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.
