Биоинженерная конструкция с антибактериальным покрытием для замещения костно-хрящевых дефектов



Биоинженерная конструкция с антибактериальным покрытием для замещения костно-хрящевых дефектов
Биоинженерная конструкция с антибактериальным покрытием для замещения костно-хрящевых дефектов

 


Владельцы патента RU 2634860:

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" (RU)

Изобретение относится к области медицины, а именно к ортопедии, травматологии и трансплантологии, и предназначено для изготовления протезов, скаффолдов и биоимплантатов для замещения костно-хрящевых дефектов. Биоинженерная многослойная конструкция на основе биосовместимого сверхвысокомолекулярного полиэтилена содержит пористый слой, который может быть заселенен мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками млекопитающих, и сплошной слой с антибактериальным покрытием на основе амоксициллина толщиной 0.1-5 мм. Пористый слой имеет открытую пористость до 90 об.% и связанную систему пор с диаметром 30-1000 мкм. Использование изобретения обеспечивает биоинженерную конструкцию, имитирующую структуру кортикальной и трабекулярной ткани нативной кости и предотвращающую развитие местных инфекционных осложнений в постоперационном периоде. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 2 пр.

 

Изобретение представляет собой биоинженерную многослойную конструкцию на основе биосовместимого сверхвысокомолекулярного полиэтилена, содержащую пористый слой, который может быть заселен мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками (ММСК) пациента или здорового донора, и сплошной слой с наружным антибактериальным покрытием, для изготовления протезов, скаффолдов и биоимплантатов, предназначенных для замещения костно-хрящевых дефектов человека и животных. Областью применения заявляемого изобретения являются медицина и ветеринария, в частности реконструктивная хирургия, ортопедия, онкология, трансплантологии и травматология.

Известно изобретение (RU 2157151 A61F 2/28) для протезирования фрагментов скелета (преимущественно плоских костей грудной клетки), выполненное из никелида титана. Элемент фиксации имплантата к тканям выполнен в виде слоя из пористого никелида титана.

К недостаткам изобретения можно отнести низкую способность прорастания окружающих тканей в пористую часть элемента фиксации имплантата, в результате отсутствия в нем ростовых факторов роста.

Известно изобретение костного имплантата (RU 2104040 A61L 31/00) выполненное из биоситалла, имитирующее внутренний спонгиозный и внешний кортикальный слои нативной костной ткани. Для слоя имплантата имитирующего кортикальный слой объемная пористость составляет 20-40%. Для слоя имплантата имитирующего спонгиозный слой объемная пористость может быть равна 40-65%. Размер пор до 100 мкм.

К недостаткам данного изобретения является относительно небольшой размер пор до 100 мкм, тогда как для запуска интенсивных процессов образования новых костных тканей и васкуляризации необходимы поры размером до 700 мкм и более. Объемная пористость слоя имплантата, имитирующего спонгиозный слой, не превышает 65%, так как увеличение объемной пористости биоситалла приводит к сильному падению его механических свойств, что в сочетании с низкой пластичностью может привести к катастрофическому разрушению материала даже при небольших нагрузках.

Известен имплантат (RU 88952 A61F 2/28) предназначенный для формирования костной ткани на поверхности имплантата и восстановления опороспособности костного скелета. Имплантат выполнен из композиционного материала, состоящего из углеродной матрицы и многонаправленного армирующего каркаса из стержней, сформованных из углеродных волокон. Углеродная матрица покрыта слоем тромбоцитов аутоплазмы крови концентрацией 0,02-0,5 г на 1 см2 поверхности. Имплантат может быть выполнен в виде блока цилиндрической или призматической формы.

К недостаткам изделия можно отнести недостаточную его пористость (пористость углеродной матрицы 9%), что не позволяет окружающим тканям эффективно прорастать вглубь имплантата.

Известно изобретение (RU 2270640 A61F 2/14, A61L 27/56) для замещения костных дефектов, выполненное из пористого политетрафторэтилена. Объемная пористость составляет от 15 до 40%, удельная поверхность пространства пустот 0,25-0,55 мкм2/мкм3, среднее расстояние между пустотами в объеме 25-50 мкм.

К недостаткам данного изобретения можно отнести относительно невысокую объемную пористость материала и малый размер пор, что может негативно сказаться на скорости адгезии и колонизации клеток прилегающих тканей в области имплантации. Формирование пористой структуры в политетрафторэтилене негативно сказывается на механических свойствах материала, а отсутствие в имплантате дополнительных армирующих компонентов ограничивает область его применения, разрешая его использование только для восстановления ненагруженных участков костных тканей.

Прототипом заявляемого изобретения является имплантат на основе пористого сверхвысокомолекулярного полиэтилена (US 7781526 В2 «Medical implant or medical implant part comprising porous UHMWPE and process for producing the same»). Объемная пористость имплантата может быть более 20%, а размер пор 200-400 мкм.

К недостаткам пористого имплантата СВМПЭ можно отнести несовершенство его структуры. Пористая структура СВМПЭ имеет границы спекания исходных частиц полимера. Сохранение границ между частицами СВМПЭ является дефектом структуры. Наличие таких дефектов может привести к преждевременному разрушению имплантата, что является недопустимым. Представленный имплантат имеет узкий диапазон распределения пор по размерам, что не позволяет обеспечивать оптимальную скорость адгезии и колонизации клеток прилегающих тканей в области имплантации. Имплантат выполнен полностью из пористого СВМПЭ, что не позволяет использовать его для восстановления нагруженных участков костной ткани. В имплантате отсутствуют ростовые факторы стимулирующие образование новой костной ткани.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании биоинженерной конструкции, состоящей из двух и более слоев, имитирующих структуру кортикальной и трабекулярной ткани нативной кости, с поверхностным антибактериальным покрытием, предотвращающим развитие местных инфекционных осложнений в постоперационном периоде, насыщенной ММСК. Биоинженерная конструкция характеризуется:

- биосовместимостью,

- высокой пластичностью при изгибе и сжатии,

- ударопрочностью и трещиностойкостью,

- показателем модуля Юнга, близким к таковому трабекулярной кости,

- возможностью регулирования объемного содержания пор вплоть до 90%.

- возможностью задавать размер пор от 30 до 1000 мкм;

- возможностью корректировки формы и размера имплантата в процессе выполнения операции;

- прочным скреплением на молекулярном уровне пористого и сплошного слоев, предотвращающим расслоение при механическом деформировании конструкции.

- биоактивностью за счет содержания мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток в пористом слое биоинженерной конструкции и антибактериального покрытия в сплошном слое биоинженерной конструкции.

Технический результат достигается следующим образом.

1) Пористая многослойная конструкция для замещения костно-хрящевых дефектов, содержащая пористый слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, отличающаяся тем, что конструкция дополнительно содержит сплошной слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена поверх пористого слоя с антибактериальным покрытием на основе амоксициллина толщиной 0.1-5 мм, причем пористый слой имеет открытую пористость 50-90% об. и связанную систему пор с диаметром 30-1000 мкм.

2) Биоинженерная конструкция по п. 1, у которой пористый слой заселен мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками млекопитающих.

3) Биоинженерная конструкция по п. 2, которая выполнена в виде изделия, обеспечивающего ее применение в качестве имплантата для замещения дефектов костно-хрящевой ткани.

Биосовместимость обеспечивается за счет химического состава, а именно, выполнения конструкции из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, разрешенного для медицинского применения. Механические характеристики, необходимые для выполнения конструкцией опорной функции обеспечиваются за счет наличия гибридной многослойной конструкции с прочно связанными между собой слоями с пределом прочности при сжатии более 70 МПа, модулем Юнга более 0.7 ГПа и отсутствием расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 45% деформации конструкции при сжатии. Пластичность, повышенная ударопрочность с одновременной возможностью индивидуальной подгонки режущим инструментом в ходе операции обеспечиваются за счет выполнения конструкции с ударной вязкостью более 50 кДж/м2 из сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Антибактериальная активность обеспечивается импрегнацией антибактериального препарата (амоксициллин и его аналоги) в сплошной слой конструкции на 0.1-5 мм. Внесение ММСК в пористый слой обеспечивает ускоренные васкуляризацию и прочную фиксацию имплантата в области дефекта за счет индукции клетками биоактивных молекул.

Изобретение поясняется фигурой 1, где показан пример трехслойной биоинженерной конструкции, где 1 - сплошной слой СВМПЭ, 2 - пористый слой СВМПЭ, 3 - сплошной слой СВМПЭ. На фигуре 2 представлена сканирующая электронная микроскопия биоинженерной конструкции. Фигура 3 демонстрирует антибактериальный эффект сплошного слоя СВМПЭ с антибактериальным покрытием на примере микроорганизмов S. epidermidis на агаре Мюллера-Хинтона, где 1 - сплошной слой СВМПЭ без антибактериального покрытия и 2 сплошной слой СВМПЭ с антибактериальным покрытием.

Возможность промышленной применимости предлагаемой конструкции и ее использования в медицине подтверждается следующим примером реализации.

Пример 1

В качестве исходного материала использовался порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена производства Ticona, Celanese. Сформирована гибридная пористая многослойная конструкция диаметром 10 мм и высотой 3 мм, состоящая из пористого и сплошного слоя, со средним диаметром пор 400 мкм. Объемная пористость - 90% об. Предел прочности на сжатие - 90 МПа, модуль Юнга при сжатии - 1.0 ГПа, отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 45% деформации конструкции при сжатии. При изгибе под 45° - отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера. Ударная вязкость по Шарпи без надреза 80 кДж/м2. В качестве биоцида был выбран амоксициллин «Хемофарм А.Д.» г. Вршац, Сербия, лекарственная форма - капсулы, 1 капсула 500 мг. Фармакотерапевтическая группа - антибиотик, пенициллин полусинтетический. Наблюдалось проявление эффекта торможения роста колоний грампозитивных и грамнегативных микроорганизмов различных видов (S.aureus, S. epidermidis, Е. faecalis, В. subtilis, E.coli) после коинкубации с экспериментальными образцами при 37°С.

Пример 2

В качестве исходного материала использовался порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена марки производства Ticona, Celanese. Сформирована гибридная пористая многослойная конструкция, состоящая из пористого и сплошного слоя, со средним диаметром пор 800 мкм. Объемная пористость - 60 об.%. Предел прочности на сжатие - 90 МПа, модуль Юнга при сжатии - 1200 МПа, отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера до 45% деформации конструкции при сжатии. При изгибе под 45° - отсутствие расслоения, разрушения и отделения частиц полимера. Ударная вязкость по Шарпи без надреза 70 кДж/м2. Нагрузка пористого слоя ММСК составляла 6,4×105 клеток на 1 мм3 конструкции. При ортотопической имплантации заявляемой конструкции цилиндрической формы лабораторным животным (крысы линии Вистар, самцы, m=200±11 г) в искусственно сформированный дефект большеберцовой кости на 30 дней было установлено сохранение опорной функции конечностей животного за счет оптимальных механических характеристик и прочной фиксации имплантированной конструкции, наличие признаков ее васкуляризации, отсутствие признаков воспаления или отторжения за счет ее биосовместимости и наличия антибактериального покрытия на поверхности имплантата.

1. Биоинженерная пористая многослойная конструкция для замещения костно-хрящевых дефектов, содержащая пористый слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, отличающаяся тем, что конструкция дополнительно содержит сплошной слой на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена поверх пористого слоя с антибактериальным покрытием на основе амоксициллина толщиной 0.1-5 мм, причем пористый слой имеет открытую пористость до 90 об.% и связанную систему пор с диаметром 30-1000 мкм.

2. Биоинженерная конструкция по п. 1, у которой пористый слой заселен мультипотентными мезенхимальными стромальными клетками млекопитающих.

3. Биоинженерная конструкция по п. 2, которая выполнена в виде изделия, обеспечивающего ее применение в качестве имплантата для замещения дефектов костно-хрящевой ткани.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к медицине, в частности к способу получения пористого гидроксиапатит-коллагенового композита, который характеризуется тем, что гидроксиапатит, полученный конденсационным способом с использованием гидроакустического преобразователя, смешивают с коллагеном, полученную гидроксиапатит-коллагеновую смесь гомогенизируют в ультразвуковом поле с частотой (22÷44) кГц, плотностью мощности (1÷10) Вт/см3 в течение (10÷400) с.

Группа изобретений относится к области создания пористых структур для медицинских имплантатов. Способ изготовления пористой структуры включает в себя этап создания модели пористой структуры, а также этап ее изготовления в соответствии с созданной моделью путем воздействия на плавкий материал источником энергии.

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения материала для тканеинженерных конструкций, состоящих из волокон биорезорбируемых полиэфиров, полученных методом электроформования из растворов вышеуказанных полимеров для получения биологически активных материалов, резорбируемых в теле человека, которые могут найти применение для получения тканеинженерных конструкций различных конфигураций, имитирующих внеклеточный матрикс, обладающих контролируемой биорезорбцией, применяемых для создания различных имплантатов, в том числе, биорезорбируемых протезов кровеносных сосудов, а также противоспаечных материалов и раневых покрытий.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Карбонаткальциевый цемент для заполнения костных дефектов характеризуется тем, что для его получения используют порошок кристаллической фазы карбоната кальция – кальцита, и жидкость - водный 30-60% раствор фосфата магния, при следующем соотношении компонентов, масс.
Группа изобретений относится к медицине. Описан композиционный имплантат для компенсации костных дефектов, который выполнен из пористого композиционного материала, содержащего углеродную матрицу, армирующий каркас из углеродных волокон и открытые поры, объем которых не менее 5% от объема материала, а поры композиционного материала частично или полностью заполнены раствором органического йодсодержащего вещества, не вызывающим токсического действия на организм человека в количестве 0,01-0,1 г на 1 кг массы человека, при этом содержание вещества составляет не менее 3 мг в 1 см3 композиционного материала.

Изобретение относится к медицине и представляет собой способ получения композиционного трехмерного каркаса для замещения костно-хрящевых дефектов, включающий приготовление текучего гидрогеля, содержащего альгинат натрия и кальцийфосфатный наполнитель, нанесение гидрогеля на платформу, формирование трехмерного каркаса с последующей фиксацией структуры.
Изобретение относится к медицине, в частности к травматологии, ортопедии, регенеративной медицине, стоматологии и челюстно-лицевой хирургии, и может быть использовано для восстановления структуры и функции костной ткани.
Группа изобретений относится к медицине, конкретно к пористому двухфазному материалу фосфата кальция/гидроксиапатита (ФК/ГАП) в качестве заменителя кости, содержащему спеченный ФК стержень и по меньшей мере один однородный и замкнутый эпитаксически выращенный слой нанокристаллического ГАП, нанесенный поверх спеченного ФК стержня, при этом эпитаксически выращенные нанокристаллы имеют такой же размер и структуру, как и костный минерал человека, т.е.

Группа изобретений относится к медицине и характеризует пористую структуру для использования в медицинских имплантатах. Данная структура содержит ряд ветвей, причем одна ветвь или ряд ветвей имеют: первый конец, второй конец и непрерывное удлиненное тело между указанными первым и вторым концами, причем указанное тело имеет толщину, длину и изогнутую часть, также содержит ряд соединений, причем по меньшей мере одно соединение содержит пересечение по касательной двух из указанных изогнутых частей, и содержит ряд узлов, причем по меньшей мере один узел имеет три или большее количество указанных соединений.

Изобретение относится к медицине, конкретно к заменителю кости, включающему сердечник на основе гидроксиапатита (ГАП), полученный по меньшей мере из одного вида пористой древесины, или на основе волокон коллагена и гидроксиапатита, и оболочку на основе гидроксиапатита (ГАП) или карбида кремния (SiC), полученную из древесины по меньшей мере одного вида, имеющей более низкую пористость, чем по меньшей мере один вид древесины для сердечника.

Изобретение относится к медицине. Описан способ нанесения пленочного покрытия на поверхностно-пористые и шероховатые имплантаты путем помещения его в капсулу, которую герметизируют, создают внутри нее разрежение 3÷4 кПа, после чего ее заполняют лекарственным раствором или биологически совместимым раствором, содержащим твердые микрочастицы элементов с бактерицидными и антикоагулянтными свойствами, затем после заполнения капсулы упомянутым раствором в ней создают повышенное давление 125÷152 кПа, после чего раствор из капсулы сливают, а имплантат с нанесенной жидкофазной пленкой извлекают из емкости и устанавливают в предварительно сформированный костный канал.

Изобретение относится к медицине. Описан способ нанесения пленочного покрытия на поверхностно-пористые и шероховатые имплантаты путем помещения его в капсулу, которую герметизируют, в ней возбуждают ультразвуковые колебания, частота которых лежит выше частоты порога кавитации в диапазоне от 20 до 100 кГц, а интенсивность упомянутого ультразвука лежит в области стабильной кавитации от 1,5 до 2,5 Вт/см2, затем по истечении 3-5 мин генерацию ультразвуковых колебаний прекращают, раствор из капсулы сливают, а имплантат с нанесенной жидкофазной пленкой извлекают из емкости и устанавливают в предварительно сформированный костный канал, после чего раствор из капсулы сливают, а имплантат с нанесенной жидкофазной пленкой извлекают из емкости и устанавливают в предварительно сформированный костный канал.
Группа изобретений относится к медицинским устройствам, содержащим высокопрочный сплав, со временем подвергающийся деградации в организме человека или животного, при регулируемой скорости деградации, без образования эмболов.
Изобретение относится к ортопедическому изделию и ортопедической прокладке, в частности прокладке для ампутационных культей, контактной накладке, покрытию для протеза, прокладке для ортезов, голенищам протеза, стельке для обуви или ортопедическим чулкам, т.е.
Изобретение относится к области медицины и касается цементных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Описаны кальцийфосфатные цементные материалы, которые получают на основе порошков тетракальциевого фосфата и/или трикальцийфосфата.

Изобретение относится к медицине, а именно к сердечно-сосудистой хирургии. Описан способ нанесения хитозанового покрытия на поверхность перикарда биологического протеза клапана сердца путем нанесения хитозана прямым методом из абсолютно биосовместимого для организма человека неиммуногенного растворителя, обладающего антимикробными свойствами, - воды, насыщенной углекислым газом при высоком давлении, на перикард биологического протеза клапана сердца, предварительно обработанного 0,625% глутаровым альдегидом.
Изобретение относится к медицине, конкретно к хирургической стоматологии, травматологии и ортопедии, и может быть использовано в качестве раствора для получения покрытия для защиты и фиксации (иммобилизации) биологически активных веществ на дентальных имплантатах, биоматериалах, помещаемых в костные дефекты, для фиксации биологически активных веществ на металлических конструкциях для остеосинтеза, применяемых в травматологии и ортопедии.

Изобретение относится к медицине. .
Изобретение относится к медицине, а именно к хирургии грыж. .

Изобретение относится к композиционным материалам медицинского назначения и может быть использовано при изготовлении костных имплантатов. Полимерный композит с памятью формы состоит из «жесткой» и «мягкой» фаз.
Наверх