Способ обработки полимерной головки однополюсного эндопротеза сустава

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНОЙ ГОЛОВКИ ОДНОПОЛЮСНОГО ЭНДОПРОТЕЗА СУСТАВА(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Пинчук Леонид Семенович Цветкова Елена Александровна Чернякова Юлия Михайловна Гольдаде Виктор Антонович Карев Дмитрий Борисович Болтрукевич Станислав Иванович(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(56)20071065, 2009. ПИНЧУК Л.С. и др. Трение и износ. 2008. - Т. 29. -3. - С. 293-305. НИКОЛАЕВ А.Ф. и др. Пластические массы. - 2000. - 3. - С. 34-42. БЕЛОЕНКО Е.Д. и др. Доклады Национальной академии наук Беларуси. 2007. - Т. 51. -2. - С. 72-75.6855 1, 2005.1061811 , 1983.1792350 , 2006.0505634 1, 1991.1217401 , 1986.2211008 2, 2003.(57) Способ обработки полимерной головки однополюсного эндопротеза сустава, включающий набухание головки в пластификаторе полимера, экстракцию пластификатора с помощью растворителя и обработку поверхности трения головки ионизированным газом,отличающийся тем, что после обработки ионизированным газом головку смачивают модифицирующей жидкостью, в качестве которой используют 7-9 -ный водный раствор поливинилового спирта, содержащий не менее 7 мас.сыворотки крови первой группы,термостатируют при температуре (-10)-(-30) С, затем нагревают со скоростью 1 С/ч до комнатной температуры. Изобретение соответствует области создания имплантируемых протезов (эндопротезов) синовиальных суставов. Однополюсные эндопротезы суставов содержат искусственную головку, образующую пару трения с хрящом суставной впадины пациента. Заключительная процедура однополюсного эндопротезирования суставов состоит во вправлении в суставную впадину головки эндопротеза, неподвижно закрепленной в кости,торец которой до операции был подвижно сопряжен со впадиной, образуя сустав. Для этого надо преодолеть сопротивление мышц и сухожилий, окружающих сустав, что часто обусловливает повреждение хряща суставной впадины головкой эндопротеза, выполнен 14348 1 2011.04.30 ной из жестких технических материалов. Последние неудовлетворительно работают в паре трения с хрящом, вызывая его разволокнение и развитие патологических процессов. Катастрофическое изнашивание дегенеративно измененного хряща является показанием для ревизионной операции с заменой однополюсного на тотальный эндопротез, пара трения которого состоит из искусственных головки и подвижно сопряженной с ней антифрикционной чашки, закрепляемой в суставной впадине. Чтобы уменьшить фрикционное повреждение хряща, головку однополюсного эндопротеза выполняют из биосовместимого полимера - сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ), по деформационно-прочностным характеристикам более близкого к хрящевой ткани, чем металлы, керамика и другие технические материалы 1. Идея приближения структуры полимерных деталей трения эндопротезов к структуре естественного хряща реализована в конструкции эндопротеза, защищенного патентом 2. Его опорная деталь снабжена на поверхности трения микропористым полимерным покрытием, поры которого заполнены синовиальной жидкостью. Это позволило снизить коэффициент трения и повысить износостойкость эндопротезов. Недостаток такой конструкции состоит в том, что заполнение системы микропор в гидрофобных полимерных деталях жидкостями на водной основе представляет собой сложную технологическую задачу. Один из путей ее решения - перевод полимерных материалов трения эндопротезов в состояние студня, имеющего микропористую структуру,насыщенную жидкостью. Методы формирования студня в поверхностном слое головки являются близкими аналогами изобретения. Способ получения пористого полимерного материала 3 заключается в погружении полиэтиленовой пленки в нагретый органический растворитель и выдержке до набухания. Набухшую пленку промывают раствором полиэфируретана в диметилформамиде, а затем в водном растворе последнего. После этого в пленке образуется система микропор, на стенках которых сформированы гидрофильные полиэфируретановые покрытия, облегчающие заполнение микропор жидкостями на водной основе. К сожалению этот способ реализуется только с помощью токсичных реагентов, контакт которых с тканями организма недопустим. Способ 4 обработки полимерного вкладыша эндопротеза сустава состоит из операций набухания вкладыша, выполненного из СВМПЭ, в вазелиновом масле при температуре, близкой к температуре плавления СВМПЭ, экстракции масла с помощью раствора поливинилпирролидона в летучем органическом растворителе и вакуумного испарения последнего. В результате на вкладыше образуется микропористый слой, на стенках сообщающихся пор которого сформированы хорошо смачиваемые водой покрытия из поливинилпирролидона. Недостатки способа порождены наличием таких покрытий, которые значительно уменьшают объем порового пространства и содержащейся в нем смазочной жидкости, а также неизбежно содержат следы растворителя, контакт которого с хрящом ухудшает биосовместимость эндопротеза. Прототипом изобретения является способ обработки головки однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава 5. Головку, выполненную из СВМПЭ, погружают в пластификатор и после достижения заданной степени набухания экстрагируют его с помощью растворителя. В результате на поверхности трения головки формируется слой полимера, содержащий сообщающиеся микропоры. Затем поверхность трения головки обрабатывают низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда или коронным разрядом до достижения поверхностной плотности поляризационного заряда 10-7-10-6 Кл/м 2. После стерилизации облучением головка готова к имплантации. Во время операции эндопротезирования перед вправлением в суставную впадину головку смачивают смазочной жидкостью. Электрическая обработка улучшает смачивание головки, что снижает трение и вероятность травмирования хряща при вправлении. 2 14348 1 2011.04.30 Недостатки прототипа дополнительная процедура смачивания головки усложняет операцию эндопротезирования параметры микропористого слоя (размеры пор, толщина стенок между ними, распределение пор в слое) очень чувствительны к параметрам растворимости пластификатора,вариациям режимов набухания головки и экстракции пластификаторов сформированный на поверхности трения головки микропористый слой с неоптимальными параметрами может инициировать абразивное изнашивание хряща суставной впадины при работе реконструированного сустава. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) обеспечить низкое трение головки по хрящу при любых параметрах микропористого слоя 2) сделать невозможным абразивное воздействие головки на хрящ 3) ликвидировать дополнительную операцию смачивания головки перед вправлением в суставную впадину. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ обработки выполненной из СВМПЭ головки однополюсного эндопротеза сустава, заключающийся в набухании головки в пластификаторе, его экстракции, обработке поверхности трения головки плазмой или коронным разрядом, стерилизации головки ионизирующим излучением, дополнен новыми операциями. Поверхность трения головки смачивают модифицирующей жидкостью. Она представляет собой водный раствор поливинилового спирта (ПВС) 7-9 мас. концентрации, содержащий не менее 7 мас. сыворотки крови 0(1) группы. Благодаря электрической обработке поверхности головки и поляризации стенок пор модифицирующая жидкость проникает в них по механизму поверхностной диффузии, насыщая микропористый слой. После этого головку термостатируют при отрицательной температуре Т(1030) С, а затем размораживают со скоростью 1 С/ч до комнатной ( 20 С) температуры. Сущность изобретения состоит в том, что в процессе замораживания-размораживания находящаяся в микропорах поверхностного слоя головки модифицирующая жидкость превращается в криогель - гетерофазное студнеобразное вещество, состоящее из пространственной сетки макромолекул ПВС, свободный объем которой заполнен водным раствором сыворотки крови. Сыворотка составляет основу синовиальной жидкости и обладает рекордной смазывающей способностью. Это обусловливает следующие достоинства головки эндопротеза, обработанной предложенным способом. 1. Антифрикционность и щадящий режим изнашивания сопряженного хряща суставной впадины. Жидкая фаза криогеля, выделяющаяся в зону трения при сжатии микропористого слоя, содержит сыворотку крови, которая обладает самой высокой из биологических жидкостей смазочной способностью 6. Это значительно увеличивает антифрикционность пары головка эндопротеза-гиалиновый хрящ и дает возможность, вопервых, легко вправлять имплантированную головку в суставную впадину без каких-либо дополнительных операций смазывания, а во-вторых, реализовать очень низкое трение в реконструированном суставе в течение длительного срока, пока на головке не изотрется слой искусственного хряща. 2. Биосовместимость головки. ПВС - нетоксичный полимер, который легко выводится из организма человека. Накоплен 40-летний опыт использования ПВС медицинских марок в качестве плазмозаменителя (Полиглюкин, Гемодез, Поливинол), дренирующих и ускоряющих заживление средств лечения ран, искусственных биологических тканей (роговая оболочка, стекловидное тело), биоцидных материалов, которые длительно находятся в организме, создавая лечебный эффект при постепенном рассасывании 7. Пороговая доза ПВС марки Ж в хроническом эксперименте составляет 1 г/кг 8, что на 8-9 порядков меньше массы ПВС, который содержится в продуктах износа предложенной головки, об 3 14348 1 2011.04.30 разующихся за сутки работы в реконструированном суставе человека. Сыворотка крови 1 й группы совместима с синовиальной жидкостью абсолютно всех людей, т.к группы синовии человека по системе 0 идентичны четырем группам его крови 9. 3. В поверхностном слое головки создана двухуровневая система пор, подобная системе полиразмерных пор естественного хряща а) микропористая структура поверхностного слоя головки из СВМПЭб) пространственная наносетка макромолекул ПВС, в нанообъемах которой заключена жидкая фаза криогеля. Это обусловливает широкий спектр времен релаксации головкой механических напряжений и мягкое демпфирование пиковых нагрузок в искусственном суставе. Поступление содержащей сыворотку жидкой фазы криогеля в зону трения происходит в эластичном гидродинамическом режиме, т.к. отделение жидкости имеет место при деформировании микропор поверхностного слоя,обусловливающем всестороннее сжатие находящихся в них включений гидрогеля. Примеры осуществления способа. Головки эндопротеза имели конструкцию, защищенную патентом 10. Сферическую часть головки диаметром 40 мм вытачивали из стержня СВМПЭ марки ,58836 , производства фирмы(Германия). В качестве технологических жидкостей использовали масло вазелиновое медицинское(ГОСТ 3164-78) и гексан хч (ТУ 6-09-3375-78). Головки погружали в масло и выдерживали в термостате при 130 С в течение 1 ч. После охлаждения экстрагировали из головок масло с помощью гексана и удаляли последний методом вакуумной сушки. Подготовленные таким образом головки имеют поверхностный микропористый слой толщиной 250 мкм. Сферическую поверхность головок обрабатывали низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда (40 кГц) мощностью 30 Вт в вакууме (Па). Поверхностная плотность поляризационного заряда головок, измеренная по ГОСТ 25209-82, составляла 10-610-7 Кл/м 2. Согласно предложенному способу готовили раствор ПВС марки НПВС-М (ТУ 6-0505-26-75) термостатированием смеси полимер-дистиллированная вода при 80 С при легком покачивании колбы. После охлаждения раствора до комнатной температуры в него добавляли, перемешивая, сыворотку крови группы 0(1), приготовленную на станции переливания крови. В приготовленную таким образом модифицирующую жидкость окунали обработанную плазмой головку, давали стечь избытку жидкости, помещали в криокамеру,выдерживали в течение 1 ч, после чего медленно размораживали с заданной скоростью. Головки с криогелем, а также головки, подвергнутые лишь обработке плазмой (по способу-прототипу), герметично чехлили в трехслойные пакеты из полиэтиленовой пленки и обрабатывали -излучением (установка РХМ 20, доза - 1 МГй), моделируя процесс радиационной стерилизации имплантатов. Испытания образцов проводили в два этапа. На первом оптимизировали технологические режимы формирования криогеля температурувыдерживания образца в замороженном состоянии и скорость его размораживаниядо 20 С. С помощью разрывной машины Инстрон регистрировали предел прочности в образцов криогеля при растяжении со скоростью 50 мм/мин. В табл. 1 приведены значения в для криогелей, полученных из водного раствора на основе ПВС (8 мас.) и сыворотки крови 1-й группы (7 мас.). Приведенные в табл. 1 и 3 результаты являются средними значениями не менее чем 10 идентичных измерений, коэффициент корреляции 0,93. Таблица 1 Значение в (МПа) криогелей, сформированных при режимах 14348 1 2011.04.30 Анализ данных табл. 1 приводит к следующим заключениям 1. Оптимальный диапазон температур формирования криогелей от -20 С до -30 С. При-10 С прочность образцов заметно падает, при -40 С остается такой же, как при-30 С. 2. Оптимальная скорость размораживания криогелей 1 С/ч, т.к. увеличение скорости до 1,5 С/ч обусловливает резкое падение прочности образцов, а уменьшение до 0,5 С/ч приводит к незначительному упрочнению. 3. Скорость размораживания образцов - более значимый фактор, определяющий прочность криогелей, чем температура выдержки растворов ПВС в замороженном состоянии. На втором этапе по результатам триботехнических испытаний головок оптимизировали состав водных композиций, из которых были сформированы криогелевые компоненты микропористого слоя головок. Одновременно сравнивали коэффициенты трения головок,обработанных предложенным способом и способом-прототипом. Криогели готовили из композиций на водной основе, составы которых приведены в табл. 2. Таблица 2 Компоненты криогелей ПВС Сыворотка Испытания проводили с помощью машины трения возвратно-поступательного движения. Пару трения составляли головка и пластина из полиэтилена (параметр шероховатости 0,250,20 мкм), моделирующая хрящ. Режимы испытания 0,5 МПа,0,3 м/с,смазка физиологическим раствором, база испытаний - 1 млн циклов. Головки, изготовленные по способу-прототипу, перед установкой в машину смачивали сывороткой крови,приготовленной для трансфузий на станции переливания крови. Результаты измерения значений коэффициента трения- исходного после приработки и 1 - конечного после 1 млн циклов представлены в табл. 3. Таблица 3 Значения показателей для криогелейПоказатели 1 2 3 4 5 6 7 прототип 0,009 0,013 0 0,020 0,013 0,012 0,011 0,019 0,011 0,027 1 Анализ этих данных свидетельствует, что 1) по начальным значениям коэффициента трения 0 все исследованные составы криогелей одинаково эффективны, а головки, модифицированные криогелями, заметно превосходят прототип 2) оптимальная концентрация ПВС (1,мас.) в композициях для формирования криогелевых компонентов поверхностного слоя головки 719, т.к. 1 заметно возрастает при 16 (криогель 1), а при 19 (5) практически не изменяется 3) пороговая концентрация сыворотки (2,мас.) в композициях составляет 27,т.к. при меньшей концентрации 26 (криогель 6) значение 10,019 приближается к прототипу, а при 27(3) заметно ниже и мало изменяется при 28 (криогель 7). Итак, головки, модифицированные криогелями оптимального состава (3,4,7), превосходят прототип как по исходному значению коэффициента трения, так и по значению,установившемуся после 1 млн циклов испытания. 14348 1 2011.04.30 Таким образом, задачи, поставленные при создании изобретения, решены. Заявленный способ содержит новые операции модифицирования полимерных головок эндопротеза. Он характеризуется общественной полезностью, будучи направлен на улучшение качества жизни людей, увеличение срока службы искусственных суставов, снижение выплат по нетрудоспособности. Способ предназначен для применения в медицинской технике. Он предусматривает применение в технологии изготовления эндопротезов суставов экологически чистых электрических и низкотемпературных воздействий, открывает новые возможности для совершенствования техники хирургического вмешательства при эндопротезировании суставов. Источники информации 1. ТУ РБ 500576133.001-2001. Эндопротезы тазобедренного сустава однополюсные металлополимерные. 2. А.с. СССР 1061811, МПК А 61 1/03, 1983. 3. А.с. СССР 1684293, МПК С 08 9/26, 1991. 4. Патент РБ 6855, МПК 08 9/28,61 2/34, 2005. 5. Заявка на патент РБ 20071065, МПК 61 2/36, 2009 (прототип). 6. Белоенко Е.Д., Чернякова Ю.М., Пинчук Л.С. Трибологическое обоснование метода хондропротекции с помощью аутосыворотки крови гиалуронатов // Доклады НАН Беларуси. - 2007. - Т. 51. -2. - С. 72-75. 7. Николаев А.Ф., Мосягина Л.П. Поливиниловый спирт и сополимеры поливинилового спирта в медицине // Пластические массы. - 2000. -3. - С. 34-42. 8. Шефтель В.О. Полимерные материалы (токсические свойства) Справочник. - Л. Химия, 1982. - 232 с. 9. Чернякова Ю.М., Пинчук Л.С. Исследование групповой принадлежности синовиальной жидкости - шаг на пути к трансфузионной хондропротекции суставов // Вестник травмотологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2008. -2. - С. 53-56. 10. Патент РФ 2268685, МПК 61 2/32, 2006. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6