PL178712B1

PL178712B1 - Method of obtaining a material suitable for filling bone tissue voids

Info

Publication number: PL178712B1
Application number: PL96313754A
Authority: PL
Inventors: Stanisław Błażewicz; Jan Chłopek; Anna Stoch
Original assignee: Akad Gorniczo Hutnicza
Priority date: 1996-04-11
Filing date: 1996-04-11
Publication date: 2000-06-30
Also published as: PL313754A1

Abstract

1. Sposób otrzymywania materiału na ubytki tkanki kostnej, z materiału węglowego, znamienny tym, że włókniste podłoże węglowe uprzednio nagrzane do temperatury 950-1100°C pokrywa się warstwąpirowęglową w atmosferze gazu obojętnego zawierającego metan, przy czym stosunek molowy gazu obojętnego do metanu wynosi od 2:1 do 5:1, a następnie podłoże poddaje się procesowi elektroinfiltracji związkami wapnia i fosforu poprzez zanurzenie go w alkoholowej zawiesinie cząstek fosforanu wapniowego, apo wyjęciu suszy się.The method of obtaining a material for bone defects from carbon material, characterized in that the carbon fiber substrate, previously heated to the temperature of 950-1100 ° C, is covered with a carbon layer in an atmosphere of an inert gas containing methane, the molar ratio of inert gas to methane being from 2: 1 to 5: 1, and then the substrate is electro-infiltrated with calcium and phosphorus compounds by immersing it in an alcoholic suspension of calcium phosphate particles, and then dried.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania materiału na ubytki tkanki kostnej.The subject of the invention is a method of obtaining material for bone tissue defects.

Najczęściej stosowanym sposobem uzupełniania ubytku kostnego jest autoprzeszczep. Jednak pobranie autoprzeszczepu wiąże się często z koniecznościądodatkowego okaleczenia pacjenta w miejscu pobrania przeszczepu, utratąwłasnej krwi, przedłużeniem czasu operacji, a także zwiększeniem narażenia na infekcję i inne powikłania pooperacyjne. Innym sposobem realizacj i uzupełniania ubytków kostnych są alloprzeszczepy, przy czym wysoka cena ich pobierania, przygotowania i przechowywania jest przyczyną, że metoda ta jest mało popularna. W wielu przypadkach dochodzi do reakcji immunologicznej i odrzucania przeszczepu, a także istnieje niebezpieczeństwo różnych zakażeń. W tej sytuacji coraz większego znaczenia nabierają biomateriały, którymi są; cement kostny, kształtki metalowe, ceramiczne i niektóre tworzywa organiczne.The most frequently used method of bone loss supplementation is autograft. However, the collection of an autograft is often associated with additional injury to the patient at the site of the graft collection, loss of own blood, prolonged operation time, as well as increased exposure to infection and other postoperative complications. Allografts are another method of implementing and supplementing bone defects, and the high cost of their collection, preparation and storage is the reason why this method is not very popular. In many cases, there is an immune reaction and transplant rejection, and there is also the danger of various infections. In this situation, the biomaterials they are are gaining in importance; bone cement, metal, ceramic and some organic materials.

Znany z polskiego opisu patentowego nr 138 450 sposób wytwarzania materiału na ubytki kości czaszki polega na tym, że co najmniej dwa krążki o tej samej średnicy wycięte z płaskiej dzianiny o splocie lewoprawym, wykonanej z przędzy polipropylenowej i poliestrowej, zszywa się po nałożeniu ich na siebie prawymi stronami do wewnątrz i poddaje obróbce wykończalniczej. Następnie nakłada się krążki na wypukłą stronę metalowej formy i poddaje obróbce termicznej w temperaturze 170-195°C, w czasie zapewniającym spojenie się przędz, po czym kształtki na formach zanurza się w wodzie destylowanej w celu utwardzenia.The method of producing a material for skull bone defects, known from Polish patent specification No. 138 450, consists in the fact that at least two discs of the same diameter cut out of a flat knitted fabric with a left-right weave, made of polypropylene and polyester yarn, are sewn together after putting them on top of each other. right sides inwards and finish. The disks are then placed on the convex side of the metal mold and subjected to a heat treatment at 170-195 ° C while allowing the yarns to be bonded, and the moldings on the molds are immersed in distilled water to harden.

Ponadto znany jest z polskiego opisu patentowego nr 140 173 sposób wytwarzania implantów chirurgicznych, który polega na tym, że kompozycje włókien szklanych i/lub mineralnych i/lub węglowych i/lub metalicznych i/lub organicznych układa się na przemian z mikrokapilarami szklanymi, poddaje formowaniu przez współspiekanie, korzystnie pod ciśnieniem. Następnie przez mechaniczne szlifowanie na docelowej powierzchni styku implantu z żywą tkanką otwiera się mikrokapilary szklane i nadaje finalny kształt, po czym zakończenie tak otrzymanych implan178 712 tów, przeznaczone do współpracy z główką stawową, korzystnie poddaje się ciśnieniowemu nasyceniu polietylenem lub polimetakrylanem metylu w znany sposób. Sposób polega również na tym, że włókna układa się na przemian z mikrokapilarami szklanymi, a do stref interwłóknistych i interkapilarnych wprowadza się materiał w postaci proszku, tworzący wiążącą spoinę wypełniającą - szklaną, ceramiczną lub z organicznej substancji wielkocząsteczkowej, następnie poddaje się formowaniu na zimno, korzystnie pod ciśnieniem oraz utwardza się detal przez polimeryzację lub spiekanie, po czym przez mechaniczne szlifowanie na docelowej powierzchni styku implantu z żywątkanką otwiera się mikrokapilary szklane i nadaje finalny kształt, następnie zakończenia tak otrzymanych implantów, przeznaczone do współpracy z główką stawową korzystnie poddaje się ciśnieniowemu nasyceniu polietylenem lub polimetakrylanem w znany sposób.Moreover, there is known from the Polish patent specification No. 140 173 a method for the production of surgical implants, which consists in the composition of glass and / or mineral and / or carbon and / or metallic and / or organic fibers alternately with glass microcapillaries, by co-sintering, preferably under pressure. Then, by mechanical grinding on the target contact surface of the implant with living tissue, the glass microcapillaries are opened and the final shape is given, after which the end of the implants thus obtained, intended for cooperation with the articular head, is preferably pressurized with polyethylene or polymethyl methacrylate in a known manner. The method also consists in arranging the fibers alternately with glass microcapillaries, and a powder material is introduced into the interfibrous and intercapillary zones, forming a binding filling joint - glass, ceramic or organic macromolecular substance, then cold forming, preferably under pressure and the detail is hardened by polymerization or sintering, then by mechanical grinding on the target contact surface of the implant with the resin, the glass microcapillaries are opened and the final shape is given, then the ends of the implants so obtained, intended for cooperation with the joint head, are preferably pressurized polyethylene or polymethacrylate in a known manner.

Znany jest także z polskiego opisu patentowego nr 140 343 element chirurgiczny do łączenia uszkodzonych kości, który ma postać płytki składającej się z warstw włókien tworzywa sztucznego nasyconego żywica chemo- lub termoutwardzalną. Warstwa składa się z ciągłych pasm włókien, korzystnie węglowych tak ułożonych, że włóknaj ednego pasma pokrywaj ą włókna następnego pasma tworząc splot płaski, w węzłach którego to splotu włókna jednego pasma krzyżują się pod kątem z włóknami pozostałych pasm. Natomiast w węzłach między rozsuniętymi pasmami znajdują się otwory mocujące.Also known from Polish patent description No. 140 343 is a surgical element for joining damaged bones, which is in the form of a plate consisting of layers of plastic fibers saturated with a chemically or thermosetting resin. The layer consists of continuous strands of fibers, preferably carbon, arranged in such a way that the fibers of one strand cover the fibers of the next strand to form a flat weave, at the knots of which the fibers of one strand cross at an angle with the fibers of the remaining strands. On the other hand, there are fastening holes in the nodes between the spaced strands.

Sposób otrzymywania materiału na ubytki tkanki kostnej, według wynalazku, polega na tym, że włókniste podłoże węglowe uprzednio nagrzane do temperatury 950-1100°C pokrywa się warstwąpirowęglową w atmosferze gazu obojętnego zawierającego metan, przy czym stosunek molowy gazu obojętnego do metanu wynosi od 2:1 do 5:1. Następnie podłoże poddaje się procesowi elektroinfiltracji związkami wapnia i fosforu poprzez zanurzenie go w alkoholowej zawiesinie cząstek fosforanu wapniowego, a po wyjęciu suszy się.The method of obtaining material for bone tissue defects, according to the invention, consists in that a carbon fibrous substrate, previously heated to a temperature of 950-1100 ° C, is covered with a carbon layer in an atmosphere of an inert gas containing methane, the molar ratio of inert gas to methane being 2: 1 to 5: 1. Then, the substrate is electro-infiltrated with calcium and phosphorus compounds by immersing it in an alcoholic suspension of calcium phosphate particles, and after taking it out, it is dried.

Jako podłoże węglowe stosuje się włókniste formy węgla biozgodnego w postaci włókien ciągłych, tkanin, włókien krótkich lub włókien w postaci waty.The carbon substrate used is fibrous forms of biocompatible carbon in the form of filaments, woven fabrics, short fibers or cotton wool fibers.

Sposób według wynalazku polega również na tym, że włókniste podłoże węglowe z naniesioną warstwąpirowęglową poddaje się procesowi chemicznego nasycania związkami wapnia i fosforu poprzez zanurzenie go w wodnym roztworze jonów wapniowych i fosforanowych, a po wyjęciu odparowuje się wodę.The method according to the invention also consists in the fact that a carbon fibrous substrate with a carbon layer is subjected to a process of chemical saturation with calcium and phosphorus compounds by immersing it in an aqueous solution of calcium and phosphate ions, and after removing it, the water is evaporated.

Sposób, według wynalazku, pozwala na uzyskanie materiału o strukturze zbliżonej biologicznie i funkcjonalnie do naturalnych tkanek w organizmie żywym. Dzięki wprowadzeniu związków wapnia i fosforu otrzymuje się materiał o podwyższonej aktywności biologicznej, a jego porowata struktura powoduje przerastanie żywej tkanki kostnej zarówno w obszarze powierzchniowym, jak i w całej objętości. Ponadto materiał ten łatwo daje się dopasować do wielkości i kształtu ubytku.The method according to the invention makes it possible to obtain a material with a structure biologically and functionally similar to natural tissues in a living organism. Due to the introduction of calcium and phosphorus compounds, a material with increased biological activity is obtained, and its porous structure causes the living bone tissue to overgrow both in the surface area and in the entire volume. Moreover, this material can be easily adjusted to the size and shape of the defect.

Przykład I. Włókniste podłoże węglowe w postaci włókniny o gramaturze 280 g/cm² o kształcie i wielkości ubytku tkanki kostnej umieszcza się piecu, do komory którego wprowadzono azot jako gaz ochronny i nagrzano podłoże do temperatury 1000°C. Następnie do komory podano metan w stosunku molowym względem azotu 1:3. Proces pokrywania podłoża warstwą pirowęglową prowadzi się w czasie 10 minut, po czym zamyka się dopływ metanu. Podłoże ochładza się do temperatury pokojowej i następnie umieszcza się go w wannie elektroforetycznej, zawierającej alkoholową zawiesinę cząstek fosforanu wapniowego o stężeniu 3% wagowych. Włókninę podwiesza się jako katodę, a anodę stanowi blaszka ze stali nierdzewnej, uformowana kształtem i wielkością odpowiednio do kształtu i wielkości włókniny. Jednostronną elektroinfiltrację prowadzi się w czasie 10 sekund przy napięciu 10 V. Po wyjęciu z wanny próbkę suszy się w temperaturze 50°C w celu usunięcia alkoholu.Example 1 A carbon fibrous substrate in the form of a non-woven fabric with a basis weight of 280 g / cm ² with the shape and size of the bone tissue defect is placed in an oven, in which nitrogen is introduced as a protective gas, and the substrate is heated to 1000 ° C. Then methane was fed into the chamber in a molar ratio to nitrogen of 1: 3. The process of covering the substrate with a pyrocarbon layer is carried out for 10 minutes, then the methane supply is closed. The substrate is cooled to room temperature and then placed in an electrophoretic bath containing an alcoholic suspension of calcium phosphate particles at a concentration of 3% by weight. The non-woven fabric is suspended as a cathode, and the anode is a stainless steel plate, shaped and sized according to the shape and size of the non-woven fabric. One-sided electroinfiltration is performed for 10 seconds at 10 volts. After removal from the pan, the sample is dried at 50 ° C to remove the alcohol.

Przykład II. Włókniste podłoże węglowe w postaci tkaniny o masie liniowej równej 302,3 g/m umieszcza się w piecu z atmosferą ochronną argonu. Piec ogrzewa się do temperatury 1050°C, po czym do komory wprowadza się metan w stosunku molowym do argonu 1:4, a proces pokrywania prowadzi się w czasie 25 minut. Po pokryciu warstwąpirowęglowątkaninę schładza się do temperatury pokojowej i poddaje procesowi elektroinfiltracji cząstkami fosforanu wapniowego z 4% zawiesiny alkoholu etylowego. Próbkę podwiesza się jako katodę umieszczając jąExample II. A fibrous carbon substrate in the form of a fabric with a linear mass of 302.3 g / m 2 is placed in an argon protective atmosphere furnace. The furnace is heated to 1050 ° C, then methane is introduced into the chamber in a molar ratio to argon of 1: 4, and the coating process is carried out for 25 minutes. After the carbon layer is covered, the fabric is cooled to room temperature and subjected to an electro-infiltration process with calcium phosphate particles from a 4% ethanol slurry. The sample is suspended as a cathode by placing it

178 712 między połączonymi ze sobą blaszkami ze stali nierdzewnej stanowiącymi anodę. Dwustronną elektroinfiltrację tkaniny prowadzi się w czasie 5 sekund przy napięciu 10 V, następnie suszy się i wycina z tak otrzymanego materiału kompozytowego element o kształcie i wielkości dopasowanej do miejsca implantacji.178 712 between the joined stainless steel plates constituting the anode. Bilateral electro-infiltration of the fabric is carried out for 5 seconds at a voltage of 10 V, then dried and an element of the shape and size matching the implantation site is cut out of the composite material thus obtained.

Przykład III. Tkaninę węglowąz warstwąpirowęglowąotrzymanąjak w przykładzie II poddaje się procesowi chemicznego nasycania poprzez zanurzenie tkaniny w wodnym roztworze, zawierającym jony wapniowe o stężeniu 5 mM/l oraz jony HPO4²' o stężeniu 2 mM/l, przy pH ustalonym na poziomie 7-7,5. Czas nasycania wynosi 10 minut. Po wyjęciu próbkę tkaniny suszy się w suszarce w temperaturze 50°C w czasie 1 godziny.Example III. The carbon fabric with a carbon layer obtained as in Example 2 is subjected to a chemical impregnation process by immersing the fabric in an aqueous solution containing calcium ions at a concentration of 5 mM / L and HPO4 ions ² 'at a concentration of 2 mM / L, at a pH adjusted to 7-7.5. The saturation time is 10 minutes. After removal, the fabric sample was dried in an oven at 50 ° C for 1 hour.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 60 egz. Cena 2,00 zł.Publishing Department of the UP RP. Mintage 60 copies. Price PLN 2.00.

Claims

Patent claims

The method of obtaining a material for bone defects from carbon material, characterized in that the fibrous carbon substrate previously heated to a temperature of 950-1100 ° C is covered with a pyrocarbon layer in an atmosphere of inert gas containing methane, the molar ratio of inert gas to methane being from 2: 1 to 5: 1, and then the substrate is electro-infiltrated with calcium and phosphorus compounds by immersing it in an alcoholic suspension of calcium phosphate particles, and after removing it is dried.

2. A method for obtaining a material according to claim The method of claim 1, wherein the carbon substrate is fibrous forms of biocompatible carbon in the form of filaments, woven fabrics, short fibers or wadding fibers.

Method of obtaining material for bone tissue defects from carbon material, characterized in that the carbon fiber substrate, previously heated to a temperature of 950-1100 ° C, is covered with a pyrocarbon layer in an atmosphere of inert gas containing methane, the molar ratio of inert gas to methane being from 2: 1 to 5: 1, and then the substrate is subjected to the process of chemical saturation with calcium and phosphorus compounds by immersing it in an aqueous solution of calcium and phosphate ions, and after taking it out, the water is evaporated.

4. A method of obtaining a material according to claim 1 The process of claim 3, wherein the carbon substrate is fibrous forms of biocompatible carbon in the form of filaments, woven fabrics, short fibers or wadding fibers.