is mixed by rubbing in a mortar a reaction-hardening powder containing hydroxyapatite, ⁇ -tricalcium phosphate and brushite, with a binder liquid containing a solution of native collagen II and type IV and lysine powder, and immediately before the use of the composite material, a cement liquid is prepared, for which magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate are mixed in double-distilled water, and, when using composite material, the formed plastic mass is mixed with cement liquid and solidified for 24 hours.
  • Bioactive composite material for the replacement of bone defects consists of three components:
  • the ratio between components in parts by weight is 1: (0.2-0.3): (0.3-0.5).
  • CFS biological calcium phosphate compound
  • the obtained biological CFS has a polydisperse composition with a particle size of from 0.1-400 microns, which are agglomerates of grains with a size of 15 to 50 nm. Sterilization of CFS occurs when it is calcined directly during production at 750-780 ° C.
  • the binder material additionally contains an amino acid - lysine, which provides transport of bioresorbable calcium to the site of restoration of the bone defect and promotes epitaxial bone growth.
  • the composition of the calcium phosphate material is controlled, for example, by X-ray phase and X-ray fluorescence analysis.
  • the hardening powder and cement liquid are sterilized before use by heating to 750-830 ° C and 500 ° C, respectively, and before use, the binder liquid is sealed in polyethylene and sterilized by ionizing gamma radiation from a cobalt-60 isotope (Co 60 ) with a dose of (18000 -23000) ⁇ 500 gray.
  • the biological calcium phosphate compound (CFS) obtained by the above method contains the main trace elements accompanying natural bone, the value of which can be estimated only by in vivo testing of the material, during which it showed high resorbability and remarkable osteoinductive and osteoconductive properties.
  • a binder liquid was used — a solution of native collagen of type II and IV, which was isolated from animal bones in the process of obtaining biological CFS.
  • An amino acid, lysine was used as an additive to the binder fluid, which ensures the transport of bioresorbable calcium to the site of restoration of the bone defect and promotes epitaxial bone growth.
  • Lysine is involved in two very important processes: tissue repair and collagen formation. Lysine is widely used in the period of postoperative recovery, as well as the treatment of injuries of a different nature. It improves the absorption of calcium from the blood and its transport to bone tissue.
  • the prepared mixture of a solution of collagen and lysine is sealed in a plastic film and sterilized with ionizing gamma radiation from the cobalt-60 isotope (Co 60 ) with a dose of 18000-23000 ⁇ 0.5 Gray.
  • chemical reagents were used: magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide, sodium dihydrogen phosphate, which were qualified as “pure for analysis” and “especially pure”.
  • the ratio between magnesium and zinc oxides and sodium dihydrogen phosphate is chosen so that, during the formation of the cement fluid, the oxides are neutralized with sodium dihydrogen phosphate to form mixed magnesium, sodium, and zinc phosphates, which provide good reaction hardening properties of the material.
  • Sterilization of powders of magnesium and zinc oxides, magnesium phosphate and sodium dihydrogen phosphate is carried out by calcining in an oven at 500 ° C for one hour.
  • a method of obtaining a bioactive composite material for replacing bone defects consists in the sequence of operations: starting components: CFS powder and a binder solution of native collagen with lysine are mixed by grinding in an agate mortar to a homogeneous mass, then a cement solution was added to the mixture with continuous stirring. After thorough mixing, a plastic mass similar to plasticine is formed, which is easily molded. The necessary products are formed manually or in molds from the resulting mass - plates, sticks, balls (for example, for chemical, biological and mechanical tests). The curing time of the obtained material depends on the ratio of the components and varies from 5 to 30 minutes. In addition, with manual molding, the material does not cure for a longer time while it is in the hands of a surgeon or researcher.
  • test results showed that, in contrast to the known cements, the proposed material has full biocompatibility with bone tissue, biodegradability, creates the conditions for reducing the need for bone grafting and overall duration surgical intervention, eliminate the need for additional fixation of bone fragments (debris).
  • a powder of calcium phosphate compounds (CFS) containing 1 g of particles with a size of 0.1-400 ⁇ m is mixed with 0.2 g of a mixture of collagen and lysine and 0.3 g of cement fluid. Mixing is carried out in the indicated sequence by grinding in an agate mortar, then the plastic mass is subjected to manual molding. Of the half of the resulting plastic mass, a ball is formed and placed in a cylindrical shape with a diameter of 8 mm for mechanical testing. Curing of the mixture occurs at room temperature almost instantly. Preliminary curing of the material occurs in 10-15 minutes, and complete occurs after 24 hours. By this method, samples were prepared for mechanical tests and for preclinical testing. Cement liquid is prepared immediately before the test by mixing the powders of phosphates and oxides that are part of bidistilled water.
  • lysine in an amount of 2-5 is justified by the following: when using lysine in an amount of less than 2% in May. has little effect on the effect of his participation in restoration of a bone defect having a bone structure, and when the content is above 5%, an increase in the setting time and hardening of the material is observed.
  • Heavy metals in its composition are absent.
  • the evaluation of the parameters of the porous structure and specific surface area is given in table 2.
  • the inventive bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4 is a medium-porous material with a high specific surface area and an average pore size of 3 nm.
  • the scope of its application is expanding, which allows to achieve the required technical result with respect to the composite material obtained, which has increased biocompatibility with bone tissue, which provides better replacement of defects of complex shape and increased safety of use.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

The invention relates to medicine and may be used for repairing and eliminating bone defects in traumatology, orthopedics, jaw, facial and dental surgery, and also in dentistry. The desired technical result consists in broadening the scope of application of a method, and in producing a composite material exhibiting enhanced biocompatibility with bone tissue, thus allowing for higher-quality repair of defects having complex shapes and for enhanced safety of use, and is achieved in a method for producing a material in the form of a cement fluid, containing water, magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate, and a reaction-hardened powder containing hydroxyapatite, tricalcium phosphate and brushite, with a corresponding ratio of components.

Description

БИОАКТИВНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ  BIOACTIVE COMPOSITE MATERIAL FOR REPLACEMENT OF BONE DEFECTS AND METHOD FOR ITS PRODUCTION
Изобретение относится к медицине и может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстной, лицевой и зубной хирургии, а также в стоматологии и косметологии для замещения и устранения костных дефектов. The invention relates to medicine and can be used in traumatology, orthopedics, maxillofacial, facial and dental surgery, as well as in dentistry and cosmetology to replace and eliminate bone defects.
Основным требованием к костно-замещающим материалам является биологическая совместимость с костными тканями и отсутствие негативных реакций при вживлении и нахождении в них длительное время. Поэтому данные материалы должны быть по химическому составу структуре и свойствам близки к матриксу костных тканей, не изменять химический состав в зоне контакта с организмом, перестраиваться в костный материал без изменения объема, обладать способностью замещать костные дефекты сложной анатомической формы в жидком или вязкотекущем состоянии и в ходе операции превращаться в твердый материал, обладающим механическими свойствами сравнимыми с костной тканью.  The main requirement for bone-replacing materials is biological compatibility with bone tissues and the absence of negative reactions when implanting and being in them for a long time. Therefore, these materials should be close in structure and properties to the matrix of bone tissues in chemical composition, not to change the chemical composition in the area of contact with the body, to be reconstructed into bone material without changing the volume, to be able to replace bone defects of complex anatomical shape in a liquid or viscous state and during the operation, turn into a solid material with mechanical properties comparable to bone tissue.
В связи с этим разработка новых костно-замещающих материалов, технологии их изготовления и применения их в практике является актуальной задачей.  In this regard, the development of new bone-replacing materials, the technology of their manufacture and their application in practice is an urgent task.
Указанным требованиям наиболее полно отвечают неметаллические биоактивные материалы, так как они сочетают в себе биологическую совместимость и биорезорбирумость. К таким материалам относятся композиты на основе фосфатов кальция, магния, калия, натрия, биополимеры различной природы - белки и полисахариды. Nonmetallic bioactive materials most fully meet the specified requirements, since they combine biological compatibility and bioresorbability. Such materials include composites based on calcium, magnesium, potassium, sodium phosphates, biopolymers of various nature - proteins and polysaccharides.
В частности, известны цементные материалы (Loreley Morejo n-Alonso, Oscar Jacinto Bareiro Ferreira, Raurl Garcia Carrodeguas, Luis Alberto dos Santos Bioactive composite bone cement based on a-tricalcium phosphate/tricalcium silicate J Biomed Mater Res Part В 2012: 100B:94-102), которые получают путем смешивания реакционно-твердеющего порошка (РТП) α-ТКФ с цементной жидкостью, содержащей фосфаты натрия. В результате получают цемент на основе осажденного оксигидроксиапатита (ОГА).  In particular, cement materials are known (Loreley Morejo n-Alonso, Oscar Jacinto Bareiro Ferreira, Raurl Garcia Carrodeguas, Luis Alberto dos Santos Bioactive composite bone cement based on a-tricalcium phosphate / tricalcium silicate J Biomed Mater Res Part 2012: 100B: 94 -102), which is obtained by mixing the reaction-hardening powder (RTP) of α-TCP with a cement liquid containing sodium phosphates. The result is cement based on precipitated oxyhydroxyapatite (OGA).
Недостатком этого материала является относительно низкая прочность. The disadvantage of this material is its relatively low strength.
Известен также композиционный материал для замещения костной ткани [RU 2122437, А 61 L 27/00, A61F2/28 27.1 1.1998], содержащий неорганические фосфаты кальция и биополимеры, хондроитинсульфат (ХС), при этом в качестве фосфатов кальция используюется гидроксилапатит кальция (ГА) в виде гранул с диаметром 1,5 - 2,0 мм и порошок бетатрикальций фосфата (ТКФ) с диаметром частиц не выше 50 мкм, в качестве биополимеров используются порошки хондроитинсульфата и коллагена с диаметром частиц не превышающим 50 мкм и 2%-ный раствор коллагена в количестве 1 об.ч. раствора на 2 об.ч. смеси используемых порошков и гранул, причем ГА, ТКФ, коллаген и ХС берутся в соотношении 12-20:6-12:30-40:34-38 мас.ч. Composite material for bone tissue replacement is also known [RU 2122437, A 61 L 27/00, A61F2 / 28 27.1 1.1998], containing inorganic calcium phosphates and biopolymers, chondroitin sulfate (CS), and calcium hydroxylapatite (HA) is used as calcium phosphate in the form of granules with a diameter of 1.5 - 2.0 mm and powder of beta-tricalcium phosphate (TCF) with a particle diameter of not higher than 50 microns, chondroitin sulfate and collagen powders with a particle diameter not exceeding 50 microns and a 2% collagen solution are used as biopolymers in the amount of 1 ob.ch. solution for 2 vol.h. mixtures of powders and granules used, and GA, TKF, collagen and cholesterol are taken in the ratio of 12-20: 6-12: 30-40: 34-38 wt.h.
Недостатком этого материала является относительно низкие механические свойства изделий из него.  The disadvantage of this material is the relatively low mechanical properties of products from it.
Известны биоматериалы на основе гидроксиапатита и биополимера- коллагена, например композиция для биоактивного микропористого материала, имитирующего натуральные костные структуры, [RU 2349289, CI, A61F2/28, A61L27/10, A61L27/12, A61L27/56, 20.03.2009], содержащая размельченное в порошок медицинское стекло, порошок гидроксиапатита, карбонатный порообразователь и зерна цеолита с размером зерен менее 1 мм и размером пор от 0,5 нм до 20 мкм, гранулированные совместно с гидроксиапатитом до размера гранул от более 50 мкм до 1 мм, при следующем соотношении компонентов, мас.%: Known biomaterials based on hydroxyapatite and biopolymer-collagen, for example, a composition for bioactive microporous material that simulates natural bone structures, [RU 2349289, CI, A61F2 / 28, A61L27 / 10, A61L27 / 12, A61L27 / 56, 03.20.2009] powdered medical glass, hydroxyapatite powder, carbonate pore former and zeolite grains with a grain size of less than 1 mm and a pore size of from 0.5 nm to 20 μm, granulated together with hydroxyapatite to a grain size of more than 50 μm to 1 mm, in the following ratio of components, wt.%:
Стекло 19,9-80  Glass 19.9-80
Гидроксиапатит 10-50  Hydroxyapatite 10-50
Цеолит 10-40  Zeolite 10-40
Порообразователь 0,1-10  Pore former 0.1-10
Недостатком этой композиции является относительно низкая механическая прочность и относительно низкая пористость, что не позволяет обеспечить достаточное проникновение межклеточных жидкостей. The disadvantage of this composition is the relatively low mechanical strength and relatively low porosity, which does not allow for sufficient penetration of intercellular fluids.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату при его использовании является композиционный материал [RU The closest in technical essence and the achieved result when using it is a composite material [RU
2484850, C I , A61L 24/02, A61L 27/02, A61L 27/12, A61F 2/28, 20.06.2013], выполненный на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов в виде реакционно-твердеющего порошка содержащего и- трикальцийфосфат, и цементной жидкости, содержащей воду, причем, реакционно-твердеющий порошок дополнительно содержит частицы гидроксиапатита размером от 50 до 220 мкм, а цементная жидкость дополнительно содержит фосфорную кислоту, фосфат магния, фосфат натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов в кальцийфосфатном цементе: 2484850, CI, A61L 24/02, A61L 27/02, A61L 27/12, A61F 2/28, 06/20/2013], made on the basis of calcium phosphate cement for filling bone defects in the form of a reaction-hardening powder containing and - tricalcium phosphate, and a cement fluid containing water, wherein the reaction-hardening powder further comprises particles of hydroxyapatite ranging in size from 50 to 220 microns, and the cement fluid further comprises phosphoric acid, magnesium phosphate, sodium phosphate and / or potassium in the following ratio of components in calcium phosphate cement:
в реакционно-твердеющей смеси порошков, мас.%: in a reaction-hardening mixture of powders, wt.%:
Частицы гидроксиапатита размером 50-220 мкм 5-50 Particles of hydroxyapatite with a size of 50-220 microns 5-50
Порошок а-трикальцийфосфата 50-95 Powder a- tricalcium phosphate 50-95
при следующем соотношении компонентов в цементной жидкости, in the following ratio of components in cement fluid,
Фосфат магния 30-60  Magnesium Phosphate 30-60
Фосфат натрия и/или калия 3,5-25 Фосфорная кислота 0,5-3,0 Sodium and / or Potassium Phosphate 3.5-25 Phosphoric acid 0.5-3.0
Вода остальное,  Water the rest
а количество цементной жидкости (мл) к количеству реакционно- твердеющей порошковой смеси (г) находится в пределах 0,45-0,75. and the amount of cement fluid (ml) to the amount of the reaction-hardening powder mixture (g) is in the range of 0.45-0.75.
Недостатком этого материала является относительно низкая совместимость с костной тканью, обусловленная тем, что, набор ингредиентов этой композиции не в полной мере соответствует микро- и макроэлементному составу костной ткани и, следовательно, обладает относительно низкими показателями по биосовместимости, остеогенным и остеоиндуктивным свойствам.  The disadvantage of this material is the relatively low compatibility with bone tissue, due to the fact that the set of ingredients of this composition does not fully correspond to the micro- and macroelement composition of bone tissue and, therefore, has relatively low rates of biocompatibility, osteogenic and osteoinductive properties.
Кроме этого, композиция обладает относительно узкой областью применения, поскольку после предварительного формования изделия для устранения дефекта костной ткани требуется его термообработка, которая изменяет объем цементной массы и форму изделия, что усложняет замещение дефекта сложной формы и не позволяет качественно осуществить замену дефектов сложной формы.  In addition, the composition has a relatively narrow scope, because after preliminary molding of the product to eliminate the bone tissue defect, its heat treatment is required, which changes the volume of the cement mass and the shape of the product, which complicates the replacement of a defect of complex shape and does not allow qualitatively replacing defects of complex shape.
Дополнительно к указанным недостаткам можно отметить его относительно низкую безопасность, поскольку известный материал характеризуется наличием свободной фосфорной кислоты в составе цементного раствора, что может неконтролируемо или локально создавать повышенную кислотность материала и приводить к некрозу биологических тканей.  In addition to these shortcomings, one can note its relatively low safety, since the known material is characterized by the presence of free phosphoric acid in the cement mortar, which can uncontrolled or locally create an increased acidity of the material and lead to necrosis of biological tissues.
Задача, решаемая в изобретении относительно материала, состоит в разработке материала, обладающего более высокой совместимостью с костной тканью, обеспечивающего возможность более качественной замены дефектов сложной формы и обладающего более высокой безопасностью применения.  The problem solved in the invention with respect to the material is to develop a material with higher compatibility with bone tissue, which provides the possibility of better replacement of defects of complex shape and has a higher safety of use.
Требуемый технический результат заключается в повышении биосовместимости с костной тканью, повышении возможности более качественной замены дефектов сложной формы и повышении безопасности применения. The required technical result is to increase biocompatibility with bone tissue, increasing the possibility of more high-quality replacement of defects of complex shape and increased safety of use.
Этот технический результат, в целом, обеспечивается за счет создания биоактивного резорбируемого материала для замещения дефектов костной ткани, который после заполнения им дефектов в процессе отверждения образует вещество, являющееся близким аналогом неорганической составляющей костной ткани, обладающее биосовместимостью, биоактивностью, высокими остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, благодаря чему он перерабатывается организмом в натуральную костную ткань, эффективно восстанавливая имеющиеся дефекты кости и вследствие эпитаксиального роста создает костную матрицу.  This technical result, on the whole, is ensured by creating a bioactive resorbable material to replace bone defects, which, after filling defects in them during curing, forms a substance that is a close analogue of the inorganic component of bone tissue, which has biocompatibility, bioactivity, high osteoinductive and osteoconductive properties, thanks to which it is processed by the body into natural bone tissue, effectively restoring existing bone defects and subsequently Epitaxial growth creates a bone matrix.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат относительно материала достигается тем, что, в композиционный материал выполненный в виде цементной жидкости, содержащей воду и фосфат магния, а также реакционно-твердеющего порошка, содержащего гидроксиапатит и трикальцийфосфат, согласно изобретению, дополнительно введена связующая жидкость, содержащая раствор нативного коллагена II и IV типа и лизин порошок, при этом, реакционно-твердеющий порошок дополнительно содержит брушит, цементная жидкость дополнительно содержит оксид магния, оксид цинка и дигидрофосфат натрия, а в качестве трикальцийфосфата в реакционно-твердеющем порошке используют β- трикальцийфосфат, при следующем соотношении компонентов, % мае:  The problem is solved, and the required technical result regarding the material is achieved by the fact that, in the composite material made in the form of a cement liquid containing water and magnesium phosphate, as well as a reaction-hardening powder containing hydroxyapatite and tricalcium phosphate, according to the invention, a binder liquid is additionally introduced, containing a solution of native collagen type II and IV and lysine powder, while the reaction-hardening powder further comprises brushite, the cement fluid further comprises magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate, and β-tricalcium phosphate is used as tricalcium phosphate in the reaction-hardening powder, in the following ratio,% May:
реакционно-твердеющий порошок:  hardening powder:
гидроксиапатит - 50-60  hydroxyapatite - 50-60
β-трикальцийфосфат - 20 - 30  β-tricalcium phosphate - 20 - 30
брушит - 10-20  Brush - 10-20
связующая жидкость:  binder fluid:
раствор нативного коллагена II и IV типа (40-50 %) - 95-98  native collagen solution of type II and IV (40-50%) - 95-98
лизин порошок - 2-5 цементная жидкость: lysine powder - 2-5 cement fluid:
фосфат магния - 10-15  magnesium phosphate - 10-15
оксид магния - 0,5-3  magnesium oxide - 0.5-3
оксид цинка - 0,5-3  zinc oxide - 0.5-3
дигидрофосфат натрия - 5 -15  sodium dihydrogen phosphate - 5 -15
вода - остальное.  water is the rest.
причем, количество реакционно-твердеющего порошка (г) к связующей жидкости (мл) и количеству цементной жидкости (мл) находится в пределах 1 : (0,2-0,3) : (0,3-0,5)  moreover, the amount of reaction-hardening powder (g) to the binder fluid (ml) and the amount of cement fluid (ml) is in the range 1: (0.2-0.3): (0.3-0.5)
Известны также способы получения композиционных материалов для замещения костных дефектов.  Also known are methods for producing composite materials for the replacement of bone defects.
В частности, известен способ формирования костной ткани на основе коллагенового матрикса [RU 2053733, CI, A61L27/00, 20.02.1996], согласно которому коллагеновый матрикс помещают в жидкий раствор, содержащий ионы кальция, фосфата и гидроксида, а процесс образования гидроксилаппатита на коллагеновом матриксе производят под воздействием электрофореза. Особенностью способа является то, что, толщину осажденного на коллагеновом матриксе гидроксилаппатита формируют пропорционально плотности тока.  In particular, there is a known method for the formation of bone tissue based on a collagen matrix [RU 2053733, CI, A61L27 / 00, 02.20.1996], according to which the collagen matrix is placed in a liquid solution containing calcium, phosphate and hydroxide ions, and the process of the formation of hydroxylappatite on collagen matrix produced by electrophoresis. A feature of the method is that, the thickness of the hydroxylappatite deposited on the collagen matrix is formed in proportion to the current density.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, поскольку получаемый с использованием этого способа материал обладает относительно невысокой биологической активностью и относительно небольшой механической прочностью.  The disadvantage of this method is the relatively narrow scope, since the material obtained using this method has a relatively low biological activity and relatively low mechanical strength.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному является способ получения композиционных материалов для замещения костных дефектов [RU 2484850, CI, A61L 24/02, A61L 27/02, A61L 27/12, A61F 2/28, 20.06.2013], согласно которому реакционно-твердеющий порошок, содержащий 0,5 г керамических частиц гидроксиапатита размером 56-82 мкм и порошка 0,5 г а- трикальцийфосфата, смешивают с 0,25 мл цементной жидкости (50% мае, фосфата магния и 5% мае, фосфата калия, 5% мае, фосфата натрия, фосфорной кислоты 1% мае, остальное - вода) в течение 1-2 минут металлическим шпателем на стекле до сметаноподобного состояния, после чего смесь помещают в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8 мм на 15-20 минут, а отформованный образец перемещают в термостат при температуре 37°С в раствор SBF (Simulated Body Fluid), соответствующем плазме крови человека на 24 часа. Closest to the technical nature of the proposed is a method for producing composite materials for the replacement of bone defects [RU 2484850, CI, A61L 24/02, A61L 27/02, A61L 27/12, A61F 2/28, 06/20/2013], according to which the reaction -hardening powder containing 0.5 g of ceramic particles of hydroxyapatite with a size of 56-82 μm and a powder of 0.5 g of α-tricalcium phosphate, mixed with 0.25 ml of cement liquid (50% May, magnesium phosphate and 5% May, potassium phosphate, 5% May, sodium phosphate, phosphoric acid 1% May, the rest is water) for 1-2 minutes with a metal spatula on the glass until sour cream-like state, after which the mixture placed in a cylindrical mold with a diameter of 8 mm for 15-20 minutes, and the molded sample is transferred to a thermostat at a temperature of 37 ° C in a solution of SBF (Simulated Body Fluid), corresponding to human blood plasma for 24 hours.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, поскольку получаемый с использованием этого способа материал обладает относительно невысокой биологической активностью и относительно низкой безопасностью.  The disadvantage of this method is the relatively narrow scope, since the material obtained using this method has a relatively low biological activity and relatively low safety.
Задача, решаемая в изобретении относительно способа, состоит в расширении области его применения с целью обеспечения возможности получения материала, обладающего более высокой совместимостью с костной тканью, обеспечивающего возможность более качественной замены дефектов сложной формы и обладающего более высокой безопасностью применения.  The problem solved by the invention in relation to the method is to expand the scope of its application with the aim of providing the possibility of obtaining a material having higher compatibility with bone tissue, which enables better replacement of defects of complex shape and has a higher safety of use.
Требуемый технический результат состоит в расширении области применения с целью обеспечения возможности получения материала, обладающего повышенной биосовместимостью с костной тканью, повышенной возможностью более качественной замены дефектов сложной формы и повышенной безопасностью применения.  The required technical result is to expand the scope in order to ensure the possibility of obtaining a material having increased biocompatibility with bone tissue, increased ability to better replace defects of complex shape and increased safety of use.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, согласно предложенному способу, формируют пластичную массу, для чего смешивают растиранием в ступке реакционно- твердеющий порошок, содержащий гидроксиапатит, β-трикальцийфосфат и брушит, со связующей жидкостью, содержащей раствор нативного коллагена II и IV типа и лизина порошок, и непосредственно перед применением композиционного материала готовят цементную жидкость, для чего смешивают в бидистиллированной воде фосфат магния, оксид магния, оксид цинка и дигидрофосфат натрия, причем, при применении композиционного материала сформированную пластичную массу смешивают с цементной жидкостью и отверждают 24 часа. The problem is solved, and the required technical result is achieved by the fact that, according to the proposed method, a plastic mass is formed, which is mixed by rubbing in a mortar a reaction-hardening powder containing hydroxyapatite, β-tricalcium phosphate and brushite, with a binder liquid containing a solution of native collagen II and type IV and lysine powder, and immediately before the use of the composite material, a cement liquid is prepared, for which magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate are mixed in double-distilled water, and, when using composite material, the formed plastic mass is mixed with cement liquid and solidified for 24 hours.
Биоактивный композиционный материал для замещения костных дефектов состоит из трех компонентов:  Bioactive composite material for the replacement of bone defects consists of three components:
1. Реакционно-твердеющий порошок  1. Reactive hardening powder
2. Связующая жидкость  2. Binder fluid
3. Цементная жидкость  3. Cement fluid
Соотношение между компонентами в весовых частях составляет 1 : (0,2- 0,3) : (0,3-0,5).  The ratio between components in parts by weight is 1: (0.2-0.3): (0.3-0.5).
В качестве реакционно-твердеющего порошка используется кальцийфосфатный материал в виде биологического кальцийфосфатного соединения (КФС), получаемого из костей крупного рогатого скота и свиней, способом их деминерализации в хлороводородной кислоте концентрацией 0,5-3 М, с последующим осаждением 1-6 М раствором NaOH до рН=7-8,5, фильтрацией осадка фосфатов кальция, многократной его промывкой методом распульповки в дистиллированной воде. Полученный осадок подвергали ступенчатой термической обработке: сушке при 80-120 °С и прокаливанию при 750-830 °С. Полученное биологическое КФС имеет полидисперсный состав с размером частиц от 0,1-400 мкм, представляющие собой агломераты из зерен размером от 15 до 50 нм. Стерилизация КФС происходит при его прокаливании непосредственно в процессе получения при 750-780 °С. Связующий материал дополнительно содержит аминокислоту - лизин, которая обеспечивает транспорт биорезорбирумого кальция к месту восстановления костного дефекта и способствует эпитаксиальному росту кости.  As the reaction-hardening powder, calcium phosphate material is used in the form of a biological calcium phosphate compound (CFS) obtained from bones of cattle and pigs by the method of their demineralization in hydrochloric acid with a concentration of 0.5-3 M, followed by precipitation of 1-6 M NaOH solution to pH = 7-8.5, by filtering the precipitate of calcium phosphates, washing it repeatedly by pulping by distillation in distilled water. The resulting precipitate was subjected to stepwise heat treatment: drying at 80-120 ° C and calcining at 750-830 ° C. The obtained biological CFS has a polydisperse composition with a particle size of from 0.1-400 microns, which are agglomerates of grains with a size of 15 to 50 nm. Sterilization of CFS occurs when it is calcined directly during production at 750-780 ° C. The binder material additionally contains an amino acid - lysine, which provides transport of bioresorbable calcium to the site of restoration of the bone defect and promotes epitaxial bone growth.
Состав кальцийфосфатного материала, контролируют, например, рентгенофазовым и рентгенофлуоресцентным анализом. Кальцийфосфатный материал содержит фазы: гидроксиапатита (аморфная и кристаллическая фазы) (50-60 %), β-трикальцийфосфата (20-30) и брушита Са(НР04)(Н20) при соотношении Са/Р= 1,50-1,67. The composition of the calcium phosphate material is controlled, for example, by X-ray phase and X-ray fluorescence analysis. Calcium phosphate the material contains phases: hydroxyapatite (amorphous and crystalline phases) (50-60%), β-tricalcium phosphate (20-30) and brushite Ca (НР0 4 ) (Н 2 0) with a ratio of Ca / P = 1.50-1, 67.
Реакционно-твердеющий порошок и цементную жидкость перед использованием стерилизуют нагреванием до 750-830 °С и 500 °С, соответственно, а перед применением связующую жидкость запаивают в полиэтилен и стерилизуют ионизирующим гамма-излучением от изотопа кобальта-60 (Со60 ) дозой (18000 -23000)±500 Грэй. The hardening powder and cement liquid are sterilized before use by heating to 750-830 ° C and 500 ° C, respectively, and before use, the binder liquid is sealed in polyethylene and sterilized by ionizing gamma radiation from a cobalt-60 isotope (Co 60 ) with a dose of (18000 -23000) ± 500 gray.
Биологическое кальцийфосфатное соединение (КФС), полученное по приведенному выше способу, содержит основные микроэлементы, сопутствующие природной кости, значение которых можно оценить только по испытаниям материала in vivo, при проведении которых он показал высокую резорбируемость и замечательные остеоиндуктивные и остеокондуктивные свойства.  The biological calcium phosphate compound (CFS) obtained by the above method contains the main trace elements accompanying natural bone, the value of which can be estimated only by in vivo testing of the material, during which it showed high resorbability and remarkable osteoinductive and osteoconductive properties.
Для придания вязкотекучих свойств композиционному материалу использовали связующую жидкость - раствор нативного коллагена II и IV типа, который выделяли из костей животных в процессе получения биологического КФС. В качестве добавки к связующей жидкости использовали аминокислоту - лизин, который обеспечивает транспорт биорезорбирумого кальция к месту восстановления костного дефекта и способствует эпитаксиальному росту кости. Лизин участвует в двух очень важных процессах: восстановлении тканей и формировании коллагена. Лизин широко применяется в период послеоперационного восстановления, а также терапии травм различного характера. Он улучшает усвоение кальция из крови и транспорт его в костную ткань. Приготовленную смесь раствора коллагена и лизина запаивают в полиэтиленовую пленку и стерилизуют ионизирующим гамма-излучением от изотопа кобальта-60 (Со60 ) дозой 18000-23000±0,5 Грэй. Для цементной жидкости использовали химические реактивы: фосфат магния, оксид магния, оксид цинка, дигидрофосфат натрия, которые имели квалификацию «чистый для анализа» и «особо чистый». Соотношение между оксидами магния и цинка и дигирофосфатом натрия выбирается таким, чтобы при формировании цементной жидкости происходила нейтрализация оксидов дигидрофосфатом натрия с образованием смешанных фосфатов магния, натрия и цинка, обеспечивающих хорошие реакционно-твердеющие свойства материала. Стерилизация порошков оксидов магния и цинка, фосфата магния и дигидрофосфата натрия проводится прокаливанием в печи при 500°С в течение часа. To impart viscous flowing properties to the composite material, a binder liquid was used — a solution of native collagen of type II and IV, which was isolated from animal bones in the process of obtaining biological CFS. An amino acid, lysine, was used as an additive to the binder fluid, which ensures the transport of bioresorbable calcium to the site of restoration of the bone defect and promotes epitaxial bone growth. Lysine is involved in two very important processes: tissue repair and collagen formation. Lysine is widely used in the period of postoperative recovery, as well as the treatment of injuries of a different nature. It improves the absorption of calcium from the blood and its transport to bone tissue. The prepared mixture of a solution of collagen and lysine is sealed in a plastic film and sterilized with ionizing gamma radiation from the cobalt-60 isotope (Co 60 ) with a dose of 18000-23000 ± 0.5 Gray. For the cement fluid, chemical reagents were used: magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide, sodium dihydrogen phosphate, which were qualified as “pure for analysis” and “especially pure”. The ratio between magnesium and zinc oxides and sodium dihydrogen phosphate is chosen so that, during the formation of the cement fluid, the oxides are neutralized with sodium dihydrogen phosphate to form mixed magnesium, sodium, and zinc phosphates, which provide good reaction hardening properties of the material. Sterilization of powders of magnesium and zinc oxides, magnesium phosphate and sodium dihydrogen phosphate is carried out by calcining in an oven at 500 ° C for one hour.
Способ получения биоактивного композиционного материала для замещения костных дефектов заключается в последовательности проводимых операций: исходные компоненты: порошок КФС и связующий раствор нативного коллагена с лизином смешивают растиранием в агатовой ступке до однородной массы, затем при непрерывном помешивании к смеси добавляли цементный раствор. После тщательного перемешивания образуется пластичная масса, подобная пластилину, которая легко формуется. Из полученной массы формируют вручную или в прессформах необходимые изделия - пластинки, штабики, шарики (например, для проведения химических, биологических и механических испытаний). Время отверждения полученного материала зависит от соотношения компонентов и варьируется от 5 до 30 минут. Кроме этого, при ручном формовании материал не отверждается в течении и более длительного времени пока находится в руках хирурга или исследователя.  A method of obtaining a bioactive composite material for replacing bone defects consists in the sequence of operations: starting components: CFS powder and a binder solution of native collagen with lysine are mixed by grinding in an agate mortar to a homogeneous mass, then a cement solution was added to the mixture with continuous stirring. After thorough mixing, a plastic mass similar to plasticine is formed, which is easily molded. The necessary products are formed manually or in molds from the resulting mass - plates, sticks, balls (for example, for chemical, biological and mechanical tests). The curing time of the obtained material depends on the ratio of the components and varies from 5 to 30 minutes. In addition, with manual molding, the material does not cure for a longer time while it is in the hands of a surgeon or researcher.
Результаты испытаний показали, что, в отличие от известных цементов предлагаемый материал обладает полной биосовместимостью с костной тканью, биодеградируемостью, создает условия уменьшения в необходимости пересадки костной ткани и общей длительности хирургического вмешательства, устраняют необходимость в добавочной фиксации костных фрагментов (обломков). The test results showed that, in contrast to the known cements, the proposed material has full biocompatibility with bone tissue, biodegradability, creates the conditions for reducing the need for bone grafting and overall duration surgical intervention, eliminate the need for additional fixation of bone fragments (debris).
Пример.  Example.
Порошок кальцийфосфатных соединений (КФС), содержащий 1 г частиц размером 0,1-400 мкм смешивают с 0,2 г смеси коллагена и лизина и 0,3 г цементной жидкости. Смешивание проводят в указанной последовательности растиранием в агатовой ступке, затем пластичную массу подвергают ручному формованию. Из половины полученной пластичной массы формируют шарик и помещают в цилиндрическую форму диаметром 8 мм для проведения механических испытаний. Схватывание смеси происходит при комнатной температуре практически мгновенно. Предварительное отверждение материала происходит за 10-15 минут, а полное наступает через 24 часа. По данной методике готовили образцы для механических испытаний и для проведения доклинических испытаний. Цементную жидкость готовят непосредственно перед испытанием смешиванием порошков фосфатов и оксидов, входящих в состав с бидистиллированной водой.  A powder of calcium phosphate compounds (CFS) containing 1 g of particles with a size of 0.1-400 μm is mixed with 0.2 g of a mixture of collagen and lysine and 0.3 g of cement fluid. Mixing is carried out in the indicated sequence by grinding in an agate mortar, then the plastic mass is subjected to manual molding. Of the half of the resulting plastic mass, a ball is formed and placed in a cylindrical shape with a diameter of 8 mm for mechanical testing. Curing of the mixture occurs at room temperature almost instantly. Preliminary curing of the material occurs in 10-15 minutes, and complete occurs after 24 hours. By this method, samples were prepared for mechanical tests and for preclinical testing. Cement liquid is prepared immediately before the test by mixing the powders of phosphates and oxides that are part of bidistilled water.
Аналогичным образом готовили образцы, имеющие составы в заявленных пределах КФС. Если к смеси добавлять связующий компонент (раствор коллагена с лизином) в количестве меньшем, чем 0,2, уменьшается пластичность материала, а превышение этого количества больше 0,3 приводит к увеличению времени затвердевания композита. Добавление в реакционнотвердеющую смесь цементной жидкости в количестве меньшем 0,3 затрудняет равномерность промешивания и, соответственно, равномерность распределения КФС в пластичной массе, которая рассыпается, а добавление в количестве большем 0,5 может приводить к снижению биологической активности материала из-за количественного уменьшения в составе биоактивных КФС. Добавление лизина в количестве 2-5 обосновывается следующим: при использовании лизина в количестве менее 2 % мае. оказывает незначительное влияние на эффект его участия в восстановлении костного дефекта, имеющего структуру кости, а при содержании выше 5 % наблюдается увеличение времени схватывания и затвердевания материала. Similarly prepared samples having compositions within the claimed limits of the CFS. If a binder component (collagen solution with lysine) is added to the mixture in an amount less than 0.2, the plasticity of the material decreases, and exceeding this amount more than 0.3 leads to an increase in the curing time of the composite. The addition of a cement fluid in an amount of less than 0.3 to the reaction hardening mixture complicates the uniformity of mixing and, accordingly, the uniform distribution of CFS in the plastic mass, which crumbles, and the addition of more than 0.5 can lead to a decrease in the biological activity of the material due to a quantitative decrease in composition of bioactive CFS. The addition of lysine in an amount of 2-5 is justified by the following: when using lysine in an amount of less than 2% in May. has little effect on the effect of his participation in restoration of a bone defect having a bone structure, and when the content is above 5%, an increase in the setting time and hardening of the material is observed.
Элементный анализ заявляемого биоактивного композиционного материала состава 1 :0,25:0,4, представлен в таблице 1, и показали наличие основного и микроэлементного состава, характерного костной ткани.  An elemental analysis of the inventive bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4 is presented in table 1, and showed the presence of a basic and microelement composition characteristic of bone tissue.
Тяжелые металлы в его составе отсутствуют.  Heavy metals in its composition are absent.
Таблица 1 - Результаты элементного анализа костного цемента
Figure imgf000013_0001
Table 1 - Results of elemental analysis of bone cement
Figure imgf000013_0001
Оценка параметров пористой структуры и удельной поверхности приведены в таблице 2. Заявляемый биоактивный композиционный материал состава 1 :0,25:0,4 представляет собой среднепористый материал с высокой удельной поверхностью и средним размером пор 3 нм.  The evaluation of the parameters of the porous structure and specific surface area is given in table 2. The inventive bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4 is a medium-porous material with a high specific surface area and an average pore size of 3 nm.
Таблица 2 - Оценка параметров пористой структуры и удельной поверхности биоактивного композиционного материала состава 1 :0,25:0,4  Table 2 - Evaluation of the parameters of the porous structure and specific surface of the bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4
Figure imgf000013_0002
Figure imgf000013_0002
Механические испытания биоактивного композиционного материала состава 1 :0,25:0,4 указывают на достаточно высокие его прочностные свойства, приближенные к прочности губчатой кости.  Mechanical tests of a bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4 indicate its rather high strength properties, close to the strength of the cancellous bone.
Таблица 3 - Рез льтаты механических испытаний  Table 3 - Res results of mechanical tests
Figure imgf000013_0003
Для оценки системного влияния имплантируемого биоактивного композиционного материала состава 1 :0,25:0,4 на организм были проведены доклинические испытания на крысах породы «Wistar» (30 шт. массой 218-226 г), полученных из отдела экспериментального биомоделирования НИИ гигиены и на кроликах 6 мес. (10 шт. массой 2,5-3 кг).
Figure imgf000013_0003
To assess the systemic effect of the implantable bioactive composite material with a composition of 1: 0.25: 0.4 on the body, preclinical tests were performed on rats of the Wistar breed (30 pcs. Weighing 218-226 g) obtained from the experimental biomodeling department of the Scientific Research Institute of Hygiene and on rabbits 6 months (10 pcs. Weighing 2.5-3 kg).
Испытания биоактивного композиционного материала на основе биологических КФС показали, что у крыс через 1 месяц, а у кроликов через 1,5 месяца после проведения операции было обнаружено, что в новообразованной ткани, окружающей и прорастающей в матрикс, выявлены сосуды разного диаметра и нервные волокна. По всей толщине имплантата в результате его биодеградации происходит замена материала вновь образующимися костными трабекулами. Кровеносные сосуды полнокровны, что свидетельствует о соединенности сосудов с кровеносным руслом. В мировой практике имеются сообщения о восстановлении структуры костей на месте костного дефекта с прорастанием кровеносных сосудов, но практически отсутствуют сведения о восстановлении нервных волокон в косном матриксе. При использовании предлагаемого материала происходит восстановление кости с кровеносными сосудами и нервными волокнами.  Tests of a bioactive composite material based on biological CFS showed that in rats after 1 month, and in rabbits 1.5 months after the operation, it was found that vessels of different diameters and nerve fibers were detected in the newly formed tissue surrounding and growing into the matrix. Throughout the entire thickness of the implant as a result of its biodegradation, the material is replaced by newly formed bone trabeculae. Blood vessels are full-blooded, which indicates the connection of blood vessels with the bloodstream. In world practice, there are reports of restoration of the structure of bones at the site of a bone defect with germination of blood vessels, but there is practically no information on the restoration of nerve fibers in the inert matrix. When using the proposed material, bone is restored with blood vessels and nerve fibers.
Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа расширяется область его применения, что позволяет достичь требуемого технического результата относительно получаемого композиционного материала, обладающего повышенной биосовместимостью с костной тканью, обеспечивающего более качественную замену дефектов сложной формы и повышенной безопасностью применения.  Thus, thanks to the improvement of the known method, the scope of its application is expanding, which allows to achieve the required technical result with respect to the composite material obtained, which has increased biocompatibility with bone tissue, which provides better replacement of defects of complex shape and increased safety of use.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Биоактивный композиционный материал для замещения костных дефектов, выполненный в виде цементной жидкости, содержащей воду и фосфат магния, и реакционно-твердеющего порошка, содержащего гидроксиапатит и трикальцийфосфат, отличающийся тем, что, дополнительно введена связующая жидкость, содержащая раствор нативного коллагена II и IV типа и лизин порошок, при этом, реакционно- твердеющий порошок дополнительно содержит брушит, цементная жидкость дополнительно содержит оксид магния, оксид цинка и дигидрофосфат натрия, а в качестве трикальцийфосфата в реакционно- твердеющем порошке используют β-трикальцийфосфат, при следующем соотношении компонентов, % мае: 1. Bioactive composite material for the replacement of bone defects, made in the form of a cement fluid containing water and magnesium phosphate, and a reaction-hardening powder containing hydroxyapatite and tricalcium phosphate, characterized in that an additional binder fluid containing a solution of native collagen II and IV is added type and lysine powder, while the reaction-hardening powder additionally contains brushite, the cement fluid additionally contains magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate, and as tricalcium β-tricalcium phosphate is used in the reaction-hardening powder in the following ratio of components,% May:
реакционно-твердеющий порошок:  hardening powder:
гидроксиапатит - 50-60  hydroxyapatite - 50-60
β-трикальцийфосфат - 20 - 30  β-tricalcium phosphate - 20 - 30
брушит - 10-20  Brush - 10-20
связующая жидкость:  binder fluid:
раствор нативного коллагена II и IV типа (40-50 %) - 95-98  native collagen solution of type II and IV (40-50%) - 95-98
лизин порошок - 2-5  lysine powder - 2-5
цементная жидкость:  cement fluid:
фосфат магния - 10-15  magnesium phosphate - 10-15
оксид магния - 0,5-3  magnesium oxide - 0.5-3
оксид цинка - 0,5-3  zinc oxide - 0.5-3
дигидрофосфат натрия - 5 -15  sodium dihydrogen phosphate - 5 -15
вода - остальное. причем, количество реакционно-твердеющего порошка (г) к связующей жидкости (мл) и количеству цементной жидкости (мл) находится в пределах 1 : (0,2-0,3) : (0,3-0,5) water is the rest. moreover, the amount of reaction-hardening powder (g) to the binder fluid (ml) and the amount of cement fluid (ml) is in the range 1: (0.2-0.3): (0.3-0.5)
2. Материал по п. 1 , отличающийся тем, что, в качестве реакционно- твердеющего порошка, содержащего гидроксиапатит, β-трикальцийфосфат и брушит, используют кальцийфосфатный материал в виде биологического кальцийфосфатного соединения (КФС), получаемого из костей крупного рогатого скота и свиней, способом их деминерализации в хлороводородной кислоте концентрацией 0,5-3 М, с последующим осаждением 1-6 М раствором NaOH до рН=7-8,5, фильтрацией осадка фосфатов кальция, многократной его промывкой методом распульповки в дистиллированной воде, после чего полученный осадок подвергают ступенчатой термической обработке, включающую сушку при 80-120 °С и прокаливанию при 750-830 °С.  2. The material according to claim 1, characterized in that, as a reaction-hardening powder containing hydroxyapatite, β-tricalcium phosphate and brushite, use calcium phosphate material in the form of a biological calcium phosphate compound (CFS), obtained from bones of cattle and pigs, by the method of their demineralization in hydrochloric acid with a concentration of 0.5-3 M, followed by precipitation of 1-6 M NaOH solution to pH = 7-8.5, filtration of calcium phosphate precipitate, its repeated washing by pulping in distilled water, after the resulting precipitate is subjected to a heat treatment step comprising drying at 80-120 ° C and calcination at 750-830 ° C.
3. Материал по п. 1, отличающийся тем, что, реакционно-твердеющий порошок имеет полидисперсный состав с размером частиц от 0,1^00 мкм, представляющие собой агломераты из зерен размером от 15 до 50 нм.  3. The material according to p. 1, characterized in that the reaction-hardening powder has a polydisperse composition with a particle size of 0.1 ^ 00 microns, which are agglomerates of grains ranging in size from 15 to 50 nm.
4. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в связующей жидкости используют раствор нативного коллагена II и IV типа, который выделяют из костей животных в процессе получения биологического кальцийфосфатного соединения.  4. The material according to claim 1, characterized in that a solution of native collagen of type II and IV is used in the binder fluid, which is isolated from animal bones in the process of obtaining a biological calcium phosphate compound.
5. Способ получения биоактивного композиционного материала для замещения костных дефектов по п. 1, заключающийся в том, что, формируют пластичную массу, для чего смешивают растиранием в ступке реакционно-твердеющий порошок, содержащий гидроксиапатит, β- трикальцийфосфат и брушит, со связующей жидкостью, содержащей раствор нативного коллагена II и IV типа и лизина порошок, и готовят непосредственно перед применением композиционного материала цементную жидкость, для чего смешивают в бидистиллированной воде фосфат магния, оксид магния, оксид цинка и дигидрофосфат натрия, причем, при применении композиционного материала сформированную пластичную массу смешивают с цементной жидкостью и отверждают 24 часа. 5. A method of producing a bioactive composite material for replacing bone defects according to claim 1, which consists in forming a plastic mass, for which the reaction-hardening powder containing hydroxyapatite, β-tricalcium phosphate and brushite is mixed by grinding with a binder, containing a solution of native collagen type II and IV and lysine powder, and a cement liquid is prepared immediately before the composite material is used, for which it is mixed in bidistilled water magnesium phosphate, magnesium oxide, zinc oxide and sodium dihydrogen phosphate, moreover, when using a composite material, the formed plastic mass is mixed with cement liquid and solidified for 24 hours.
6. Способ по п.5, отличающийся тем, что реакционно-твердеющий порошок и цементную жидкость перед использованием стерилизуют нагреванием до 750-830 °С и 500 °С, соответственно.  6. The method according to claim 5, characterized in that the reaction-hardening powder and cement liquid before use are sterilized by heating to 750-830 ° C and 500 ° C, respectively.
7. Способ по п.5, отличающийся тем, что перед применением связующую жидкость запаивают в полиэтилен и стерилизуют ионизирующим гамма-излучением от изотопа кобальта-60 (Со60 ) излучением дозой (18000 -23000)±500 Грэй. 7. The method according to claim 5, characterized in that before use, the binder liquid is sealed in polyethylene and sterilized by ionizing gamma radiation from the cobalt-60 isotope (With 60 ) radiation dose (18000 -23000) ± 500 Gray.
PCT/RU2016/000735 2016-04-11 2016-10-27 Biologically active composite material for repairing bone defects and preparation method thereof WO2017180019A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016113715A RU2617050C1 (en) 2016-04-11 2016-04-11 Bioactive composite material for bone defect replacement and method for its manufacture
RU2016113715 2016-04-11

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2017180019A1 true WO2017180019A1 (en) 2017-10-19

Family

ID=58642712

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000735 WO2017180019A1 (en) 2016-04-11 2016-10-27 Biologically active composite material for repairing bone defects and preparation method thereof

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2617050C1 (en)
WO (1) WO2017180019A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020227506A1 (en) * 2019-05-07 2020-11-12 Preco, Inc. Containment closure method for containing friable material and contained friable material
CN112592171A (en) * 2020-12-16 2021-04-02 昆明理工大学 Preparation method of magnesium oxide/hydroxyapatite porous composite material

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030199615A1 (en) * 1999-12-09 2003-10-23 Cyril Chaput Mineral-polymer hybrid composition
US20080033572A1 (en) * 2006-08-03 2008-02-07 Ebi L.P. Bone graft composites and methods of treating bone defects
US20090166178A1 (en) * 2007-12-20 2009-07-02 Ethicon, Incorporated Methods for sterilizing materials containing biologically active agents
RU2431599C2 (en) * 2009-07-01 2011-10-20 Государственное учебно-научное учреждение Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Method of producing brushite powder
RU2484850C1 (en) * 2012-04-25 2013-06-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Calcium phosphate cement composite for bone defect filling

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20030199615A1 (en) * 1999-12-09 2003-10-23 Cyril Chaput Mineral-polymer hybrid composition
US20080033572A1 (en) * 2006-08-03 2008-02-07 Ebi L.P. Bone graft composites and methods of treating bone defects
US20090166178A1 (en) * 2007-12-20 2009-07-02 Ethicon, Incorporated Methods for sterilizing materials containing biologically active agents
RU2431599C2 (en) * 2009-07-01 2011-10-20 Государственное учебно-научное учреждение Химический факультет Московского государственного университета им. М.В. Ломоносова Method of producing brushite powder
RU2484850C1 (en) * 2012-04-25 2013-06-20 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Calcium phosphate cement composite for bone defect filling

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2020227506A1 (en) * 2019-05-07 2020-11-12 Preco, Inc. Containment closure method for containing friable material and contained friable material
CN112592171A (en) * 2020-12-16 2021-04-02 昆明理工大学 Preparation method of magnesium oxide/hydroxyapatite porous composite material

Also Published As

Publication number Publication date
RU2617050C1 (en) 2017-04-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8435343B2 (en) Bone graft material and uses thereof
US4917702A (en) Bone replacement material on the basis of carbonate and alkali containing calciumphosphate apatites
JP5061116B2 (en) Bone repair material
TWI399226B (en) Surgical cement and method of manufacturing the same
TWI543770B (en) Mineralized collagen-bioceramic composite and manufacturing method thereof
RU2407552C2 (en) Injectable composite applicable as bone filler
Sa et al. Physicochemical properties and mineralization assessment of porous polymethylmethacrylate cement loaded with hydroxyapatite in simulated body fluid
KR20140129058A (en) Injectable, biodegradable bone cements and methods of making and using same
Döbelin et al. Synthetic calcium phosphate ceramics for treatment of bone fractures
Demirel et al. Effect of strontium-containing compounds on bone grafts
RU2617050C1 (en) Bioactive composite material for bone defect replacement and method for its manufacture
JP6998383B2 (en) Bone regeneration material
JPH0639372B2 (en) Bioactive cement
RU2504405C1 (en) Osteoplastic bioresorbable material for bone defect replacement and method for preparing it
RU2494721C1 (en) Biocompatible bone-substituting material and method of obtaining thereof
RU2477120C2 (en) Method of obtaining brushite-type cement for replacement of bone defects
El-Maghraby et al. Preparation, structural characterization, and biomedical applications of gypsum-based nanocomposite bone cements
JP2012500693A (en) Bone substitute based on porous bioglass and calcium sulfate
RU2552943C1 (en) Biodegradable material for bone tissue replacement
JPS6171060A (en) Alpha-calcium triphosphate composition for filling bone and tooth and its production
CN106031799A (en) Calcium silicate/strontium salt bone cement and preparing method thereof
WO2023216069A1 (en) Plastic orthopedic composition having erosion resistance
RU2508131C2 (en) Hardened biocomposite for bone defect replacement
TWI805355B (en) Moldable orthopedic composition with anti-washout property
Komakula et al. Assessment of injectable and cohesive nanohydroxyapatite composites for biological functions

Legal Events

Date Code Title Description
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 16898777

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16898777

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1