Состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости и способ его получения

Группа изобретений относится к области медицины, а именно к травматологии, восстановительной хирургии, ортопедии и раскрывает состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости и способ получения такого пластика. Состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости характеризуется тем, что состоит из слоев углеродной ткани, полиамидной пленки и слоев базальтового волокнистого материала, при соотношении компонентов, мас. %: углеродная ткань - 57,5-64,0; базальтовый волокнистый материал - 1,0-6,0; полиамидная пленка - остальное. Способ получения рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости характеризуется тем, что включает предварительную электрохимическую обработку сырья и отжиг базальтового волокнистого материала, выкладку пресс-пакета, горячее прессование пресс-пакета. Группа изобретений обеспечивает повышение рентгеноконтрастности эндопротеза, достижение экономического эффекта (дешевизны материала) за счет исключения драгметалла из состава материала, обеспечение лучшей биологической совместимости эндопротеза и, как следствие, повышение его срока службы. Группа изобретений может быть использована для устранения костных патологий и дефектов, в частности дефектов свода черепа, височно-нижнечелюстного сустава, тазобедренного, коленного, локтевого суставов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.

 

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии, восстановительной хирургии, ортопедии, и может быть использовано для устранения костных патологий и дефектов, в частности, дефектов свода черепа, височно-нижнечелюстного сустава, тазобедренного, коленного, локтевого суставов и других.

При устранении костных патологий и дефектов хирургическим способом широко применяется метод эндопротезирования. В медицинской практике существует опыт использования эндопротезов, изготовленных из металлов, например, титана, из керамических материалов (оксидов циркония и алюминия, гидроксиапатита), из синтетических полимеров (высокомолекулярного полиэтилена, ПТФЭ), а также различных сочетаний этих материалов. Указанные материалы, используемые для изготовления эндопротезов, обладают рядом недостатков. Так, металлические эндопротезы подвержены коррозии, что часто приводит к металлозу и резорбции костной ткани, соприкасающейся с эндопротезом; керамика обладает повышенной хрупкостью, дисперсные продукты ее износа вызывают негативную реакцию окружающей ткани, способствуют возникновению воспалительных процессов и резорбции; полимеры проявляют хладотекучесть, старение, что может привести к деформации и разрушению эндопротеза при длительном функционировании.

Эндопротезы, изготовленные из углеродных материалов, обладают рядом преимуществ по сравнению с металлическими, керамическими и полимерными и лишены многих их недостатков [1]. Углеродные материалы обладают такими положительными свойствами, как высокая биологическая совместимость, отсутствие токсичности и канцерогенности, отсутствие коррозии и усталостных напряжений. Технологичность углерода позволяет варьировать физико-механические свойства углеродных материалов в широких пределах, добиваясь оптимальных характеристик. Некоторые углепластики обладают прочностными характеристиками (в частности, модулем упругости), структурой (пористостью), электрохимическим потенциалом, наиболее близкими к аналогичным характеристикам костной ткани, что повышает срок нормального функционирования эндопротезов, исключая необходимость повторных хирургических вмешательств, повышает качество жизни пациентов.

Известна группа углеродных материалов «Интост», используемых в хирургии [1]. Материалы «Интост-1» и «Интост-2» являются углепластиками, которые получают горячим прессованием пресс-пакета из чередующихся слоев углеродной ткани в качестве наполнителя и пленки полиамида («Интост-1») или полипропилена («Интост-2») в качестве связующего.

Известен эндопротез из материала «Остек», обладающий улучшенными свойствами за счет предварительной специальной обработки углеродной ткани перед выкладкой пресс-пакета, который содержит углеродную ткань ТГН-2МК, полиамидную пленку П-12/10, при следующем соотношении компонентов, мас. (%):

представляющий собой сегмент диаметрами 90 и 120 мм, толщиной стенки 2 мм, высотой сегмента 12-14 мм, радиусом кривизны 100 мм, который является заготовкой для изготовления изделий под размер ложа утерянной кости свода черепа [2].

Недостатком материала «Остек» является его рентгенопрозрачность, как следствие - на контрольных рентгенограммах и при томографических исследованиях углеродный материал не визуализируется, что затрудняет обнаружение возможных смещений и деформаций установленного изделия в послеоперационный период.

Существует состав углепластика для устранения дефектов кости [3], содержащий (кроме углеродной ткани и полиамида) порошок металлического бора с размерами частиц 20-50 мкм, при следующем соотношении компонентов, мас. (%):

Недостатками существующего материала с порошком металлического бора являются низкая рентгеноконтрастность (при рентгенологическом исследовании не визуализируется, при томографии визуализируется недостаточно), при этом порошок бора, добавляемый в материал с целью обеспечения рентгеноконтрастности, токсичен, повышение его концентрации в составе углепластика с целью увеличения рентгеноконтрастности изделия недопустимо.

Известен углерод-углеродный композиционный материал с наполнителем в виде слоев из углеродной ткани и пироуглеродной матрицы, которая дополнительно содержит бор в соотношении мае. (%): бор 1-19, пироуглерод остальное, а для повышения рентгеноконтрастности в наполнитель между слоями углеродной ткани вводятся слои сетки из титана [4].

Однако данный материал также имеет недостатки, которые могут отрицательно повлиять на послеоперационное поведение изделия. Как было сказано выше, бор является токсичным для живых организмов, есть риск металлоза, титан и пироуглерод имеют разные тепловые и механические характеристики, что может привести к деформации и/или расслоению композитного материала эндопротеза при его длительном функционировании.

Наиболее близким к предлагаемому материалу является состав углепластика для устранения дефектов кости, содержащий углеродную ткань марки ТГН-2М, полиамидную пленку 12/10 и порошок серебра, при следующем соотношении компонентов, мас. %:

с размерами частиц порошка серебра 20-5- мкм [5]. Данный состав обладает высокими физико-механическими свойствами, порошок серебра придает материалу рентгеноконтрастность, материал не токсичен, не канцерогенен, обладает противовоспалительными и антисептическими свойствами.

Недостатками углепластика, содержащего порошок серебра, являются дороговизна, а также неравномерное распределение порошка серебра в пресс-пакете, приводящее к низкому качеству рентгеновских и томографических снимков изделий из данного материала.

Техническим результатом настоящего изобретения является обеспечение повышенной и равномерной по всему объему материала эндопротеза рентгеноконтрастности, достижение экономического эффекта (дешевизны материала) за счет исключения драгметалла из состава материала, обеспечение лучшей биологической совместимости эндопротеза, и как следствие - повышение его срока службы.

Данный технический результат достигается тем, что состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости, состоящий из слоев углеродной ткани и полиамидной пленки, дополнительно содержит один или несколько слоев базальтового волокнистого материала, при соотношении компонентов мас. %: углеродная ткань - 57,5-64,0; базальтовый волокнистый материал - 1,0-6,0; полиамидная пленка - остальное. В качестве базальтового волокнистого материала может быть использована базальтовая ткань или нить. Способ получения рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости включает подготовку сырья, выкладку пресс-пакета, горячее прессование пресс-пакета, и отличается тем, что углеродная ткань проходит предварительную электрохимическую обработку в качестве анода в водном растворе иодида калия KI концентрации 0,08-0,10 г/л с добавлением 0,1 мл/л спиртового раствора йода в концентрации 0,04-0,08 г/л и NH4OH до получения нейтральной среды, в течение 15-30 минут при напряжении 70-80 В и плотности тока 5,5-7,5 А/м², базальтовый волокнистый материал предварительно отжигают в муфельной печи при температуре не менее 300°С в течение не менее 6 часов.

Базальтовый волокнистый материал по своим физико-механическим, тепловым характеристикам близок к углеродной ткани, не токсичен, не канцерогенен, не аллергенен, при этом обладает высокой рентгеноконтрастностью. Базальтовый волокнистый материал, используемый в качестве дополнительного слоя, в отличие от порошков металла, равномерно распределяется по всей площади заготовки (пресс-пакета), что обеспечивает высокое качество рентгенографических и томографических снимков изделий.

Для снятия текстильных замасливателей, используемых в производстве базальтовых волокнистых материалов, базальтовую ткань или нить необходимо предварительно отжечь в муфельной печи при температуре не менее 300°С в течение не менее 6 часов. При такой обработке парафин, стеарин, вазелин, трансфарматорное масло, прочие компоненты, входящие в состав текстильного замасливателя, сгорают и удаляются, переходя в летучие вещества и водяной пар. Параметры обработки выбраны экспериментальным путем. Присутствие текстильного замасливателя ухудшает адгезию базальтового волокнистого материала с полиамидом, используемым в качестве связующего. Для увеличения качества визуализации при рентгенологическом исследовании изделия перед укладкой в пресс-пакет базальтовую нить желательно распушить.

Предварительная электрохимическая обработка (ЭХО) углеродной ткани, являющейся в процессе обработки анодом, позволяет добиться повышения пористости углеродных волокон в ткани, при этом пористость получаемого пластика наиболее близка к пористой структуре кости. Такой пластик, в частности, может быть использован для изготовления ножки эндопротеза тазобедренного, коленного, локтевого суставов. ЭХО углеродной ткани проводят в водном растворе иодида калия концентрации 0,08-0,10 г/л с добавлением 0,1 мл/л спиртового раствора йода в концентрации 0,04-0,08 г/л и NH4OH до получения нейтральной среды, в течение 15-30 минут при напряжении 70-80 В и плотности тока 5,5- 7,5 А/м². Параметры электрохимической обработки углеродной ткани подобраны опытным путем.

Используемую полиамидную пленку перед укладкой в пресс-пакет необходимо протереть с двух сторон вискозной тканью, смоченной в этиловым спирте, что позволит добиться лучшей адгезии между слоями, при этом все другие свойства материала (биосовместивость, рентгеноконтрастность и др.) сохраняются.

Схема послойной укладки пресс-пакета для получения рентгеноконтрастного пластика предлагаемого состава показана на фиг.1.

1 - углеродная ткань, 2 - базальтовая ткань, 3 полиамидная пленка.

Подготовленный таким образом пакет подвергают горячему прессованию.

Примеры получения материала.

Пример 1. Углеродную ткань ТГН-2М по техническим условиям ТУ 48-20-19-72, или ТУ 1916-032-00200851-2010, подвергнутую электрохимической обработке, базальтовую ткань марки БТ11 по СТО 59987361-009-2008 и полиамидную пленку ПА-12 марки ПА12 по ОСТ 6-06-425-92 нарезают в форме прямоугольников размером 150 × 200 мм. Электрохимическую обработку углеродной ткани проводят в водном растворе иодида калия концентрации 0,08 г/л с добавлением 0,1 мл/л спиртового раствора йода в концентрации 0,04 г/л и NH₄OH до получения нейтральной среды, в течение 15 минут при напряжении 70 В и плотности тока 5,5-7,5 А/м². В зависимости от толщины пленки и требуемой толщины пластика количество прямоугольных заготовок может быть различной, например, углеродной ткани - 10 шт., базальтовой ткани - 1 шт., полиамидной пленки 10 шт. Далее взвешиванием заготовок добиваются требуемого соотношения компонентов. Листы полиамидной пленки очищают с помощью смоченной в этиловом спирте вискозной ткани. Путем чередования слоев углеродной ткани и полиамидной пленки собирают многослойный пресс-пакет, в середину пресс-пакета помещают слой базальтовой ткани. В данном примере, считая снизу вверх, в пресс-пакете находятся чередующиеся углеродная ткань и пленка - по 5 шт., затем базальтовая ткань, затем чередующиеся пленка и углеродная ткань - по 5 шт. Подготовленный таким образом пакет подвергают горячему прессованию при температуре 210°С, давлении 100 кг/см² в течение одного часа.

Пример 2. Аналогично Примеру 1, при этом заготовки базальтовой ткани предварительно отжигают в муфельной печи при температуре 300° в течение 6 часов для очищения от замасливателя и достижения лучшей адгезии. ЭХО углеродной ткани проводят в водном растворе иодида калия концентрации 0,10 г/л с добавлением 0,1 мл/л спиртового раствора йода в концентрации 0,08 г/л и NH₄OH до получения нейтральной среды, в течение 30 минут при напряжении 80 В и плотности тока 5,5-7,5 А/м².

Пример 3. Аналогично Примеру 1, но в отличие от него при сборке пакета для прессования в середине пакета вместо базальтовой ткани между двумя слоями полиамидной пленки выкладывается базальтовая нить или ровинг из комплексных нитей ТУ5952-030-00204949-95. Варианты укладки нити на конечном результате не отражаются. Нить может быть предварительно нарезана на куски по 200 и 150 мм для укладки вдоль или поперек пакета, возможны другие варианты укладки, например, из непрерывной нити.

Таким образом, в отличие от известных составов предлагаемый состав обладает высокой рентгеноконтрастностью с плотностью визуализации по шкале Хаунсфилда до 950-1100 единиц, дешевизной, сохраняя при этом высокую биосовместимость и другие важные для применения в медицине свойства. Материал также может найти применение в других отраслях, когда исключается использование металлических включений в материал, но при этом необходимо контролировать положение изделия с помощью рентгена, например, в дефектоскопии, химической промышленности и др.

Источники информации

1. Золкин П.И., Островский B.C. «Углеродные материалы в медицине». - М: Металлургиздат, 2014. - 144 с., ил.

2. Эндопротез углеродный дефекта свода черепа из материала «Остек», ТУ 9398-036-00200851-2010, держатель подлинника АО «НИИГрафит».

3. Патент РФ №2241495, МПК A61L 27/08, A61F 2/28, 2003.

4. Патент РФ №2391118, МПК A61L 27/04, A61L 27/08, В82В 1/00,2008.

5. Патент РФ №2342160, МПК A61L 27/08, A61L 27/14, A61F 2/28, A61L 27/04, 2007.

1. Состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости, состоящий из слоев углеродной ткани и полиамидной пленки, дополнительно содержащий один или несколько слоев базальтового волокнистого материала, при соотношении компонентов, мас. %: углеродная ткань - 57,5-64,0; базальтовый волокнистый материал - 1,0-6,0; полиамидная пленка - остальное.

2. Состав рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости по п. 1, отличающийся тем, что в качестве базальтового волокнистого материала может быть использована базальтовая ткань, базальтовая нить или ровинг.

3. Способ получения рентгеноконтрастного пластика для устранения дефектов кости по п. 1, включающий подготовку сырья, выкладку пресс-пакета, горячее прессование пресс-пакета, отличающийся тем, что углеродная ткань проходит предварительную электрохимическую обработку в качестве анода в водном растворе йодида калия KI концентрации 0,08-0,10 г/л с добавлением 0,1 мл/л спиртового раствора йода в концентрации 0,04-0,08 г/л и NH₄OH до получения нейтральной среды в течение 15-30 минут при напряжении 70-80 В и плотности тока 5,5-7,5 А/м², базальтовый волокнистый материал предварительно отжигают в муфельной печи при температуре не менее 300°С в течение не менее 6 часов, полиамидную пленку перед укладкой в пресс-пакет протирают с двух сторон этиловым спиртом.