Способ дегазации гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала

Изобретение относится к области медицины, а именно челюстно-лицевой хирургии, и раскрывает способ дегазации гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала (ГОКМ). Способ характеризуется тем, что пыль и пузыри воздуха из ГОКМ удаляют методом дегазации, который включает этапы пассивной и активной дегазации с применением физических и химических методов, а именно, нагревания в термостате в физиологическом растворе и обработки ультразвуком с применением раствора лимонной кислоты. Способ позволяет оптимизировать репаративную регенерацию костной ткани методом направленной костной регенерации, позволяет повысить адсорбционную емкость исходного ГОКМ и получить матрицу-носитель для реконструкции костной ткани с наружновнутренними поверхностями и пространствами, доступными для адсорбции факторов роста кости. 1 табл., 1 пр.

 

Изобретение относится к области медицины, а именно челюстно-лицевой хирургии и направлено на оптимизацию репаративной регенерации костной ткани методом направленной костной регенерации. Применение метода направленной костной регенерации для устранения костного дефекта подразумевает использование костнопластических материалов в качестве матрицы реконструкции с наружновнутренними поверхностями и пространствами, доступными для адсорбции факторов роста кости.

Необходимый и достаточный объем факторов роста кости (/далее ФРК), который может адсорбировать гранулированный остеокондуктивный костнопластический материал (далее ГОКМ), зависит от его адсорбционной емкости. Адсорбционная емкость гранулированного остеокондуктивного материала - это показатель способности фракции костнопластического материала разместить на своих наружновнутренних поверхностях и пространствах максимально возможное количество ФРК. Адсорбционные свойства ГОКМ имеют ограничения, связанные с наличием воздуха и мелкодисперсной крошки в порах и каналах гранул фракции, приникающих в материал на этапах производственного цикла, что приводит к возникновению гидродинамических и механических препятствий для миграции ФРК и прорастания сосудов из реципиентного ложа внутрь гранул.

Известна модель прогнозирования изменений субстанции сгустка крови под действием сдвигающих сил, подобных тем, которые имели бы место in vivo в условиях пространственной неоднородности кровяного сгустка и его окружения, влияющие на процесс его сокращения и фиксации на окружающем пассивном вязкоупругом материале носителе (Valerie Tutwiler, Hailong Wang, Rustem I. Litvinov, John W. Weisel, Vivek B. Shenoy. Interplay of Platelet Contractility and Elasticity of Fibrin/Erythrocytes in Blood Clot Retraction. Biophysical Journal. Article vollume 112, issue 4, Ρ 714-723, February 28, 2017. DOI:https://doi.org/10.1016/j.bpj.2017.01.005). Представленная модель не позволяет:

1. определить влияние пор и каналов подлежащей матрицы субстрата-носителя на способность кровяного сгустка и других компонентов крови к продвижению внутрь носителя;

2. не определяется адсорбционная емкость подлежащего субстрата и ее влияние на способность материала к адсорбции достаточного объема факторов роста кости;

3. определить объем трансформируемой в сгусток крови, который может разместить на своих доступных поверхностях субстрат носитель, включая поверхности пор и каналов;

4. не проводится повышение адсорбционной емкости ГОКМ путем удаления воздуха из пор и каналов при размещении сгустка крови на субстрате In vitro.

Известен способ оценки взаимосвязи между пористостью и размером пор биоматериалов, используемых для регенерации костей (Karageorgiou V., Kaplan D. Porosity of 3D biomaterial scaffolds and osteogenesis. Journal of Biomaterials.

Published online 7 April 2005 in ScienceDirect(www.sciencedirect.com). DOI: 10.1016/j.biomaterials.2005.02.002). Авторы рассмотрели влияние этих морфологических особенностей на остеогенез in vitro и in vivo. Определили, что In vitro более низкая пористость стимулирует остеогенез, подавляя пролиферацию клеток и вызывая агрегацию клеток. Напротив, in vivo было продемонстрировано, что высокая пористость и размеры пор>300 мкм способствуют прямому остеогенезу как за счет рекрутирования остеобластических клеток, которые стимулируются к миграции в каркас, так и из-за васкуляризации, которая способствует благоприятному образованию новой кости.

Ключевыми недостатками данного метода являются:

1. не проводится повышение адсорбционной емкости ГОКМ путем удаления гидродинамической заслонки, создаваемой воздушными пузырями в порах и каналах, препятствующей их заполнению элементами крови, прорастанию сосудов и остеогенного клеточного пула внутрь трансплантата;

2. не учитывается отношение объем пор/общий объем внутренних пространств в гранулах костнопластических материалов, что не позволяет рассчитать доступную площадь для размещения факторов роста кости в трансплантате;

3. не рассчитывается и не повышается адсорбционная емкость гранулированного костнопластического материала, что не позволяет определить приготовление достаточного объема факторов роста кости, для размещения на остекондуктивном носителе;

4. расчет объема массы культивируемых факторов роста без учета адсорбционной емкости остеокондуктивного носителя приводит к необоснованному повышению затрат материальных и человеческих ресурсов учреждения.

Известен способ определения влияния геометрии гидроксиапатита как клеточного субстрата на образование кости (Q Μ Jin 1, Η Takita, Τ Kohgo, К Atsumi, Η Itoh, Υ Kuboki. Effects of geometry of hydroxyapatite as a cell substratum in BMP-induced ectopic bone formation. Journal of Biomedical materials research. 2000. Dec 15;52(4):491-9). Авторы сравнивали три различных типа пористого гидроксиапатита с размером пор 100-200 мкм в диаметре с точки зрения их способности к индукции остеогенеза при подкожной имплантации рекомбинантного человеческого ВМР-2 крысам и экстракции через 1, 2, 3 и 4 недели. Выявили, что геометрия пор влияет на регенерацию кости: длинные каналы и взаимосвязанные сфероидальные поры способствуют колонизации клеток и прорастанию кости, в то время как изогнутые поры с плохими взаимосвязями на поверхности каркаса (например, поверхностные ямки) препятствуют проникновению клеток-предшественников остеобластов и капиллярной инфильтрации, что позволяет костеобразование только на поверхности каркаса.

Недостатком известного способа является то, что не проводится повышение адсорбционной емкости ГОКМ, не учитывается наличие гидродинамической заслонки, создаваемой воздушными пузырями в порах и каналах, препятствующей их заполнению элементами крови, прорастанию сосудов и остеогенного клеточного пула внутрь трансплантата; не учитывается отношение объем пор/общий объем внутренних пространств в гранулах костнопластических материалов, что не позволяет рассчитать доступную площадь для размещения факторов роста кости в трансплантате; невозможно рассчитать адсорбционную емкость гранулированного костнопластического материала, что не позволяет обеспечить приготовление достаточного объема факторов роста кости, для размещения на остекондуктивном носителе; расчет объема массы культивируемых факторов роста без учета адсорбционной емкости остеокондуктивного носителя приводит к необоснованному повышению затрат материальных и человеческих ресурсов учреждения.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ исследования физико-химической характеристики биоматериалов на минеральной основе, которые часто используются в стоматологии (бычий: BioOss и PepGen; свиной: OsteoBiol и коралловый: Biocoral). Отобранные материалы представлены в виде гранул различного биологического происхождения: крупного рогатого скота, свиньи и коралла (М. Figueiredo, J Henriques, G Martins, F Guerra,F Judas, Η Figueiredo. Physicochemical Characterization of Biomaterials Commonly Used in Dentistry as Bone Substitutes-Comparison with Human Bone. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials, 92 B: 409-419, 2010. In Wiley InterScience (www.interscience.wiley.com). DOI: 10.1002/jbm.b.31529).

Помимо классической рационализации химического состава и кристалличности, основной акцент сделан на измерении различных морфоструктурных свойств, таких как размер частиц, пористость, плотность и удельная поверхность. Отмечено, что эти свойства имеют решающее значение для получения полной интерпретации производительности in vivo. Недостатками известного способа является то, что в данном исследовании отсутствует характеристика естественных загрязнений и воздушных пробок на наружновнутренних поверхностях полостей и каналов, не анализируется их влияние на остеогенные свойства костнопластического материала. Не разработана методика удаления загрязнений и воздуха с наружновнутренних поверхностей полостей и каналов гранул, направленная на определение и повышение адсорбционной емкости трансплантата и улучающая его остеогенные характеристики.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков и создание способа дегазации гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала для повышения его адсорбционной емкости.

Суть способа заключается в выполнении последовательных действий по дегазации ГОКМ, направленных на повышение адсорбционной емкости гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала путем увеличения доступной площади и объема наружновнутренних пространств трансплантата и удаления из каналов и полостей ГОКМ воздушных пузырей и мелкодисперсной фракционной крошки. Для этого ГОКМ подвергают пассивной и активной дегазации.

Суть способа показана на примере ГОКМ CeraBone.

Для повышения показателя адсорбционной емкости ГОКМ проводили удаление из его каналов и полостей воздушных пузырей и мелкодисперсной фракционной крошки, создающих механические препятствия для миграции и адсорбции на поверхности наружновнутренних пространств факторов роста кости. Мелкодисперсная пыль и воздушные пузыри осаждаются на наружновнутренние поверхности полостей и каналов гранул на этапах производства костнопластического материала и тем самым снижают адсорбционную емкость ГОКМ и ухудшают результаты хирургического лечения. Следовательно, перед внесением костнопластического материала в реципиентное ложе необходимо осуществлять действия, направленные на повышение его адсорбционной емкости, то есть дегазацию.

С этой целью предложено удалять из полостей и каналов ГОКМ CeraBone крупнодисперсную крошку, мелкодисперсную пыль и пузыри воздуха разработанным методом дегазации, который включает этапы пассивной и активной дегазации. Задача пассивной дегазации - освободить от крупнодисперсной крошки и воздуха наружные поверхности материала. Задача активной дегазации - освободить от мелкодисперсной пыли и остаточных газов внутренние поверхности каналов, пор и пустот материала.

Пассивную дегазацию осуществляют в физиологическом растворе, так как его осмотическое давление (0,9%) соответствует осмотическому давлению плазмы крови. В термостате температуру физиологического раствора доводили до +37°С, что соответствовало температуре реципиентного ложа и снижало стресс, испытываемый клеточными элементами, расположенными в окружающих трансплантат тканях. В термостате в пробирку помещали ГОКМ и заливали его физиологическим раствором в соотношении 1:2 (на 1 см ГОКМ добавляли 2 мл физиологического раствора).

Опытным путем установлено, что на стадии пассивной дегазации при погружении на 20 минут ГОКМ в физиологический раствор при +37°С из ГОМК происходит выделение пузырей газа и крупнодисперсной фракционной крошки. Через 20 минут после проведения пассивной стадии дегазации отделяли от материала физиологический раствор с помощью пипеточного дозатора и помещали его в эппендорф. Определено, что после пассивной дегазации объем извлеченной жидкости составил 1,62 мл. Разница между первоначальным объемом жидкости и после пассивной дегазации составила 0,38 мл (2 мл - 1,62 мл=0,38 мл).

Далее, приступают к стадии активной дегазации. Для этого фракцию материала заливают раствором лимонной кислоты (рН1) 1,62 мл. при +37°С на 10 минут. Затем, проводят активную дегазацию в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек. Запуск ультразвуковых генераторов производят через 10 минут после нахождения ГОКМ в растворе лимонной кислоты. Возникал эффект кавитации, который инициировал гидроудары на наружновнутренних поверхностях гранул. Неровности этих поверхностей приводили к возникновению интерференции и дифракции волн, в результате чего происходило выделение газов и свободнолежащей мелкодисперсной пыли из гранул материала в омывающую жидкость. Происходил стабильный процесс удаления гидродинамических заслонок за счет объединения мелких воздушных пузырей в крупные с последующим их схлопыванием и выделением из каналов материала в раствор.

По окончании стадии активной дегазации с помощью пипеточного дозатора вновь производили забор жидкости и помещали ее в эппендорф для определения ее остаточного объема, который составил 1,44 мл. Для удаления остатков кислоты фракцию материала погружали в физиологический раствор при температуре +37° С и обрабатывали в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек. Разница между объемами жидкости до и после активной дегазации составила 0,18 мл (1,62 мл - 1,44 мл=0,18 мл). Суммировали результаты разницы объемов жидкости после двух стадий дегазации, сумма составила 0,56 мл (0,38 мл + 0,18 мл=0,56 мл). Далее, приступали к расчету разницы между первоначальным объемом жидкости и окончательным после двух стадий дегазации. Таким образом, после проведения двух стадий дегазации произошло снижение объема жидкости на 0,56 мл (2,0 мл - 1,44 мл=0,56 мл) и повышение его адсорбционной емкости на 0,56 мл или на 28%. Следовательно, адсорбционная емкость гранулированного остеокондуктивного материала CeraBone в результате дегазации составила 0,56 мл и повысилась от первоначальной на 28%.

Опытным путем выявлено, что по значению адсорбционной емкости можно определить адсорбируемый трансплантатом объем факторов роста кости, который материал способен разместить на своих поверхностях. Соответственно, в данном случае, для размещения на подготовленных предлагаемым способом наружновнутренних поверхностях и в свободных пространствах 1 мл гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала CeraBone, достаточно приготовить 0,56 мл ФРК. Таким образом, определяя адсорбционную емкость ГОКМ, получают значение адсорбционной емкости и увеличивают объем свободных пространств материала, доступных для адсорбции ФРК, и, в случае его использования в качестве носителя ФРК, выясняют, какой объем ФРК будет достаточно приготовить для размещения на носителе.

Аналогичным образом выяснена адсорбционная емкость и процент ее повышения для других костнопластических материалов: Maxresorb, BioOSS, Xenograft Collagen, Osteon II, данные для которых приведены в таблице №1. Таблица №1. Показатели адсорбционной емкости, и процент ее повышения у гранулированных костнопластических материалов животного и синтетического происхождения.

Увеличенный таким образом объем наружновнутренних пространств ГОКМ, становится доступным для большей диффузии клеток, тканевой жидкости, плазмы крови и прорастания сосудов, благодаря вытеснению воздушных пузырей, крупнодисперсной крошки и мелкодисперсной пыли. Увеличенный таким образом внутренний объем трансплантата и, соответственно, очищенная площадь его поверхностей, увеличивают диффузию клеток, тканевой жидкости, плазмы крови и прорастание сосудов во внутрь гранул материала и позволяют добиться оппозиционного репаративного остеогенеза.

Способ повышения адсорбционной емкости ГОКМ с помощью вышеописанной методики дегазации является новым по сравнению с описанными аналогами и прототипом, позволяет повысить адсорбционную емкость ГОКМ и достигнуть нового результата: оптимизировать биотрансформацию, размещенного в реципиентном ложе костнопластического материала, в нативную кость, что позволит оптимизировать сроки лечения, избежать послеоперационных осложнений и повторных хирургических вмешательств.

КЛИНИЧЕСКИЙ ПРИМЕР

Для разработки способа дегазации провели исследование ГОКМ разных производителей с однотипными характеристиками, указанными производителем в инструкции использования (BioOSS, CeraBone, Maxresorb, Osteon II, Xenograft Collagen, и зарегистрированными в России для применения (таблица 1). Суть способа изложена на примере ГОКМ CeraBone.

Технический результат способа достигается следующими условиями проведения действий. С целью планирования устранения сложного дефекта кости в программе для ЭВМ по 3D рентгенологическому изображению костей черепа определяются топография, дизайн, состав сегментов и объем сложного дефекта кости в аксиальной, фронтальной и сагиттальной плоскости, проектируются границы реставрации внешних контуров рельефа поверхности дефекта кости и прорисовывается заготовка профильного шаблона наружного рельефа реставрации. Затем проводят расчет объемов сегментов дефекта в границах планируемой реставрации и промер периметра лекала шаблона для изолирующей мембраны. Вестибулярную и аксиальную части лекала объединяют по нижней границе вестибулярной части альвеолярного отростка и получают общий контур раскроя лекала шаблона изолирующей мембраны.

После расчета требуемого объема гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала перед размещением на нем факторов роста кости осуществляли действия, направленные на определение и повышение его адсорбционной емкости, путем удаления из полостей и каналов ГОКМ CeraBone крупнодисперсной крошки, мелкодисперсной пыли и пузырей воздуха за счет дегазации. На этапе пассивной дегазации - освобождали наружные поверхности ГОКМ от крупнодисперсной крошки и воздуха. На этапе активной дегазации - освобождали внутренние поверхности каналов, пор и пустот ГОКМ от мелкодисперсной пыли и остаточных газов.

Пассивную дегазацию осуществляли в физиологическом растворе, так как его осмотическое давление (0,9%) соответствует осмотическому давлению плазмы крови. В термостате температуру физиологического раствора доводили до +37°С, что соответствовало температуре реципиентного ложа и снижало стресс, испытываемый клеточными элементами, расположенными в окружающих трансплантат тканях. В термостате в пробирку помещали ГОКМ и заливали его физиологическим раствором в соотношении 1:2 (на 1 см³ ГОКМ добавляли 2 мл физиологического раствора).

Опытным путем установлено, что на стадии пассивной дегазации при погружении на 20 минут ГОКМ в физиологический раствор при +37°С из ГОМК происходит выделение пузырей газа и крупнодисперсной фракционной крошки. Через 20 минут после проведения пассивной стадии дегазации отделяли от материала физиологический раствор с помощью пипеточного дозатора и помещали его в эппендорф. Выявили, что после пассивной дегазации объем извлеченной жидкости составил 1,62 мл. Разница между первоначальным объемом жидкости и после пассивной дегазации составила 0,38 мл (2 мл - 1,62 мл=0,38 мл), то есть адсорбционная емкость материала увеличилась на 19% (0, 38:2,0=0, 19).

Далее, приступали к стадии активной дегазации. Для этого фракцию материала заливали раствором лимонной кислоты (рН1) 1,62 мл. при +37°С на 10 минут. Затем, проводили активную дегазацию в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек. Запуск ультразвуковых генераторов производили через 10 минут после нахождения ГОКМ в растворе лимонной кислоты. Возникал эффект кавитации, который инициировал гидроудары на наружновнутренних поверхностях гранул. Неровности этих поверхностей приводили к возникновению интерференции и дифракции волн, в результате чего происходило выделение газов и свободнолежащей мелкодисперсной пыли из гранул материала в омывающую жидкость. Происходил стабильный процессобъединения мелких воздушных пузырей в крупные с последующим их схлопыванием и выделением из каналов материала в раствор.

По окончании стадии активной дегазации с помощью пипеточного дозатора вновь производили забор жидкости и помещали ее в эппендорф для определения ее остаточного объема, который составил 1,44 мл. Для удаления остатков кислоты фракцию материала погружали в физиологический раствор при температуре +37 градусов С и озвучивали в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек. Разница между объемами жидкости до и после активной дегазации составила 0,18 мл (1,62 мл - 1,44 мл=0,18 мл), то есть адсорбционная емкость материала увеличилась на 9% (0, 18:2,0=0, 09).

Суммировали результаты разницы объемов жидкости после двух стадий дегазации, сумма составила 0,56 мл (0,38 мл + 0,18 мл=0,56 мл), то есть адсорбционная емкость ГОКМ увеличилась на 28% (19%+9%=28%). Далее, приступали к расчету разницы между первоначальным объемом жидкости и окончательным после двух стадий дегазации. Таким образом, после проведения двух стадий дегазации произошло снижение объема жидкости на 0,56 мл (2,0 мл - 1,44 мл=0,56 мл) и повышение его адсорбционной емкости на 0,56 мл. Следовательно, адсорбционная емкость гранулированного остеокондуктивного материала CeraBone составляет 0,56 мл.

Опытным путем выявлено, что по значению адсорбционной емкости можно определить адсорбируемый трансплантатом объем факторов роста кости, который материал способен разместить на своих поверхностях. Соответственно, в данном случае, для размещения на подготовленных нашим способом наружновнутренних поверхностях и в свободных пространствах 1 мл гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала CeraBone, достаточно приготовить 0,56 мл ФРК. Таким образом, определяя адсорбционную емкость ГОКМ получают значение адсорбционной емкости, доступной для адсорбции ФРК, и, в случае его использования в качестве носителя ФРК, выясняем какой объем ФРК будет достаточно приготовить для размещения на носителе.

Изобретение позволяет за счет предлагаемого способа дегазации повысить адсорбционную емкость исходного ГОКМ и точно определить требуемый объем ФРК.

Способ дегазации гранулированного остеокондуктивного костнопластического материала (ГОКМ), включающий удаление из его каналов и полостей воздушных пузырей и пыли, отличающийся тем, что пыль и пузыри воздуха удаляют методом дегазации, который включает этапы пассивной и активной дегазации, причем пассивную дегазацию осуществляют в физиологическом растворе, в термостате температуру физиологического раствора доводят до +37°С, в термостат в пробирку помещают ГОКМ и заливают его физиологическим раствором в соотношении 1:2, то есть на 1 см ГОКМ добавляют 2 мл физиологического раствора, и держат 20 минут ГОКМ в термостате, через 20 минут после проведения пассивной стадии дегазации отделяют от ГОКМ физиологический раствор с помощью пипеточного дозатора, далее проводят стадию активной дегазации, для этого фракцию материала заливают раствором лимонной кислоты с рН1 при +37°С на 10 минут, затем проводят ультразвуковую обработку в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек, запуск ультразвуковых генераторов производят через 10 минут после нахождения ГОКМ в растворе лимонной кислоты, создают эффект кавитации, после чего фракцию материала погружают в физиологический раствор при температуре +37°С и повторно обрабатывают в ультразвуковой ванне УЗУ - 0,25 с частотой 18 кГц, мощностью 250 Вт и временем экспонирования 60 сек.