Способ выращивания кристаллов кальция карбоната и гидроксиапатита на углеродных наноструктурных имплантатах Российский патент 2023 года по МПК A61L27/32 C01B25/32 C01F11/18 B82Y5/00 

Способ относится к химии и медицине, в частности к подготовке углеродных наноструктурных имплантатов к применения в качестве трансплантата при переломах и других нарушениях структуры кости.

Углеродные наноструктурные имплантаты (УНИ) являются сравнительно новыми материалами, успешно применяемыми в восстановительной хирургии. Обладая прекрасными механическими характеристиками, имплантаты из углеродного волокна претендуют на роль уникального заместителя костной ткани. Однако биологические свойства этих материалов оставляют желать лучшего.

Врачи отмечают, что зачастую не происходит интеграции УНИ с костной тканью и не наблюдается образования костно-углеродного блока. Клинические наблюдения показывают, что внедренный УНИ не всегда обеспечивает активный рост новообразующейся кости в его порах [Савинцев A.M. Применение наноструктурных углеродных имплантов в хирургическом лечении поперечного плоскостопия / A.M. Савинцев, И.В. Сорокин // Вестник Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. - 2020. -Т.12, №1. - С.45-52].

Известен композиционный углеродный наноматериал для замещения костных дефектов, способ его изготовления и имплантат из композиционного углеродного наноматериала [пат.RU№2617052].

Он включает пироуглеродную матрицу и волокнистую армирующую основу, выполненную в виде каркаса из стержней, содержащих углеродные волокна, ориентированные вдоль оси стержней. Материал выполнен послойным, стержни каждого слоя ориентированы относительно стержней предыдущего и последующего слоя под углом 60°, при этом средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала менее 30 нм, Описан также способ получения материала, содержащего пироуглеродную матрицу и многонаправленный армирующий каркас из стержней, сформованных из углеродных волокон, расположенных вдоль оси стержней, при этом материал имплантата имеет модуль упругости не более 15 ГПа, открытая пористость материала не менее 5% об., а средний размер графитоподобных фрагментов в структуре материала не превышает 30 нм. Материал и имплантаты из него для замещения костных дефектов обладают механическими свойствами, близкими к свойствам кости.

Известен способ получения композитных углерод-карбидокремниевых волокон [пат.RU 2771029], сердцевина которых состоит из углерода, а оболочка образована субмикрокристаллическим карбидом кремния. Технология основана на неполной конверсии углеродных волокон в карбид кремния путем силицирования в газовой атмосфере, содержащей монооксид кремния (SiO). Силицирование проводят в условиях пренебрежимо малых градиентов концентраций силицирующего реагента газа SiO и газообразного продукта газа СО. Силицирующую термическую обработку углеродных волокон осуществляют в реакторе полузакрытого типа, внутри которого предусмотрена специальная секция химического газообмена, где размещают гранулированную смесь, содержащую кремний и диоксид кремния, которая при нагревании генерирует газ SiO и связывает газ СО, образующийся в ходе конверсии материала углеродного волокна в карбид кремния. Термообработку проводят в условиях непрерывной вакуумной откачки газообразных продуктов при температуре 1300-1400°С до прекращения генерирования газа SiO.

Недостатки способа - технологическая сложность изготовления, нет сведений о возможности интегрировать композитные углерод-карбидокремниевые волокна в костную ткань.

Известно использование использовано в стоматологии и травматологии имплантата с композитным нанопокрытием [пат.RU 2765921 от 04.02.2022].

Авторы разработали биоактивное нанопокрытие на основе кальций-фосфатно- углеродного композита и способ его получения, включающий следующие этапы: а) печать имплантата на 3D-принтере из титана; б) обработку поверхности имплантата ускоренными до 1 кэВ ионами аргона при давлении 2-6×10-2 Па с подачей отрицательного напряжения-смещения с постепенным увеличением его от 800 до 1500 В в течение 1 ч; в)послойное напыление на основу имплантата многослойного покрытия, представляющего собой композит толщиной до 2 мкм, выполняемого в два этапа. Получаемый по изобретению имплантат характеризуется высокой биосовместимостью, бактерицидными свойствами, поскольку снижает выраженные дистрофические и некротические процессы живой ткани, повышенным уровнем прочности поверхности имплантата. К недостаткам можно отнести технологическую сложность и дороговизну выполнения способа.

Технический результат - увеличение биоактивности УНИ, полное насыщение пор матрицы имплантата соединениями кальция, что способствует лучшей адаптации имплантов к костной ткани живого организма.

Нанесение на углеродные волокна неорганических соединений, имитирующих состав костной ткани человека, могут привести к активному росту новообразующейся кости, увеличению интеграции УНИ с костной тканью, образованию единого костно-углеродного блока на месте травмы и, в конечном итоге, сокращению периода реабилитации.

Для эксперимента были выбраны УНИ, произведенные в лаборатории углеродных и карбидных материалов (Центральный НИИ материалов, г. Санкт-Петербург). Материалы являются композитами, содержащими углеродные волокна, связанные в единый блок углеродной матрицей. Материал термически устойчив (до 3500°С), прочность при сжатии - более 40МПа, при изгибе - более 20МПа, модуль упругости - более 29ГПа, общая пористость - 11-22% об., открытая пористость - 6-15% об. Санитарно-химические и токсикологические испытания показали, что УНИ не токсичен и не обладает раздражающим, сенсибилизирующим действием.

Перед работой образцы УНИ погружали в ацетон на 10 мин., затем сушили на воздухе при комнатной температуре.

Готовили водные растворы Са(NO₃)₂, NHCO₃, (NH₄)₂НРО₄В работе использовали следующие концентрации растворов: 1М и 0.1М нитрат кальция; 1М гидрокарбонат натрия; 0.06М гидрофосфат аммония. Для поддержания щелочного значения рН использовали концентрированный аммиак.

Образцы УНИ погружали в 1М раствор нитрата кальция, добавляли 1М гидрокарбонат натрия. Объемы рассчитывали так, чтобы мольное соотношение этих солей составляло 1:2, соответственно. При интенсивном выделении углекислого газа волокна имплантата быстро покрывались растущими кристаллами кальция карбоната, который исследовали физико-химическими методами.

При погружении образцов в раствор гидрофосфата аммония и поддержании щелочного значения рН выращивали кристаллы гидроксиапатита. Каждые 3 дня производили поочередную смену фосфатных и кальциевых растворов, итого 3 раза, затем образцы промывали дистиллированной водой и сушили на воздухе. Образцы, содержащие основный фосфат кальция - гидроксиапатит, исследовали физико-химическими методами.

Для определения количества образовавшихся кристаллов образцы дополнительно сушили в термостате до постоянной массы.

Резорбируемость, то есть потерю массы, образцов исследовали в буферном растворе при рН=7,4, что соответствует нормальному значению этого показателя в крови. Длительность исследования составила 14 суток.

Для очистки поверхности УНИ от образовавшихся кристаллов использовали 10% азотную кислоту.

Следует подчеркнуть, что предложенная методика позволяет именно выращивать кристаллы, а не насыщать (импрегнировать) матрицу УНИ уже готовыми соединениями, как было предложено нами ранее [Пономарева Н.И., Попрыгина Т.Д., Пономарев Ю.А., Солдатенко С.А. Исследование резорбируемости гидроксиапатита в составе импрегнированных углеродистых имплантатов. // Журнал общей химии. 2012. Т.82. Вып.9. С. 1412-1416]. Данные по гидроксиапатиту, основному неорганическому компоненту костной ткани, выращенному на подложке из кальция карбоната, представлены в таблице.

Следует подчеркнуть, что нанесение кристаллов кальция карбоната имеет еще одно серьезное преимущество: реакция протекает легко и быстро, не требует дополнительных условий и дорогостоящего оборудования. За несколько минут поры УНИ покрываются кристаллами, имеющими большее сродство к костной ткани, чем чистый углерод.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить следующий, не достигаемый иными путями, результат: адсорбируясь на углеродных волокнах имплантатов соединения с ионным типом связи, какими являются кальция карбонат и гидроксиапатит, уменьшают гидрофобность поверхности, при этом при становится возможным нанесение и хорошее удержание на обработанных имплантах полярных веществ, включая антимикробные и фунгицидные агенты, применяемые в хирургической практике.

Изобретение может быть использовано при изготовлении костных имплантатов. Способ выращивания кристаллов кальция карбоната и гидроксиапатита на углеродных наноструктурных имплантатах включает предварительное погружение имплантата в ацетон на 10 минут с последующим высушиванием. Затем имплантат погружают в 1 М раствор нитрата кальция и добавляют 1 М раствор гидрокарбоната натрия так, чтобы мольное соотношение этих солей составляло 1:2. После чего проводят поочередную обработку имплантата в 0,06 М растворе гидрофосфата аммония, поддерживая щелочное значение рН, и 0,1 М растворе нитрата кальция. Производят трижды поочередную смену фосфатных и кальциевых растворов каждые 3 дня. Обработанные образцы промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе. Изобретение позволяет увеличить биоактивность имплантатов за счет насыщения пор матрицы соединениями кальция. 1 табл.

Способ выращивания кристаллов кальция карбоната и гидроксиапатита на углеродных наноструктурных имплантатах (УНИ), включающий предварительное погружение в ацетон на 10 минут с последующим высушиванием, отличающийся тем, что УНИ погружают в 1 М раствор нитрата кальция, добавляют 1 М раствор гидрокарбоната натрия; объемы рассчитывают так, чтобы мольное соотношение этих солей составляло 1:2 соответственно; после чего проводят поочередную обработку в 0,06 М растворе гидрофосфата аммония, поддерживая щелочное значение рН, и 0,1 М растворе нитрата кальция; производят трижды поочередную смену фосфатных и кальциевых растворов каждые 3 дня; образцы промывают дистиллированной водой и высушивают на воздухе.