СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА ДЛЯ ЗАПОЛНЕНИЯ КОСТНЫХ ДЕФЕКТОВ Российский патент 2007 года по МПК A61L27/10 

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, и может использоваться для изготовления материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.

Применение кальций фосфатной керамики в качестве материала для имплантатов, несущих механические нагрузки, часто невозможно из-за недостаточных прочностных характеристик и трещиностойкости. Поскольку естественная костная ткань является композиционным материалом, состоящим из гидроксиапатита, коллагена и других белков, то значительные перспективы для повышения механических свойств кальций фосфатной керамики, предназначенной для изготовления костных имплантатов, имеет принцип формирования композиционных структур.

Известны работы (1-5), направленные на создание композитов гидроксиапатит-биополимер, которые по составу схожи с естественной костью. Композиты могут быть изготовлены посредством смешивания порошка гидроксиапатита с раствором коллагена и последующим затвердеванием смеси под УФ-излучением или прессованием смеси гидроксиапатит-коллаген при температуре 40°С и давлении 200 МПа. Однако полученные материалы имеют низкие прочностные характеристики, например прочность при растяжении равна 6,5 МПа, а модуль Юнга 2 ГПа. Прочностные свойства большинства композитов гидроксиапатит-коллаген неудовлетворительны. В то же время эти материалы имеют более высокую биоактивность, нежели гидроксиапатит и биополимер-коллаген. Используя коллаген, можно создавать материалы с контролируемой резорбируемостью. Коллаген или желатин часто используют как материал-носитель лекарственных средств пролонгированного действия (5).

Известен метод, основанный на инфильтрации водного раствора мономера ε-капролактон в пористый апатитовый цемент под высоким вакуумом с последующей его in situ полимеризацией при температуре 120 или 80°С и выдержкой 10 или 60 дней соответственно. Способ позволяет повысить прочность при растяжении пористого апатитового цемента лишь максимально в 3,7 раза. Недостатком способа является также длительность технологического процесса (6).

Технический результат предлагаемого изобретения - повышение прочности пористой спеченной керамики фосфата кальция в 5-6 раз и сокращение длительности технологического процесса упрочнения керамики.

Для достижения технического результата предлагается осуществлять инфильтрацию в пористую спеченную кальций фосфатную керамическую матрицу с соотношением Ca/P=1,5 (трехкальциевый фосфат) до 1,67 (гидроксиапатит) водных растворов коллагена, желатина и поливинилового спирта концентрацией от 4 до 10% в вакууме от 0,1 до 3,0 Па в течение 10 и 30 мин при температуре раствора от 20 до 75°C с последующей сушкой композиции при комнатной температуре 24 ч.

Пример 1. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/P=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 4, 7 и 10%-ных растворах коллагена в дистиллированной воде под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора варьировалась от 25 до 75°С. Затем полученные образцы извлекались из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре.

Пример 2. Образцы пористой керамики из трехкальциевого фосфата (Ca/P=1,5) подвергали инфильтрации в 1, 4, 7 и 10%-ных растворах желатина в дистиллированной воде под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора варьировалась от 25 до 75°С. Затем полученные образцы извлекались из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 24 часа при комнатной температуре.

Пример 3. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/P=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 4, 7 и 10%-ных растворах поливинилового спирта в дистиллированной воде под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора варьировалась от 25 до 75°С. Затем полученные образцы извлекались из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 24 часа при комнатной температуре.

В таблицах 1, 2 и 3 приведены свойства композиционных материалов, полученных при различных режимах процесса. Инфильтрация полимера в керамику приводит к повышению прочности до 6 раз. Эффект повышения прочности зависит от свойств полимера, а также от технологических условий эксперимента. При уровне вакуума менее 0,1 Па резко снижается пористость матрицы, а при уровне более 3,0 Па не происходит существенного упрочнения материала. При концентрации раствора биополимера менее 4% не достигается повышение прочности, а при концентрации более 10% инфильтрация полимера затруднена. При температуре раствора ниже 25°С процесс пропитки не реализуем из-за быстрого твердения раствора, а при температуре выше 75°С происходит частичное разложение биополимера. Длительность сушки 24 часа вполне достаточна для удаления воды из композиционного материала.

Таблица 1
Состав и свойства материалов ПолимерКонцентрация раствора, %Температура раствора, °СВремя пропитки, минВакуум, ПаПредел прочности при растяжении, МПа1 (пористая керамика)-----1,02-2,232Коллаген1251012,613Коллаген4251012,654Коллаген7251012,575Коллаген10251013,776Коллаген1301012,597Коллаген4301012,838Коллаген7301012,659Коллаген10301014,4510Коллаген1303014,0211Коллаген4303014,9412Коллаген7303014,3313Коллаген10303014,5014Коллаген4503016,3715Коллаген4753017,9816Коллаген4503037,1517Коллаген4153032,5518Коллаген20303032,1719Коллаген4100303-20Коллаген450300,059,1321Коллаген450303,52,01

Таблица 2
Состав и свойства материалов ПолимерКонцентрация раствора, %Температура раствора, °СВремя пропитки, минВакуум, ПаПредел прочности при растяжении, МПа1 (пористая керамика)-----1,02-2,232Желатин1251012,253Желатин4251012,754Желатин7251013,995Желатин10251015,656Желатин1301012,777Желатин4301014,088Желатин7301016,259Желатин10301017,3410Желатин1303014,7811Желатин4303016,2112Желатин7303017,0113Желатин10303017,3014Желатин4503017,1615Желатин4753018,3516Желатин4503037,1517Желатин4153039,2018Желатин20303032,1419Желатин4100303-20Желатин450300,058,5621Желатин450303,53,02

Таблица 3
Состав и свойства материалов ПолимерКонцентрация раствора, %Температура раствора, °СВремя пропитки, минВакуум, ПаПредел прочности при растяжении, МПа1 (пористая керамика)-----1,02-2,232Поливиниловый спирт1251011,333Поливиниловый спирт4251011,764Поливиниловый спирт7251012,875Поливиниловый спирт10251013,976Поливиниловый спирт1301011,417Поливиниловый спирт4301011,998Поливиниловый спирт7301012,569Поливиниловый спирт10301014,0910Поливиниловый спирт1303011,9211Поливиниловый спирт4303012,3612Поливиниловый спирт7303014,0713Поливиниловый спирт10303015,0514Поливиниловый спирт4503013,6915Поливиниловый спирт4753014,0116Поливиниловый спирт4503034,9917Поливиниловый спирт4153031,8718Поливиниловый спирт20303032,5619Поливиниловый спирт4100303-20Поливиниловый спирт450300,057,4321Поливиниловый спирт450303,52,45

Источники информации

1. Bakos D., Soldan M., Hemandez-Fuentes I. Hydroxyapatite-collagen-hyaluronic acid composite // Biomaterials. 1999. V.20. P.191-195.

2. Sotome S., Uemura Т., Kikuchi M., Chen J., Itoh S., Tanaka J., Tateishi Т., Shinomiya K. Synthesis and in vivo evaluation of a novel hydroxyapatite/collagen-alginate as a bone filler and a drug delivery carrier of a bone morphogenetic protein // Mater. Sci. Eng. C. 2004. V.24, N3. P.341-347.

3. Zhang L., Feng X., Liu H., Qian D., Zhang L., Yu X., Cui F. Hydroxyapatite/collagen composite materials formation in simulated body fluid environment // Mater. Lett. 2004. V.58, №5. P.719-722.

4. Kikuchi M., Matsumoto H.N., Yamada Т., Koyama Y., Takakuda K., Tanaka J. Glutaraldehyde cross-linked hydroxyapatite/collagen self-organized nanocomposites // Biomaterials. 2004. V.25, N1. P.63-69.

5. Suchanek W., Yoshimura M. Processing and properties of HA-based biomaterials for use as hard tissue replacement implants // J.Mater. Res. Soc. 1998. V.13, №1. P.94-103.

6. Walsh D., Furuzono Т., Tanaka J. Preparation of porous composite implant materials by in situ polymerization of porous apatite containing ε-caprolactone or methylmethacrylate. Biomaterials. 2001. V.22, N11. P.1205-1212.

Изобретение относится к области медицины и касается производства материалов, используемых в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. Способ получения композиционного материала для заполнения костных дефектов заключается в инфильтрации в пористую керамическую матрицу из кальций фосфатной керамики с соотношением Ca/P от 1,5 до 1,67 раствора коллагена, или желатина, или поливинилового спирта концентрацией от 4 до 10% под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин при температуре раствора от 20 до 75°C с последующей сушкой композиции в течение до 24 часов. Предлагаемый способ позволяет повысить прочность керамики в 5-6 раз, а также сокращается длительность технологического процесса. 3 табл.

Способ получения композиционного материала для заполнения костных дефектов, заключающийся в инфильтрации в пористую керамическую матрицу из кальций фосфатной керамики с соотношением Ca:P от 1,5 до 1,67 раствора коллагена или желатина или поливинилового спирта концентрацией от 4 до 10% под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин при температуре раствора от 20 до 75°C с последующей сушкой композиции в течение до 24 ч.