Композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов

Композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.

Кальцийфосфатные костные цементы (КФЦ) получили значительное развитие в последние несколько лет благодаря превосходной биосовместимости и биоактивности, а также удобству использования в виде инжектируемых паст, легко заполняющих костные дефекты практически любой сложной формы. Цементные материалы на основе α-трикальцийфосфата (α-ТКФ) обладают биоктивными и биосоместимыми свойствами.

В работе (Loreley Morejo n-Alonso, Oscar Jacinto Bareiro Ferreira, Raurl Garcia Carrodeguas, Luis Alberto dos Santos Bioactive composite bone cement based on a-tricalcium phosphate/tricalcium silicate J Biomed Mater Res Part В 2012:100B:94-102) цементные материалы получали при смешение реакционно-твердеющего порошка (РТП) α-ТКФ с цементной жидкостью, содержащей фосфаты натрия. В результате после схватывания получали цемент на основе осажденного гидроксиапатита (ОГА). Недостатком данного цемента является низкая прочность.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются цементные материалы на основе РТП α-ТКФ K. Takahashi, Y. Fujishiro, S. Yin, Т. Sato ФГА Preparation and compressive strength of a-tricalcium phosphate based cement dispersed with ceramic particles Ceramics International 30 (2004) 199-203, содержащие керамические частицы оксидов циркония, кремния или алюминия. Получали цемент при смешении порошка α-ТКФ с водой до жидкой суспензии с последующим добавлением керамических частиц. После схватывания и твердения формировался композит состава: матрица из гидроксиапатита или дефицитного гидроксиапатита и распределенной в матрице частицами керамики. Основным недостатком данных материалов является низкая прочность. К недостаткам также можно отнести наличие керамических частиц - диоксида циркония, оксида алюминия или оксида кремния, присутствие которых снижает биоактивность композиционного материала, т.к. данные фазы являются биологически чужеродными (инородными) для организма человека.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности кальцийфосфатного цементного материала.

Технический результат достигается тем, что композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов на основе реакционно-твердеющего порошка, содержащего α-трикальцийфосфат и цементной жидкости, содержащей воду, согласно изобритению реакционно-твердеющий порошок дополнительно содержит частицы гидроксиапатита размером от 50 до 220 мкм, а цементная жидкость дополнительно содержит фосфорную кислоту, фосфат магния, фосфат натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов в кальцийфосфатном цементе:

в реакционно-твердеющей смеси порошков, % мас.:

Частицы гидроксиапатита размером 38-220 мкм - 5-50

Порошок α-трикальцийфосфата - 50-95

при следующем соотношении компонентов в цементной жидкости, % мас.:

Фосфат магния - 30-60

Фосфат натрия и/или калия - 3,5-25

Фосфорная кислота - 0,5-3,0

Вода - остальное,

а количество цементной жидкости (мл) к количеству реакционно-твердеющей порошковой смеси (г) находиться в пределах 0,45-0,75.

Цемент, состоящий из реакционно-твердеющего порошка (РТП): α-ТКФ и керамических частиц гидроксиапатита ГА и ЦЖ на основе фосфорной кислоты, фосфатов магния, натрия и калия, не известен.

После смешения ЦЖ и РТП начинается реакция между компонентами, при этом происходит частичное растворение РТП с образованием новых фаз - гидроксиапатита, осажденного гидроксиапатита и кальций дефицитного гидроксиапатита в различном соотношении. В процессе схватывания и твердения формируется структура, состоящая из кристаллов вновь образовавшихся фаз, покрывающих прочные керамические частицы гидроксиапатита, что способствует повышению прочности цементного материала. Введение в РТП керамических частиц менее 5% мас., а также использование размером менее 38 мкм не приводит к повышению прочности. При введение частиц керамических гидроксиапатита более 70% мас., а так же размером более 220 мкм прочность цементов начинает резко снижаться. В случае использования цементной жидкости в количестве, меньшем нижнего предела (ЦЖ (мл) / РТП (г) <0,45 мл/г), или использованию высококонцентрированных растворов ЦЖ с содержанием фосфата магния более 60% мас., и суммарного содержания фосфата калия и натрия более 25%, получаемая смесь имеет высокую вязкость, что приводит к образованию многочисленных трещин при формовании изделия необходимой конфигурации. При применении ЦЖ в количестве выше верхнего предела (ЦЖ (мл) / ЦТП (г) >0,75) и разбавленных ЦЖ с большим содержанием воды, более 70% мас., содержанием фосфата магния менее 30% мас. смесь получается слишком жидкой, что не позволяет формовать изделия ввиду растекания смеси. Кроме того, значительно увеличивается время схватывания, что приводит к снижению прочности, особенно в первые минуты твердения. При введении суммарного содержания фосфата калия и натрия менее 3,5% мас., повышается пористость образцов, что приводит к резкому падению прочности. При выходе за пределы содержания в ЦЖ фосфорной кислоты - 0,5-3,0 мас.% получаемый цементный материал имеет низкую прочность.

Пример 1. Получение образца №1. Порошок РТП, содержащий 0,5 г керамических частиц ГА размером 56-82 мкм и порошка 0,5 г α-ТКФ, смешивают с 0,25 мл ЦЖ (50% мас, фосфата магния и 5% мас, фосфата калия, 5% мас, фосфата натрия, фосфорной кислоты 1% мас., остальное - вода). Смешение проводят в течение 1-2 минут металлическим шпателем на стекле до сметаноподобного состояния, после чего смесь помещают в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8 мм. По истечении 15-20 минут отформованный образец вынимают и помещают в термостат при температуре 37°С в раствор SBF (Simulated Body Fluid), соответствующем плазме крови человека. Через 24 часа отвержденный образец имеет прочность на сжатие 90 МПа.

Аналогично были изготовлены образцы, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Таблица 1
Состав и свойства цементных материалов
	3Ж, мл / Порошок РПС, г	Размер керамических частиц гидроксиапатита	Соотношение компонентов в РТП, % мас.	Состав ЦЖ, % мас.	Время схватывания (37°С, 100% относительная влажность), мин	Прочность на сжатие, МПа1
			ГА	α-ТКФ	Фосфат магния	Фосфат натрия и/или калия	Фосфорная кислота	Вода
1	0,5	56-82	50	50	50	10	0,5	39,5	6-8	90
2	0,75	156-220	70	30	60	3,5	1,5	35	4-6	45
3	0,45	38-56	5	95	30	25	3	52	4-5	48
4	0,5	300	80	20	-	30	-	70	35	5
9 (прототип)	0,3		-	100	-	-	-	100	3	42
11	0,5	1-5	50	50	50	10	10	39	6-8-	42
12	0,85	56-82	10	90	10	40	0	50	Более 20	5
13	0,15	-	-	100	0	40	60	0	Более 60	Образец разрушился

Композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента для заполнения костных дефектов на основе реакционно-твердеющего порошка, содержащего α-трикальцийфосфат, и цементной жидкости, содержащей воду, отличающийся тем, что реакционно-твердеющий порошок дополнительно содержит частицы гидроксиапатита размером от 50 до 220 мкм, а цементная жидкость дополнительно содержит фосфорную кислоту, фосфат магния, фосфат натрия и/или калия при следующем соотношении компонентов в кальцийфосфатном цементе:в реакционно-твердеющей смеси порошков, мас.%:

Частицы гидроксиапатита размером 50-220 мкм	5-50
Порошок α-трикальцийфосфата	50-95

при следующем соотношении компонентов в цементной жидкости, мас.%:

Фосфат магния	30-60
Фосфат натрия и/или калия	3,5-25
Фосфорная кислота	0,5-3,0
Вода	Остальное,

а количество цементной жидкости (мл) к количеству реакционно-твердеющей порошковой смеси (г) находится в пределах 0,45-0,75.