способ получения костного аллоимплантата с высокими механическими свойствами

Формула изобретения

Способ получения костного аллоимплантата с высокими механическими свойствами, включающий механическую очистку кортикальной костной ткани, распиливание на пластины, обработку перекисью водорода, высушивание, упаковку и стерилизацию, отличающийся тем, что обработку 3% перекисью водорода проводят в ультразвуковой ванне при температуре 30°С в течение 10-20 ч с двукратной сменой раствора, пластины промывают в проточной воде, обрабатывают 6М раствором мочевины в течение 18 ч, пятикратно промывают водой, обезжиривают и одновременно дегидратируют в смеси этанол:хлороформ в соотношении 1:1 в течение 8 ч, двукратно промывают 96% этанолом из расчета на 1 г ткани 10-15 мл этанола, проводят окончательное высушивание в контейнере при давлении 60-80 Торр в течение 2 ч.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, а именно к травматологии и ортопедии, к заготовке и консервации костной ткани, может быть применено в работе «тканевых банков» для обеспечения костно-пластическим материалом учреждений здравоохранения.

В практике травматологии и ортопедии существует потребность в аллоимплантатах с высокой механической прочностью, соизмеримой с механическими свойствами нативной костной ткани длинных костей, ее кортикального слоя.

Известен способ изготовления аллоимплантата, который заключается в последовательно проводимых механической очистке донорской костной ткани, обработке ее растворами перекиси водорода, стерилизации парами формалина, размещении в герметизируемые стеклянные ампулы, замораживании и последующем хранении в холодильной камере при температуре минус 30°С до его клинического использования (см. кн.: Имамалиев А.С. Биологическая оценка трансплантируемых тканей. - М.: Наука, 1975 г., с.48-57 [1]).

Полученный таким способом замороженный кортикальный аллоимплантат отличается высокой механической прочностью. Срок его хранения - 6 месяцев при температуре минус 20-30°С.

Недостатками этого способа является то, что формальдегид обладают цитотоксическим и канцерогенным эффектом, пропорциональным концентрации применяемого формалина и длительности его воздействия на биологические объекты (см. сб.: Скрипнюк П.А. с соавт. Деминерализованные костные трансплантаты и их использование в восстановительной хирургии, С.-Пб., 1996 г., с.106-109, Фейгельман С.С. Ортопедия, травматология, 1980, №12, с.45-50). Использование формалина в качестве консерванта и стерилизатора влечет за собой ряд проблем, обусловленных ограничением времени хранения аллоимплантата (не более 6 месяцев), необходимостью длительной отмывки имплантата перед клиническим использованием, хранения с использованием низкотемпературных холодильников и неудобством транспортировки.

Известен способ изготовления костного аллотрансплантата (Патент РФ №2147800 от 17.02.1999). Способ включает проведение механической обработки и промывки заготовки из костного материала, деминерализацию в растворе соляной кислоты, консервацию деминерализованной заготовки с помощью лиофильной сушки, стерилизацию после окончания сушки, осуществляемую путем облучения заготовки, помещенную в герметичную упаковку, потоком быстрых электронов дозой 15-18 кГр. Этот способ был взят за прототип, поскольку по совокупности существенных признаков является наиболее близким к заявленному способу.

Недостатками этого способа является то, что использование дегидратации костной ткани методом сублимации (высушивание из замороженного состояния в условиях вакуума) делает недеминерализованную костную ткань хрупкой, за счет повреждения микроструктуры, главным образом, коллагена (Матвейчук И.В. Структурно-функциональная адаптация костной ткани как композита с учетом видовых, возрастных и функциональных особенностей: Дисс....докт. биол. наук. - М., 1998). Процесс деминерализации костной ткани растворами соляной кислоты резко снижает ее механические свойства (Лекишвили М.В. Технологии изготовления костного пластического материала для применения в восстановительной хирургии: Дисс....докт. мед. наук. - М., 2005).

Задачей заявленного изобретения является повышение качества аллоимплантата и улучшение его эксплуатационных свойств за счет сохранения высоких механических свойств кортикального слоя длинных костей.

Техническим результатом, достигаемым при использовании изобретения, является получение костных аллоимплантатов с механическими свойствами, близкими к нативной костной ткани, которые могут быть использованы для замещения обширных костных дефектов, и являться основой для других изделий медицинского назначения.

Технический результат достигается тем, что очищенную от мягких тканей кортикальную кость распиливают на пластины нужного размера, затем обрабатывают 3% раствором перекиси водорода в ультразвуковой ванне при температуре 30°С в течение 10-20 часов с двукратной сменой раствора, обрабатывают 6 М раствором мочевины в ультразвуковой ванне в течение 18 часов, отмывают проточной водой, обезжиривают в смеси этанол:хлороформ в соотношении 1:1, промывают 96% этанолом, высушивают в камере с отрицательным давлением, упаковывают в двойной пластиковый пакет и стерилизуют потоком быстрых электронов дозой облучения 18-25 кГр.

Материалом для изготовления аллоимплантатов служит кортикальная костная ткань человека, полученная из диафизарной части трубчатых костей.

На начальном этапе изготовления аллоимплантатов необходима механическая очистка кости от окружающих мягких тканей и крови.

После этого кость распиливают на пластины длиной от 5 см до 25 см, шириной от 1 см до 3 см. Толщина пластин может колебаться от 0,1 см - 1 см.

После нарезки пластины обрабатывают 3% раствором перекиси водорода в ультразвуковой ванне при температуре 30°С с двукратной сменой раствора. Необходимое время обработки зависит от толщины пластин и варьирует от 10 до 20 часов. На этом этапе из заготовок удаляют основную часть неколлагеновых белков и жира, удаляют разрушенные клетки крови и костной ткани, ряд других соединений. Использование ультразвуковой ванны ускоряет процесс обработки и делает его более эффективным.

Затем заготовки отмывают от перекиси водорода в проточной воде и далее обрабатывают 6 М раствором мочевины в течение 18 часов.

Такая обработка позволяет удалить остатки неколлагеновых белков, фрагменты клеточных мембран, гликопротеинов и т.д. Для большей эффективности процесс проводят в ультразвуковой ванне при комнатной температуре. После этого образцы пятикратно промывают водой.

Введение в способ этапа обезжиривания с последующим промыванием образцов в 96% этаноле необходимо по двум причинам.

Во-первых, в образцах еще остается большое количество липидов как в свободном состоянии, так и в виде соединений, а их присутствие в аллоимплантатах может вызывать осложнения воспалительного характера.

Во-вторых, на этом этапе происходит дегидратация образцов, что позволяет отказаться от лиофильного высушивания, что, в свою очередь, позволяет полностью сохранить архитектонику костной ткани, тем самым сохраняя механические характеристики костной ткани.

Обезжиривание проводят в смеси этанол:хлороформ в соотношении 1:1 в течение 8 часов. Для удаления хлороформа и остатков липидов образцы двукратно промывают 96% этанолом из расчета на 1 г ткани 10-15 мл этанола.

Затем образцы помещают в специальный контейнер, где при отрицательном давлении (60-80 Торр) производят окончательное высушивание в течение 2 часов.

Приготовленный таким образом материал упаковывают в двойной пластиковый пакет и стерилизуют потоком быстрых электронов.

Необходимая для наиболее эффективной стерилизации доза радиационного облучения, как показали опыты, составляет 18-25 кГр, что делает материал безопасным в плане бактериальной и грибковой инфекции.

Механическую прочность образцов испытывали на 3-точечный изгиб на универсальной испытательной машине «Zwick 1464» (Германия). Скорость нагружения составляла 15 мм/мин.

Образцы укладывали на специальные опоры, прикрепленные к подвижной траверсе, база равнялась 60 мм. Образцы нагружали до их разрушения. Передача силы производилась через специальный индентор, зафиксированный на датчике силы, укрепленном на верхней, неподвижной перекладине силовой рамы. Использовали датчик силы 1 кН. Точность измерения составила ±1%. Прилагаемая сила и деформация образцов автоматически записывалась самописцем в координатах «сила - удлинение». По полученным данным высчитывали удельную прочность образцов как отношение силы давления индентора в момент разрушения образца к площади сечения образца. Испытания показали, что средняя удельная прочность образцов, обработанных по предлагаемому способу, равна 8,62 Н/мм² , а средняя удельная прочность нативной кости - 9,5 Н/мм ².

Пример 1 осуществления способа

Полученный от донора фрагмент диафиза большеберцовой кости (кортикальная часть) механически очищают от мягких тканей и надкостницы, кость распиливают на пластины длиной 20 см и шириной 2 см, помещают в ультразвуковую ванну, заливают 3% раствором перекиси водорода и обрабатывают в течение 18 часов при температуре 30°С с двукратной сменой раствора, раствор сливают, пластины промывают в проточной воде и помещают в ультразвуковую ванну с 6 М раствором мочевины на 18 часов, пятикратно промывают водой и помещают в смесь этанол:хлороформ в соотношении 1:1 на 8 часов, двукратно промывают в 96% этаноле из расчета на 1 г ткани 15 мл этанола, помещают в контейнер, где досушивают при давлении внутри контейнера 60-80 Торр в течение 2 часов, пластины упаковывают в двойной пластиковый пакет и стерилизуют потоком быстрых электронов дозой 18-15 кГр. В таком виде аллоимплантат готов к клиническому использованию.

Перед хирургической операцией аллоимплантат, после вскрытия упаковки, можно использовать сразу или регидратировать раствором антибиотика в течение 5-10 минут для создания дополнительного уровня профилактики послеоперационных осложнений.

Пример 2 клинического использования

Больной X., 17 лет, и.б. 3474. Диагноз: полиосальная форма фиброзной дисплазии дистального отдела бедренной кости. Жалобы на боли в области нижней трети бедренной кости справа, где на рентгенограммах выявлен патологический очаг. Больной госпитализирован в ЦИТО, где ему под наркозом произведена краевая резекция патологического очага и последующая аллопластика дефекта, ввиду высокой нагружаемости этого участка конечности, кортикальными аллоимплантатами, способ изготовления которых представлен в заявке. Рана зажила первичным натяжением. На 11-е сутки после операции сняты швы, конечность фиксирована гипсовой повязкой.

В ходе динамического контроля явные признаки инкорпорации аллоимплантатов наблюдалось через 6 месяцев после хирургического вмешательства, больной полностью пользуется конечностью, жалоб нет.

Таким образом, предложенный способ получения костного аллоимплантата позволяет изготовить материал для замещения обширных дефектов кости с высокими механическими свойствами.