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 Чернякова Юлия Михайловна Цветкова Елена Александровна Гольдаде Виктор Антонович Карев Дмитрий Борисович Болтрукевич Станислав Иванович Чернюк Наталья Владимировна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси(57) Способ обработки полимерной головки однополюсного эндопротеза сустава, выполненной из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, включающий набухание головки в пластификаторе, 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 водный раствор поливинилового спирта, разбавленный до концентрации 7-9 мас.предназначенной для инъекций стандартной суспензией или раствором антибиотика в физиологическом растворе, термостатируют при температуре (-10)(-30) С, затем нагревают со скоростью 1/ч до комнатной температуры. Изобретение соответствует области создания имплантируемых протезов (эндопротезов) синовиальных суставов. Однополюсные эндопротезы суставов содержат искусственную головку, образующую пару трения с синовиальным хрящом суставной впадины пациента. При однополюсном эндопротезировании суставов чаще всего возникают три проблемы. Вправление головки протеза в суставную впадину обычно сопровождается травмированием эластичного хряща впадины жесткой головкой, выполненной из технических материалов. В реконструированном суставе такие головки неудовлетворительно работают 14349 1 2011.04.30 в паре трения с гиалиновым хрящом, вызывая его разволокнение и ускоренный износ. Самой серьезной проблемой считают нагноение в области эндопротеза, которое может возникнуть при наличии у пациента факторов риска (хронические инфекции, диабет и пр.),недостаточном качестве предоперационной подготовки, нарушениях техники выполнения операции и др. Чтобы уменьшить фрикционное повреждение хряща, головку однополюсного эндопротеза выполняют из биосовместимого материала - 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 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 такого эндопротеза состоит в том, что заполнение системы микропор в гидрофобной полимерной детали жидкостями на водной основе представляет собой сложную технологическую задачу. Один из путей ее решения - перевод полимерных материалов трения эндопротезов в состояние студня, имеющего систему микропор, заполненных жидкостью. Именно такие способы 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 с помощью реагентов, контакт которых с тканями организма недопустим из-за токсичности. 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, а процесс их формирования достаточно трудоемок из-за необходимости тщательного удаления следов растворителя, как правило токсичного вещества. Прототипом изобретения является способ обработки головки однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава 5. Головку, выполненную из СВМПЭ, погружают в пластифицирующую жидкость и после достижения заданной толщины набухшего слоя экстрагируют пластификатор с помощью растворителя. Полученный таким образом микропористый слой на поверхности трения головки обрабатывают низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда или коронным разрядом так, чтобы поверхностная плотность поляризационного заряда составила 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. Недостатки прототипа дополнительная процедура смачивания головки усложняет операцию эндопротезирования 2 14349 1 2011.04.30 микропористый слой с неоптимальными структурными параметрами (размеры пор,толщина стенок между ними, распределение пор в слое) может инициировать абразивное изнашивание хряща суставной впадины при работе реконструированного сустава способ не позволяет предотвратить инфицирование операционной раны. Задачи, на решение которых направлено изобретение 1) ликвидировать дополнительную операцию смачивания головки перед вправлением в суставную впадину 2) обеспечить низкое трение головки по хрящу при любых параметрах макропористого слоя, сделать невозможным абразивное воздействие головки на хрящ 3) ввести в состав головки противомикробные средства. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ обработки выполненной из СВМПЭ головки однополюсного эндопротеза сустава, заключающийся в набухании головки в пластификаторе, его экстракции, приводящей к образованию на поверхности трения головки микропористого слоя, обработке его плазмой или коронным разрядом,стерилизации головки ионизирующим излучением, дополнен новыми операциями. Поверхность трения головки смачивают модифицирующей жидкостью, которую получают разбавлением водного раствора поливинилового спирта (ПВС) предназначенной для инъекций стандартной суспензией или раствором антибиотика в физиологическом растворе до концентрации 7-9 мас. . Благодаря электрической обработке головки и поляризации стенок микропор жидкость проникает в них по механизму поверхностной диффузии. Головку с насыщенным модифицирующей жидкостью микропористым слоем термостатируют при- (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 на основе водного раствора ПВС и антибиотика превращается в криогель - гетерофазное студнеобразное вещество, состоящее из пространственной сетки макромолекул, свободный объем которой заполнен жидкой фазой. Это обусловливает следующие достоинства предложенного способа. 1. Антифрикционность и низкий износ реконструированного сустава. Криогель имеет свойства твердого тела - способность сохранять форму, прочность и эластичность, аналогичные гиалиновому хрящу. В динамическом контакте с находящимися в полости сустава биологическими жидкостями (синовия, сыворотка крови) криогель образует пленку, обладающую очень высокой смазочной способностью. 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 микропористый 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 6. Пороговая доза ПВС марки Ж в хроническом эксперименте составляет 1 г/кг 7, что на 8-9 порядков меньше массы ПВС, который содержится в образующихся за сутки продуктах изнашивания предложенной головки при работе однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава человека. 3. Бактерицидное действие. В поверхностном слое головки создана двухуровневая система пор, подобная системе полиразмерных пор естественного хряща а) микропористая 3 14349 1 2011.04.30 структура поверхностного слоя головки из СВМПЭб) пространственная наносетка макромолекул ПВС, в нанообъемах которой заключена жидкая фаза криогеля, содержащая антибиотик. Такая система обусловливает широкий спектр времен релаксации головкой механических напряжений и мягкое демпфирование пиковых нагрузок в искусственном суставе. Поступление содержащей антибиотик 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. Пролонгированное действие антибиотика подавляет развитие микробиального воспаления тканей сустава не только в период заживления операционной раны, но и в последующий период. Примеры осуществления способа. Головки эндопротеза имели конструкцию, защищенную патентом 8. 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, который удаляли в процессе вакуумной сушки. Подготовленные таким образом головки имеют поверхностный микропористый слой толщиной 250 мкм. Сферическую поверхность головок обрабатывали низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда (40 кГц) мощностью до 30 Вт в вакууме (1 Па). Поверхностная плотность поляризационного заряда головок, измеренная по ГОСТ 25209-82, составляла 10-6 10-7 Кл/м 2. Согласно предложенному способу готовили раствор ПВС марки НПВС-М (ТУ 6-0505-26-75) термостратированием смеси полимер - дистиллированная вода при 80 С при легком покачивании колбы. В приготовленный таким образом раствор ПВС концентрацией 13 мас.добавляли предназначенный для инъекции стандартный раствор или суспензию антибиотика в физиологическом растворе, доводя концентрацию раствора ПВС до 610 мас. . Использовали следующие антибиотики цефазолина натриевая соль (Ц, международное непатентованное название - ). антибиотик группы цефаллоспориновпоколения, производитель РУП Белмедпрепараты, г. Минск, рег. номер 08/13/399 гентамицина сульфат (Г, ), антибиотик группы аминогликозидов, производитель РУП Белмедпрепараты, рег. номер 05/10/147 линкомицина гидрохлорид (Л, ), антибиотик группы линкозамидов, производитель РУП Белмедпрепараты, рег. номер 05/09/98. Обработанную плазмой головку окунали в охлажденный до 20 С модифицированный антибиотиком раствор ПВС, давали стечь избытку жидкости, помещали в криокамеру,выдерживали в течение 1 ч, после чего медленно размораживали с заданной скоростью. Головки с криогелем, изготовленные предложенным способом, и головки по способупрототипу, подвергнутые лишь обработке плазмой, герметично чехлили в трехслойные пакеты из полиэтиленовой пленки и обрабатывали -излучением (установка- -20,доза - 1 МГй), моделируя процесс радиационной стерилизации имплантатов. Испытания образцов проводили в три этапа. На первом - оптимизировали технологические режимы формирования криогелей, модифицированных антибиотиками 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. Приведенные в табл. 1 и 2 результаты являются средними значениями не менее чем 10 идентичных измерений, коэффициент корреляции 0,93. 4 Значения в для криогелей, сформированных из раствора ПВС (8 мас. ) при режимах Анализ данных табл. 1 приводит к следующим заключениям. 1. Оптимальный диапазон температур формирования криогелей со всеми исследованными антибиотиками от - 20 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. Природа антибиотика практически не влияет на прочность криогелей. Аналогичные результаты получены при испытаниях содержащих антибиотики растворов ПВС концентраций 7 и 9 мас. . На в втором этапе по результатам триботехнических испытаний оптимизировали концентрациюрастворов ПВС, из которых были сформированы криогели, и сравнивали коэффициенты трения головок, обработанных предложенным способом и способомпрототипом. Испытания проводили с помощью машины трения возвратнопоступательного 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 трибометр смачивали сывороткой крови, приготовленной для трансфузий на станции переливания крови. Результаты измерения значений коэффициента трениякриогелей состава ПВСЦ - исходного после приработки и конечного после 1 млн. циклов - представлены в табл. 2. Таблица 2 Головка по Головка с криогелем ПВСЦ концентрацией С, мас.способуЗначенияпрототипу 6 7 8 9 10 исходное 0,012 0,013 конечное 0,023 0,019 0,018 0,017 0,027 Из анализа этих данных следует, что 1) оптимальная концентрация (, мас. ) раствора ПВСЦ для формирования криогелевых компонентов поверхностного слоя головки 79, т.к.заметно возрастает после 1 млн. циклов испытания при 6, а при 10 практически не изменяется 2) исходные значенияголовок с криогелем ниже, чем головок, изготовленных по способу-прототипу и дополнительно смоченных перед испытаниями сывороткой, следовательно, вправление первых в суставную впадину при имплантации потребует меньших усилий со стороны хирурга, чем головок по прототипу 5 14349 1 2011.04.30 3) головки, содержащие криогель с 79 мас. , превосходят головки, изготовленные по способу-прототипу, по смазочной способности, следовательно, они будут меньше повреждать хрящ реконструированного сустава. Практически такие же результаты (отличия в третьем знаке после запятой) получены для криогелей ПВСГ и ПВСЛ. На третьем этапе испытаний оценивали антимикробное действие головок, сформированных предложенным способом и способом-прототипом. В чашки Петри с агаровой питательной средой помещали образцы в виде срезов поверхностного слоя головок(шаровый сегмент диаметром 5-7 мм) и засевали агар штаммом бактерий. из коллекции микроорганизмов Гомельской санитарно-эпидемиологической станции. Чашки инкубировали в термостате при 37 С в течение 17 ч. Вокруг образцов, содержащих криогели, модифицированные антибиотиками Ц, Г и Л, образовались зоны задержки роста микробов Ц - 57 мм, Г - 57 мм, Л - 1115 мм. Вокруг образца, срезанного с головки, изготовленной способом-прототипом, зона задержки роста отсутствовала, вся чашка равномерно заросла слоем микроорганизмов. Это свидетельствует, что головки,изготовленные предложенным способом, обладают, в отличие от прототипа, антимикробным действием. Разница в ширине зоны задержки роста объясняется разной бактерицидностью выбранных антибиотиков по отношению к. Таким образом, задачи, поставленные при создании изобретения, решены. 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,характеризуется общественной полезностью, будучи направлен на улучшение качества жизни людей, увеличение срока службы искусственных суставов, снижение выплат по нетрудоспособности. Источники информации 1. ТУ РБ 500576133.001-2001. Эндопротезы тазобедренного сустава однополюсные металлополимерные. 2. А.с. СССР 1061811. Эндопротез коленного сустава / И.Р.Воронович, С.П.Козловский, Е.Д.Белоенко, Л.С.Пинчук, П.А.Витязь. МПК 61 1/03. Опубл. 1983. 3. А.с. СССР 1684293. Способ получения полимерного пористого материала / Г.П.Андрианова, С.И.Пахомова, Л.И.Смирнова, А.В.Жиряков, Е.А.Смирнова. МПК 08 9/26. Опубл. 1991. 4. Патент РБ 6855. Способ обработки полимерного вкладыша эндопротеза сустава / Л.С.Пинчук, Ж.В.Кадолич, Е.А.Цветкова, В.И.Николаев, Е.Д.Белоенко. МПК 08 9/28, 61 2/34. Опубл. 2005. 5. Решение на выдачу патента РБ по заявке 20071065. Способ обработки шаровой головки однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава / Л.С.Пинчук, Ю.М.Чернякова,Е.А.Цветкова и др. МПК 61 2/36. 18.05.2009 (прототип). 6. Николаев А.Ф., Мосягина Л.П. Поливиниловый спирт и сополимеры поливинилового спирта в медицине // Пластические массы. - 2000. -3. - С. 34-42. 7. Шефтель В.О. Полимерные материалы (токсические свойства) Справочник. - Л. Химия, 1982. - . 232. 8. Патент РФ 2268685. Головка эндопротеза тазобедренного сустава / Л.С.Пинчук,Ж.В.Кадолич, Е.А.Цветкова и др. МПК 61 2/32. Опубл. 2000. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6