Сухая смесь на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты и водная суспензия на ее основе Российский патент 2023 года по МПК A61L27/30 A61L27/32 A61L27/34 A61L27/54 A61L27/58 

Изобретение относится к области медицинских композиционных материалов и препаратов с биологической активностью и с повышенной адгезионной способностью для нанесения на поверхность костных имплантатов на основе металломатричных, керамических и других материалов в качестве биоактивного покрытия при восстановлении и лечении костной ткани, и в качестве носителя биологически активных веществ.

Известен гранулированный материал на основе гидроксиапатита Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂, содержащий 3-4.5 масс.% желатина (патент RU 2753529; МПК C01B25/32, A61K6/838, A61L27/12; 2021 год).

Однако орошение поверхности кристаллического порошка гидроксиапатита водным раствором желатина с последующей вибрационной обработкой в процессе получения материала ведет к неравномерному распределению желатина по поверхности и объему получаемых гранул, что ухудшает адгезию в случае последующего прессования гранул. Кроме того, обработка водным раствором желатина ухудшает условия хранения материала вследствие его возможного закисания.

Известна водная суспензия для получения биоактивного покрытия для восстановления костных тканей, содержащая мелкокристаллический порошок гидроксиапатита состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ с размером частиц не более 10 мкм и 5-10 масс.% водный раствор желатина (патент RU 2717676; МПК 61L27/12, A61L27/44, A61L27/50, A61L31/00; 2020 год).

Однако использование нано- и мелкодисперсного порошка гидроксиапатита при получении суспензии приводит к безвозвратным потерям с пылеуносом. Кроме того, содержание водного раствора желатина в суспензии ухудшает условия хранения материала вследствие его возможного закисания.

Известен биоматериал на основе гидроксиапатита, содержащий фторид кальция и диоксид циркония при соотношении (масс.%): гидроксиапатит - 76-79; фторид кальция - 15-16; оксид циркония - 6-8; при этом гранулированный состав всех компонентов составляет 20-40 мкм (патент RU 2735032; МПК A61L27/02, A61K6/80; 2020 год) (прототип).

Однако известный материал содержит фторид кальция, который не является биологическиактивной добавкой, а введен только в качестве упрочняющей добавки, фторид кальция своим присутствием несколько отдаляет состав композиционного материала от костной ткани, привнося в композиционный материал избыточный фтор, при некоторых условиях способный повредить новые костные образования, для чего необходим жесткий врачебный контроль как за количеством материала, так и за ходом всего лечения. Кроме того, известный материал может быть использован только в качестве биокерамических изделий и не пригоден для нанесения покрытий.

Таким образом, перед авторами стояла задача разработать материал удобный для хранения и транспортировки, и в то же время пригодный для нанесения покрытий на костные имплантаты, оптимального состава максимально близкого к костной ткани, обладающий повышенной адгезионной прочностью на поверхности имплантата или поврежденной ткани, обладающий биодеградацией, способствующий регенерации костной ткани при различных костных патологиях, изготовления костных имплантатов и замещения дефектов, обладающий остеотропным поведением в биологических средах.

Поставленная задача решена в составе сухой смеси на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты, содержащей оксид циркония, которая дополнительно содержит диоксид кремния и желатин при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит - 75 ÷ 79, диоксид циркония - 4 ÷ 6, диоксид кремния - 12 ÷ 16, желатин - 3 ÷ 5, при этом размер частиц смеси составляет 10-50 мкм.

Поставленная задача решена также в составе водной суспензии, в которой использована сухая смесь на основе гидроксиапатита, содержащая диоксид циркония, диоксид кремния и желатин, при разведении ее водой при следующем соотношении (масс.%): смесь - 50 ÷ 60; вода - 40 ÷ 50.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен состав сухой смеси на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты, содержащей оксид циркония, диоксид кремния и желатина в предлагаемых пределах соотношения, а также водной суспензии на основе предлагаемой смеси.

Исследования, проведенные авторами, позволили разработать состав сухой смеси на основе гидроксиапатита, обеспечивающей, с одной стороны, длительный срок хранения без негативных последствий и простые условия транспортировки в случае необходимости, а, с другой стороны, простой способ получения покрытия на костных имплантатах с высокими значениями адгезии с использованием водной суспензии, приготовленной на основе сухой смеси путем разведения ее водой. Дополнительное введение оксида кремния в состав смеси способствует регенерации костной ткани, поскольку кремний относится к группе эссенциальных микроэлементов и является одним из главных компонентов соединительных и костных тканей, способствуя повышению минерализации костей, укрепляя костную ткань. Введение желатина в состав смеси улучшает реологические свойства получаемой на ее основе суспензии и, как следствие, увеличивает пластичность наносимого покрытия, что позволяет наносить покрытие на костные имплантаты различной формы и размера. При этом существенное значение имеет количественный состав смеси, а также соотношение смеси и воды при приготовлении суспензии. Так, при содержании гидроксиапатит менее, чем 75 масс.%, диоксида циркония менее, чем 4 масс.%, диоксида кремния более, чем 16 масс.%, желатина более, чем 5 масс.% наблюдается снижение твердости. При содержании гидроксиапатит более, чем 79 масс.%, диоксида циркония более, чем 6 масс.%, диоксида кремния менее, чем 12 масс.%, желатина менее, чем 3 масс.% наблюдается снижение адгезии. При получении суспензии при увеличении содержания смеси более, чем 60 масс.% наблюдается увеличение вязкости суспензии, что затрудняет нанесение ее на покрываемую поверхность. При получении суспензии при уменьшении содержания смеси менее, чем 50 масс.% часто наблюдается некачественное нанесение на основу имплантата и появление разрывов в покрытии. Размер частиц смеси 10-50 мкм является оптимальным, так как крупные включения, более 50 мкм будут снижать прочность покрытия из-за увеличения границы раздела фаз, а измельчение менее 10 мкм приводит к образованию легкопылящего материала (в ЕС принято положение, относящее к потенциально канцерогенным веществам любое химическое вещество в ультрадисперсном состоянии, то есть частицы с размерами менее 100 нм (0,1 мкм), являются потенциально опасными).

Предлагаемая сухая смесь на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты может быть получена следующим образом. Сухую смесь получают в мельнице при одновременном смешивании и измельчении исходных компонентов: гидроксиапатита, оксида циркония, диоксида кремния и желатина, взятых в соотношении (мас.%): гидроксиапатит - 75÷79; диоксид циркония - 4÷6; диоксид кремния - 12÷16; желатин - 3÷5, до размера частиц 10 - 50 мкм. Полученная порошковая смесь пригодна для длительного хранения и транспортировки. В случае необходимости нанесения покрытия на костный имплантат полученную смесь разводят водой при соотношении, масс.%: смесь - 50 ÷ 60; вода - 40 ÷ 50, наносят на покрываемую поверхность в виде полученной густой суспензии и высушивают на воздухе при комнатной температуре в течение 1-4 часов.

Прочность сцепления биоактивного покрытия с основой определяли методом центробежного отрыва (центрифуга CM-6M, ELMI; центростремительное ускорение 500 м/c²). По полученным методом центробежного отрыва данным была рассчитана адгезионная прочность покрытий (табл.1) на различных матрицах в соответствии с формулой:

P= F_центр./S = m ω²⋅r/S, где

P - адгезионная прочность, H/м²;

m - масса покрытия, кг;

ω - угловая скорость вращения в момент разрыва, с^-2;

r - расстояние от центра масс до оси вращения центрифуги, м;

S - площадь контакта покрытия и подложки, м².

Предлагаемое техническое решение иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Берут 79 г гидроксиапатита, 12 г диоксида кремния, 6 г диоксида циркония и 3 г желатина, что соответствует масс.%: гидроксиапатит - 79, диоксид циркония - 6, диоксид кремния - 12, желатин - 3. Помещают в мельницу и ведут размол до крупности 10-50 мкм, готовую смесь заливают 67 мл теплой воды, что соответствует масс.% : вода - 40, смесь -60, (температура 50-80°С) при перемешивании, выдерживают 10-15 минут и полученную суспензию наносят на заготовку (сталь, пористость 40 % (1) и напечатанный на 3D-принтере образец из титана (2) простым однократным смачиванием. Затем высушивают на воздухе в течение 4 часов при комнатной температуре (25°С). В результате получают покрытие из биоактивного материала на металлической пористой основе. Адгезия приведена в таблице.

Пример 2. Берут 75 г гидроксиапатита, 16 г диоксида кремния, 4 г диоксида циркония и 5 г желатина, что соответствует масс.%: гидроксиапатит - 75, диоксид циркония - 4, диоксид кремния - 16, желатин - 5. Помещают в мельницу и ведут размол до крупности 10-50 мкм, готовую смесь заливают 100 мл теплой воды, что соответствует масс.% : вода - 50, смесь - 50, (температура 50-80°С) при перемешивании, выдерживают 10-15 минут и полученную суспензию наносят на титановую пластину (3) и образец из фарфора (4) простым однократным смачиванием. Затем полученные заготовки высушивают на воздухе в течение 1 часа при температуре ~ 25°С. В результате получают покрытие из биоактивного материала на гладкой основе из металла или керамики. Адгезия приведена в таблице.

Таблица
Адгезия покрытия Исследуемый биоматериал Температура при сушке 25°С Адгезия, H/м² Пример 1 (сталь, пористость 40 %) 1533 Пример 2 (3D-титан) 1517 Пример 3 (пластина титана) 1270 Пример 4 (фарфор) 1189

Таким образом, авторами предлагается сухая композиционная смесь удобная для транспортировки и хранения, после разведения ее теплой водой хорошо наносится на металлическую или керамическую поверхность и после сушки становится биоактивным покрытием для восстановления костной ткани, нанесенным на имплантат, имеющим мелкокристаллическую структуру гидроксиапатит, приобретает повышенную адгезию на гладких поверхностях.

Изобретение относится к области медицинских композиционных материалов и препаратов с биологической активностью и с повышенной адгезионной способностью для нанесения на поверхность костных имплантатов на основе металломатричных, керамических и других материалов в качестве биоактивного покрытия при восстановлении и лечении костной ткани и в качестве носителя биологически активных веществ. Предлагается сухая смесь на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты, содержащая оксид циркония, диоксид кремния и желатин при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит - 75÷79, диоксид циркония - 4÷6, диоксид кремния - 12÷16, желатин - 3÷5, при этом размер частиц смеси составляет 10-50 мкм. Предлагается также водная суспензия для нанесения покрытий на костные имплантаты, в которой использована указанная выше сухая смесь на основе гидроксиапатита, при разведении ее водой при следующем соотношении (масс.%): смесь - 50÷60; вода - 40÷50. Сухая композиционная смесь удобна для транспортировки и хранения, после разведения ее теплой водой хорошо наносится на металлическую или керамическую поверхность имплантата и после сушки становится биоактивным покрытием для восстановления костной ткани с высокими значениями адгезии. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 2 пр.

1. Сухая смесь на основе гидроксиапатита для водных суспензий для нанесения покрытий на костные имплантаты, содержащая оксид циркония, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит диоксид кремния и желатин при следующем соотношении компонентов (масс.%): гидроксиапатит – 75÷79, диоксид циркония – 4÷6, диоксид кремния – 12÷16, желатин – 3÷5, при этом размер частиц смеси составляет 10-50 мкм.

2. Водная суспензия для нанесения покрытий на костные имплантаты, в которой использована сухая смесь на основе гидроксиапатита по п.1, содержащая диоксид циркония, диоксид кремния и желатин, при разведении ее водой при следующем соотношении (масс.%):

Смесь 50 ÷ 60 Вода 40 ÷ 50