WO2018038624A1 - Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial - Google Patents

Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial Download PDF

Info

Publication number
WO2018038624A1
WO2018038624A1 PCT/RU2016/000562 RU2016000562W WO2018038624A1 WO 2018038624 A1 WO2018038624 A1 WO 2018038624A1 RU 2016000562 W RU2016000562 W RU 2016000562W WO 2018038624 A1 WO2018038624 A1 WO 2018038624A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
rods
implant
cylinder
nanomaterial
diameter
Prior art date
Application number
PCT/RU2016/000562
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Олег Викторович БАРЗИНСКИЙ
Сергей Константинович Гордеев
Игорь Михайлович БЕЛОВ
Светлана Борисовна КОРЧАГИНА
Original Assignee
Олег Викторович БАРЗИНСКИЙ
Сергей Константинович Гордеев
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 Олег Викторович БАРЗИНСКИЙ, Сергей Константинович Гордеев filed Critical Олег Викторович БАРЗИНСКИЙ
Priority to PCT/RU2016/000562 priority Critical patent/WO2018038624A1/en
Publication of WO2018038624A1 publication Critical patent/WO2018038624A1/en

Links

Classifications

    • 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
    • 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
    • A61F2/30Joints
    • A61F2/44Joints for the spine, e.g. vertebrae, spinal discs
    • 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
    • A61L27/08Carbon ; Graphite
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery

Definitions

  • the technical field The invention relates to medicine, namely to surgery, traumatology and orthopedics and can be used in the surgical treatment of inflammatory, degenerative-dystrophic, oncological bone diseases, as well as bone injuries.
  • materials of various classes are used for the manufacture of implants: metals (titanium), ceramics (aluminum and zirconium oxides, bio-metals, hydroxyapatite) and some synthetic polymers (high molecular weight polyethylene, polymethyl methacrylate, etc.).
  • Metallic, polymeric and many other materials used as implants have a number of disadvantages. Numerous studies have shown that the use of metal implants - especially for inflammatory bone diseases - often leads to resorption of bone tissue, and metal ions, diffusing into surrounding tissues, cause their damage - metallosis. The disadvantages of metal implants include fatigue of metals and their susceptibility to corrosion.
  • Ceramic materials having many advantages, are too fragile and have a high modulus of elasticity compared to bone tissue, which does not allow smooth transfer of the load from the implant to the bone and, ultimately, leads to bone resorption.
  • Known carbon composite porous material for the replacement of bone defects (RF patent N ° 2181600), which is the closest analogue to the invention.
  • the material consists entirely of carbon and is a durable, porous composite with biocompatibility.
  • Known material contains in its structure a reinforcing base and matrix.
  • the reinforcing base is made in the form of a frame containing vertically mounted rods and horizontal layers, each of which is formed by rods.
  • the rods of each layer of the frame are oriented relative to the rods of the subsequent and previous layers at an angle of 60 °.
  • the rods are molded from carbon fibers.
  • the matrix of the material is made of pyrocarbon.
  • a method of manufacturing a known composite material consists in forming a reinforcing base and subsequent deposition of a pyrocarbon matrix.
  • the reinforcing base is formed in the form of a frame assembled from rods molded from carbon fibers.
  • the frame is first assembled in layers, orienting the rods parallel to each other in each layer and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the previous and subsequent layers.
  • vertical rods are installed in the formed vertical channels.
  • the pyrocarbon matrix is precipitated by treatment with gaseous hydrocarbons at a temperature exceeding the temperature of their thermal decomposition.
  • a disadvantage of the known composite material is its relatively high stiffness: the modulus of elasticity of the material - 30-0 Sha - significantly exceeds the modulus of elasticity of the bone tissue (12-15 Sha), which reduces the effectiveness of the use of implants made from it.
  • the objective of the invention is the creation of a biocompatible porous composite material for the replacement of bone defects with elastic characteristics close to the properties of the bone, a method for producing such material and implant options for the replacement of bone defects.
  • Composite carbon nanomaterial for bone defects replacement includes a pyrocarbon matrix and a fibrous reinforcing base made in in the form of a frame of rods containing carbon fibers oriented along the axis of the rods, and containing vertically mounted rods and horizontal layers, each of which is formed in parallel by oriented rods, and the rods of each layer are oriented relative to the rods of the previous and subsequent layer at an angle of 60 °.
  • the average size of graphite-like fragments in the structure of the material is less than 30 nm, the mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%, the open porosity of the material is at least 5% by volume, and the elastic modulus of the composite nanomaterial does not exceed 15 GPa.
  • the reinforcing structure formed in the material in the form of a framework of rods containing carbon fibers is connected by a pyrocarbon matrix into a single composite nanostructured material.
  • This material contains many regularly located pores.
  • the material possesses not only high mechanical properties - compressive strength of more than 30 MPa, which is a consequence of the structural features of the reinforcement and properties of the pyrocarbon matrix, but also biocompatibility and good workability, which is ensured by nanostructured carbon, which allows the use of material for the manufacture of bone implants.
  • the carbon structure of the material constructed from graphite-like nanofragments with a size of not more than 30 nm, provides the material with an elastic modulus of not more than 15 GPa, which maximally approximates the properties of implants to the properties of the replaced bone, and the open porosity existing in the material is not less than 5% vol. - ensures the fixation of implants made from it due to the ingrowth of the newly formed bone into the porous structure of the material and thus the formation of a bone-carbon block.
  • the presence of an open one, i.e. communicating with the surface, porosity which, as shown by experiments, is active for the formation of newly formed bones in the pore volume.
  • the macro- and nanostructure of the manufactured carbon composite nanomaterial is formed due to the technological features of its production, implemented in the proposed method for its manufacture.
  • not only dimensional features of graphite-like nanofragments that determine the structure of the material and its elastic properties are achieved, but also such properties as open porosity, density, and mass fraction of carbon fibers in the material.
  • the modulus of elasticity of the carbon composite nanomaterial is more than 15 GPa, its elastic properties exceed the elastic properties of the bone, which reduces the effectiveness of the use of the material, or rather implants from it, when replacing bone defects, because high rigidity of the implant material does not allow smooth transfer of the load from the implant to the bone and vice versa, which ultimately leads to bone resorption.
  • the mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%. This interval provides a combination of the elastic modulus and porosity of the material in the ranges indicated by us.
  • the proposed interval of the mass fraction of carbon fibers is associated with technological features of obtaining the material, primarily with the preferred density of the assembly of the reinforcing carcass when implementing the method of manufacturing the material: with a low content of carbon fibers in the material structure, the reinforcing carcass is more porous and loose, which makes it difficult stages of obtaining composite nanomaterial, and the obtained material itself has low mechanical properties - ultimate compressive strength below 30 Pa, which is unacceptable when used for the manufacture of implants. The same can be said about higher than the indicated content of carbon fibers.
  • the diameter of the rods containing carbon fibers is 0.7-2 mm.
  • the reinforcing base has a loose large-pore structure, less preferred for making implants for replacing bones from such material.
  • the diameter of the rods is less than 0.7 mm, the laboriousness of manufacturing the reinforcing base increases significantly due to the fact that the number of rods needed to assemble the frame increases.
  • the composite material has a density of 1.2-1.8 g / cm 3 .
  • the lower density of the material is due to its increased porosity and leads to a decrease in the strength of the composite material, which is unacceptable when used to replace bone defects.
  • the porosity of materials with a density above 1.8 g / cm is too low to allow the growth of newly formed bone blocks into the material in the postoperative period of bone defect replacement.
  • a method of manufacturing a composite carbon nanomaterial for the replacement of bone defects involves forming a reinforcing base in the form of a frame by layering rods formed of carbon fibers oriented along the axis of the rod, arranging the rods in each layer parallel to each other and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the next and previous layers, until the required number of layers is reached, with subsequent laying of additional rods in the formed vertical channels, and the subsequent formation of mat by precipitation of pyrocarbon from a gaseous medium containing at least one hydrocarbon at a temperature higher than its decomposition temperature, while the gaseous medium additionally contains hydrogen in an amount of 2-45% vol., and the process of forming a carbon matrix is carried out with a temperature gradient inside frame 10-100 ° C / mm.
  • fibrous reinforcing elements are used to form the reinforcing carcass — carbon fiber rods oriented along the axis of the rods, which ensures the most complete realization of the elastic modulus of the carbon fiber without damaging its structure.
  • pultrusion technology can be used, including: - impregnation of carbon fibers with a polymer binder to form a tow,
  • the optimal conditions for the production of carbon fiber reinforcing elements are determined by varying the concentration of the polymer binder solution, the temperature of the curing ovens, the speed of the bundles through the spinneret block.
  • a carcass on a mandrel is assembled layer by layer (Fig. 1).
  • the guiding rods are installed vertically in the holes along the perimeter of the mandrel, then the horizontal layers are assembled, setting the rods in the layer parallel to each other and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the previous and subsequent layers (Fig.2).
  • additional rods are installed in the formed through vertical channels (Fig. 3).
  • the frame As follows. After the assembly of the carcass layers from the rods to a predetermined height in this way, as described above, vertical rods are installed that are longer than the height of the assembled layers. Then continue to assemble the layer of the frame from the rods according to the same technological scheme, placing them in this case between the vertical rods.
  • the frame is removed from the mandrel and the pyrocarbon matrix is synthesized.
  • a frame of rods molded from carbon fibers is placed in a reaction chamber and a pyrocarbon matrix is formed in a medium containing gaseous hydrocarbon (s) and hydrogen.
  • a pyrocarbon matrix is formed in a medium containing gaseous hydrocarbon (s) and hydrogen.
  • the matrix formation process is implemented in a temperature gradient of 10-100 ° C / mm.
  • the use of a temperature gradient in the synthesis of pyrocarbon inside a porous framework allows the synthesis of the matrix to be realized in a limited space of the framework — only where the temperature of the framework exceeds the decomposition temperature of the hydrocarbon used.
  • a heater is installed along the axis of the assembled frame, for example, in the form of a tube of carbon-graphite material, through which an electric current is passed.
  • a temperature gradient is established in it.
  • a zone is created in the reinforcing cage elevated temperature, where the temperature exceeds the decomposition temperature of the hydrocarbon.
  • This zone is located near the heater; therefore, the matrix formation process occurs only here.
  • Raising the temperature of the heater in accordance with the optimal conditions for obtaining material move the zone of the process of synthesis of the pyrocarbon matrix from the heater to the periphery of the processed frame, for example, at a speed of not more than 5 mm / hour.
  • Low molecular weight hydrocarbons (methane, ethane, propane, acetylene, benzene, etc.) and their mixtures, for example, natural gas, at an elevated temperature, usually in the range of 550-1200 ° C, can enter into a heterogeneous chemical decomposition reaction with the formation of carbon.
  • the course of the decomposition reaction in the pores of the carbon fiber framework ensures the formation of a pyrocarbon matrix.
  • the synthesis of the pyrocarbon matrix in the present invention is carried out from a hydrocarbon-hydrogen mixture with a hydrogen content of 2-45% vol.
  • the use of a gas mixture when producing a composite carbon nanomaterial with a hydrogen content of less than 2% does not ensure the formation of the required structure of the pyrocarbon matrix.
  • a hydrogen content of more than 45% vol. the matrix formation process is very slow due to a significant decrease in the concentration of hydrocarbons in the gas medium.
  • the formation of a uniform structure of a pyrocarbon matrix with an average size of graphite fragments of less than 30 nm is provided during the process from a hydrogen-containing gas mixture with a temperature gradient within the framework of at least 10 ° C / mm.
  • the implementation of the synthesis process with a temperature gradient of more than 100 ° C / mm is technically difficult due to the thermophysical problems of creating such a temperature gradient in a reinforcing base.
  • the synthesis of the pyrocarbon matrix is carried out in a special chamber, which is equipped with means for supplying, regulating and measuring gas flow.
  • the temperature regime, gas flow rate and the process time are chosen so that the resulting composite material preferably has a density of 1.2-1.8 g / cm, while the open porosity is at least 5% of the volume of the material, and the average size of graphite-like fragments in the structure of the material did not exceed 30 nm.
  • the presence of hydrogen in the gas mixture limits the course of the processes of homogeneous decomposition of hydrocarbons occurring with the formation of carbon particles directly in the volume of the gas mixture, i.e. the formation of soot, the presence of which in the structure of the material is unacceptable.
  • the presence of hydrogen significantly affects the nature of the course of homogeneous heterogeneous processes of pyrocarbon formation, significantly limiting the homogeneous component of such processes and thereby increasing the contribution of heterogeneous proper, i.e. occurring directly on the entire inner surface of the reinforcing base, the processes of formation of pyrocarbon.
  • the implant proposed in this technical solution for the replacement of bone defects consists of a carbon composite nanostructured material containing a pyrocarbon matrix and a reinforcing framework of carbon fibers, namely a multidirectional framework of rods molded from carbon fibers located along the axis of the rods (Fig 4) .
  • the implant material has an elastic modulus of not more than 15 GPa, open porosity of the material of at least 5% vol., And the average size of graphite-like fragments in the structure of the material does not exceed 30 nm. Due to the combination of a carbon fiber macrostructure with a nanostructure, the implant has high strength (more than 30 MPa in compression) and an elastic modulus (not more than 15 GPa) well balanced with the elastic modulus of the bone.
  • the material of the implant has good biocompatibility. Implants can have various shapes and sizes, which are most suitable for a particular application depending on the shape and size of the defect, as well as on the type of disease and method of surgical treatment.
  • one of the preferred forms of the implant is the shape of a cylinder (Fig 5).
  • This form is close to the form of bone defects often encountered in practice - this is the form vertebrae, intervertebral discs, tubular bones of extremities since in many cases, coincides with the shape of the compensated bone defect.
  • the upper base of the implant is not parallel to the lower base and has an angle of inclination of 4 - 40 ° (Fig 6).
  • This form of implants is preferred, for example, when replacing the intervertebral discs of the lower lumbar and sacral spine. Thereby, the maximum filling of the defect is achieved.
  • the upper and lower base of the implant are in contact with the upper and lower vertebrae, respectively, located in relation to the defect. When the implant is inserted into the defect, the contact of these implant surfaces with healthy bone tissue is ensured, which creates the supportability of the spinal column.
  • a slightly modified cylindrical shape is more preferable, namely, the lateral surface of the implant is formed by a cylindrical surface and a plane formed by a cut off cylindrical segment (Fig 7).
  • This form of implant is preferred, for example, when replacing bone defects of the vertebrae.
  • the cylindrical surface is oriented parallel to the front side of the vertebral column, coinciding in shape with the shape of the front surface of the vertebrae.
  • the flat side of the implant is oriented deep into the spinal column and provides, due to the space of the cut off cylindrical segment, free space for the location of the spinal canal. This ensures maximum filling of the bone defect without deforming the spinal canal.
  • the upper and lower base of the implant in the form of circular segments are in contact with the upper and lower vertebrae located, respectively, with respect to the bone defect.
  • the contact of these implant surfaces with healthy bone tissue is ensured, which creates the supportability of the spinal column.
  • the upper base of such an implant is not parallel to the lower base and has an inclination angle of 4-40 ° (Fig 9).
  • This form of implants is preferred when replacing defects in long tubular bones, for example, during an osteotomy operation.
  • the size of the implant and the angle between the bases of the cylinder are selected based on the size of the defect.
  • the height of the cylindrical implant is 4 to 100 mm and the diameter of the base is 10 to 30 mm.
  • the implant may have one through hole (for example, Fig 6 and 8).
  • the hole may have a cylindrical or elliptical shape.
  • the hole can be used to place osteoconductive or osteoinductive materials in it, which accelerate the formation of bone tissue, fusion of the implant with bone tissue and the formation of a single bone-carbon block in the area of the replaced defect.
  • Such materials may be calcium phosphates (hydroxyapatite, tricalcium phosphate), including those with collagen supplements or proteins that accelerate the formation of osteoblasts (bone growth factors), or fragments of the patient’s bone tissue (autobone), which can be taken during surgery or before her.
  • prolonged-action drugs can be placed in this hole, providing a slow release of active drugs into the operated area in the postoperative period, which is especially important in the treatment of inflammatory diseases (bone tuberculosis, osteomyelitis).
  • the implant may have two blind holes. These holes can be used to accommodate osteoconductive or osteoinductive materials and drugs, as described above.
  • the diameter of the holes is 0.1 to 0.5 of the diameter of the cylinder. If the diameter of the holes is less than 0.1 of the diameter of the cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances.
  • the hole diameter is more than 0.5 of the cylinder diameter, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
  • one or more grooves are made with a depth of 0.5 - 2 mm and a width of 1-3 mm (Fig 5).
  • Such grooves increase the contact area of the implant surface with the bone tissues into which the implant is installed, and increase the strength of its fixation in the bone-carbon block formed after surgery. Due to the grooves, a stronger mechanical coupling of the implant with the bone tissue is ensured, both due to the friction forces during its installation, and due to the ingrowth of the newly formed bone in the grooves in the postoperative period.
  • the grooves Before installing the implant in a bone defect or in the area of the intervertebral disc, the grooves can be filled with osteoinductive or osteoconductive material to accelerate the formation of a bone-carbon block in the implantation area.
  • a groove width of less than 1 mm and a depth of more than 2 mm their dimensions are small and it is difficult to place the above substances in the grooves.
  • Grooves with a width of more than 3 mm in some cases can lead to a significant decrease in implant strength, which is unacceptable.
  • the formation of grooves with a depth of less than 0.5 mm is technically more difficult.
  • an implant the volume of which is formed by three cylinders of different diameters having a common axis (Fig 8).
  • the diameters of the outer cylinders are smaller than the diameter of the middle cylinder.
  • This form of implants is optimal, for example, when replacing bone defects in the tubular bones of the limbs.
  • the cylindrical axis of the implant is oriented parallel to the axis of the tubular bone, and the diameter of the middle cylinder of the implant is close in shape and size to the tubular bone in the area of the replaced bone defect.
  • the outer cylinders of the implant are installed deep into the inner channel of the tubular bone and provide fixation of the implant in the defect zone.
  • the diameter of the middle cylinder of the implant made in the form of three coaxial cylinders is 10-30 mm
  • the diameter of the extreme cylinders is 5-15 mm
  • the total length of the implant is 20-140 mm
  • the length of the end cylinders of the implant is 5-20 mm.
  • the implant in the form of three coaxial cylinders has a through hole or two blind holes, the axis of which coincides with the axis of the cylinders.
  • the holes can be filled with osteoinductive or osteoconductive material to accelerate the formation of a bone-carbon block in the area of implantation or medicinal substances, providing, for example, the suppression of inflammatory processes in the field of implantation.
  • the diameter of the through hole or blind holes of the implant in the form of three coaxial cylinders is 0.3 to 0.5 of the diameter of the end cylinders. If the diameter of the holes is less than 0.3 of the diameter of the extreme cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances. When the hole diameter is more than 0.5 of the cylinder diameter, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
  • the implant for the replacement of bone defects from composite carbon nanomaterial was made in the form of a prism (Fig. 10).
  • This form of implant can be used, for example, to compensate for such bone defects of the vertebrae that partially affect the vertebral body.
  • the base of the prism can be different, for example, L-shaped, U-shaped, in the form of a cross.
  • the length of the side of the base of the prism is 8-30 mm and the height of the prism is 4-100 mm.
  • the diameter of the through hole or blind holes was 0.1 - 0.5 of the diameter of the extreme cylinder. If the diameter of the holes is less than 0.1 of the diameter of the outer cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances. When the hole diameter is more than 0.5 of the diameter of the outer cylinder, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
  • the surface of the implant was covered with a layer of hydrocapatite.
  • Surface coating may be carried out by various methods. For example, by spraying hydroxyapatite with known PVD spraying methods, precipitating hydroxyapatite from aqueous solutions of salts, and rubbing hydrosiapatite aqueous paste into macropores of the implant surface.
  • Implants are used, for example, as follows in the replacement of bone defects of the spine.
  • the implants are sterilized. Sterilization of implants is carried out in the usual way, for example, in an autoclave.
  • the shape and size of the implant is determined by the surgeon before surgery on the basis of an X-ray assessment of the size of the bone defect.
  • access to the affected spine and the radical phase of the operation are performed according to standard surgical techniques.
  • the implant is installed.
  • the implant is tightly inserted into the bone defect.
  • the position of the implant should correspond to the axis of the bone load.
  • the implant provides reliable stabilization of the operated part of the bone.
  • the tissues over the plastic region are sutured with 2-3 catgut sutures.
  • the wound is sutured in layers. Apply an aseptic dressing.
  • Fig 1 Mandrel for assembling a reinforcing base material.
  • Fig 2. A mandrel for assembling a reinforcing material base with vertical rods installed around the perimeter - guides and assembled with three layers of rods.
  • Fig 3. Frame assembled by layered assembly of rods with partially mounted vertical rods.
  • Fig 4. Material surface structure - horizontally and vertically located rods connected by a pyrocarbon matrix and macropores are visible.
  • Fig 5. Implant option for replacing cylindrical bone defects with grooves on the bases.
  • Fig 6. Variant of a cylindrical implant with non-parallel bases.
  • Fig 7. Variant of an implant to replace bone defects of a cylindrical shape with a cut off cylindrical segment.
  • Fig 8. Implant variant in the form of three coaxial cylinders.
  • Fig 9. Variant of a cylindrical implant with non-parallel bases with a cut off cylindrical segment.
  • Fig 10. Variant of an implant for the replacement of bone defects of a prismatic shape.
  • H implant height
  • D implant diameter
  • B implant width
  • d hole diameter
  • L linear dimension
  • plane angle
  • the rods are made by pultrusion technology, which impregnates carbon fibers with a polymer binder - an aqueous solution of polyvinyl alcohol - to form a bundle, pulling the bundle through a die to obtain a rod cross section of 1.2 mm, heat treatment at 140 ° C to cure the binder.
  • the manufacture of a composite material begins with the formation of a fibrous reinforcing base, i.e. from assembling a framework of rods molded from carbon fibers.
  • a fibrous reinforcing base i.e. from assembling a framework of rods molded from carbon fibers.
  • rods are installed vertically around its perimeter in the holes, which will subsequently serve as guides when assembling the frame.
  • the rods are laid at a distance of 1.2 mm from each other, parallel to each other.
  • the next (second) layer is formed on the first, laying the rods on the same distance from each other, parallel to each other, at an angle of 60 ° to the rods of the first layer.
  • the next (third) layer is formed on the second, laying the rods at the same distance from each other, parallel to each other, at an angle of 60 ° to the rods of the second layer in a direction that does not coincide with the direction of the first layer.
  • the fourth layer is also collected as the first, fifth layer - as the second, etc.
  • the required frame height is obtained by stacking the desired number of layers. In the vertical channels of the frame formed after the assembly of the layers, vertical rods are installed.
  • the assembled frame is removed from the mandrel and a graphite heater is installed along its vertical axis.
  • the resulting assembly is placed in the reaction chamber, installing the heater in the conductors.
  • the chamber is filled with a reaction gas mixture. Voltage is supplied to the current leads and by passing current, the heater is heated to a temperature of 1100 ° C. In this case, a temperature gradient of 20 ° C / mm is realized in the frame.
  • processing of the frame is carried out for 54 hours in a gaseous medium: methane - 75% vol., hydrogen - 25% vol. During processing, the temperature of the heater is increased so that the temperature gradient in the frame does not exceed 100 ° C / mm.
  • the assembly is removed from the reaction chamber.
  • the result is a composite carbon nanomaterial in which the mass fraction of fibers is 32%, the average size of graphite-like fragments in the structure of the material is 11 nm, the modulus of elasticity of the material under compression is 12 GPa, the compressive strength is 82 MPa, and the density is 1.67 g / cm open porosity - 10% vol.
  • the density of the material was determined by the hydrostatic method, porosity by water absorption, the elastic modulus and strength by test machines, and the average size of graphite-like fragments in the material structure was determined by X-ray diffraction analysis.
  • the resulting material is well processed by traditional machining methods: drilling, milling, cutting. The material is used to make implants in the form of a cylinder 30 mm high and 20 mm in diameter and 7x3x3 mm in size.
  • the toxicological tests carried out showed that the change in pH of the aqueous extract (3 days, 37 ° C, the ratio of 10 g of material and 500 ml of water) compared with the control distilled water is 0.3 (permissible value of 1.0).
  • the maximum value of the optical density of the aqueous extract in the UV region of the spectrum in the wavelength range of 230-360 nm is 0.1 (an acceptable value of 0.3).
  • the content in the aqueous extract of formaldehyde is 0.01 mg / l, vinyl acetate is less than 0.05 mg / l (acceptable values are 0.1 and 0.2 mg / l, respectively).
  • a toxicity study using an AT-05 toxicity analyzer using granulated bull sperm frozen in liquid nitrogen vapor showed a toxicity index of 94.2% (a valid value of 70-120%). Thus, the material is not toxic.
  • the implant was tightly surrounded by bone tissue. This indicates inertia. the implant was tightly surrounded by bone tissue. This indicates the inertness of the material, which does not interfere with the growth of bone tissue in and around the implants.
  • the walls of the bone defect were sclerotic. Postoperative scar in the area of stitched muscles, fascia without inflammatory phenomena. Macroscopically enlarged lymph nodes (paraaortic) were not found.
  • the application of the present invention provides an implementation of a method of manufacturing a biocompatible porous carbon nanostructured composite material for replacing bone defects with elastic characteristics similar to those of bone and implants for replacing bone defects during operations to restore the functions of the human skeleton.
  • the method is practically implemented and tested technically. It provides a composite material with the claimed properties and the manufacture of biocompatible implants to replace bone defects, testing of which confirms the claimed properties.

Abstract

In the invention, a biocompatible porous composite material for repairing bone defects is proposed which has elastic characteristics that approximate the properties of bone. The material comprises a pyrocarbon matrix and a fibre shell that consists of carbon fibre rods oriented in 4 directions. The mean size of the graphite-like fragments in the structure of the material is less than 30 nm, the mass fraction of carbon fibres in the structure of the nanomaterial is 30-38%, the open porosity of the material is not less than 5 vol.%, and the elastic modulus of the nanomaterial does not exceed 15 GPa. A manufacturing method consists in treating a shell assembled from carbon fibre rods in a gaseous medium of a hydrocarbon and 2-45 vol.% of hydrogen at a temperature greater than the decomposition temperature of the hydrocarbon, wherein the process of forming the pyrocarbon matrix is carried out at a temperature gradient inside the shell of 10-100 C/mm. An implant for repairing bone defects is made from a composite carbon nanomaterial containing a pyrocarbon matrix and a multidirectional reinforcing shell made of rods formed from carbon fibres arranged along the axis of the rods, wherein the implant material has an elastic modulus of no more than 15 GPa, the mass fraction of carbon fibres in the structure of the nanomaterial is 30-38%, the open porosity of the material is no less than 5 vol.%, and the mean size of the graphite-like fragments in the structure of the material does not exceed 30 nm.

Description

КОМПОЗИЦИОННЫЙ УГЛЕРОДНЫЙ НАНОМАТЕРИАЛ ДЛЯ ЗАМЕЩЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ, СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИМПЛАНТАТ ИЗ  COMPOSITE CARBON NANOMATERIAL FOR REPLACING BONE DEFECTS, METHOD FOR ITS PRODUCTION AND IMPLANT FROM
КОМПОЗИЦИОННОГО УГЛЕРОДНОГО НАНОМАТЕРИАЛА  COMPOSITION CARBON NANOMATERIAL
Область техники 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. The technical field The invention relates to medicine, namely to surgery, traumatology and orthopedics and can be used in the surgical treatment of inflammatory, degenerative-dystrophic, oncological bone diseases, as well as bone injuries.
Предшествующий уровень техники В настоящее время для изготовления имплантатов используются материалы различных классов: металлы (титан), керамики (оксиды алюминия и циркония, биоситаллы, гидроксиапатит) и некоторые синтетические полимеры (высокомолекулярный полиэтилен, полиметилметакрилат и др.). BACKGROUND OF THE INVENTION At present, materials of various classes are used for the manufacture of implants: metals (titanium), ceramics (aluminum and zirconium oxides, bio-metals, hydroxyapatite) and some synthetic polymers (high molecular weight polyethylene, polymethyl methacrylate, etc.).
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. Metallic, polymeric and many other materials used as implants have a number of disadvantages. Numerous studies have shown that the use of metal implants - especially for inflammatory bone diseases - often leads to resorption of bone tissue, and metal ions, diffusing into surrounding tissues, cause their damage - metallosis. The disadvantages of metal implants include fatigue of metals and their susceptibility to corrosion.
Многие полимерные материалы не обладают 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 большой группы костных дефектов, т.к. их механические свойства не обеспечивают опорность оперированной области.  Many polymeric materials do not have biological inertness and are subject to biological aging, during which these materials can release toxic and carcinogenic products. Most importantly, they cannot be used to replace a large group of bone defects, because their mechanical properties do not provide support for the operated area.
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.  Ceramic materials, having many advantages, are too fragile and have a high modulus of elasticity compared to bone tissue, which does not allow smooth transfer of the load from the implant to the bone and, ultimately, leads to bone resorption.
Известен углеродный композиционный пористый материал для замещения костных дефектов (патент РФ N° 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. Known carbon composite porous material for the replacement of bone defects (RF patent N ° 2181600), which is the closest analogue to the invention. The material consists entirely of carbon and is a durable, porous composite with biocompatibility. Known material contains in its structure a reinforcing base and matrix. The reinforcing base is made in the form of a frame containing vertically mounted rods and horizontal layers, each of which is formed by rods. The rods of each layer of the frame are oriented relative to the rods of the subsequent and previous layers at an angle of 60 °. The rods are molded from carbon fibers. The matrix of the material is made of pyrocarbon.
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.  A method of manufacturing a known composite material consists in forming a reinforcing base and subsequent deposition of a pyrocarbon matrix. The reinforcing base is formed in the form of a frame assembled from rods molded from carbon fibers. The frame is first assembled in layers, orienting the rods parallel to each other in each layer and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the previous and subsequent layers. After assembling the required number of layers, vertical rods are installed in the formed vertical channels. The pyrocarbon matrix is precipitated by treatment with gaseous hydrocarbons at a temperature exceeding the temperature of their thermal decomposition.
Недостатком известного композиционного материала является его относительно высокая жесткость: модуль упругости материала - 30— 0 Ша - существенно превышает модуль упругости костной ткани (12-15 Ша), что снижает эффективность применения изготовленных из него имплантатов.  A disadvantage of the known composite material is its relatively high stiffness: the modulus of elasticity of the material - 30-0 Sha - significantly exceeds the modulus of elasticity of the bone tissue (12-15 Sha), which reduces the effectiveness of the use of implants made from it.
Раскрытие изобретения Disclosure of invention
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. The objective of the invention is the creation of a biocompatible porous composite material for the replacement of bone defects with elastic characteristics close to the properties of the bone, a method for producing such material and implant options for the replacement of bone defects.
Технический результат достигается в сочетании композиционного углеродного наноматериала, способа его изготовления и имплантата, изготовленного из композиционного углеродного наноматериала следующим образом:  The technical result is achieved in a combination of composite carbon nanomaterial, a method for its manufacture and an implant made of composite carbon nanomaterial as follows:
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°. Средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм, массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляет 30-38%, открытая пористость материала не менее 5%об., а модуль упругости композиционного наноматериала не превышает 15 ГПа. Composite carbon nanomaterial for bone defects replacement includes a pyrocarbon matrix and a fibrous reinforcing base made in in the form of a frame of rods containing carbon fibers oriented along the axis of the rods, and containing vertically mounted rods and horizontal layers, each of which is formed in parallel by oriented rods, and the rods of each layer are oriented relative to the rods of the previous and subsequent layer at an angle of 60 °. The average size of graphite-like fragments in the structure of the material is less than 30 nm, the mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%, the open porosity of the material is at least 5% by volume, and the elastic modulus of the composite nanomaterial does not exceed 15 GPa.
Сформированная в материале армирующая структура в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, связана пироуглеродной матрицей в единый композиционный наноструктурный материал. Этот материал содержит множество регулярно расположенных пор. Материал обладает не только высокими механическими свойствами - прочность при сжатии более 30 МПа, являющимися следствием особенностей структуры армирования и свойств пироуглеродной 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%об. - 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.  The reinforcing structure formed in the material in the form of a framework of rods containing carbon fibers is connected by a pyrocarbon matrix into a single composite nanostructured material. This material contains many regularly located pores. The material possesses not only high mechanical properties - compressive strength of more than 30 MPa, which is a consequence of the structural features of the reinforcement and properties of the pyrocarbon matrix, but also biocompatibility and good workability, which is ensured by nanostructured carbon, which allows the use of material for the manufacture of bone implants. It is important that the carbon structure of the material, constructed from graphite-like nanofragments with a size of not more than 30 nm, provides the material with an elastic modulus of not more than 15 GPa, which maximally approximates the properties of implants to the properties of the replaced bone, and the open porosity existing in the material is not less than 5% vol. - ensures the fixation of implants made from it due to the ingrowth of the newly formed bone into the porous structure of the material and thus the formation of a bone-carbon block. In this case, the presence of an open one, i.e. communicating with the surface, porosity, which, as shown by experiments, is active for the formation of newly formed bones in the pore volume.
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. 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 и обратно, что, в конечном счете, приводит к резорбции кости. The macro- and nanostructure of the manufactured carbon composite nanomaterial is formed due to the technological features of its production, implemented in the proposed method for its manufacture. In this case, not only dimensional features of graphite-like nanofragments that determine the structure of the material and its elastic properties are achieved, but also such properties as open porosity, density, and mass fraction of carbon fibers in the material. When the modulus of elasticity of the carbon composite nanomaterial is more than 15 GPa, its elastic properties exceed the elastic properties of the bone, which reduces the effectiveness of the use of the material, or rather implants from it, when replacing bone defects, because high rigidity of the implant material does not allow smooth transfer of the load from the implant to the bone and vice versa, which ultimately leads to bone resorption.
При среднем размере графитоподобных фрагментов в углеродном наноматериале более 30 нм не удается реализовать структуру материала, обеспечивающую модуль упругости менее 15 ГПа. With an average size of graphite-like fragments in a carbon nanomaterial of more than 30 nm, it is not possible to realize a material structure that provides an elastic modulus of less than 15 GPa.
При отрытой пористости углеродного наноматериала менее 5%об. снижаются остеокондуктивные свойства материала - имплантаты из такого материала хуже фиксируются в костном ложе новообразованной костной тканью. With an open porosity of carbon nanomaterial less than 5% vol. the osteoconductive properties of the material are reduced - implants made of such material are worse fixed in the bone bed by the newly formed bone tissue.
Массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляет 30-38%. Этот интервал обеспечивает сочетание модуля упругости и пористости материала в указанных нами диапазонах. Кроме того, предложенный интервал массовой доли углеродных волокон связан с технологическими особенностями получения материала, прежде всего, с предпочтительной плотностью сборки армирующего каркаса при реализации способа изготовления материала: при малом содержании углеродных волокон в структуре материала армирующий каркас более пористый и рыхлый, что затрудняет проведение последующих стадий получения композиционного наноматериала, а сам полученный материал имеет низкие механические свойства - предел прочности при сжатии ниже 30 МПа, что недопустимо при его использовании для изготовления имплантатов. Тоже можно сказать и о больших, чем указанные, содержаниях углеродных волокон. В этом случае получается слишком плотный углеволокнистый каркас, что 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/см слишком низкая для обеспечения прорастания новообразованных костных блоков вглубь материала в послеоперационный период замещения костных дефектов. The mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%. This interval provides a combination of the elastic modulus and porosity of the material in the ranges indicated by us. In addition, the proposed interval of the mass fraction of carbon fibers is associated with technological features of obtaining the material, primarily with the preferred density of the assembly of the reinforcing carcass when implementing the method of manufacturing the material: with a low content of carbon fibers in the material structure, the reinforcing carcass is more porous and loose, which makes it difficult stages of obtaining composite nanomaterial, and the obtained material itself has low mechanical properties - ultimate compressive strength below 30 Pa, which is unacceptable when used for the manufacture of implants. The same can be said about higher than the indicated content of carbon fibers. In this case, a too dense carbon fiber framework is obtained, which complicates the implementation of the subsequent stages of obtaining nanomaterial. Preferably, the diameter of the rods containing carbon fibers is 0.7-2 mm. When using rods with a diameter of more than 2 mm, the reinforcing base has a loose large-pore structure, less preferred for making implants for replacing bones from such material. When the diameter of the rods is less than 0.7 mm, the laboriousness of manufacturing the reinforcing base increases significantly due to the fact that the number of rods needed to assemble the frame increases. Preferably, the composite material has a density of 1.2-1.8 g / cm 3 . The lower density of the material is due to its increased porosity and leads to a decrease in the strength of the composite material, which is unacceptable when used to replace bone defects. The porosity of materials with a density above 1.8 g / cm is too low to allow the growth of newly formed bone blocks into the material in the postoperative period of bone defect replacement.
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. A method of manufacturing a composite carbon nanomaterial for the replacement of bone defects involves forming a reinforcing base in the form of a frame by layering rods formed of carbon fibers oriented along the axis of the rod, arranging the rods in each layer parallel to each other and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the next and previous layers, until the required number of layers is reached, with subsequent laying of additional rods in the formed vertical channels, and the subsequent formation of mat by precipitation of pyrocarbon from a gaseous medium containing at least one hydrocarbon at a temperature higher than its decomposition temperature, while the gaseous medium additionally contains hydrogen in an amount of 2-45% vol., and the process of forming a carbon matrix is carried out with a temperature gradient inside frame 10-100 ° C / mm.
При осуществлении 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, When implementing the method of manufacturing the material, fibrous reinforcing elements are used to form the reinforcing carcass — carbon fiber rods oriented along the axis of the rods, which ensures the most complete realization of the elastic modulus of the carbon fiber without damaging its structure. To obtain the rods, in particular, pultrusion technology can be used, including: - impregnation of carbon fibers with a polymer binder to form a tow,
- протягивание жгута через фильеру для получения требуемого сечения стержня, - pulling the tow through the die to obtain the desired cross-section of the rod,
- отверждение связующего. - curing the binder.
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 (Fig.1). На первом этапе сборки в отверстиях по периметру оправки устанавливают вертикально стержни - направляющие, далее осуществляют сборку горизонтальных слоев, устанавливая стержни в слое параллельно друг другу и под углом 60° по отношению к стержням предыдущего и последующего слоев (Fig.2). После укладки горизонтальных слоев на нужную высоту в образовавшиеся сквозные вертикальные каналы устанавливают дополнительные стержни (Fig.3). The optimal conditions for the production of carbon fiber reinforcing elements are determined by varying the concentration of the polymer binder solution, the temperature of the curing ovens, the speed of the bundles through the spinneret block. From the rods molded from carbon fibers, a carcass on a mandrel is assembled layer by layer (Fig. 1). At the first stage of assembly, the guiding rods are installed vertically in the holes along the perimeter of the mandrel, then the horizontal layers are assembled, setting the rods in the layer parallel to each other and at an angle of 60 ° with respect to the rods of the previous and subsequent layers (Fig.2). After laying the horizontal layers to the desired height, additional rods are installed in the formed through vertical channels (Fig. 3).
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. To simplify the assembly of large-height frames, it is preferable to assemble the frame as follows. After the assembly of the carcass layers from the rods to a predetermined height in this way, as described above, vertical rods are installed that are longer than the height of the assembled layers. Then continue to assemble the layer of the frame from the rods according to the same technological scheme, placing them in this case between the vertical rods. This simplifies the assembly of the reinforcing frame of high height, because the installation of vertical rods in the frame is a certain difficulty due to the fact that it is necessary to ensure accurate positioning of all rods in all layers of the reinforcing base. Any failure leads to the inability to install a vertical rod due to the overlap of the vertical channel with rods lying in the layer.
После завершения сборки каркас снимают с оправки и осуществляют синтез пироуглеродной матрицы. After completion of assembly, the frame is removed from the mandrel and the pyrocarbon matrix is synthesized.
Каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, помещают в реакционную камеру и в среде, содержащей газообразный углеводород (углеводороды) и водород, осуществляют формирование пироуглеродной матрицы. 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. A frame of rods molded from carbon fibers is placed in a reaction chamber and a pyrocarbon matrix is formed in a medium containing gaseous hydrocarbon (s) and hydrogen. To ensure uniform filling of the reinforcing base with a nanostructure pyrocarbon matrix, the matrix formation process is implemented in a temperature gradient of 10-100 ° C / mm. The use of a temperature gradient in the synthesis of pyrocarbon inside a porous framework allows the synthesis of the matrix to be realized in a limited space of the framework — only where the temperature of the framework exceeds the decomposition temperature of the hydrocarbon used. For this, for example, a heater is installed along the axis of the assembled frame, for example, in the form of a tube of carbon-graphite material, through which an electric current is passed. By heating the heater and cooling the outer surface of the frame, a temperature gradient is established in it. Thus, a zone is created in the reinforcing cage elevated temperature, where the temperature exceeds the decomposition temperature of the hydrocarbon. This zone is located near the heater; therefore, the matrix formation process occurs only here. Raising the temperature of the heater in accordance with the optimal conditions for obtaining material, move the zone of the process of synthesis of the pyrocarbon matrix from the heater to the periphery of the processed frame, for example, at a speed of not more than 5 mm / hour.
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. 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. 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/см , при этом открытая пористость составляла не менее 5% от объема материала, а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала не превышал 30 нм. Low molecular weight hydrocarbons (methane, ethane, propane, acetylene, benzene, etc.) and their mixtures, for example, natural gas, at an elevated temperature, usually in the range of 550-1200 ° C, can enter into a heterogeneous chemical decomposition reaction with the formation of carbon. The course of the decomposition reaction in the pores of the carbon fiber framework ensures the formation of a pyrocarbon matrix. To obtain a carbon composite material containing graphite-like fragments less than 30 nm in size, the synthesis of the pyrocarbon matrix in the present invention is carried out from a hydrocarbon-hydrogen mixture with a hydrogen content of 2-45% vol. The use of a gas mixture when producing a composite carbon nanomaterial with a hydrogen content of less than 2% does not ensure the formation of the required structure of the pyrocarbon matrix. With a hydrogen content of more than 45% vol. the matrix formation process is very slow due to a significant decrease in the concentration of hydrocarbons in the gas medium. The formation of a uniform structure of a pyrocarbon matrix with an average size of graphite fragments of less than 30 nm is provided during the process from a hydrogen-containing gas mixture with a temperature gradient within the framework of at least 10 ° C / mm. The implementation of the synthesis process with a temperature gradient of more than 100 ° C / mm is technically difficult due to the thermophysical problems of creating such a temperature gradient in a reinforcing base. The synthesis of the pyrocarbon matrix is carried out in a special chamber, which is equipped with means for supplying, regulating and measuring gas flow. The temperature regime, gas flow rate and the process time are chosen so that the resulting composite material preferably has a density of 1.2-1.8 g / cm, while the open porosity is at least 5% of the volume of the material, and the average size of graphite-like fragments in the structure of the material did not exceed 30 nm.
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. 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 The presence of hydrogen in the gas mixture limits the course of the processes of homogeneous decomposition of hydrocarbons occurring with the formation of carbon particles directly in the volume of the gas mixture, i.e. the formation of soot, the presence of which in the structure of the material is unacceptable. In addition, the presence of hydrogen significantly affects the nature of the course of homogeneous heterogeneous processes of pyrocarbon formation, significantly limiting the homogeneous component of such processes and thereby increasing the contribution of heterogeneous proper, i.e. occurring directly on the entire inner surface of the reinforcing base, the processes of formation of pyrocarbon. Thereby, obtaining a nanostructured material with an average size of graphite-like fragments in its structure not exceeding 30 nm is achieved. An implant for replacing bone defects from a composite carbon nanomaterial containing a pyrocarbon matrix and a multidirectional reinforcing frame made of rods formed of carbon fibers located along the axis of the rods,
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 (Fig 4). 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. За счет сочетания углеволокнистой макроструктуры с наноструктурой имплантат обладает высокой прочностью (более 30 МПа при сжатии) 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. The implant proposed in this technical solution for the replacement of bone defects consists of a carbon composite nanostructured material containing a pyrocarbon matrix and a reinforcing framework of carbon fibers, namely a multidirectional framework of rods molded from carbon fibers located along the axis of the rods (Fig 4) . The implant material has an elastic modulus of not more than 15 GPa, open porosity of the material of at least 5% vol., And the average size of graphite-like fragments in the structure of the material does not exceed 30 nm. Due to the combination of a carbon fiber macrostructure with a nanostructure, the implant has high strength (more than 30 MPa in compression) and an elastic modulus (not more than 15 GPa) well balanced with the elastic modulus of the bone. The material of the implant has good biocompatibility. Implants can have various shapes and sizes, which are most suitable for a particular application depending on the shape and size of the defect, as well as on the type of disease and method of surgical treatment.
В предлагаемом техническом решении сформулированы предпочтительные варианты формы имплантатов для замещения костных дефектов. Так, например, одной из предпочтительных форм имплантата является форма цилиндра (Fig 5). Такая форма близка к форме часто встречающихся на практике костных дефектов - это форма позвонков, межпозвонковых дисков, трубчатых костей конечностей т.к. во многих случаях совпадает с формой компенсируемого костного дефекта. The proposed technical solution formulated the preferred options for the shape of the implants to replace bone defects. For example, one of the preferred forms of the implant is the shape of a cylinder (Fig 5). This form is close to the form of bone defects often encountered in practice - this is the form vertebrae, intervertebral discs, tubular bones of extremities since in many cases, coincides with the shape of the compensated bone defect.
В ряде случаев предпочтительно, чтобы верхнее основание имплантата было не параллельно нижнему основанию и имело угол наклона 4 - 40° (Fig 6). Такая форма имплантатов является предпочтительной, например, при замещении межпозвонковьгх 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. In some cases, it is preferable that the upper base of the implant is not parallel to the lower base and has an angle of inclination of 4 - 40 ° (Fig 6). This form of implants is preferred, for example, when replacing the intervertebral discs of the lower lumbar and sacral spine. Thereby, the maximum filling of the defect is achieved. The upper and lower base of the implant are in contact with the upper and lower vertebrae, respectively, located in relation to the defect. When the implant is inserted into the defect, the contact of these implant surfaces with healthy bone tissue is ensured, which creates the supportability of the spinal column.
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 (Fig 7). 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. В ряде случаев предпочтительно, чтобы верхнее основание такого имплантата было не параллельно нижнему основанию и имело угол наклона 4-40° (Fig 9). Такая форма имплантатов является предпочтительной при замещении дефектов длинных трубчатых костей, например, при проведении операции остеотомии. Размер имплантата и угол между основаниями цилиндра выбирают исходя из размера дефекта. 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 встречающимся случаям замещения костных дефектов. Имплантат может иметь одно сквозное отверстие (например, Fig 6 и 8). Отверстие может иметь цилиндрическую или эллиптическую форму. Отверстие может быть использовано для размещения в нем остеокондуктивных 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 (гидроксиапатит, 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). In certain cases of surgical intervention, a slightly modified cylindrical shape is more preferable, namely, the lateral surface of the implant is formed by a cylindrical surface and a plane formed by a cut off cylindrical segment (Fig 7). This form of implant is preferred, for example, when replacing bone defects of the vertebrae. In this case, when installing the implant in the spinal column, the cylindrical surface is oriented parallel to the front side of the vertebral column, coinciding in shape with the shape of the front surface of the vertebrae. Moreover, the flat side of the implant is oriented deep into the spinal column and provides, due to the space of the cut off cylindrical segment, free space for the location of the spinal canal. This ensures maximum filling of the bone defect without deforming the spinal canal. The upper and lower base of the implant in the form of circular segments are in contact with the upper and lower vertebrae located, respectively, with respect to the bone defect. When an implant is inserted into a bone defect, the contact of these implant surfaces with healthy bone tissue is ensured, which creates the supportability of the spinal column. In some cases, it is preferable that the upper base of such an implant is not parallel to the lower base and has an inclination angle of 4-40 ° (Fig 9). This form of implants is preferred when replacing defects in long tubular bones, for example, during an osteotomy operation. The size of the implant and the angle between the bases of the cylinder are selected based on the size of the defect. Preferably, the height of the cylindrical implant is 4 to 100 mm and the diameter of the base is 10 to 30 mm. These sizes are preferred by the anthropological features of the human skeleton and the most common cases of bone defect replacement. The implant may have one through hole (for example, Fig 6 and 8). The hole may have a cylindrical or elliptical shape. The hole can be used to place osteoconductive or osteoinductive materials in it, which accelerate the formation of bone tissue, fusion of the implant with bone tissue and the formation of a single bone-carbon block in the area of the replaced defect. Such materials may be calcium phosphates (hydroxyapatite, tricalcium phosphate), including those with collagen supplements or proteins that accelerate the formation of osteoblasts (bone growth factors), or fragments of the patient’s bone tissue (autobone), which can be taken during surgery or before her. In addition, prolonged-action drugs can be placed in this hole, providing a slow release of active drugs into the operated area in the postoperative period, which is especially important in the treatment of inflammatory diseases (bone tuberculosis, osteomyelitis).
Имплантат может иметь два глухих отверстия. Эти отверстия могут быть использованы для размещения в них остеокондуктивных или остеоиндуктивных материалов и лекарственных веществ, как это описано выше. The implant may have two blind holes. These holes can be used to accommodate osteoconductive or osteoinductive materials and drugs, as described above.
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. Preferably, the diameter of the holes is 0.1 to 0.5 of the diameter of the cylinder. If the diameter of the holes is less than 0.1 of the diameter of the cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances. When the hole diameter is more than 0.5 of the cylinder diameter, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
Предпочтительно, чтобы на поверхностях оснований цилиндра у имплантата были выполнены один или несколько пазов глубиной 0,5 - 2 мм и шириной 1-3 мм (Fig 5). Такие пазы увеличивают площадь контакта поверхности имплантата с костными тканями, в которые установлен имплантат, и повышают прочность его закрепления в образующемся после операции костно-углеродном блоке. 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. Перед установкой имплантата в костный дефект или в область межпозвонкового диска пазы могут быть заполнены остеоиндуктивным или остеокондуктивным 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 пазах 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. It is preferable that on the surfaces of the bases of the cylinder at the implant one or more grooves are made with a depth of 0.5 - 2 mm and a width of 1-3 mm (Fig 5). Such grooves increase the contact area of the implant surface with the bone tissues into which the implant is installed, and increase the strength of its fixation in the bone-carbon block formed after surgery. Due to the grooves, a stronger mechanical coupling of the implant with the bone tissue is ensured, both due to the friction forces during its installation, and due to the ingrowth of the newly formed bone in the grooves in the postoperative period. Before installing the implant in a bone defect or in the area of the intervertebral disc, the grooves can be filled with osteoinductive or osteoconductive material to accelerate the formation of a bone-carbon block in the implantation area. With a groove width of less than 1 mm and a depth of more than 2 mm, their dimensions are small and it is difficult to place the above substances in the grooves. Grooves with a width of more than 3 mm in some cases can lead to a significant decrease in implant strength, which is unacceptable. The formation of grooves with a depth of less than 0.5 mm is technically more difficult.
Возможно применение имплантата, объем которого образован тремя цилиндрами разного диаметра, имеющими общую ось (Fig 8). 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 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. 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 крайних цилиндров имплантата - 5 - 20 мм. It is possible to use an implant, the volume of which is formed by three cylinders of different diameters having a common axis (Fig 8). The diameters of the outer cylinders are smaller than the diameter of the middle cylinder. This form of implants is optimal, for example, when replacing bone defects in the tubular bones of the limbs. In this case, when installing the implant in the defect zone, the cylindrical axis of the implant is oriented parallel to the axis of the tubular bone, and the diameter of the middle cylinder of the implant is close in shape and size to the tubular bone in the area of the replaced bone defect. In this case, the outer cylinders of the implant are installed deep into the inner channel of the tubular bone and provide fixation of the implant in the defect zone. This ensures maximum filling of the bone defect without significant deformation of the bone marrow canal. When an implant is inserted into a bone defect, these implant surfaces are in contact with healthy bone tissue, which creates a bearing capacity in the defect zone. Preferably, the diameter of the middle cylinder of the implant made in the form of three coaxial cylinders is 10-30 mm, the diameter of the extreme cylinders is 5-15 mm, the total length of the implant is 20-140 mm, and the length of the end cylinders of the implant is 5-20 mm.
Предпочтительно, чтобы имплантат в виде трех соосных цилиндров имел сквозное отверстие или два глухих отверстия, ось которых совпадает с осью цилиндров. Перед установкой имплантата в область замещаемого костного дефекта отверстия могут быть заполнены остеоиндуктивным или остеокондуктивным материалом для ускорения процессов формирования костно-углеродного блока в области имплантации или лекарственными веществами, обеспечивающими, например, подавление воспалительных процессов в области имплантации. Preferably, the implant in the form of three coaxial cylinders has a through hole or two blind holes, the axis of which coincides with the axis of the cylinders. Before installing the implant in the area of the replaced bone defect, the holes can be filled with osteoinductive or osteoconductive material to accelerate the formation of a bone-carbon block in the area of implantation or medicinal substances, providing, for example, the suppression of inflammatory processes in the field of implantation.
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. If holes are made in the implant, it is preferable that the diameter of the through hole or blind holes of the implant in the form of three coaxial cylinders is 0.3 to 0.5 of the diameter of the end cylinders. If the diameter of the holes is less than 0.3 of the diameter of the extreme cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances. When the hole diameter is more than 0.5 of the cylinder diameter, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
Для ряда случаев предпочтительно, чтобы имплантат для замещения костных дефектов из композиционного углеродного наноматериала был выполнен в виде призмы (Fig.10). Такая форма имплантата может быть применена, например, для компенсации таких костных дефектов позвонков, которые частично затрагивают тело позвонка. Основание призмы может быть различным, например, Г-образным, П-образным, в виде креста. Предпочтительно, чтобы длина стороны основания призмы составляла 8 - 30 мм, а высота призмы - 4 - 100 мм. For a number of cases, it is preferable that the implant for the replacement of bone defects from composite carbon nanomaterial was made in the form of a prism (Fig. 10). This form of implant can be used, for example, to compensate for such bone defects of the vertebrae that partially affect the vertebral body. The base of the prism can be different, for example, L-shaped, U-shaped, in the form of a cross. Preferably, the length of the side of the base of the prism is 8-30 mm and the height of the prism is 4-100 mm.
Если в имплантате в форме призмы выполнены отверстия, которые могут быть заполнены остеоиндуктивным или остеокондуктивным 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 диаметра крайнего цилиндра. Если диаметр отверстий менее 0,1 диаметра крайнего цилиндра, то такое отверстие менее удобно для размещения в нем указанных выше веществ. При диаметре отверстия более 0,5 диаметра крайнего цилиндра снижается площадь поперечного сечения имплантата, и, следовательно, снижается прочность имплантата при сжатии и изгибе, что для ряда применений менее предпочтительно. If holes are made in the prism-shaped implant that can be filled with osteoinductive or osteoconductive material to accelerate the formation of the bone-carbon block in the implantation region or with drugs that, for example, suppress inflammatory processes in the implantation region, it is preferable that the diameter of the through hole or blind holes was 0.1 - 0.5 of the diameter of the extreme cylinder. If the diameter of the holes is less than 0.1 of the diameter of the outer cylinder, then such a hole is less convenient for accommodating the above substances. When the hole diameter is more than 0.5 of the diameter of the outer cylinder, the cross-sectional area of the implant is reduced, and, therefore, the compressive and bending strength of the implant is reduced, which is less preferred for a number of applications.
Для повышения остеоиндукции, т.е. активации процесса формирование новообразованой кости на поверхности имплантата, предпочтительно, чтобы поверхность имплантата была покрыта слоем гидрокиапатита. Покрытие поверхности может быть осуществлено различными методами. Например, напылением гидроксиапатита известными PVD методами напыления, осаждением гидроксиапатита из водных растворов солей и втиранием водной пасты гидросиапатита в макропоры поверхности имплантата. To increase osteoinduction, i.e. activation process, the formation of newly formed bones on the surface of the implant, it is preferable that the surface of the implant was covered with a layer of hydrocapatite. Surface coating may be carried out by various methods. For example, by spraying hydroxyapatite with known PVD spraying methods, precipitating hydroxyapatite from aqueous solutions of salts, and rubbing hydrosiapatite aqueous paste into macropores of the implant surface.
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. These preferred additional features can be combined in the implant in various combinations, and the implants themselves are used in vertebrology, inert limb surgery, maxillofacial surgery to replace various bone defects.
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 костный дефект. Положение имплантата должно соответствовать оси нагрузки кости. Имплантат обеспечивает надежную стабилизацию оперированного отдела кости. В завершающей части операции ткани над областью пластики ушивают 2-3 кетгутовыми швами. Рану послойно ушивают. Накладывают асептическую повязку. Implants are used, for example, as follows in the replacement of bone defects of the spine. Before use, the implants are sterilized. Sterilization of implants is carried out in the usual way, for example, in an autoclave. The shape and size of the implant is determined by the surgeon before surgery on the basis of an X-ray assessment of the size of the bone defect. During the operation, access to the affected spine and the radical phase of the operation are performed according to standard surgical techniques. After resection of the affected areas, the implant is installed. In the state of reclamation, the implant is tightly inserted into the bone defect. The position of the implant should correspond to the axis of the bone load. The implant provides reliable stabilization of the operated part of the bone. In the final part of the operation, the tissues over the plastic region are sutured with 2-3 catgut sutures. The wound is sutured in layers. Apply an aseptic dressing.
Краткое описание чертежей Brief Description of the Drawings
Fig 1. Оправка для сборки армирующей основы материала. Fig 1. Mandrel for assembling a reinforcing base material.
Fig 2. Оправка для сборки армирующей основы материала с установленными по периметру вертикальными стержнями - направляющими и собранными тремя слоями стержней. Fig 2. A mandrel for assembling a reinforcing material base with vertical rods installed around the perimeter - guides and assembled with three layers of rods.
Fig 3. Каркас, собранный послойной сборкой стержней с частично установленными вертикальными стержнями. Fig 3. Frame assembled by layered assembly of rods with partially mounted vertical rods.
Fig 4. Структура поверхности материала - видны горизонтально и вертикально расположенные стержни, связанные пироуглеродной матрицей и макропоры. Fig 5. Вариант имплантата для замещения костных дефектов цилиндрической формы с пазами на основаниях. Fig 4. Material surface structure - horizontally and vertically located rods connected by a pyrocarbon matrix and macropores are visible. Fig 5. Implant option for replacing cylindrical bone defects with grooves on the bases.
Fig 6. Вариант имплантата цилиндрической формы с непараллельными основаниями. Fig 7. Вариант имплантата для замещения костных дефектов цилиндрической формы с отсеченным цилиндрическим сегментом. Fig 6. Variant of a cylindrical implant with non-parallel bases. Fig 7. Variant of an implant to replace bone defects of a cylindrical shape with a cut off cylindrical segment.
Fig 8. Вариант имплантата в форме трех соосных цилиндров. Fig 8. Implant variant in the form of three coaxial cylinders.
Fig 9. Вариант имплантата цилиндрической формы с непараллельными основаниями с отсеченным цилиндрическим сегментом. Fig 10. Вариант имплантата для замещения костных дефектов призматической формы. Fig 9. Variant of a cylindrical implant with non-parallel bases with a cut off cylindrical segment. Fig 10. Variant of an implant for the replacement of bone defects of a prismatic shape.
Обозначения на фигурах: Н - высота имплантата, D - диаметр имплантата, В - ширина имплантата, d - диаметр отверстия, L - линейный размер, а - угол наклона плоскости. The designations in the figures: H — implant height, D — implant diameter, B — implant width, d — hole diameter, L — linear dimension, and — plane angle.
Вариант осуществления изобретения An embodiment of the invention
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. For the manufacture of composite material using rods with a diameter of 1, 2 mm, molded from carbon fibers brand UKN-5K. The rods are made by pultrusion technology, which impregnates carbon fibers with a polymer binder - an aqueous solution of polyvinyl alcohol - to form a bundle, pulling the bundle through a die to obtain a rod cross section of 1.2 mm, heat treatment at 140 ° C to cure the binder.
Изготовление композиционного материала начинают с формирования волокнистой армирующей основы, т.е. со сборки каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Для этого на оправке (Fig 1) 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. The manufacture of a composite material begins with the formation of a fibrous reinforcing base, i.e. from assembling a framework of rods molded from carbon fibers. To do this, on the mandrel (Fig 1), rods are installed vertically around its perimeter in the holes, which will subsequently serve as guides when assembling the frame. In the horizontal plane on the mandrel, perpendicular to the guide rods, the rods are laid at a distance of 1.2 mm from each other, parallel to each other. The next (second) layer is formed on the first, laying the rods on the same distance from each other, parallel to each other, at an angle of 60 ° to the rods of the first layer. The next (third) layer is formed on the second, laying the rods at the same distance from each other, parallel to each other, at an angle of 60 ° to the rods of the second layer in a direction that does not coincide with the direction of the first layer. The fourth layer is also collected as the first, fifth layer - as the second, etc. The required frame height is obtained by stacking the desired number of layers. In the vertical channels of the frame formed after the assembly of the layers, vertical rods are installed.
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°С. При этом в каркасе реализуется градиент температуры 20°С/мм. обработку каркаса проводят в течение 54 часов в газовой среде: метан - 75%об., водород - 25%об. В ходе обработки повышают температуру нагревателя таким образом, чтобы градиент температуры в каркасе не превысил 100°С/мм. После обработки сборку извлекают из реакционной камеры. The assembled frame is removed from the mandrel and a graphite heater is installed along its vertical axis. The resulting assembly is placed in the reaction chamber, installing the heater in the conductors. The chamber is filled with a reaction gas mixture. Voltage is supplied to the current leads and by passing current, the heater is heated to a temperature of 1100 ° C. In this case, a temperature gradient of 20 ° C / mm is realized in the frame. processing of the frame is carried out for 54 hours in a gaseous medium: methane - 75% vol., hydrogen - 25% vol. During processing, the temperature of the heater is increased so that the temperature gradient in the frame does not exceed 100 ° C / mm. After processing, the assembly is removed from the reaction chamber.
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/см , 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 7x3x3 мм. The result is a composite carbon nanomaterial in which the mass fraction of fibers is 32%, the average size of graphite-like fragments in the structure of the material is 11 nm, the modulus of elasticity of the material under compression is 12 GPa, the compressive strength is 82 MPa, and the density is 1.67 g / cm open porosity - 10% vol. The density of the material was determined by the hydrostatic method, porosity by water absorption, the elastic modulus and strength by test machines, and the average size of graphite-like fragments in the material structure was determined by X-ray diffraction analysis. The resulting material is well processed by traditional machining methods: drilling, milling, cutting. The material is used to make implants in the form of a cylinder 30 mm high and 20 mm in diameter and 7x3x3 mm in size.
Проведенные токсикологические испытания (в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10993- 2009 и ГОСТ Р 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. The toxicological tests carried out (in accordance with GOST R ISO 10993-2009 and GOST R 52770-2007) showed that the change in pH of the aqueous extract (3 days, 37 ° C, the ratio of 10 g of material and 500 ml of water) compared with the control distilled water is 0.3 (permissible value of 1.0). The maximum value of the optical density of the aqueous extract in the UV region of the spectrum in the wavelength range of 230-360 nm is 0.1 (an acceptable value of 0.3). The content in the aqueous extract of formaldehyde is 0.01 mg / l, vinyl acetate is less than 0.05 mg / l (acceptable values are 0.1 and 0.2 mg / l, respectively). A toxicity study using an AT-05 toxicity analyzer using granulated bull sperm frozen in liquid nitrogen vapor showed a toxicity index of 94.2% (a valid value of 70-120%). Thus, the material is not toxic.
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 7x3x3 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. To determine the response of bone tissue to the implantation of a carbon composite material, surgical operations were performed on chinchilla rabbits weighing 2.9-3.1 kg using manufactured implants. Surgery consisted in exposure of the distal epimetaphysis of the femur, iliac crest, the formation of a standard defect of 7x3x3 mm in size and the introduction of a carbon nanostructured implant made according to the proposed technical solution. The implants were removed at periods of 1, 2, 3, 4 weeks and 3 months after the operation, the area of operation was examined. When the implants were removed at the indicated time, no inflammatory or osteolytic processes were detected. After 1 week, a small amount of hemorrhagic exudate was determined between the bone and the implant; by 2 weeks it was no longer detected. At 3 and 4 weeks, a thin layer of connective tissue appeared on the surface of the implant at the sites of contact with bone tissue.
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 имплантат был плотно окружен костной тканью. Это свидетельствует об инертности материала, который не препятствует росту костной ткани внутри и вокруг имплантатов. Стенки костного дефекта бьши склерозированы. Послеоперационный рубец в области сшитых мышц, фасций без воспалительных явлений. Макроскопически увеличенных лимфатических узлов (парааортальных) не обнаружено. During orthotopic implantation of carbon nanostructured implants, it was found that adverse changes from the tissues surrounding the implant and intraarticular formations were not observed in all periods of observation. From the end of the second week, the process of bone formation originating from the bone bed was noted. By 2 months, bone beams were closely laminated to the implant. Microscopy in reflected light of drug cuts in a period of 2 months recorded areas of bone tissue growth not only in the marginal sections of the implant, but also in its deeper cells. Luminescent microscopy of drug cuts within 1-2 months after the operation revealed a bright glow of the newly formed bone at the bone-implant border, and a glow also appeared inside the implant, indicating the growth of bone tissue not only in the marginal, but also in the deeper pores of the material. By 3 months, the implant was tightly surrounded by bone tissue. This indicates inertia. the implant was tightly surrounded by bone tissue. This indicates the inertness of the material, which does not interfere with the growth of bone tissue in and around the implants. The walls of the bone defect were sclerotic. Postoperative scar in the area of stitched muscles, fascia without inflammatory phenomena. Macroscopically enlarged lymph nodes (paraaortic) were not found.
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.  By the end of 1 year, germination in the marginal sections of the implant of the newly formed bone was observed along the entire circumference of the implant. Micro roentgenograms with a direct increase in the frontal and sagittal sections showed the preservation of the natural orientation in the bone tissue and the smooth transition of the bone beams from the bed to the implant pores without a line of rupture or fracture.
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.  Thus, experimental work on animals has shown that nanocarbon implants are firmly fixed in the animal’s bone bed, fixation stiffness is fully preserved throughout the entire observation period, and the implant’s strength does not decrease, and ossification sites are determined in its structure without any signs of material resorption . That is, the material obtained in its mechanical, toxic, osteoconductive properties fully complies with the requirements for materials used to replace bone defects.
Промышленная применимость Industrial applicability
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. Способ практически реализуем и опробован технически. Он обеспечивает получение композиционного материала с заявляемыми свойствами и изготовление биосовместимых имплантатов для замещения костных дефектов, опробование которых подтверждает заявляемые свойства. The application of the present invention provides an implementation of a method of manufacturing a biocompatible porous carbon nanostructured composite material for replacing bone defects with elastic characteristics similar to those of bone and implants for replacing bone defects during operations to restore the functions of the human skeleton. The method is practically implemented and tested technically. It provides a composite material with the claimed properties and the manufacture of biocompatible implants to replace bone defects, testing of which confirms the claimed properties.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ CLAIM
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, массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляет 30-38%, открытая пористость - не менее 5%об., а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм. 1. Composite carbon nanomaterial for the replacement of bone defects, including a pyrocarbon matrix and a fibrous reinforcing base, made in the form of a frame of rods containing carbon fibers oriented along the axis of the rods, and containing vertically mounted rods and horizontal layers, each of which is formed in parallel oriented rods and the rods of each layer are oriented relative to the rods of the previous and subsequent layer at an angle of 60 °, characterized in that the elastic modulus of nanom Therians not more than 15 GPa, a mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%, an open porosity - not less than 5 vol%, and the average size of fragments in a graphite structure material less than 30 nm..
2. Композиционный углеродный наноматериал по п.1, отличающийся тем, что диаметр стержней, содержащих углеродные волокна, составляет 0,7-2 мм. 2. Composite carbon nanomaterial according to claim 1, characterized in that the diameter of the rods containing carbon fibers is 0.7-2 mm
3. Композиционный углеродный наноматериал по п.1, отличающийся тем, что его плотность составляет 1,2 - 1,8 г/см . 3. Composite carbon nanomaterial according to claim 1, characterized in that its density is 1.2 - 1.8 g / cm.
4. Способ изготовления композиционного углеродного наноматериала для замещения костных дефектов, 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. 4. A method of manufacturing a composite carbon nanomaterial for the replacement of bone defects, including the formation of a reinforcing base in the form of a frame layer-by-layer laying of rods formed of carbon fibers oriented along the axis of the rod, arranging the rods in each layer parallel to each other and at an angle of 60 ° with respect to the rods subsequent and previous layers, until the required number of layers is reached, with subsequent laying in the formed vertical channels of additional rods, and the subsequent is formed I matrix by the deposition of pyrocarbon from a gaseous medium containing at least one hydrocarbon at a temperature exceeding its decomposition temperature, characterized in that the gaseous medium additionally contains hydrogen in an amount of 2-45% vol., and the process of forming a carbon matrix is carried out at a temperature gradient inside the frame 10-100 ° C / mm.
5. Способ по п.4, 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. 5. The method according to claim 4, characterized in that the additional rods exceed the height of the stacked layers in length, and after installing the additional rods, the assembly of the carcass layers continues until the desired carcass height is reached.
6. 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, отличающийся тем, что материал имплантата имеет модуль упругости не более 15 ГПа, массовая доля углеродных волокон в структуре наноматериала составляет 30-38%, открытая пористость наноматериала не менее 5%об., а средний размер графитовых фрагментов в структуре наноматериала не превышает 30 нм. 6. An implant for replacing bone defects from a composite carbon nanomaterial containing a pyrocarbon matrix and a multidirectional reinforcing frame made of rods formed of carbon fibers located along the axis of the rods, characterized in that the implant material has an elastic modulus of not more than 15 GPa, mass fraction of carbon fibers in the structure of the nanomaterial is 30-38%, the open porosity of the nanomaterial is not less than 5% vol., and the average size of graphite fragments in the structure of the nanomaterial does not exceed 30 nm.
7. Имплантат по п. 6, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра. 7. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of a cylinder.
8. Имплантат по п. 6, отличающийся тем, что он вьшолнен в виде цилиндра, верхнее основание которого не параллельно нижнему основанию и имеет угол наклона 4- 40°. 8. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of a cylinder, the upper base of which is not parallel to the lower base and has an angle of inclination of 4-40 °.
9. Имплантат по п. 6, отличающийся тем, что он вьшолнен в виде цилиндра с отсеченным параллельно цилиндрической оси цилиндрическим сегментом, при этом объем отсеченного сегмента составляет менее 40% от объема цилиндра. 9. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of a cylinder with a cylindrical segment cut off parallel to the cylindrical axis, while the volume of the cut off segment is less than 40% of the volume of the cylinder.
10. Имплантат по п. 6, отличающийся тем, что он выполнен в виде цилиндра, верхнее основание которого не параллельно нижнему основанию и имеет угол наклона 4- 40°, с отсеченным параллельно цилиндрической оси цилиндрическим сегментом, при этом объем отсеченного сегмента составляет менее 40% от объема цилиндра. 10. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of a cylinder, the upper base of which is not parallel to the lower base and has an inclination angle of 4-40 °, with a cylindrical segment cut off parallel to the cylindrical axis, while the volume of the cut off segment is less than 40 % of the cylinder volume.
11. Имплантат по любому из п. 7 - 10, отличающийся тем, что высота цилиндра составляет 4 - 100 мм, а диаметр основания - 10 - 30 мм. 11. The implant according to any one of p. 7 to 10, characterized in that the height of the cylinder is 4 to 100 mm, and the diameter of the base is 10 to 30 mm.
12. Имплантат по любому из п. 7 - 10, отличающийся тем, что он имеет сквозное отверстие, параллельное оси цилиндра, диаметр которого составляет 0,1- 0,5 от диаметра цилиндра. 12. The implant according to any one of p. 7 to 10, characterized in that it has a through hole parallel to the axis of the cylinder, the diameter of which is 0.1-0.5 of the diameter of the cylinder.
13. Имплантат по любому из п. 7 - 10, отличающийся тем, что он имеет два соосных глухих отверстия, параллельных оси цилиндра, диаметры которых составляют 0,1- 0,5 от диаметра цилиндра. 13. The implant according to any one of p. 7 to 10, characterized in that it has two coaxial blind holes parallel to the axis of the cylinder, the diameters of which are 0.1-0.5 of the diameter of the cylinder.
14. Имплантат по любому из п. 7 -10, отличающийся тем, что на поверхностях оснований цилиндра выполнены один или несколько пазов глубиной 0,5 - 2 мм и шириной 1-3 мм. 14. The implant according to any one of p. 7-10, characterized in that on the surfaces of the bases of the cylinder made one or more grooves with a depth of 0.5 to 2 mm and a width of 1-3 mm
15. Имплантат по п.6, отличающийся тем, что отличающийся тем, что он выполнен в виде трех соосных цилиндров,, при этом диаметры крайних цилиндров одинаковы и меньше диаметра среднего цилиндра. 15. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of three coaxial cylinders, while the diameters of the outer cylinders are the same and less than the diameter of the middle cylinder.
16. Имплантат по п.15, отличающийся тем, что он имеет сквозное отверстие или два глухих отверстий, ось которых совпадает с осью цилиндров, а диаметр сквозного отверстия или глухих отверстий составляет 0,3 - 0,5 от диаметра крайних цилиндров. 16. The implant according to clause 15, characterized in that it has a through hole or two blind holes, the axis of which coincides with the axis of the cylinders, and the diameter of the through hole or blind holes is 0.3 - 0.5 of the diameter of the outer cylinders.
17. Имплантат по любому из п.15 - 16, 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. 17. The implant according to any one of claims 15 to 16, characterized in that the diameter of the middle cylinder is 10-30 mm, the diameter of the outer cylinders is 5-15 mm, the total length of the implant is 20-140 mm, and the length of the extreme cylinder is 5- 20 mm.
18. Имплантат по п. 6, отличающийся тем, что он выполнен в виде призмы. 18. The implant according to claim 6, characterized in that it is made in the form of a prism.
19. Имплантат по п.6, отличающийся тем, что поверхность имплантата полностью или частично покрыта слоем гидроксиапатита. 19. The implant according to claim 6, characterized in that the implant surface is completely or partially covered with a layer of hydroxyapatite.
PCT/RU2016/000562 2016-08-22 2016-08-22 Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial WO2018038624A1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2016/000562 WO2018038624A1 (en) 2016-08-22 2016-08-22 Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PCT/RU2016/000562 WO2018038624A1 (en) 2016-08-22 2016-08-22 Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2018038624A1 true WO2018038624A1 (en) 2018-03-01

Family

ID=61245122

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2016/000562 WO2018038624A1 (en) 2016-08-22 2016-08-22 Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial

Country Status (1)

Country Link
WO (1) WO2018038624A1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111603612A (en) * 2020-04-10 2020-09-01 西北工业大学 Multilayer alternating structure composite bone repair material and preparation method thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA000399B1 (en) * 1996-12-31 1999-06-24 Закрытое Акционерное Общество "Алтимед" Thin protective film of bone implant
RU2181600C2 (en) * 2000-01-20 2002-04-27 Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Материалов" Composite porous material for substitution of bones and method for its manufacture
RU2379387C1 (en) * 2008-04-29 2010-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Method for obtaining carbon fibre modified with multi-layered carbon nanotubes

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EA000399B1 (en) * 1996-12-31 1999-06-24 Закрытое Акционерное Общество "Алтимед" Thin protective film of bone implant
RU2181600C2 (en) * 2000-01-20 2002-04-27 Государственное Унитарное Предприятие "Центральный Научно-Исследовательский Институт Материалов" Composite porous material for substitution of bones and method for its manufacture
RU2379387C1 (en) * 2008-04-29 2010-01-20 Федеральное государственное унитарное предприятие "Центральный институт авиационного моторостроения имени П.И. Баранова" Method for obtaining carbon fibre modified with multi-layered carbon nanotubes

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
AVRUNIN A. S.: "Mekhanizm zhestokosti i prochnosti kosti v norme i pri starenii organizma. Nanourovnevaya model", GENII ORTOPEDII, 2008, pages 60 *
BUSHUEV V.M.: "Razrabotka tekhnologicheskogo protsessa izgotovleniya nesushchei osnovy germetichnykh konstruktsii na osnove uglerod-uglerodnykh kompozitsionnykh materialov", VESTNIK GGNIPU MASHINOSTROENIE, MATERIALOVEDENIE, vol. 18, no. 1, 2016, pages 43 - 50 *
KATALOG UGLERODNYKH NANOSTRUKTURNYKH IMPLANTATOV. NTM, 2014 *
MEDIK V. A. ET AL.: "Uglerodnye nanostruktur nye implantaty: novoe pokolenie implantatov v vertebra login", TRAVMATOLOGII I ORTOPEDII. NTM, 2015, pages 7 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111603612A (en) * 2020-04-10 2020-09-01 西北工业大学 Multilayer alternating structure composite bone repair material and preparation method thereof

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU88952U1 (en) IMPLANT FOR COMPENSATION OF BONE DEFECTS
RU2181600C2 (en) Composite porous material for substitution of bones and method for its manufacture
US20200276356A1 (en) Large 3d porous scaffolds made of active hydroxyapatite obtained by biomorphic transformation of natural structures and process for obtaining them
WO2016130041A1 (en) Method for creating a personalized gene-activated implant for regenerating bone tissue
RU88954U1 (en) IMPLANT FOR REPLACEMENT OF BONE DEFECTS
RU88953U1 (en) IMPLANT FOR SURGICAL REPAIR TREATMENT OF BONE DEFECTS
Rudskoy et al. Carbon nanostructured implants for substituting bone defects and process of their production
RU171317U1 (en) IMPLANT FOR COMPENSATION OF BONE DEFECTS
RU2617052C1 (en) Composite carbon nanomaterial for bone defects replacement, method of its manufacture and implant of composite caron nanomaterial
WO2018038624A1 (en) Composite carbon nanomaterial for repairing bone defects, a method for producing same, and an implant made from composite carbon nanomaterial
Nakano et al. Evaluation of bone quality near metallic implants with and without lotus-type pores for optimal biomaterial design
RU162540U1 (en) IMPLANT FOR REPLACEMENT OF BONE DEFECTS
RU2609829C1 (en) Composite material for bone defects and method for its manufacture
RU2609827C1 (en) Carbon implant for bone defect compensation and manufacturing method
Lu et al. Influence of a non-biodegradable porous structure on bone repair
WO2017069654A2 (en) Composite material for compensating for bone defects, method of producing same, and implant made therefrom
WO2017069656A2 (en) Composite material for repairing bone defects, method of producing same, and implant made therefrom
RU171825U1 (en) IMPLANT FOR SUBSTITUTION OF BONE DEFECTS AND INTERDERBINAL DISK
Matsumoto et al. Influence of bioresorbable, unsintered hydroxyapatite/poly‐l‐lactide composite films on spinal cord, nerve roots, and epidural space
Olivier et al. In vivo effectiveness of carbonated calcium‐deficient hydroxyapatite‐coated activated carbon fiber cloth on bone regeneration
RU167669U1 (en) IMPLANT FOR SURGICAL REPLACEMENT OF BONE DEFECTS
Elghazel et al. TCP-fluorapatite composite scaffolds: mechanical characterization and in vitro/in vivo testing
RU2768571C1 (en) Scaffold for bone defect replacement
RU2610027C1 (en) Implant to replace vertebral bodies and intervertebral discs
RU2601371C1 (en) Bone defects compensation composite material and its preparation method

Legal Events

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

Ref document number: 16914315

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16914315

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205N DATED 10.09.2019)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 16914315

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1