RU2322228C1 - Composition material for filling osseous defects based on calcium-phosphate cement - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine, osteoplasty.

SUBSTANCE: invention relates to cement materials used in plastic reconstruction of damaged osseous tissues. Composition material is prepared on basis of reaction-hardening mixture of the following powders: hydroxyapatite, tricalcium phosphate, tetracalcium phosphate and titanium powder as an additive. As a mixing liquid method involves using solution of magnesium, potassium and/or sodium phosphates, phosphoric acid and water wherein components are taken in the definite ratio. Strength carcass is formed in the hardening process of the material showing uniform distribution of titanium particles that promote to enhancing strength and crack-resistance. High mechanical indices and availability of the parent materials provide broad using this material for closing cavities in osseous tissues, among them complex-loaded ones.

EFFECT: improved and valuable properties of material.

1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.The invention relates to medicine, namely to plastic reconstruction of damaged bone tissue.

Кальцийфосфатные цементы получают на основе реакционно-твердеющей смеси порошков смеси (РПС) из двух или более фосфатов кальция и затворяющей жидкости (ЗЖ). Исходный порошок представляет смесь кислых и основных фосфатов кальция. При добавлении в смесь ЗЖ компоненты начинают взаимодействовать между собой через жидкую фазу по механизму растворения-осаждения с образованием нейтральных (рН~7) фосфатов. В качестве исходной смеси (В.В.Самускевич, Н.Х.Белоус, Л.Н.Самускевич, А.А.Добрышевская. «Цемент водного затворения на основе гидроксиапатита и термообработанного дигидрофосфата кальция». Неорганические Материалы, 2000, т.36, №9, с.1148-1152) использовали смесь порошков ГА и дигидрофосфата кальция, в качестве ЗЖ использована вода. При добавлении затворяющей жидкости между компонентами РПС происходит взаимодействие с образованием аморфной фазы, которая в процессе схватывания переходит в кристаллический ГА.Calcium phosphate cements are prepared on the basis of a reaction-hardening mixture of powders of a mixture (RPS) from two or more calcium phosphates and a solidifying liquid (GC). The starting powder is a mixture of acidic and basic calcium phosphates. When GIs are added to the mixture, the components begin to interact with each other through the liquid phase by the dissolution-precipitation mechanism with the formation of neutral (pH ~ 7) phosphates. As the initial mixture (V.V. Samuskevich, N.Kh. Belous, L.N. Samuskevich, A.A. Dobryshevskaya. “Water mixing based on hydroxyapatite and heat-treated calcium dihydrogen phosphate.” Inorganic Materials, 2000, vol. 36 , No. 9, p.1148-1152) used a mixture of powders of HA and calcium dihydrogen phosphate, water was used as a coolant. Upon the addition of a shutting fluid between the components of the RPS, an interaction occurs with the formation of an amorphous phase, which in the process of setting passes into crystalline HA.

Предложенные материалы могут быть использованы в качестве цементных паст для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов. Недостатком данных материалов является низкая прочность.The proposed materials can be used as cement pastes for filling bone maxillofacial and dental defects. The disadvantage of these materials is low strength.

Наиболее близким по техническому решению является материал для замещения дефектов костной ткани (патент RU 228112 С1 от 10.08.06, разделы: А61К 6/033, A61L 27/00), состоящие из смеси порошков гидроксида кальция и однозамещенного фосфата калия, в качестве ЗЖ - раствор фосфатов магния в фосфорной кислоте. При смешении смеси порошков с ЗЖ образуется тестоподобная масса, которая со временем схватывается до образования прочного цементного камня. Существенным недостатком данного материала является низкая трещиностойкость (0,1 МПа·м^0,5) и прочность (30 МПа), что не позволяет использовать его для устранения дефектов сложнонагруженных участков костной ткани.The closest in technical solution is the material for the replacement of defects in bone tissue (patent RU 228112 C1 from 08/10/06, sections: A61K 6/033, A61L 27/00), consisting of a mixture of powders of calcium hydroxide and monosubstituted potassium phosphate, as a fatty acid - a solution of magnesium phosphates in phosphoric acid. When a mixture of powders is mixed with a coolant, a dough-like mass is formed, which over time sets to form a strong cement stone. A significant drawback of this material is its low crack resistance (0.1 MPa · m ^0.5 ) and strength (30 MPa), which does not allow its use to eliminate defects in complex areas of bone tissue.

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности кальцийфосфатного цементного материала. Для достижения технического результата предлагается использовать в качестве РПС смесь порошков ГА, ТКФ, тетракальцийфосфата (ТТКФ) с добавкой порошок титана, в качестве ЗЖ раствора фосфатов магния, калия и натрия в фосфорной кислоте, что позволяет существенно повысить трещиностойкость и прочность цементного материала на основе ГА.The technical result of the invention is to increase the strength of calcium phosphate cement material. To achieve a technical result, it is proposed to use as a RPS a mixture of powders of HA, TKF, tetracalcium phosphate (TTKF) with the addition of titanium powder, as a ZH solution of magnesium, potassium and sodium phosphates in phosphoric acid, which can significantly increase the crack resistance and strength of a HA-based cementitious material .

Цемент, состоящий из порошковой смеси: ГА, ТТКФ и ТКФ (РПС) и добавки -титановый порошок и ЗЖ на основе фосфатов магния, натрия и калия, - не известен. Содержание в РПС ГА 0-80 мас.%, ТТКФ 0-100 мас.%, ТКФ 0-100 мас.%. Содержание добавки (порошкового титана) 5-60 мас.% в смеси РПС-титан.Cement consisting of a powder mixture: GA, TTKF and TKF (RPS) and additives - titanium powder and ZH on the basis of magnesium, sodium and potassium phosphates - is not known. The content in the RPS GA is 0-80 wt.%, TTKF 0-100 wt.%, TKF 0-100 wt.%. The content of the additive (titanium powder) 5-60 wt.% In a mixture of RPS-titanium.

Отношение количества вводимой затворяющей жидкости ЗЖ (мл) к количеству смеси РПС-титан (г) должно быть в пределах 0.45-0,75 (ЗЖ (мл)/ РПС - титан (г)=0,45-0,75). Время схватывания изменялось от 2 до 40 минут в зависимости от количества и состава ЗЖ, соотношения фосфатов кальция в РПС и количества добавки (порошок титана). После добавления ЗЖ в смесь РПС-титан, жидкая фаза вступает в реакцию с РПС, при этом происходит частичное растворение РПС с последующим осаждением в виде упрочняющей аморфной или кристаллической фазы. В процессе схватывания формируется структура, состоящая из кристаллов фосфатов кальция и частиц титана, которые покрыты прослойками упрочняющей цементирующей фазы, обеспечивающей прочное сцепление частиц между собой. Введение в количествах более 80 мас.% ГА и менее 20 мас.% ТТКФ или ТКФ в РПС, а так же использование более 60% добавки порошка титана в смеси РПС-титан, приводит к быстрому схватыванию твердеющей смеси и ее плохой формуемости ввиду высокой вязкости, что затрудняет применение данного материала для закрытия костных дефектов. Кроме того содержание свыше 60 мас.% титана в смеси РПС-титан приводит к разупрочнению материала до значений прочности меньше, чем без титаносодержащий цемент. При использовании менее 5 мас.% порошка титана не достигается увеличение трещиностойкости цементных образцов. В случае использования затворяющей жидкости в количестве, меньшем нижнего предела (ЗЖ (мл) / твердое (г)<0,45) или использованию высококонцентрированных растворов ЗЖ с содержанием фосфата магния более 75 мас.% и суммарного содержания фосфата калия и натрия более 25%, получаемая смесь имеет высокую вязкость, что приводит к образованию многочисленных трещин при формовании изделия необходимой конфигурации. При применении ЗЖ в количестве выше верхнего предела (ЗЖ (мл) / ЦПС (г)>0,75) и разбавленных растворов с большим содержанием воды, более 45 мас.%, содержанием фосфата магния менее 15 мас.%, смесь получается слишком жидкой, что не позволяет формовать изделия ввиду растекания смеси. Кроме того, значительно увеличивается время схватывания, что приводит к снижению прочности, особенно в первые минуты твердения. При введении суммарного содержания фосфата калия и натрия менее 3,5 мас.% повышается пористость образцов, что приводит к резкому падению прочности.The ratio of the amount of introduced coolant liquid ZH (ml) to the amount of the mixture of RPS-titanium (g) should be in the range 0.45-0.75 (ZZ (ml) / RPS - titanium (g) = 0.45-0.75). The setting time ranged from 2 to 40 minutes depending on the amount and composition of the coolant, the ratio of calcium phosphates in the RPS and the amount of additive (titanium powder). After the addition of the coolant to the RPS-titanium mixture, the liquid phase reacts with the RPS, while the RPS is partially dissolved, followed by precipitation in the form of a strengthening amorphous or crystalline phase. In the process of setting, a structure is formed consisting of crystals of calcium phosphates and titanium particles, which are coated with layers of a hardening cementing phase, which ensures strong adhesion of the particles to each other. The introduction in amounts of more than 80 wt.% HA and less than 20 wt.% TTKF or TKF in RPS, as well as the use of more than 60% of the addition of titanium powder in a mixture of RPS-titanium, leads to a quick setting of the hardening mixture and its poor formability due to high viscosity , which makes it difficult to use this material to close bone defects. In addition, the content of more than 60 wt.% Titanium in the mixture of RPS-titanium leads to softening of the material to values of strength less than without titanium-containing cement. When using less than 5 wt.% Titanium powder, an increase in crack resistance of cement samples is not achieved. In the case of using a shutting fluid in an amount less than the lower limit (GJ (ml) / solid (g) <0.45) or the use of highly concentrated solutions of GJ with a magnesium phosphate content of more than 75 wt.% And a total content of potassium and sodium phosphate of more than 25% , the resulting mixture has a high viscosity, which leads to the formation of numerous cracks during molding of the product of the desired configuration. When using a coolant in an amount above the upper limit (coolant (ml) / CPS (g)> 0.75) and dilute solutions with a high water content of more than 45 wt.%, Magnesium phosphate content of less than 15 wt.%, The mixture is too liquid that does not allow to form products due to spreading of the mixture. In addition, the setting time is significantly increased, which leads to a decrease in strength, especially in the first minutes of hardening. With the introduction of a total content of potassium phosphate and sodium of less than 3.5 wt.%, The porosity of the samples increases, which leads to a sharp decrease in strength.

Пример получения образца №1. Порошок РПС, содержащий 15 г ГА, 10 ТКФ и 15 г ТТКФ смешивают с добавкой - 10 г порошка титана в планетарной мельнице корундовыми шарами в течение 10 минут. Полученную смесь РПС - титан в количестве 0,4 г смешивают с 0,25 мл ЗЖ (65 мас.% фосфата магния и 10 мас.% фосфата калия, 10 мас.% фосфата натрия, фосфорной кислоты 8 мас.%, 7 мас.% воды). Смешение проводят в течение 1-2 минут металлическим шпателем на стекле до сметаноподобного состояния, после чего смесь помещают в цилиндрическую пресс-форму диаметром 8 мм. По истечении нескольких минут отформованный образец вынимают и помещают в термостат при температуре 37°С в раствор SBF (Simulated Body Fluid), соответствующем плазме крови человека. Через 24 часа отвержденный образец имеет прочность на сжатие 120 МПа и трещиностойкость 0,8 МПа·м^0,5.An example of obtaining sample No. 1. An RPS powder containing 15 g of HA, 10 TCF and 15 g of TTFC is mixed with an additive of 10 g of titanium powder in a planetary mill with corundum balls for 10 minutes. The resulting mixture of RPS - titanium in an amount of 0.4 g is mixed with 0.25 ml of ZH (65 wt.% Magnesium phosphate and 10 wt.% Potassium phosphate, 10 wt.% Sodium phosphate, phosphoric acid 8 wt.%, 7 wt. % water). Mixing is carried out for 1-2 minutes with a metal spatula on the glass to a sour cream-like state, after which the mixture is placed in a cylindrical mold with a diameter of 8 mm After several minutes, the molded sample is taken out and placed in a thermostat at a temperature of 37 ° C in a solution of SBF (Simulated Body Fluid), corresponding to human blood plasma. After 24 hours, the cured sample has a compressive strength of 120 MPa and a crack resistance of 0.8 MPa · m ^0.5 .

Аналогично были изготовлены образцы, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.Similarly, samples were made having compositions within the claimed, and their properties were determined in comparison with the prototype. The results are summarized in table.

Предлагаемый композиционный материал на основе кальцийфосфатного цемента состоит из смеси порошков ГА, ТТКФ, ТКФ с добавкой порошок титана и ЗЖ-растворов фосфатов магния, натрия и калия в фосфорной кислоте, характеризуется более высокой трещиностойкостью прочностью.The proposed composite material based on calcium phosphate cement consists of a mixture of powders of HA, TTKF, TKF with the addition of titanium powder and GF solutions of magnesium, sodium and potassium phosphates in phosphoric acid, characterized by higher crack resistance and strength.

  ЗЖ, мл / РПС-титан, г.ZH, ml / RPS-titanium, g. Титан, мас.%Titanium, wt.% Соотношение компонентов в РПС, мас.%The ratio of components in the RPS, wt.% Состав ЗЖ, мас.%The composition of the fatty acids, wt.% Трещиностойкость, МПа·м^0,5 Crack resistance, MPa · m ^0.5 Прочность на сжатие, МПа¹ Compressive strength, MPa ¹       ГАGA ТТКФTTKF ТКФTkf Фосфат магнияMagnesium Phosphate Фосфат калияPotassium phosphate Фосфат натрияSodium phosphate Фосфорная кислотаPhosphoric acid ВодаWater     1one 0.620.62 20twenty 37,537.5 37,537.5 2525 6060 1010 1010 1313 77 0,80.8 120120 22 0.750.75 6060 8080 15fifteen 55 15fifteen 15fifteen -- 6060 55 0,30.3 6767 33 0.450.45 30thirty 00 100one hundred 00 7575 3,53,5 -- 1010 11,511.5 0,250.25 8080 4four 0.550.55 55 00 00 100one hundred 20twenty -- 2525 1010 4545 0,20.2 6565 5 (прототип)5 (prototype) 0.50.5 -- -- -- -- ++ -- -- ++ ++ 0,10.1 30thirty 66 0.250.25 7070 9595 55 -- 8888 -- -- 4four 88 -- ОбразецSample                         рассыпалсяcrumbled 77 0.40.4 -- 55 9595 -- 1010 55 30thirty 55 50fifty 0,150.15 15fifteen 88 0.80.8 4040 9090 55 55 55 1717 -- 7070 88 0,10.1 1010 Примечание. + в таблице отмечено присутствие данного компонента в ЗЖ.Note. + the table shows the presence of this component in the coolant. Испытания проводили через 24 часа после затворения.Tests were performed 24 hours after mixing.

Claims (1)

Композиционный материал для заполнения костных дефектов на основе кальцийфосфатного цемента содержащего реакционно-твердеющую смесь порошков гидроксиапатита, трикальцийфосфата и затворяющую жидкость, содержащую фосфат магния, фосфорную кислоту и воду, отличающийся тем, что реакционно-твердеющая смесь порошков дополнительно содержит тетракальцийфосфат и добавку - порошок титана, а затворяющая жидкость дополнительно содержит фосфат калия и/или натрия при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:Composite material for filling bone defects based on calcium phosphate cement containing a reaction-hardening mixture of hydroxyapatite powders, tricalcium phosphate and a mixing liquid containing magnesium phosphate, phosphoric acid and water, characterized in that the reaction-hardening powder mixture additionally contains tetracalcium phosphate and an additive - and the shutting fluid additionally contains potassium and / or sodium phosphate in the following quantitative components, wt.%: реакционно-твердеющая смесь порошков:reaction-hardening mixture of powders: гидроксиапатитhydroxyapatite не более 80no more than 80 тетракальцийфосфатtetracalcium phosphate не более 100no more than 100 трикальцийфосфатtricalcium phosphate не более 100no more than 100 при следующем соотношении добавки - порошка титана к реакционно-твердеющей смеси порошков, мас.%:in the following ratio of the additive - titanium powder to the reaction-hardening mixture of powders, wt.%: реакционно-твердеющая смесь порошковpowder hardening mixture 40,0-95,040.0-95.0 порошок титанаtitanium powder 5,0-60,05.0-60.0 затворяющая жидкостьshutting fluid фосфат магнияmagnesium phosphate 15,0-75,015.0-75.0 фосфат калия и/или натрияpotassium and / or sodium phosphate 3,5-25,03,5-25,0 фосфорная кислотаphosphoric acid 10,0-65,010.0-65.0 водаwater остальноеrest причем количество затворяющей жидкости (мл) к количеству реакционно-твердеющей смеси порошков(г) находится в пределах 0,45-0,75.moreover, the amount of solidifying liquid (ml) to the amount of the reaction-hardening mixture of powders (g) is in the range of 0.45-0.75.