Способ изготовления костных имплантатов

Изобретение относится к биологии и медицине и может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии при выполнении пластических и реконструктивно-восстановительных операций. Способ изготовления костного имплантата включает механическую обработку и промывку заготовки из костного материала, выполнение множественных сквозных отверстий, деминерализацию заготовки в (0,7-1,1)н. растворе неорганической кислоты, нейтрализацию остатков кислоты, стерилизацию и консервацию заготовки. При этом механическую обработку осуществляют гидродинамической струей, содержащей частицы углеродминерального сорбента, доля которых составляет от 5 до 40% от объема применяемой жидкости струи. Обработку проводят по плоскостному шаблону или трехмерной реконструкции видеоизображения замещаемого дефекта. В качестве неорганической кислоты используют ортофосфорную кислоту. Отверстия в заготовке костного материала выполняют с минимальным диаметром от 100 до 700 мкм, с отношением расстояний между отверстиями к их диаметрам 3-5. Способ позволяет повысить технологичность и качество получаемых имплантатов (образцов), улучшить их остеоиндуктивные свойства, сократить время подготовки аллотрансплантата к клиническому использованию. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к биологии и медицине и может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии при выполнении пластических и реконструктивно-восстановительных операций, при проведении структурно-функционального анализа в биоматериаловедении, а также при создании новых лекарственных форм с использованием биологических тканей в качестве носителей лекарственных препаратов.

Долгое время широко применялся способ изготовления имплантатов из губчатой костной ткани и ее обработки, включающий в себя получение образцов губчатой кости от доноров, распиливание на фрагменты необходимой величины, отмывание от элементов крови и миелоидно-жирового костного мозга водой, стерилизацию формалином и консервацию замораживанием (Заготовка и консервация губчатого и трубчатого костного матрикса. Методические рекомендации. Ереван 1984 г.).

Недостатком данного способа являются: использование формалина, обладающего ярко выраженным цитотоксическим действием, ограничен срок хранения фрагментов, практически у фрагментов отсутствуют остеоиндуктивные свойства.

Известен способ изготовления аллотрансплантата, включающий механическую обработку полученной от донора заготовки из костного материала, промывку ее холодной водой, деминерализацию в 1,2-3,6 н. растворе соляной кислоты, промывку деминерализованной заготовки в дистилляте и в физиологическом растворе, стерилизацию и консервацию заготовки путем размещения и выдерживания ее в соответствующей герметичной таре (упаковке), залитой раствором формалина с добавкой антибиотика (Савельев В.И. Деминерализованная кость как особая разновидность костно-пластического материала. Сборник научных трудов ЛНИИТО им P.P. Вредена. Заготовка и пересадка деминерализованной костной ткани в эксперименте и клинике. Л.:НИИТО, 1983, с.3-12).

Известный способ позволяет за счет деминерализации костной ткани получать аллотрансплантаты с высокой остеоиндуктивностью, которой практически не обладают замороженные недеминерализованные трансплантаты, и низкой антигенностью.

Однако существенным недостатком полученных по данному способу аллотрансплантатов является легко возникающая их деформация и низкая механическая точность, что недопустимо при обширных и в особенности при сегментарных резекциях, требующих дополнительного наличия металлических конструкций, в то время как при использовании кортикальных, замороженных трансплантатов имеется возможность использовать гипсовую иммобилизацию.

Использование формалина в качестве консерванта и стерилизатора влечет за собой ряд проблем, обусловленных ограничением времени хранения трансплантата (не более 6 месяцев), необходимостью отмывки приготовленного трансплантата перед клиническим использованием, токсичностью формалина, а также неудобством хранения и транспортировки трансплантата, погруженного в раствор формалина.

Кроме того, используемая достаточно высокая концентрация соляной кислоты не позволяет надежно контролировать интенсивно протекающий процесс деминерализации, что может привести к снижению качества деминерализации, а следовательно, и к снижению остеоиндуктивного свойства полученного трансплантата.

Известен способ изготовления имплантатов из губчатой костной ткани (пат. РФ №2172104), включающий промывание водой, стерилизацию и консервацию. При этом костные фрагменты погружают в 6%-ный раствор перекиси водорода на 48 час при соотношении один объем костных фрагментов на четыре объема раствора перекиси водорода со сменой раствора 4 раза через каждые 12 часов, костные фрагменты подвергают центрифугированию, затем погружают их в смесь этанола с хлороформом в соотношении 1:1 на 48 час при соотношении один объем костных фрагментов на четыре объема раствора перекиси водорода со сменой раствора 4 раза через каждые 12 часов, повторно центрифугируют костные фрагменты, проветривают на воздухе 24 часа, после чего фрагменты замораживают при температуре -70°С в течение 24 ч, по истечении этого времени их подвергают лиофилизации в течение 48 час с достижением остаточной влажности 5%, а после этого упаковывают в стандартный двойной пакет и стерилизуют потоком быстрых электронов дозой 18±5 кГр на ускорителе ЛУЭ-8-5М. Процесс очень длительный и трудоемкий.

Известен способ изготовления костного имплантата (пат. РФ №2147800), который заключается в последовательно проводимых механической обработке и промывке заготовки из костного материала, выполнении в заготовке сквозных отверстий, деминерализации в растворе соляной кислоты, нейтрализации остатков кислоты, консервации деминерализованной заготовки с помощью лиофильной сушки, стерилизации после окончания сушки, осуществляемой путем облучения заготовки, помещаемой в герметичную упаковку, пучком ускоренных электронов дозой 15-18 кГр в течение 16-20 с.

По совокупности существенных признаков известный способ по пат. №2147800 является наиболее близким аналогом заявленного изобретения.

Однако существенным недостатком полученных по способу-прототипу имплантатов является длительный цикл получения трансплантатов, возможность получения образцов только с измененным содержанием минеральной фазы кости, ограничение возможностей получения перфорированных трансплантатов, заключающееся в необходимости выполнения отверстий в образцах только перед их деминерализацей. Принимая во внимание различие скорости деминерализации в различных направлениях, достигающие 30%, выполненные до деминерализации перфорации способствуют усилению гетерогенности деминерализованного матрикса и ухудшению его свойств. Вместе с тем в рассматриваемом способе отсутствует поэтапный и окончательный контроль степени деминерализации, композиционного состава кости, физико-механических характеристик и исходных остеоиндуктивных свойств. Кроме того, используемая соляная кислота имеет незначительную остеоиндуктивную активность, применение на этапах деминерализации соляной кислоты одной концентрации не обеспечивает достижение одинаковых свойств поверхностных и внутренних слоев деминерализованного матрикса, затрудняет процесс контроля при получении имплантатов с заданной степенью деминерализации.

Использование в качестве стерилизующего средства радиационной стерилизации, отличающейся быстротой обработки неограниченного по объему, упакованного материала, вместе с тем имеет недостатки, связанные со снижением остеоиндуктивных свойств деминерализованной кости при дозе гамма-лучей 10 кГр и утрате остеоиндуктивных способностей при дозе 25 кГр. При этом минимально необходимая для полного умерщвления бактерий доза равна 20 кГр, а для спор и вирусов - 20-40 кГр.

Задачей заявленного технического решения является повышение технологичности и качества получаемых имплантатов (образцов), улучшение остеоиндуктивных свойств, сокращение времени подготовки аллотрансплантата к клиническому использованию.

Для решения поставленной задачи используется способ изготовления костного имплантата, включающий механическую обработку и промывку заготовки из костного материала, выполнение множественных сквозных отверстий, деминерализацию заготовки в растворе неорганической кислоты нисходящих концентраций, нейтрализацию остатков кислоты, стерилизацию и консервацию заготовки. При этом механическую обработку осуществляют гидродинамической струей, содержащей частицы углеродминерального сорбента, доля которых составляет от 5 до 40% от объема применяемой жидкости струи, и обработку проводят по плоскостному шаблону или трехмерной реконструкции видеоизображения замещаемого дефекта. В качестве неорганической кислоты используют ортофосфорную кислоту. В заготовке костного материала выполняют отверстия с минимальным диаметром от 100 до 700 мкм, с отношением расстояний между отверстиями к их диаметрам 3-5.

В качестве углеродминеральных сорбентов использовали сорбенты на основе оксида алюминия марок СКН, СУГС, СУМС-1. Удельная поверхность сорбентов 160-300 м²/г, истинная плотность 2,6-3,0 г/см³, размер частиц 0,4-0,8 мм. Для резки костной ткани применение углеродминеральных сорбентов позволяет значительно поднять эффективность резанья и понизить давление истечения струи.

Качество, а именно степень деминерализации полученных образцов контролируют гистоморфометрическим методом, а структуру и физико-механические свойства - методом акустической микроскопии. Способ обеспечивает улучшение качества костных имплантатов, повышение их остеоиндуктивных свойств при достижении заданных физико-механических характеристик и необходимого композиционного состава.

Выполнение в процессе изготовления множественных отверстий в имплантате (костном образце) дает возможность, с одной стороны, создать дополнительные центры остеоиндукции и тем самым интенсифицировать процесс регенерации, с другой, позволяет увеличить площадь адсорбции при использовании костных фрагментов в качестве носителей лекарственных препаратов.

Возможность выполнения отверстий различного диаметра в образцах костной ткани различного композиционного состава (до или после деминерализации или деорганификации) при использовании заявляемого гидроструйного метода является, как показали результаты исследований, важным преимуществом данного метода при получении перфорированных образцов, существенно повышающих интенсивность замещения имплантата новообразованной костной тканью. При этом плотность равномерно распределенных отверстий, удаленных друг от друга на расстояния, в 3-5 раз превышающие их диаметры, такова, что обеспечивает повышение активности остеогенеза при сохранении достаточной механической прочности имплантата.

Предложенная деминерализация костных фрагментов заготовки в растворе ортофосфорной (15-5%) кислоты позволяет обеспечить получение однородного по структуре деминерализованного матрикса, а также надежный контроль процесса при повышении его экономичности, исключая перерасход используемых реагентов. Оптимальное соотношение объема костной ткани к объему кислоты равно 1:25.

По завершении деминерализации костных фрагментов, которая может быть полной (тотальной), частичной (поверхностной) и сегментарной (избирательной), образцы подвергаются промывке для нейтрализации кислот в течение 1,5 часов в 5% растворе питьевой соды и 1часа в физиологическом растворе. Для консервации и последующей стерилизации и хранения используется 0,1%-ный раствор формальдегида с добавлением гентомицина из расчета 0,5 г на литр.

Предложенные согласно заявленному изобретению усовершенствования способа изготовления костных имплантатов заданного композиционного состава являются результатом обобщения экспериментальных исследований по созданию и практическому использованию трансплантатов (образцов), изготовленных с использованием вышеуказанных усовершенствований, новых по отношению к способу-прототипу действий, условий и параметров режимов их выполнения. Полученные результаты лабораторных (доклинических) испытаний подтверждают возможность решения поставленной в заявленном изобретении задачи.

Пример осуществления способа. Из полученного от донора фрагмента бедренной кости (кортикальная кость диафиза бедра) проводят механическую обработку гидродинамической струей, содержащей частицы углеродминерального сорбента, доля которых составляет от 5 до 40% от объема применяемой жидкости струи, при этом получают заготовку длиной 25 см, шириной 2 см и толщиной 0,5 мм. Проводят удаление мягких тканей и миелоидно-жирового костного мозга. Затем помещают заготовку в 3%-ный раствор перекиси водорода на 1 час для удаления компонентов крови из компактного слоя.

Далее в заготовке проделывают струей множественные сквозные отверстия диаметром 0,6 мм (при этом с отношением расстояний между отверстиями к их диаметрам 3-5), после чего заготовку помещают в 1,1 н. раствор ортофосфорной кислоты при 18-20°С. Степень деминерализации, контролируемая рентгенологическим и морфометрическим методами, составляет по окончании процесса 50%. Ортофосфорную кислоту отмывают из заготовки раствором гипохлоритом натрия, троекратно погружая ее в раствор на 35 мин.

В таком виде имплантат готов к использованию в пластической операции и может храниться при температуре 18-20°С до 5 лет.

Имплантаты, изготовленные по предложенному способу, применены, в частности, в клинике детской костной патологии и подростковой ортопедии ЦИТО им. Н.Н. Приорова при оперировании 40 детей с опухолями, опухолеобразными поражениями и дисплазиями костей. При этом в зависимости от решаемой посредством костной пластики задачи были использованы трансплантаты из кортикальной кости длиной от 5 до 25 см, шириной от 1,5 до 2,5 см и толщиной от 0,4 до 0,6 мм. Ни в одном из случаев не было отмечено отторжение или нагноение трансплантатов, что свидетельствует о его высоких пластических свойствах.

Клиническая тактика подтверждает также и отмеченные выше качества имплантатов, изготовленных по заявленному способу: высокая остеоиндуктивная активность при пересадке и низкая антигенность.

1. Способ изготовления костного имплантата, включающий механическую обработку и промывку заготовки из костного материала, выполнение множественных сквозных отверстий, деминерализацию заготовки в 0,7-1,1 н. растворе неорганической кислоты, нейтрализацию остатков кислоты, стерилизацию и консервацию заготовки, отличающийся тем, что механическую обработку осуществляют гидродинамической струей, содержащей частицы углеродминерального сорбента, доля которых составляет от 5 до 40% от объема применяемой жидкости струи, и обработку проводят по плоскостному шаблону или трехмерной реконструкции видеоизображения замещаемого дефекта, при этом при деминерализации заготовки используют ортофосфорную кислоту.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в заготовке костного материала выполняют отверстия с минимальным диаметром от 100 до 700 мкм, с отношением расстояний между отверстиями к их диаметрам 3-5.