Способ получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях
Владельцы патента RU 2542439:
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) (RU)
Изобретение относится к области медицины и касается керамических материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Описан способ пропитки пористых полимерных матриц жидким шликером на основе порошка карбоната кальция, содержащим спекающие добавки карбоната или карбонатов щелочных металлов. Полученные образцы сушили и термообрабатывали для удаления жидкости и разложения органического полимера. В результате после окончательного спекания при температуре 540-620°C получали пористый керамический матрикс на основе карбоната кальция с пористостью 40-60% и прочностью до 4-10 МПа при сжатии. Описан материал на основе карбоната кальция, обладающий биоактивными свойствами и высокой биорезорбцией, что способствует быстрому восстановлению костной ткани. Материал на основе карбоната кальция, обладающий биоактивными свойствами и высокой биорезорбцией, способствует быстрому восстановлению костной ткани. 2 пр.
Перспективная медицинская технология - инженерия костной ткани, основана на имплантировании в место костного дефекта пористого матрикса с культивированными в нем клетками и факторами роста, необходимыми для остеосинтеза.
Одним из наиболее перспективных материалов матрикса является карбонат кальция, обладающий биоактивными свойствами и высокой биорезорбцией, что способствует быстрому восстановлению костной ткани. Ключевой проблемой является матрикс, который должен иметь высокую пористость и размер взаимосвязанных пор, достаточный для роста костной ткани de novo.
Основной сложностью в получении матриксов для инженерии костной ткани на основе карбоната кальция является термическая нестабильность данного соединения. В связи с этим получить прочные керамические матриксы путем спекания представляется затруднительным. На сегодняшний день в качестве матриксов на основе CaCO3 применяют материалы из натурального коралла. (Sergeeva N.S., Sviridova I.K., Kirsanova V.A., Akhmedova S.A., Myslevtsev I.V., Shansky Ja.D. Skeleton of corals Acropora as a ″gold standard″ for development of new materials for bone substitution Ceramics / In: Abstract of 12th Annual Seminar & Meeting Cells and Tissue. Faenza, Italy, 2009. - P.72.) Однако существует ряд ограничений в возможности непосредственного использования природных кораллов в качестве имплантатов: широкая вариация химического, фазового состава природных кораллов и скорости их растворения, наличие неорганических и органических примесей. Натуральные кораллы характеризуются нерегулярной пористостью и колебаниями в составе и микроструктуре даже в пределах одного вида.
Наиболее близкими по техническому решению и достигаемому эффекту являются пористые матриксы на основе карбоната кальция для имплантации, получаемые прямой консолидацией порошка карбоната кальция на крахмале. (A.F Lemos, J.M.F Ferreira Porous bioactive calcium carbonate implants processed by starch consolidation // Materials Science and Engineering: С Volume 11, Issue 1, 30 June 2000, Pages 35-40.) В предложенной работе гранулы крахмала используются в качестве центров консолидации порошка карбоната кальция и в качестве порообразователя. Недостатком материала является быстрая растворимость крахмала, на котором осажден карбонат кальция, что может приводить к потери пористой структуры и, как следствие, формы имплантата.
Технический результат предлагаемого изобретения - получение пористого керамического матрикса на основе карбонат кальция с пористостью 40-60% и прочностью 4-10 МПа.
Технический результат достигается тем, что в способе получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях пористый керамический матрикс из карбоната кальция получали пропиткой пористой органической матрицы жидким шликером, содержащим жидкость, порошок карбоната кальция и спекающую добавку, с дальнейшей сушкой на воздухе и термообработкой при 540-620°C. При температуре 540-620°C происходит окончательное спекание пористого матрикса из карбоната кальция с пористостью 40-60% и прочностью 4-10 МПа при сжатии. В качестве пористой органической матрицы может использоваться любой полимерный органический материал, разлагающийся при температуре 150-500°C с образованием газообразных продуктов разложения. Используемый жидкий шликер содержит: 10-60 масс. % порошка карбоната кальция, 2-7 масс. % добавки карбоната или карбонатов щелочных металлов и остальное вода.
При увеличении температуры термообработки выше 620°C происходит разложение карбоната кальция с образованием оксида кальция и разрушение образца. В случае содержания спекающей добавки меньше 2 масс. % и/или температуре термообработки ниже 540°C, а также количества порошка карбоната кальция меньше 10 масс. % не происходит спекание керамического матрикса и не достигается заявленная прочность. При увеличении количества добавки более 7 масс. %, происходит сильная деформация пористого керамического матрикса. При увеличении количества порошка карбоната кальция в шликере более 60 масс. % происходит неравномерная пропитка пористой матрицы полимера, что приводит к неоднородной структуре и потере прочности после спекания. При использовании полимеров с температурой разложения ниже 150°C в процессе сушки или термообработки происходит разрушение термообрабатываемого образца, а при температуре разложения выше 500°C в образце могут оставаться токсичные продукты разложения выжигаемого полимера.
Пример 1. Пористая матрица из полиэтилена с пористостью 80% пропитывалась водным шликером, содержащим 40 масс. % порошка карбоната кальция, 2 масс. % спекающей добавки на основе карбоната натрия и воды. После сушки полученные заготовки термообрабатывали в печи до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 600°C. В результате получали пористый керамический матрикс на основе карбоната кальция, характеризующийся 50% пористостью и прочностью 5 МПа при сжатии.
Пример 2. Пористая матрица из полиуретана с пористостью 60% пропитывалась водным шликером, содержащим 20 масс. % порошка карбоната кальция, 7 масс. % спекающей добавки (3,5 масс. % карбоната калия и 3,5 масс.% карбонат натрия) и воды. После сушки полученные заготовки термообрабатывали в печи до полного удаления органического полимера. Окончательное спекание проводили при 620°C. В результате получали пористый керамический матрикс на основе карбоната кальция, характеризующийся 40% пористостью и прочностью 8 МПа при сжатии.
Способ получения пористого керамического матрикса на основе карбоната кальция для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях, отличающийся тем, что пористый керамический матрикс из карбоната кальция получают пропиткой пористой органической матрицы жидким шликером, содержащим жидкость, порошок карбоната кальция и спекающую добавку, с дальнейшей сушкой на воздухе и термообработкой при 540-620°C, при температуре 540-620°C происходит окончательное спекание пористого матрикса из карбоната кальция с пористостью 40-60% и прочностью 4-10 МПа при сжатии, в качестве пористой органической матрицы используют полимерный органический материал, разлагающийся при температуре 150-500°C с образованием газообразных продуктов разложения, используемый жидкий шликер содержит: 10-60 масс.% порошка карбоната кальция, 2-7 масс.% добавки карбоната или карбонатов щелочных металлов в любом соотношении и остальное вода.
