RU2174848C1 - Method for forming bone tissue on the calcium phosphate (hydroxyapatite) base - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine. SUBSTANCE: method involves placing collagen matrix into liquid solution containing calcium, phosphate, and hydroxide ions. Hydroxiapatite precipitation process on collagen is carried out under electrophoresis action. To prevent solution containing calcium from oxidizing, hydroxide or calcium carbonate is added, that prevents the main product (hydroxiapatite) from being dissolved. EFFECT: pH stabilization on collage-working solution separation boundary; uniform salt distribution all over collagen volume. 3 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к созданию твердых тканей на основе фосфата кальция (гидроксоапатита) и коллагена, которые могут быть использованы как при лечении, так и при протезировании участков, пораженных дистрофией, при дефектах костной ткани врожденных и приобретенных заболеваниях. The invention relates to medicine, namely to the creation of hard tissues based on calcium phosphate (hydroxyapatite) and collagen, which can be used both in the treatment and in prosthetics of areas affected by dystrophy, in bone defects of congenital and acquired diseases.

Известен способ формирования костной ткани, когда пересадочный материал приготавливают путем перемешивания деминерализованных и стерилизованных костных частиц с костным морфогенетичсским белком. Таким образом получают коллагеновую губчатую смесь, которую имплантируют в область пораженного участка кости. Однако полученный в этом случае материал не имеет достаточной степени структурной интегрированности компонентов, он также является низкотехнологичным. [Патент США N 4394370]. A known method of forming bone tissue, when the transplant material is prepared by mixing demineralized and sterilized bone particles with bone morphogenetic protein. Thus, a collagen spongy mixture is obtained, which is implanted in the area of the affected area of the bone. However, the material obtained in this case does not have a sufficient degree of structural integration of the components; it is also low-tech. [US Patent No. 4,394,370].

За прототип выбран способ формирования костной ткани, разработанный авторами, в соответствии с которым в коллагеновый матрикс, помещенный в жидкую среду между разноименными электродами, вводятся ионы кальция (Ca²⁺) с одной стороны, а с другой стороны ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-). В результате электрофореза ионы принимают направленное движение, приводящее к реакции:
5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃ (гидроксоапатит).For the prototype, the method of bone tissue formation developed by the authors was selected, according to which calcium ions (Ca ²⁺ ) are introduced on the one hand and phosphate ions (PO ₄ ^3- ) on the collagen matrix placed in the liquid medium between the opposite electrodes ) and hydroxide (OH ^- ). As a result of electrophoresis, ions take a directed movement, leading to a reaction:
5Ca ²⁺ + 3PO ₄ ^3- + OH ^- = Ca ₅ (OH) (PO ₄ ) ₃ (hydroxoapatite).

Полученное вещество (гидроксоапатит) потом осаждается на коллагеновой основе. [Патент РФ N 2053733]. The resulting substance (hydroxyapatite) is then precipitated on a collagen basis. [RF Patent N 2053733].

К недостаткам прототипа следует отнести то, что при пропускании электрического тока одновременно происходит электролиз раствора соли кальция, в результате которого образуется кислота, что связано с появлением в растворе ионов водорода (+H⁺). Это приводит к изменению pH (со стороны ионов кальция до pH = 1,5 - 2,0 и со стороны фосфат-ионов до pH = 5,5 - 6,0). Вместе с ионами кальция (Ca²⁺) ионы водорода (H⁺) диффундируют в коллаген и частично растворяют образующийся гидроксоапатит. Происходит реакция, обратная образованию соли:
Ca₅(OH)(PO₄)₃ + H⁺ = 5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + H₂O
Поэтому равномерного образования солевого компонента во всем объеме имплантата не происходит, несмотря на высокую степень структурной интегрированности компонентов в отдельных местах коллагена во всем объеме она не достигается. Кроме того, образуются побочные продукты, снижающие биологическую эффективность получаемого материала.The disadvantages of the prototype include the fact that when passing an electric current, electrolysis of the calcium salt solution occurs simultaneously, resulting in the formation of acid, which is associated with the appearance of hydrogen ions (+ H ⁺ ) in the solution. This leads to a change in pH (from the side of calcium ions to pH = 1.5 - 2.0 and from the side of phosphate ions to pH = 5.5 - 6.0). Together with calcium ions (Ca ²⁺ ), hydrogen ions (H ⁺ ) diffuse into collagen and partially dissolve the resulting hydroxoapatite. The reverse reaction to salt formation occurs:
Ca ₅ (OH) (PO ₄ ) ₃ + H ⁺ = 5Ca ²⁺ + 3PO ₄ ^3- + H ₂ O
Therefore, the uniform formation of the salt component in the entire volume of the implant does not occur, despite the high degree of structural integration of the components in individual places of collagen in the entire volume, it is not achieved. In addition, by-products are formed that reduce the biological effectiveness of the resulting material.

Технический результат заявленного решения заключается в стабилизации pH на границе коллаген - рабочий раствор: в растворе с ионом кальция до pH = 11, в растворе с фосфат-ионом до pH = 10,5 - 11. Это обеспечивает максимальное приближениие свойств полученного материала к свойствам нативной кости за счет нейтрализации образующихся при электролизе ионов водорода (H⁺), что способствует равномерному распределению солевого компонента во всем объеме коллагена, т.к. исключается частичное растворение соли в отдельных его участках.The technical result of the claimed solution is to stabilize the pH at the border of collagen - working solution: in a solution with calcium ion to pH = 11, in a solution with phosphate ion to pH = 10.5 - 11. This ensures maximum approximation of the properties of the obtained material to the properties of the native bones due to the neutralization of hydrogen ions (H ⁺ ) formed during electrolysis, which contributes to a uniform distribution of the salt component in the entire collagen volume, because partial dissolution of salt in its individual sections is excluded.

Это достигается тем, что в раствор соли кальция вводится гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в избытке относительно основного компонента при постоянном перемешивании.This is achieved by the fact that calcium hydroxide (Ca (OH) ₂ ) is introduced into the calcium salt solution in excess of the main component with constant stirring.

Предложенный способ заключается в следующем. Коллагеновый матрикс помещают в жидкую среду между разноименными электродами. Электроды с одной стороны омываются раствором, содержащим ионы кальция (Ca²⁺), а с другой стороны - раствором, содержащим ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-). При этом происходит реакция:
5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃
Образующийся гидроксоапатит осаждается на коллагеновой основе. Для нейтрализации ионов водорода (H⁺), которые также образуются в результате электролиза в раствор соли кальция, вводят гидроксид кальция (Ca(OH)₂) в избытке относительно основного компонента при постоянном перемешивании.The proposed method is as follows. The collagen matrix is placed in a liquid medium between unlike electrodes. The electrodes are washed on one side with a solution containing calcium ions (Ca ²⁺ ), and on the other hand with a solution containing phosphate ions (PO ₄ ^3- ) and hydroxide (OH ^- ). In this case, the reaction occurs:
5Ca ²⁺ + 3PO ₄ ^3- + OH ^- = Ca ₅ (OH) (PO ₄ ) ₃
The resulting hydroxyapatite precipitates on a collagen basis. To neutralize hydrogen ions (H ⁺ ), which are also formed as a result of electrolysis, calcium hydroxide (Ca (OH) ₂ ) is added in excess to the main component with constant stirring.

Происходит реакция нейтрализации ионов водорода, что предотвращает растворение гидроксоапатита в некоторых участках коллагена:
Ca(OH)₂ + H⁺ = Ca²⁺ + 2H₂O
Другим преимуществом технического решения является постоянное пополнение запасов ионов кальция (Ca²⁺), что положительно влияет на образование солевого компонента в объеме коллагена.A neutralization reaction of hydrogen ions occurs, which prevents the dissolution of hydroxoapatite in some areas of collagen:
Ca (OH) ₂ + H ⁺ = Ca ²⁺ + 2H ₂ O
Another advantage of the technical solution is the constant replenishment of calcium ions (Ca ²⁺ ), which positively affects the formation of the salt component in the volume of collagen.

Полученный материал высушивают, стерилизуют гамма-излучением и подготавливают к имплантации. The resulting material is dried, sterilized by gamma radiation and prepared for implantation.

Пример. Для получения коллагенового матрикса производят деминерализацию кости, далее осаждают коллаген из раствора. Коллагеновый матрикс может быть взят в готовом виде, приготовленный по любой другой технологии. Перед употреблением коллагеновый матрикс гидратируют дистиллированной водой в соотношении по массе 1:20 (вода:коллаген). Example. To obtain a collagen matrix, bone is demineralized, then collagen is precipitated from the solution. The collagen matrix can be taken ready-made, prepared by any other technology. Before use, the collagen matrix is hydrated with distilled water in a ratio by weight of 1:20 (water: collagen).

Гидратированный образец помещают в жидкую среду между разноименными полюсами источника постоянного тока. Один электрод погружают в раствор, содержащий соль кальция (CaCl₂), а другой - в раствор, содержащий ионы фосфата (PO₄ ^3-) и гидроксида (OH^-) (раствор (NH₄)₃PO₄). Кроме того, в раствор соли кальция добавляют избыток (по массе относительно соли кальция) гидроксида кальция (Ca(OH)₂) при постоянном перемешивании раствора.The hydrated sample is placed in a liquid medium between the opposite poles of a direct current source. One electrode is immersed in a solution containing a salt of calcium (CaCl ₂ ), and the other in a solution containing ions of phosphate (PO ₄ ^3- ) and hydroxide (OH ^- ) (solution (NH ₄ ) ₃ PO ₄ ). In addition, an excess (by weight relative to the calcium salt) of calcium hydroxide (Ca (OH) ₂ ) is added to the calcium salt solution with constant stirring of the solution.

Затем в течение 4 - 10 часов через растворы пропускают электрический ток начальной плотностью 50 мА/см². Масса исходного образца 0,4 - 0,6 граммов.Then, for 4 to 10 hours, an electric current with an initial density of 50 mA / cm ^{2 is} passed through the solutions. The mass of the original sample is 0.4 - 0.6 grams.

Под действием электрического тока происходят реакции:
1) 5Ca²⁺ + 3PO₄ ^3- + OH^- = Ca₅(OH)(PO₄)₃
на катоде (в растворе соли CaCl₂) происходит разрядка иона хлора с последующим растворением, что приводит к образованию HCl и накоплению ионов водорода (H⁺). Их нейтрализация обеспечивается Ca(OH)₂ по реакции:
2) Ca(OH)₂ + H⁺ = Ca²⁺ + 2H₂O.Under the influence of electric current, reactions occur:
1) 5Ca ²⁺ + 3PO ₄ ^3- + OH ^- = Ca ₅ (OH) (PO ₄ ) ₃
at the cathode (in a solution of CaCl ₂ salt), the chlorine ion is discharged, followed by dissolution, which leads to the formation of HCl and the accumulation of hydrogen ions (H ⁺ ). Their neutralization is provided by Ca (OH) ₂ by the reaction:
2) Ca (OH) ₂ + H ⁺ = Ca ²⁺ + 2H ₂ O.

В качестве нейтрализующего вещества можно использовать карбонат кальция (CaCO₃).As a neutralizing agent, calcium carbonate (CaCO ₃ ) can be used.

Гидроксоапатит Ca₅(OH)(PO₄)₃, образующийся под воздействием электрофореза, осаждается на коллагене. Процентное содержание солевого компонента в материале зависит от времени и плотности тока. В таблице раскрыта эта зависимость. Полученный материал (коллаген-апатитовый композит или имплантат) был исследован путем заполнения костных полостей. Композит обеспечивает хорошую степень регенерации костной ткани в дефектном участке.Hydroxyapatite Ca ₅ (OH) (PO ₄ ) ₃ , formed by electrophoresis, is deposited on collagen. The percentage of salt component in the material depends on the time and current density. The table shows this relationship. The resulting material (collagen-apatite composite or implant) was examined by filling bone cavities. The composite provides a good degree of bone tissue regeneration in the defective area.

Он не токсичен, не иммуногенен. Имеет высокую степень биосовместимости (без образования антител или отторжения). Равномерность распределения солевого компонента в коллагеновой матрице показана компьютерно-томографически, а также электронографически. It is not toxic, not immunogenic. It has a high degree of biocompatibility (without the formation of antibodies or rejection). The uniform distribution of the salt component in the collagen matrix is shown by computed tomography, as well as electron diffraction.

Положительный эффект предложенного технического решения состоит в получении материала с высокой степенью структурной интегрированности во всем объеме, что обеспечивает высокую скорость регенераторного процесса. The positive effect of the proposed technical solution is to obtain a material with a high degree of structural integration in the entire volume, which ensures a high speed regenerative process.

Claims (1)

Способ формирования костной ткани путем помещения коллагенового матрикса в солевой раствор, содержащий препараты кальция, фосфата и гидроксида с последующим проведением электрофореза, отличающийся тем, что в раствор соли кальция добавляют гидроксид кальция или карбонат кальция. A method of forming bone tissue by placing a collagen matrix in a saline solution containing calcium, phosphate and hydroxide preparations followed by electrophoresis, characterized in that calcium hydroxide or calcium carbonate is added to the calcium salt solution.

Images