[go: up one dir, main page]

RU2620549C2 - Calcium carbonate cement for bone defects filling - Google Patents

Calcium carbonate cement for bone defects filling Download PDF

Info

Publication number
RU2620549C2
RU2620549C2 RU2015145819A RU2015145819A RU2620549C2 RU 2620549 C2 RU2620549 C2 RU 2620549C2 RU 2015145819 A RU2015145819 A RU 2015145819A RU 2015145819 A RU2015145819 A RU 2015145819A RU 2620549 C2 RU2620549 C2 RU 2620549C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
calcium carbonate
cement
calcite
powder
bone defects
Prior art date
Application number
RU2015145819A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015145819A (en
Inventor
Ольга Станиславовна Антонова
Сергей Миронович Баринов
Маргарита Александровна Гольдберг
Владимир Сергеевич Комлев
Валерий Вячеславович Смирнов
Сергей Валерьевич Смирнов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН)
Priority to RU2015145819A priority Critical patent/RU2620549C2/en
Publication of RU2015145819A publication Critical patent/RU2015145819A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2620549C2 publication Critical patent/RU2620549C2/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/12Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56Porous materials, e.g. foams or sponges

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: production of calcium carbonate cement for bone defects filling involves application of the calcium carbonate crystalline phase powder - calcite and liquid - 30-60% aqueous solution of magnesium phosphate, with the following component ratio, wt % calcite powder - 40-60%; 30-60% aqueous solution of MgHPO4⋅3H2O and/or Mg(H2PO4)2⋅4H2O - 40-60%. In this case, the resulting material is characterized by compressive strength of at least 8 MPa, porosity of 40-60% with pore sizes up to 1000 microns, setting time of 6-12 minutes, bulk phase is calcite.
EFFECT: increased strength, reduced setting time.
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.

Наиболее перспективными для быстрого восстановления костных тканей человека являются керамические и цементные материалы с высокой скоростью биорезорбции. К таким материалам можно отнести кальцийсодержащие материалы, состоящие из карбоната кальция (КК), представленные в виде 3-х основных фаз - кальцита, арогонита и фатерита (В.В. Смирнов, Н.В. Бакунова, С.М. Баринов и др. Влияние времени старения порошков СаСО3 на спекание и свойства керамики. Неорганические материалы, 2012, т. 48, №4, с. 631-636). Использование цементных материалов имеет ряд существенных преимуществ. В отличие от керамики, цементами можно быстро в ходе операции заполнить костный дефект практически любой формы. Это связано с возможностью получать вязкие цементные растворы в результате смешения цементного порошка с жидкостью. Образующаяся в ходе процесса схватывания цементного раствора пластичная масса легко заполняет костный дефект, схватывается затем за определенное время в прочный цементный камень.The most promising for the rapid restoration of human bone tissue are ceramic and cement materials with a high bioresorption rate. These materials include calcium-containing materials consisting of calcium carbonate (CC), presented in the form of 3 main phases - calcite, arogonite and faterite (V.V. Smirnov, N.V. Bakunova, S.M. Barinov, etc. Effect of the aging time of CaCO 3 powders on sintering and ceramic properties. Inorganic Materials, 2012, v. 48, No. 4, pp. 631-636). The use of cement materials has several significant advantages. Unlike ceramics, cements can quickly fill a bone defect of almost any shape during an operation. This is due to the ability to obtain viscous cement mortars as a result of mixing cement powder with a liquid. The plastic mass formed during the setting process of the cement slurry easily fills the bone defect, then sets in a durable cement stone in a certain time.

Сложность получения цементов связана с необходимостью прохождения процесса схватывания в определенный период времени, достаточный для смешения компонентов цемента и введения полученного раствора в зону дефекта. При этом важным является, чтобы сроки схватывания также не были велики, так как это приводит к увеличению продолжительности проведения хирургического операционного вмешательства. Кроме того, важным является структура материала. Так, например, присутствие крупных пор (от 50 до 500-1000 мкм) способствует повышению скорости биорезорбии и более равномерному образованию костной ткани по всему объему вводимого цементного материала за счет прорастания кровеносных сосудов в поровое пространство, возможности течения физиологических потоков органических жидкостей и миграции костных клеток.The difficulty in obtaining cements is associated with the need to go through the setting process in a certain period of time, sufficient for mixing the cement components and introducing the resulting solution into the defect zone. At the same time, it is important that the setting time is also not large, since this leads to an increase in the duration of the surgical operation. In addition, the structure of the material is important. For example, the presence of large pores (from 50 to 500-1000 μm) contributes to an increase in the rate of bioresorption and more uniform formation of bone tissue throughout the volume of cement material introduced due to the germination of blood vessels in the pore space, the possibility of physiological flows of organic fluids and bone migration cells.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются КК цементы С. Combes, В. Miao, R. Bareille, С. Rey Preparation, physical-chemical characterisation and cytocompatibility of calcium carbonate cements Biomaterials V. 27, №9, 2006, P. 1945-1954. Схватывание цементов происходит в результате прохождения процесса растворения КК в жидкости (вода или 0,9% водный раствор хлорида) с последующей кристаллизацией цемента и образованием цементного камня. КК в данных цементах представляет собой смесь аморфного КК и метастабильной кристаллической фазы КК - фатерита. В результате растворения фатерита и аморфного КК, образуется насыщенный раствор, из которого происходит кристаллизация другой фазы КК - арагонита. В результате схватывания получают цементный материал, состоящий в основном КК в виде арагонита. К недостаткам материала относится отсутствие крупных пор, присутствуют только мелкие поры размером около 1-3 мкм, а также использование технологически сложно получаемого цементного порошка, состоящего из аморфного карбоната кальция и кристаллического фатерита.The closest in technical solution and the achieved effect are CC cements C. Combes, B. Miao, R. Bareille, C. Rey Preparation, physical-chemical characterization and cytocompatibility of calcium carbonate cements Biomaterials V. 27, No. 9, 2006, P. 1945-1954. The setting of cements occurs as a result of the process of dissolution of CC in a liquid (water or 0.9% aqueous solution of chloride), followed by crystallization of cement and the formation of a cement stone. The KK in these cements is a mixture of amorphous KK and the metastable crystalline phase of KK - faterit. As a result of the dissolution of faterite and amorphous KA, a saturated solution is formed, from which crystallization of another KA phase occurs - aragonite. As a result of setting, a cement material is obtained, consisting mainly of CC in the form of aragonite. The disadvantages of the material include the absence of large pores, there are only small pores with a size of about 1-3 microns, as well as the use of technologically difficult to obtain cement powder, consisting of amorphous calcium carbonate and crystalline faterite.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании цементного пористого карбонаткальциевого материала.The problem to which the present invention is directed, is to create a cemented porous calcium carbonate material.

Техническим результатом изобретения является получение карбонаткальциевого цемента для регенеративной костной медицины, характеризующегося высокой пористостью до 60% с размерами пор до 1000 мкм, прочностью при сжатии не менее 8 МПа, содержанием основной фазы -кальцита, временем схватывания 6-12 минут.The technical result of the invention is the production of calcium carbonate cement for regenerative bone medicine, characterized by high porosity up to 60% with pore sizes up to 1000 microns, compressive strength of at least 8 MPa, the content of the main phase -calcite, setting time of 6-12 minutes.

Технический результат достигается тем, что карбонаткальциевый цемент для заполнения костных дефектов согласно изобретению получают, используя порошок кристаллической фазы карбоната кальция – кальцита, и жидкость - водный 30-60% раствор фосфата магния, при следующем соотношении компонентов, масс. %:The technical result is achieved by the fact that calcium carbonate cement for filling bone defects according to the invention is obtained using a powder of the crystalline phase of calcium carbonate - calcite, and a liquid - aqueous 30-60% solution of magnesium phosphate, in the following ratio of components, mass. %:

- порошок кальцита - 40-60%;- calcite powder - 40-60%;

- водный 30-60% раствор MgHPO4⋅3H2O и/или Mg(H2PO4)2⋅4H2O - 40-60%,- 30-60% aqueous solution of MgHPO 4 ⋅ 3H 2 O and / or Mg (H 2 PO 4 ) 2 ⋅ 4H 2 O - 40-60%,

при этом полученный материал характеризуется прочностью при сжатии не менее 8 МПа, пористостью 40-60% с размером пор до 1000 мкм, время схватывания 6-12 минут, основная фаза - кальцит.the resulting material is characterized by compressive strength of at least 8 MPa, porosity of 40-60% with a pore size of up to 1000 microns, setting time of 6-12 minutes, the main phase is calcite.

Цементный материал указанного состава неизвестен.Cement material of the specified composition is unknown.

При смешении порошка с жидкостью происходит взаимодействие между карбонатом кальция и кислой жидкостью, в результате реакции выделяется углекислый газ, что приводит к вспениванию образующегося цементного раствора. После прохождения процесса схватывания поры внутри затвердевшего цемента остаются, а углекислый газ выделяется во внешнюю среду. Схватывание происходит за счет образования аморфной фазы, которая является продуктом реакции между жидкостью и порошком карбоната кальция. Образующаяся аморфная фаза цементирует частицы карбонаткальциевого цемента между собой, образуя прочный каркас, в котором распределены поры, оставшиеся после вспенивания раствора. При использовании жидкости менее 40% цементный раствор становится очень вязким, что не позволяет его использовать как пластичную массу для формования. При использовании жидкости более 60% время схватывания сильно увеличивается - более 20 минут, прочность образующихся цементных образцов резко снижается - менее 5 МПа при сжатии. Полученные значения выходят за пределы заявленных. При использовании жидкости с концентрацией фосфата магния менее 30% прочность образцов меньше 6 МПа, а пористость снижается до 30%, что ниже заявленных значений. При использовании жидкости с концентрацией фосфата магния более 60% цементные образцы не образуются вследствие быстрого схватывания массы.When powder is mixed with a liquid, an interaction occurs between calcium carbonate and an acidic liquid, carbon dioxide is released as a result of the reaction, which foams the resulting cement mortar. After going through the setting process, the pores inside the hardened cement remain, and carbon dioxide is released into the external environment. The setting takes place due to the formation of an amorphous phase, which is the reaction product between the liquid and the calcium carbonate powder. The resulting amorphous phase cements particles of calcium carbonate cement with each other, forming a strong framework in which the pores remaining after foaming the solution are distributed. When using a liquid of less than 40%, the cement mortar becomes very viscous, which does not allow it to be used as a plastic mass for molding. When using a liquid of more than 60%, the setting time is greatly increased - more than 20 minutes, the strength of the resulting cement samples decreases sharply - less than 5 MPa in compression. The obtained values are beyond the declared. When using a liquid with a magnesium phosphate concentration of less than 30%, the strength of the samples is less than 6 MPa, and the porosity is reduced to 30%, which is lower than the declared values. When using a liquid with a magnesium phosphate concentration of more than 60%, cement samples are not formed due to the rapid setting of the mass.

Пример. Цементы получали при смешении 3 г (60%) порошка кальцита с 2 г (40%) цементной жидкости (60% раствор фосфата магния (Mg(H2PO4)2⋅4H2O) в течение 2 минут до образования цементного раствора. После смешения полученный раствор помещали в тефлоновую форму диаметром 8 мм для придания цементным образцам формы. После схватывания полученные образцы вынимали из формы. В результате получали цементные образцы, содержащие кристаллическую фазу 100% кальцит, диаметр образцов 8 мм. Образцы характеризовались 50% пористостью и прочностью при сжатии 12 МПа, размером пор от 50 до 600 мкм, временем схватывания 7 минут. Были изготовлены образцы цементов, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.Example. Cement was prepared by mixing 3 g (60%) of calcite powder with 2 g (40%) of cement liquid (60% solution of magnesium phosphate (Mg (H 2 PO 4 ) 2 ⋅ 4H 2 O) for 2 minutes until the formation of a cement mortar. After mixing, the resulting solution was placed in a Teflon mold with a diameter of 8 mm to shape the cement samples. After setting, the obtained samples were removed from the mold. As a result, cement samples containing a crystalline phase of 100% calcite and a sample diameter of 8 mm were obtained. The samples were characterized by 50% porosity and strength at compression 12 MPa, pore size from 50 to 600 microns, setting time of 7 minutes. Were made samples of cements having compositions within the claimed, and determined their properties in comparison with the prototype. The results are summarized in table.

Figure 00000001
Figure 00000001

55

Claims (4)

Карбонаткальциевый цемент для заполнения костных дефектов, отличающийся тем, что для его получения используют порошок кристаллической фазы карбоната кальция - кальцита, и жидкость - водный 30-60% раствор фосфата магния, при следующем соотношении компонентов, масс. %:Calcium carbonate cement for filling bone defects, characterized in that it is obtained by using a powder of the crystalline phase of calcium carbonate - calcite, and a liquid - aqueous 30-60% solution of magnesium phosphate, in the following ratio of components, mass. %: - порошок кальцита - 40-60%;- calcite powder - 40-60%; - водный 30-60% раствор MgHPO4⋅3H2O и/или Mg(H2PO4)2⋅4H2O - 40-60%,- 30-60% aqueous solution of MgHPO 4 ⋅ 3H 2 O and / or Mg (H 2 PO 4 ) 2 ⋅ 4H 2 O - 40-60%, при этом полученный материал характеризуется прочностью при сжатии не менее 8 МПа, пористостью 40-60% с размером пор до 1000 мкм, время схватывания 6-12 минут, основная фаза - кальцит.the resulting material is characterized by compressive strength of at least 8 MPa, porosity of 40-60% with a pore size of up to 1000 microns, setting time of 6-12 minutes, the main phase is calcite.
RU2015145819A 2015-10-26 2015-10-26 Calcium carbonate cement for bone defects filling RU2620549C2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015145819A RU2620549C2 (en) 2015-10-26 2015-10-26 Calcium carbonate cement for bone defects filling

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015145819A RU2620549C2 (en) 2015-10-26 2015-10-26 Calcium carbonate cement for bone defects filling

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015145819A RU2015145819A (en) 2017-05-02
RU2620549C2 true RU2620549C2 (en) 2017-05-26

Family

ID=58697993

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015145819A RU2620549C2 (en) 2015-10-26 2015-10-26 Calcium carbonate cement for bone defects filling

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2620549C2 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679140C1 (en) * 2017-11-20 2019-02-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Calcium phosphate cement for filling bone defects
RU2697396C1 (en) * 2018-05-30 2019-08-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method of producing biocement for filling bone defects based on dicalcium phosphate dihydrate and calcium sulphate with dihydrate

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060110422A1 (en) * 2004-11-19 2006-05-25 Tas Ahmet C Conversion of calcite powders into macro- and microporous calcium phosphate scaffolds for medical applications
TW201321033A (en) * 2011-11-28 2013-06-01 Univ Nat Cheng Kung Calcium-based bone cement formula with extended setting time

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060110422A1 (en) * 2004-11-19 2006-05-25 Tas Ahmet C Conversion of calcite powders into macro- and microporous calcium phosphate scaffolds for medical applications
TW201321033A (en) * 2011-11-28 2013-06-01 Univ Nat Cheng Kung Calcium-based bone cement formula with extended setting time

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
COMBES C. et al. Preparation, physical-chemical characterisation and cytocompatibility of calcium carbonate cements. Biomaterials. V. 27, N 9, 2006, pp. 1945-1954. *
COMBES C. et al. Preparation, physical-chemical characterisation and cytocompatibility of calcium carbonate cements. Biomaterials. V. 27, N 9, 2006, pp. 1945-1954. СМИРНОВ В.В. Пористые цементы для заполнения дефектов костной ткани. Материаловедение. 2009, N 8, с. 16-19. *
SARIIBRAHIMOGLU K. et al. Effect of calcium carbonate on hardening, physicochemical properties, and in vitro degradation of injectable calcium phosphate cements. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 2012. V. 100A, I. 3, pp. 712-719. *
СМИРНОВ В.В. Пористые цементы для заполнения дефектов костной ткани. Материаловедение. 2009, N 8, с. 16-19. SARIIBRAHIMOGLU K. et al. Effect of calcium carbonate on hardening, physicochemical properties, and in vitro degradation of injectable calcium phosphate cements. Journal of Biomedical Materials Research. Part A. 2012. V. 100A, I. 3, pp. 712-719. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2679140C1 (en) * 2017-11-20 2019-02-06 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Calcium phosphate cement for filling bone defects
RU2697396C1 (en) * 2018-05-30 2019-08-14 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Method of producing biocement for filling bone defects based on dicalcium phosphate dihydrate and calcium sulphate with dihydrate

Also Published As

Publication number Publication date
RU2015145819A (en) 2017-05-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8591645B2 (en) Hydraulic cements with optimized grain size distribution, methods, articles and kits
BRPI0413445A (en) phosphosilicate slurry process and product for use in dentistry and related bone cements
RU2620549C2 (en) Calcium carbonate cement for bone defects filling
CN102552986A (en) Method for preparing porous bone cement by using metal porogen
Kunio et al. Fully-interconnected pore forming calcium phosphate cement
JP2002331026A (en) Orthopaedic filling material and method for using the same
Vásquez Niño et al. Preparation of an injectable macroporous α-TCP cement
ES2345399T3 (en) INJECTABLE COMPOSITE MATERIAL SUITABLE FOR USE AS A OSEO SUBSTITUTE.
Liu et al. A ternary calcium silicate bone cement with high mechanical properties and good operability
RU2485978C1 (en) Porous calcium phosphate cement
Favvas et al. Structural characterization of calcium sulfate bone graft substitute cements
Wang et al. Deriving fast setting properties of tetracalcium phosphate/dicalcium phosphate anhydrous bone cement with nanocrystallites on the reactant surfaces
RU2657568C2 (en) Method for producing calcium carbonate-based biocement for filling bone defects
AU2015325497B2 (en) Method for manufacturing calcium carbonate blocks
RU2617050C1 (en) Bioactive composite material for bone defect replacement and method for its manufacture
JP6414949B2 (en) Self-curing chitosan-containing calcium phosphate composition, kit for producing the composition, and production method
Zhang et al. Mechanical properties of Calcium Phosphate Cements (CPC) for bone substitution: Influence of fabrication and microstructure
Srakaew et al. The pH-dependent properties of the biphasic calcium phosphate for bone cements
RU2679140C1 (en) Calcium phosphate cement for filling bone defects
WO2018168474A1 (en) Calcium phosphate cement composition, calcium phosphate cement kit, and method for producing cured calcium phosphate cement body
RU2585575C1 (en) Method of producing calcium phosphate cement for bone defect filling
RU2281121C1 (en) Material for substituting bone tissue defects
JP6807099B2 (en) Kits for producing bioactive cement pastes and bioactive cements, bioactive cement pastes and methods for producing them
RU2429885C1 (en) Hydroxyapatite and calcium carbonate composite for bone defect filling in plastic surgeries
RU2292868C1 (en) Material for filling maxillofacial and dental bone defects