Способ изготовления пористого изделия для имплантации

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОРИСТОГО ИЗДЕЛИЯ ДЛЯ ИМПЛАНТАЦИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(72) Авторы Сморыго Олег Львович Велюго Юрий Владимирович Ильющенко Александр Федорович Леонов Андрей Николаевич Марукович Александр Иванович Микуцкий Виталий Анатольевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт порошковой металлургии(57) Способ изготовления пористого изделия для имплантации, включающий изготовление заготовки требуемого размера из пенополиуретана, приготовление суспензии биосовместимого керамического материала, распределение суспензии по объему пенополиуретановой заготовки, сушку, выжигание пенополиуретана и спекание, отличающийся тем, что приготовление суспензии и ее распределение по объему пенополиуретановой заготовки осуществляют одновременно, для чего пенополиуретановую заготовку, компоненты суспензии, необходимые для получения суспензии в количестве от 70 до 150, где 0 масса пенополиуретановой заготовки, и керамические размольные тела помещают в емкость баночного смесителя и перемешивают в течение 0,5-4,0 ч. Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в медицине, а именно в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, офтальмологии, проктологии для изготовления пористых имплантатов, применяемых, например, для восстановления утраченных участков костных тканей при лечении широкого спектра патологических состояний и переломов костей, для формирования подвижной глазной культи после энуклеации, лечения ректо-вагинального свища и т.д. В последнее десятилетие в медицинской практике широкое распространение получили пористые имплантационные материалы для регенерации тканей на основе широкого спектра биосовместимых полимеров, металлов или керамик (так называемые) 1-3. Такие материалы помимо биосовместимости должны обладать определенными параметрами поровой структуры максимально возможной открытой пористостью и контролируемым размером пор в пределах 50-500 мкм. Известен способ получения пористого материала для имплантации, в котором смешивают порошки биоактивной керамики (волластонита), полимерного биоактивного мате 13053 1 2010.04.30 риала (полигидроксибутират/гидроксивалерат) и водорастворимого порообразователя с контролируемым размером частиц в пределах 154-315 мкм (натрия хлорид), полученную шихту прессуют в закрытой пресс-форме под давлением 10 МПа. Далее прессовки нагревают до 180 С, выдерживают в течение 10 мин и после охлаждения помещают в деионизованную воду и проводят вымывание порошка порообразователя в течение 72 ч со сменой воды каждые 6 часов 4. Способ позволяет получать изделия с контролируемым размером пор и равномерно распределенной пористостью до 70-80 . Недостатки способа продолжительность процесса вымывания порообразователя поры в основном тупиковые или изолированные, невозможность изготовить изделия произвольной формы без дополнительной механической обработки. Известен способ получения пористого материала для имплантации, включающий интенсивное перемешивание порошка биосовместимого керамического материала (например, гидроксиапатита, оксида циркония) в водном растворе высокомолекулярного полимера (например, метилцеллюлозы, поливинилового спирта). В результате интенсивного перемешивания в полученной суспензии генерируются пузырьки воздуха, высокомолекулярный полимер обеспечивает их стабильность в течение продолжительного времени. Суспензия выливается в форму, форма помещается в сушильный шкаф, нагретый до 5090 С. В результате происходит затвердевание высокомолекулярного полимера и сушка заготовки. Далее проводится спекание керамики 5. Способ позволяет получать сложнопрофильные пористые изделия произвольной формы без дополнительной механической обработки. Недостатками способа являются невозможность точного контроля размеров пор неизбежная неравномерность распределения пористости по объему материала вследствие действия сил гравитации часть пор имеет закрытый или тупиковый характер. Техническое решение, наиболее близкое к предлагаемому, описано в патенте 6. Из открытоячеистого пенополиуретана (или любого другого высокопористого открытоячеистого пенополимера) вырезают с учетом усадки при спекании заготовку требуемого типоразмера с требуемым размером пор. Готовят суспензию, включающую порошок биосовместимого материала (стекла, металла, керамики), воду в качестве дисперсионной среды, необходимые связующие и реологические добавки. Пенополиуретановую (ППУ) заготовку пропитывают суспензией, а затем излишки суспензии удаляют любым пригодным способом (например, пропусканием через валки, продувкой сжатым воздухом, многократным сжатием между параллельными пластинами). В полученной заготовке тонкий слой суспензии покрывает отдельные элементы ППУ-каркаса, дублируя таким образом его структуру. Далее заготовку сушат, выжигают ППУ и спекают при повышенных температурах. Полученный материал имеет ячеистую структуру, сформированную как система взаимосвязанных пор и каналов. Размер пор материала определяется размером пор ППУ-заготовки и должен составлять предпочтительно 200-600 мкм, пористость должна быть предпочтительно не менее 70 . Способ обеспечивает получение пористых материалов, пригодных для имплантации. Недостатком способа является неравномерность распределения пористости по объему материала. Так, при сжатии сложнопрофильных заготовок излишки суспензии не удаляются полностью, а скапливаются в областях с наименьшей степенью сжатия (например, в случае сферических заготовок - по периферической поверхности). При продувке сжатым воздухом излишки суспензии эффективно удаляются только в приповерхностных областях заготовки. В случаях, когда не обеспечивается удаление излишков суспензии, формируются области с закрытыми порами, и прорастание тканей в этих областях после имплантации становится невозможным. Задача, которую решает предлагаемое изобретение, - расширение технологических возможностей способа путем обеспечения равномерности распределения пористости по объему изделия независимо от его формы. 13053 1 2010.04.30 Поставленная техническая задача решается следующим образом. Вырезают заготовки из открытоячеистого ППУ требуемой формы и размера (с учетом усадки при спекании) с требуемым размером пор. В закрытую емкость помещают 1) вырезанные из ППУ заготовки 2) компоненты керамической суспензии в количестве (7-15)0, где 0 - масса ППУ заготовки 3) керамические размольные тела. Емкость помещают в баночный смеситель и проводят распределение керамического материала по объему ППУ-заготовки в течение 0,5-4 ч. В процессе перемешивания под действием керамических размольных тел происходит постоянное сжатие-расширение ППУ-заготовок, которое интенсифицирует перемешивание компонентов керамической суспензии и обеспечивает ее проникновение вглубь образца. Одновременно, вследствие абразивного воздействия керамических частиц суспензии,происходит повышение шероховатости поверхности перемычек ППУ. В результате обеспечивается хорошая смачиваемость ППУ водными суспензиями. Продолжительность процесса перемешивания, обеспечивающая равномерное распределение суспензии по объему ППУ-заготовки, может составлять от 0,5 ч для заготовок малого сечения (3-5 мм) до 4 ч для более крупных заготовок. При большей продолжительности начинается износ ППУ, потеря его упругости и необратимая деформация заготовки. Необходимая для реализации процесса масса керамической суспензиирассчитывается исходя из массы ППУ-заготовки и составляет(7-15)0, где 0 - масса ППУзаготовки. При меньших значенияхконечный материал обладает слишком высокой пористостью и, как следствие, его прочность невысока. При больших значенияхна поверхности заготовки появляются частично или полностью закрытые поры, что затрудняет прорастание тканей по объему материала после имплантации. Керамическая суспензия для реализации процесса включает керамический наполнитель, воду, реологические и связующие добавки. В качестве керамического наполнителя может быть использован порошок из любого биосовместимого керамического материала,например порошок оксида алюминия, оксида циркония, гидроксиапатита, трикальцийфосфата и т.п. или их смеси. Предпочтительный размер частиц порошка должен находиться в диапазоне 0,1-1 мкм. При меньшем размере частиц получаемая суспензия имеет слишком высокую вязкость, что негативно сказывается на процессе ее распределения в ППУ-заготовке. Кроме того, возрастает усадка материала при сушке, что вызывает микрорастрескивание заготовки и снижает прочность конечного материала. При больших размерах частиц затруднено получение прочного материала после спекания. Предпочтительное содержание воды в суспензии (влажность) зависит от пикнометрической плотности материала, размера частиц, удельной поверхности, габаритных размеров ППУ-заготовки и находится в пределах 20-40 вес. . В суспензию могут вводиться добавки, обеспечивающие суспензии необходимые реологические свойства и промежуточную сырую прочность заготовке в процессе выжигания ППУ. В качестве таких добавок в зависимости от состава керамики и свойств порошка в суспензию могут вводиться водные растворы метилцеллюлозы или ПВС, спирт этиловый, гель бемита, гидроксихлорид циркония, свежеосажденный нанокристаллический гидроксиапатит и др. Содержание добавок в суспензии, как правило, не превышает 1 вес. . Добавки выбираются таким образом,чтобы в процессе термообработки они полностью удалялись из материала либо трансформировались в биосовместимые соединения. Емкость баночного смесителя должна быть изготовлена из материала, который не способствует попаданию в конечное изделие нежелательных примесей (оксид алюминия, оксид циркония, пенополиуретан, полиэтилен высокого давления), либо футерована таким материалом. 3 13053 1 2010.04.30 Для распределения суспензии по объему ППУ-заготовки целесообразно использовать размольные тела из прочного керамического биосовместимого материала - оксида алюминия или оксида циркония. Диаметр размольных тел должен быть предпочтительно не менее 5 мм, при меньших размерах не обеспечивается эффективное сжатие-расширение ППУ-заготовки. Максимальный диаметр размольных тел определяется размером емкости баночного смесителя и размером ППУ-заготовок. Предпочтительно, чтобы диаметр размольных тел не превышал максимальное сечение ППУ-заготовки и при этом на одну заготовку приходилось не менее двух размольных тел. Следует учитывать, что в процессе перемешивания часть суспензии равномерно распределяется по поверхности размольных тел и стенкам смесителя. Поэтому с целью обеспечения более точного управления структурными параметрами конечного материала перед проведением процесса в емкость с размольными телами можно сначала поместить компоненты суспензии в количестве 10-15 от расчетного, провести их перемешивание в течение 30 мин, а затем поместить ППУ-заготовки, компоненты суспензии в расчетных количествах и провести процесс в соответствии с формулой. Предлагаемый способ лишен недостатков прототипа. Во-первых, пористость распределяется по объему материала равномерно независимо от его формы. Во-вторых, все поры материала открыты. Предлагаемый способ технологически прост и реализуется без применения специальных устройств. Пример 1. Из открытоячеистого ППУ с размером пор 200-300 мкм изготавливают сферические заготовки диаметром 25 мм. В полиэтиленовую емкость помещают 10 заготовок ППУ общей массой 2,3 г, 20 размольных цилиндров из диоксида алюминия диаметром 10 мм,18,9 г смеси порошков оксида алюминия и оксида циркония со средним размером частиц 1 мкм в соотношении 30/70, 5,3 г 10 водного раствора оксихлорида циркония, 1,9 г 5 водного раствора карбоксиметилцеллюлозы, 1,9 г спирта этилового ректификата. Емкость закрывают, помещают в баночный смеситель и осуществляют перемешивание в течение 2 ч. Далее заготовки извлекают из полиэтиленовой емкости, сушат в электрошкафу в течение 2 ч при 50 С и 2 ч при 110 С. Затем заготовки помещают в электропечь, нагревают со скоростью 5 С/мин до 350 С, выдерживают в течение 1 ч для термического разложения ППУ, нагревают со скоростью 5 С/мин до 1650 С и спекают в течение 1 ч. В результате получают изделия в виде шара диаметром 20 мм с открытой пористостью 92-93 , которые можно использовать для имплантации. Пример 2. Из открытоячеистого ППУ с размером пор 200-300 мкм изготавливают заготовки в виде прямоугольного параллелепипеда размером 6,212,525,0 мм. В полиэтиленовую емкость помещают 20 заготовок ППУ общей массой 1,2 г, 40 сферических размольных тел из диоксида алюминия диаметром 5 мм, 8,5 г порошка трикальцийфосфата со средним размером частиц 0,5 мкм, 4,1 г геля свежеосажденного нанокристаллического гидроксиапатита с содержанием твердой фазы 5 , 2,5 г этилового спирта. Емкость закрывают, помещают в баночный смеситель и осуществляют перемешивание в течение 1 ч. Далее заготовки извлекают из полиэтиленовой емкости, сушат в электрошкафу в течение 2 ч при 50 С и 2 ч при 110 С. Затем заготовки помещают в электропечь, нагревают со скоростью 5 С/мин до 350 С, выдерживают в течение 1 ч для термического разложения ППУ, далее нагревают со скоростью 5 С/мин до 1150 С и спекают в течение 2 ч. В результате получают изделия размером 51020 мм с открытой пористостью 8990 , которые можно использовать для имплантации. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5