Способ обработки полимерной головки эндопротеза сустава

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ОБРАБОТКИ ПОЛИМЕРНОЙ ГОЛОВКИ 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(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт механики металлополимерных систем имени В.А.Белого Национальной академии наук Беларуси- 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.(57) Способ обработки полимерной головки эндопротеза сустава, выполненной из сверхвысокомолекулярного полиэтилена, 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 водный раствор, содержащий 7-9 мас.поливинилового спирта, 17-20 мас.стимулятора регенерации тканей хондрозамина и не менее 7 мас.сыворотки крови первой группы, термостатируют при температуре от -30 до -10 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 шаровую головку, образующую пару трения с синовиальным хрящом суставной впадины пациента. Однополюсное эндопротезирование суставов порождает проблемы, связанные с травмированием эластичного хряща впадины жесткой головкой, выполненной из технических материалов. Они начинаются с вправления головки протеза в суставную впадину. При работе реконструированного сустава искусственные головки вызывают разволокнение и ускоренный износ хряща. 14506 1 2011.06.30 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 микропористую структуру,насыщенную жидкостью. Именно способы создания студней в структуре полимерных деталей эндопротезов являются близкими аналогами изобретения. Способ получения пористого полимерного материала 3 заключается в погружении полиэтиленовой пленки в нагретый органический растворитель и выдержки 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 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, 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 ее с помощью растворителя. Сформированный таким образом микропористый слой на поверхности трения головки обрабатывают низкотемпературной плазмой высокочастотного разряда или коронным разрядом так, чтобы поверхностная плотность поляризационного заряда составила 10-710-6 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 обусловливает высокую степень смачивания головки водными растворами, что снижает трение и вероятность травмирования хряща при вправлении. Недостатки прототипа дополнительная процедура смачивания головки усложняет операцию эндопротезирования 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 2 14506 1 2011.06.30 способ не позволяет осуществить хондропротекцию - защиту хряща суставной впадины от деструктивных патологических процессов, развивающихся вследствие постоянного механического травмирования хрящевой ткани искусственной головкой. 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 микропористого слоя, исключить абразивное воздействие головки на хрящ 3) ввести в состав головки лекарственные средства, предотвращающие процессы разрушения хряща и стимулирующие регенерацию хрящевой ткани. Поставленные задачи решаются тем, что известный способ обработки, выполненной из СВМПЭ головки однополюсного эндопротеза сустава, заключающейся в набухании головки в пластификаторе, его экстракции, приводящей к образованию на поверхности трения головки микропористого слоя, обработки его плазмой или коронным разрядом,стерилизации головки ионизирующим излучением, дополнен новыми операциями. Поверхность трения головки смачивают модифицирующей жидкостью, представляющей собой водный раствор следующих веществ (мас. ) поливинилового спирта (ПВС) 79,хондрозамина (лекарственное средство - стимулятор регенерации, код АТС М 09 АХ 02) 1720, сыворотки крови группы 0(1) не менее 7. Благодаря электрической обработке головки и поляризации стенок микропор модифицирующая жидкость проникает в них по механизму поверхностной диффузии. Головку с насыщенным модифицирующей жидкостью микропористым слоем термостатируют при 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 на основе водного раствора ПВС, хондрозамина и сыворотки крови превращается в криогель гетерофазное студнеобразное вещество, имеющее структуру пространственной сетки макромолекул, свободный объем которой заполнен жидкой фазой. Это обусловливает следующие достоинства предложенного способа. 1. Антифрикционность и низкий износ реконструированного сустава. Криогель демонстрирует свойства низкомодульного твердого тела - способность сохранять форму,прочность и эластичность, аналогичные гиалиновому хрящу. В динамическом контакте с находящимися в полости сустава биологическими жидкостями криогель образует пленку,обладающую очень высокой смазочной способностью. Последняя еще более увеличивается,благодаря сыворотке крови, смазочная способность которой рекордно высока 6. Повышенная антифрикционность пары головка эндопротеза-гиалиновый хрящ дает возможность, во-первых, 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. 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 образующихся за сутки продуктах изнашивания предложенной головки при работе однополюсного эндопротеза тазобедренного сустава человека. Сыворотка крови 1-й группы совместима с синовиальной жидкостью абсолютно всех людей, т.к. группы синовии человека по системе АВ 0 идентичны четырем группам его крови 9. 3 14506 1 2011.06.30 3. Хондропротекторное действие. 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,содержащая лекарственное средство - хондрозамин. Его активные компоненты - хондроитин сульфат и глюкозамина гидрохлорид - стимулируют процесс регенерации хрящевой ткани. Хондроитин - высокомолекулярный мукополисахарид (молекулярная масса 2030 тыс. Да) тормозит процесс дегенерации костной ткани, поддерживает вязкость синовиальной жидкости, осуществляет смазку суставных поверхностей, замедляет прогрессирование остеоартрита, нормализует обмен веществ в гиалиновой ткани, стимулирует образование гиалуронатов, синтез протеогликанов и коллагена типа . Глюкозамин - эндогенное вещество, входит в состав протеогликанов и гликозаминогликанов, активирует синтез веществ,являющихся строительным материалом для хрящевой ткани. Комбинация глюкозамина и хондронтина, реализованная в хондрозамине, предотвращает процессы разрушения хряща и стимулирует генерацию хрящевой ткани 10. При приеме лекарства внутрь устойчивый лечебный эффект достигается в результате фильтрации через стенки кровеносных капилляров экссудата крови, белки которого связаны с активными компонентами хондрозамина. Такой экссудат поступает в синовиальную оболочку сустава и обусловливает хондропротекцию. Устойчивый лечебный эффект достигается при приеме хондрозамина в течение полугода. Во время приготовления модифицирующей жидкости для головки эндопротеза реализуется механизм связывания белков сыворотки и компонентов хондрозамина, аналогичный тому, что имеет место в кровеносном русле пациента. Пролонгированное поступление таких комплексных соединений из головки в зону ее динамического контакта с хрящом обусловливает хондропротекцию в течение всего времени жизни имплантированного эндопротеза. Примеры осуществления способа. Головки эндопротеза имели конструкцию, защищенную патентом 11. Сферическую часть головки диаметром 40 мм вытачивали из стержня СВМПЭ марки ,58836 С, 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. В результате на головке формировался 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 10-610-7 Кл/м 2. Согласно предложенному способу готовили жидкость для модифицирования головок. Раствор ПВС марки НПВС-М (ТУ 6-05-05-26-75) получали термостатированием смеси полимер-дистиллированная вода при 80 С при легком покачивании колбы. В приготовленный таким образом и охлажденный до 20 С раствор ПВС добавляли при перемешивании сыворотку крови (СК) группы 0(1) и раствор хондрозамина (Х) в дистиллированной воде. Использовали Хондрозамин , выпускаемый УП Минскинтеркапс 10. Модифицирующая жидкость являлась основой криогеля. В нее окунали обработанную плазмой головку, давали стечь избытку жидкости, помещали головку в криокамеру,выдерживали в течение 1 ч, после чего медленно размораживали с заданной скоростью. В результате этой операции в микропорах поверхностного слоя головки из проникшей туда модифицирующей жидкости формировались включения криогеля. 4 14506 1 2011.06.30 Головки с криогелем, изготовленные предложенным способом, и головки по способу прототипу, подвергнутые лишь обработке плазмой, герметично чехлили в трехслойные пакеты из полиэтиленовой пленки и обрабатывали -излучением (установка РХМ 20,доза - 1 МГй), моделируя процесс радиационной стерилизации имплантатов. Проводили следующие испытания образцов. Прежде всего, по критерию прочности оптимизировали технологические режимы формирования криогелей температуру Т выдерживания 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 криогелей из водного раствора состава(мас. ) ПВС - 8, СК - 7, Х - 17. Представленные в табл. 1 и 3 результаты являются средними значениями не менее чем 10 идентичных измерений, коэффициент корреляции 0,93. Таблица 1 Показатель 8, МПа Значения в для криогелей, сформированных при режимах Т, С Анализ данных табл. 1 приводит к следующим заключениям. 1. Оптимальный диапазон температур формирования криогелей состава ПВССКХ от - 20 С до - 30 С. При Т- 10 С прочность образцов заметно ниже, а при Т- 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 следующем этапе оптимизировали состав модифицирующей жидкости, оценивая,во-первых, ее способность затекать в микропорах головки по величине относительной(относительно воды) вязкости, и во-вторых, коэффициент трения головок. Вязкость измеряли с помощью вискозиметра Гесса, содержащего два определенным образом соединенных капилляра, один из которых заполняли модифицирующей жидкостью, а второй - дистиллированной водой. Критерием пригодности жидкости к модифицированию головок считали значение относительной вязкости 3, имея в виду, что вязкость синовиальной жидкости из условно здорового сустава сж 3. Триботехнические испытания головок 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 трибометр смачивали сывороткой крови, приготовленной для трансфузий на станции переливания крови. Регистрировали значения коэффициента трения исходное 0 - после приработки головки и конечное 1 - после 1 млн. циклов испытания. Составы модифицирующих жидкостей приведены в табл. 2, результаты измерений - в табл. 3. Из анализа табл. 2 и 3 следует 1) оптимальная концентрация ПВС в модифицирующей жидкости С 1(79) мас. ,т.к. при С 16 (образец 1) заключенный в микропорах криогель быстро расходуется и зна 5 14506 1 2011.06.30 чение 10,021 близко к значению 1 для прототипа, а при С 110 резко возрастаети жидкость плохо затекает в поры головки, также приводя к росту 1 (образец 5) Таблица 2 Компоненты жидкости ПВС СК Х Значения показателей для образцов и модифицированных ими головок Показатели 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 прототип 2 3 5 2 3 2 3 5, отн. ед. 0,011 0,015 0,011 0,011 0,013 0 0,021 0,016 0,015 0,017 0,018 0,015 0,015 0,016 0,020 0,027 1 2) оптимальная концентрация СК С 27 мас. , т.к. при С 26 мас. , (образец 6) заметно возрастают значения 0 и 1, а при С 28 мас.(7) эти значения такие же, как и при С 27 (образец 3) 3) оптимальная концентрация Х С 3(1720) мас. , т.к. вязкий водный раствор Х заметно затрудняет проникновение модифицирующей жидкости в микропоры головки (при С 323 мас. ,5, образец 10), а уменьшение С 3 до 15 мас.(8) не только разжижает жидкость, но и снижает концентрацию хондропротектора в поверхностном слое головки 4) головки, модифицированные жидкостью оптимального состава (образцы 2 - 4, 7, 9),превосходят головки, изготовленные способом-прототипом, по смазывающей способности, что исключает необходимость дополнительной операции смачивания головки перед вправлением и делает невозможным ее абразивное воздействие на хрящ 5) головки, изготовленные предложенным способом, содержат в поверхностном слое,контактирующем с хрящом, лекарственные средства, которые стимулируют регенерацию хрящевой ткани. Эффект поступления из головки в контакт с хрящом лекарств-хондропротекторов продолжается в течение всего времени жизни головки (годы) и представлявляет собой не имеющий аналогов новый фармакологический механизм лечебного действия эндопротеза. Альтернативой ему является многолетний пероральный прием лекарств, засоряющих внутренние органы и оказывающих на организм пациента негативное побочное влияние. Таким образом, задачи, поставленные при создании изобретения, решены. Способ предназначен для применения в производстве изделий медицинской техники. Он предусматривает технологическое воздействие на эндопротезы суставов экологически чистых электрических и низкотемпературных полей, открывает новые возможности для совершенствования методики 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. 6 14506 1 2011.06.30 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. Белоенко Е. Д., Чернякова Ю.М., Пинчук Л. С. Трибологическое обоснование метода хондропротекции с помощью аутосыворотки крови и 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. Инструкция по медицинскому применению лекарственного средства Хондрозамин. Минздрав РБ. Рег. номер 06/03/1335. 11. 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. 7