Нанодисперсный керамический биодеградируемый материал для замещения дефектов костной ткани челюстей Российский патент 2024 года по МПК A61K6/75 A61K33/244 B82B1/00 B82Y5/00 

Изобретение относится к медицине, а именно к стоматологии, и может быть использовано в хирургии при восстановлении костно-пластических дефектов костной ткани челюстей при дентальной имплантации, а также в реконструктивной хирургии пародонта.

Дефекты костной ткани могут возникать после стоматологических оперативных вмешательств и их осложнений, а также в результате хронических деструктивных процессов.

Актуальной проблемой современной медицины является регенерация костной ткани при ее патологической деструкции. Решение такой задачи связано с созданием оптимальных условий для повышения восстановительного потенциала очага поражения.

Для восстановления костной ткани используют аутогенные, ксеногенные, а также синтетические остеопластические биодеградируемые материалы, способствующие стимуляции репаративного остеогенеза и другие материалы.

Недостатком аутогенных материалов является ограниченность объема материала, нанесение дополнительных травм пациенту и в некоторых случаях высокая скорость резорбции.

Недостаток ксеногенных материалов определяется необходимостью тщательной обработки исходного сырья специальными растворителями, термообжигом или низкотемпературной заморозкой для предотвращения иммунологических реакций.

Преимуществом синтетических остеопластических материалов является низкая системная токсичность и гипоаллергенность, так как в таких материалах не содержится белковых фракций. Кроме этого, важным достоинством синтетических остеопластических материалов является возможность моделирования композиции по форме костного дефекта, а также возможность использования различных компонентов, встраиваемых в структуру кристаллической решетки материала, способствующих усилению стимулирующих эффектов для замещения морфологически идентичной тканью костного дефекта. Оптимальным материалом близким по своей структуре к костной ткани является гидроксиапатит.

Оптимизация процессов репаративной регенерации костной ткани в челюстно-лицевой области имеет ключевое значение, и актуальным остается поиск новых материалов, способствующих созданию наиболее оптимальных условий для формирования костной ткани после оперативных вмешательств в области челюсти.

Диоксид церия является уникальным неорганическим материалом, проявляющим высокую степень кислородной нестехиометрии (наличие вакансий в кислородной подрешетке) в нанодисперсном состоянии [1]. В свою очередь, изменение кислородной нестехиометрии и частичное восстановление церия в поверхностном слое влечет за собой изменение электронных и электрофизических свойств нанодисперсного диоксида церия [2]. Указанный эффект обусловливает уникальную биологическую активность этого материала. Перспективы и особенности его применения определяются двумя основными факторами: низкой токсичностью и высокой кислородной нестехиометрией. Первый фактор обеспечивает сравнительную безопасность применения наночастиц диоксида церия in vivo. Второй обусловливает активность нанодисперсного диоксида церия в окислительно-восстановительных процессах в живой клетке, особенно при инактивировании активных форм кислорода [3].

По результатам проведенного информационного поиска были отобраны для последующего анализа следующие патенты.

Известен способ получения биодеградируемого материала, содержащего фосфаты кальция и натрия, в том числе ренанита NaCaPO₄, или в SiO₂-CaO-Na₂O-P₂O₅-F-K₂O (патент США №7074730). Недостатком способа является необходимость получения расплава при высокой (до 1650°С) температуре.

Известен способ получения биорезорбируемого материала с использованием СВЧ-излучения включает в себя следующие стадии: приготовление и перемешивание смеси гидроксида кальция и концентрированного 60-80%-ного раствора фосфорной кислоты, с последующим воздействием СВЧ-излучения в течение 20 мин при периодическом перемешивании реакционной смеси и прокаливанием при 600 °С в течение 3 ч. Дополнительному СВЧ-воздействию подвергают смесь реагентов с оптимально подобранным количеством воды, которое поддерживает необходимое рН среды при синтезе, а также тем, что СВЧ-нагрев осуществляют в течение 20 мин мощностью 450-700 Вт (патент РФ № 2596739). Недостатком известного способа является то, что все образцы кроме фазы гидроксиапатита Са₅(PO₄)₃ОН содержат примесные фазы кислого пирофосфата кальция и гидрофосфата кальция, а также СВЧ-нагрев осуществляется в результате микроволнового воздействия мощностью 450-700 Вт.

Известен способ получения тонкодисперсного однофазного гидроксиапатита кальция из малорастворимого соединения кальция - дигидрофосфата кальция, предварительно синтезированного из карбоната или гидроксида кальция и раствора фосфорной кислоты. Однако интервал для соотношения Са/Р, заданный в способе (1:0,4-0,7), не обеспечит сохранение стехиометрического гидроксиапатита кальция при высокотемпературной обработке, что важно при использования такого порошка для получения керамических материалов (патент РФ № 2147290).

Известен способ получения керамического биодеградируемого материала на основе фосфатов кальция и натрия, включающий синтез порошка взаимодействием водных растворов соли кальция и гидрофосфата натрия, формование и обжиг, отличающийся тем, что в качестве соли кальция используют ацетат кальция, при этом мольное соотношение Са/Р для исходных растворов лежит в интервале 0,8-1,3, после сушки порошок представляет собой смесь ацетата натрия и карбонат гидроксиапатита (КГАП), которые после обжига при нагревании 900-1200 °С в течение 2-6 ч образуют материал, фазовый состав которого представлен трикальций фосфатом (ТКФ) и ренанитом (NaCaPO₄), (патент РФ № 2372891).

Известен биосовместимый костнозамещающий материал, имеющий сквозные поры 0,7-100 мкм и общую пористость 50-85%, на основе реакционно-твердеющей смеси порошков биологического гидроксиапатита с размерами частиц не более 40 мкм и фосфата магния с размером частиц не более 40 мкм, содержащей 2-амино-5-гуанидиновалериановую кислоту, и затворяющей жидкости, содержащей раствор хитозана в янтарной кислоте и водный раствор альгината натрия, и отверждаемый непосредственно перед применением с помощью отвердителя хлорида кальция, (патент РФ № 2494721).

Перечисленные выше способы и материалы обладают рядом недостатков:

- материалы не обеспечивают стабильности физико-химических условий в области раны, что делает возможным резкие изменения скорости и направления течения процессов резорбции и регенерации;

- не обеспечивают выраженного остеогенетического эффекта на ранних стадиях регенерации костной ткани;

- не содержат дополнительных компонентов, обладающих выраженным стимулирующим регенераторным эффектом на костную ткань и воздействующих на регенеративные процессы с целью получения морфологически идентичной костной ткани в различных участках, а также, обладающих направленным морфогенетическим регенераторным воздействием.

В связи с вышеизложенным, наиболее перспективными являются изоморфные стехиометрические материалы на основе гидроксиапатита с замещением различных групп в составе молекул и включением различных ионов, усиливающих эффект регенерации и направляющих его в необходимом направлении, в состав кристаллической решетки.

Задачей предлагаемого технического решения является

разработка нового материала для:

- направленной морфогенетической стимуляции регенерации костной ткани;

- ускоренного восстановления целостности, структуры и функциональных свойств костной ткани;

- заполнения пустот и отверстий разной этиологии в живой кости для поддержания костного объема;

- создания и стабилизации в области костной раны физико-химических условий для интенсивной регенерации;

- предупреждение воспалительных процессов в участке регенерации кости.

Техническим результатом, на достижение которого направлено данное изобретение, является использование биокомпозиции состоящей из нанодисперсного диоксида церия: ацетата кальция: гидроортофосфата кальция соответственно равном 1: 1,8: 3,2, достигающейся в процессе синтеза материала за счет спекания в вакууме при высокой температуре с образованием кальций-фосфатных композитных керамических блоков, фазовый состав которых представлен смесью гидроксиапатита и диоксида церия.

Получение технического результата достигается за счет использования нанодисперсного керамического биодеградируемого материала для замещения дефектов костной ткани челюстно-лицевой области, легко модифицируемые с помощью обычного скальпеля под структуру дефекта, являющийся композитом, получаемым в виде композитных керамических блоков из гидроортофосфата кальция, ацетата кальция и нанодисперсного диоксида церия CeO₂, достигающихся в процессе синтеза материала за счет спекания в формовочной кювете размером 20×10×10 при температуре 1100 °С с образованием кальций-фосфатной керамики, при объемном соотношении гидроортофосфата кальция: ацетата кальция: диоксида церия соответственно равном 3,2:1,8:1.

Высокую активность, связанную со стимуляцией остеогенеза в исследованиях in vitro и in vivo показал нанодисперсный диоксид церия. Введение его в состав биокомпозиции для замещения дефектов костной ткани позволит ускорить регенерацию и стимулировать ремоделирование костной ткани за счет стимуляции дифференцировки остеобластов.

Получение конструкции

Для получения биоконструкции использовали ацетат кальция, гидроортофосфат кальция, а также нанодисперсный диоксид церия СеО₂.

В процессе получения смеси порошков (композиции) осуществлялось поддержание рН раствора на уровне 7,6, что гарантирует протекание синтеза порошка. Порошки смешивали в центрифуге ЦЛУ 6-3 со скоростью 1200 об/мин в течение 10 мин при температуре 50 °С с добавлением воды. Полученный раствор нагревали до 160 °С для отделения оксида кальция и ацетона. Затем проводили фильтрование в установке для фильтрования с вакуумным насосом, после этого проводили сушку полученного порошка в сушильном шкафу ШС-10-02 с принудительной конвекцией при температуре 60 °С в течение 2 часов. Таким образом, после сушки получена смесь порошков ацетата кальция, гидроортофосфата кальция и нанодисперсного диоксида церия CeO₂.

Полученный порошок формовали в формовочные кюветы прямоугольной формы размерами 20×10×10, используемые для обжига при высоких температурах. Проводили спекание кальций-фосфатной керамики в течение 3,5 часов при температуре 1100 °С. Таким образом, после проведения смешивания, фильтрования, сушки и обжига получали биодеградируемые, легко модифицируемые с помощью обычного скальпеля под структуру дефекта, керамические блоки, фазовый состав которых представлен смесью гидроксиапатита и диоксида церия.

Наличие диоксида церия в композиции обеспечивает улучшенную пролиферацию клеток, обеспечивает антибактериальный и противовирусный эффект и способствует значительному улучшению терапевтического эффекта от использования композиции (табл. 1).

Морфологические испытания

Исследование нового материала проводили in vivo на кроликах породы «Советская шиншилла». Исследование проводили в соответствии с руководством ARRIVE (Animal Research: Reporting of In VivoExperiments) и правилами работы с животными на основе положений Хельсинкской декларации. Под общим наркозом путем введения Ксилазина (4-6 мг/кг) внутримышечно и Золетила-100 (5-10 мг/кг), для обеспечения анальгезии и релаксации в течение 30-40 мин, проводили разрез мягких тканей вдоль нижнего края тела нижней челюсти длиной до 2 см, затем проводили препарирование отверстия в костной ткани челюсти диаметром 4-5 мм и глубиной около 4 мм с использованием бора соответствующего диаметра и охлаждения физиологическим раствором. В соответствии с дизайном исследования у животных проводили препарирование челюстных костей с двух сторон челюсти. Слева (сторона эксперимента) в сформированный костный дефект укладывали новую биокомпозицию, справа (сторона сравнения) дефект заполняли гранулами ксеногенного остеопластического материала.

На 14 и 21 сутки после проведения оперативного вмешательства проводили морфологические исследования. Результаты показали, что в области оперативного вмешательства с внесением в полость дефекта, гранулированного остеопластического ксеногенного материала, наблюдается сформированная компактная костная ткань, по строению соответствующая кортикальной пластинке (фиг. 1). В то же время со стороны дефекта заполненного новой биокомпозицией, наблюдаются участки губчатого строения, с разрастаниями соединительной ткани между костными балками, которые местами окружены остеокластами, т.е. все компоненты костной ткани, морфогенетически соответствующие нативной кости (фиг. 2). Кроме этого, с помощью морфометрического исследования было подтверждено влияние новой биоинженерной конструкции на ускорение регенерации и стимулирование ремоделирования костной ткани за счет стимуляции дифференцировки остеобластов. Проводили количественную оценку остеобластов в зоне образования регенерата. Для этого проводили подсчет количества остеобластов в поле зрения микроскопа, вычисляли среднее количество по результатам всех наблюдений с относительным среднеквадратическим отклонением (М±σ). Были получены следующие результаты - в группе с применением гранулированного остеопластического ксеногенного материала на 14 сутки получены следующие значения - 12,5±1,86, в группе с применением новой биокомпозиции 18,9±3,52; на 21 сутки наблюдения - 12,8±1,73 и 21,3±3,21 соответственно при статистически достоверной разнице (табл. 2).

Заданное по настоящему изобретению количественное содержание диоксида церия оптимально по условиям блокирования свободных радикалов, пероксидов, образующихся при окислительных процессах в ранах. При уменьшении содержания данного компонента в составе снижается его активность по отношению к свободным радикалам, пероксидам. Повышение количественного содержания данного компонента в составе увеличивает затратную часть на ее изготовление.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют о положительном влиянии разработанного материала на стимуляцию репаративного остеогенеза при проведении хирургических вмешательств на челюстях, превышающем аналогичный эффект у аналога.

Как показали результаты экспериментального исследования, разработанный материал для регенерации костной ткани отличается от аналогов высокими противовоспалительными, антисептическими, репаративными свойствами, позволяющими надежно купировать воспаление и стимулировать оптимизацию репаративных процессов в костной ткани.

Предлагаемую композицию легко изготовить без существенных материальных затрат.

Использование предлагаемой композиции для стимулирования морфогенетической регенерации дефектов костной ткани челюстей позволит существенно сократить сроки лечения, обеспечить надежность результатов на качественно новом уровне и может быть применен в практической медицине.

Заявляемое техническое решение может быть промышленно реализовано при использовании известных технологических процессов, оборудования и материалов.

Список источников литературы

1. Лукина Г.И. Возможности использования нанокристаллического СеО₂ при дефектах костной ткани Г.И. Лукина, А.В. Лукин, А.Е. Баранчиков, А.В. Волков, А.А. Прокопов, А.С. Алиханян, В.К. Иванов, О.В. Цымбалов // Медицинский вестник Северного Кавказа. 2018. Т. 13. №4. С. 641-645.

2. Кузнецова С.А., Халипова О.С., Козик В.В. Пленки на основе диоксида церия: получение, свойства, применение. - Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2016. - 200 с.

3. Щербаков А.Б. Нанокристаллический диоксид церия - перспективный материал для биомедицинского применения А.Б. Щербаков, В.К. Иванов, Н.М. Жолобак, О.С. Иванова, Е.Ю. Крысанов, А.Е. Баранчиков, Н.Я. Спивак, Ю.Д. Третьяков // Биофизика. 2011. Т. 56. №6. С. 995-1015.

Изобретение относится к области медицины, а именно к нанодисперсному керамическому биодеградируемому материалу для замещения дефектов костной ткани челюстно-лицевой области, являющемуся композитом, получаемым в виде композитных керамических блоков из гидроортофосфата кальция, ацетата кальция и нанодисперсного диоксида церия СеО₂, достигающихся в процессе синтеза материала за счет спекания в формовочной кювете размером 20×10×10 при температуре 1100°C с образованием кальций-фосфатной керамики, при объемном соотношении гидроортофосфата кальция : ацетата кальция : диоксида церия, соответственно равном 3,2 : 1,8 : 1. Технический результат заключается в использовании материала для замещения дефектов костной ткани челюстно-лицевой области. 2 ил., 2 табл., 1 пр.

Нанодисперсный керамический биодеградируемый материал для замещения дефектов костной ткани челюстно-лицевой области, легко модифицируемый с помощью обычного скальпеля под структуру дефекта, являющийся композитом, получаемым в виде композитных керамических блоков из гидроортофосфата кальция, ацетата кальция и нанодисперсного диоксида церия СеО₂, достигающихся в процессе синтеза материала за счет спекания в формовочной кювете размером 20×10×10 при температуре 1100°C с образованием кальций-фосфатной керамики, при объемном соотношении гидроортофосфата кальция : ацетата кальция : диоксида церия, соответственно равном 3,2 : 1,8 : 1.