Способ получения материала на основе криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита Российский патент 2025 года по МПК C08J3/75 C08L29/04 

Изобретение относится к способу получения материала на основе криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита, потенциально пригодного для пластической реконструкции повреждённых костей, включающий получение гидроксиапатита в присутствии раствора ПВС с последующим формированием криогеля при определённых термических циклах замораживания-оттаивания.

Характерной особенностью полимерных криогелей является их гетерофазная и гетеропористая морфология. Помимо этого, в таких системах макропоры, как правило, связаны между собой, в силу того, что при замерзании кристаллы растворителя растут, как правило, от периферии сосуда к центру до момента соприкосновения с гранью другого кристалла [Лозинский В.И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. Влияние скорости охлаждения водных растворов поливинилового спирта при их замораживании на физико-химические свойства и пористую структуру получаемых криогелей // Коллоидный журнал. - 2012. -№3. - с. 343 - 352].

Приготовление композиционных материалов смешиванием наполнителя и полимерной матрицы приводит к агломерации и микронапряжениям на границе раздела фаз, а всякие напряжения в наполненной системе, приводящие к возникновению неравновесных состояний, отрицательно сказываются на свойствах композита [Бондалетова Л.И. Б811 Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 118 с]. Поэтому способом минимизации подобных неравновесных состояний является синтез наполнителя непосредственно в полимерной матрице. Получение гидроксиапатита непосредственно в геле поливинилового спирта позволяет добиться максимально гомогенного распределения наполнителя в полимерной матрице.

Известен способ (патент KR 100743562 B1, МПК B01J20/262, B01J20/048, B01J20/28047, B01J20/3028 опубл. 27.07.2007), в котором материал получают смешением гидроксиапатита с водным раствором поливинилового спирта и дополнительно диспергируют с помощью ультразвука. К недостаткам можно отнести невысокую гомогенность материала и применение специфического оборудования.

Известен способ (патент CN 109010921 B, МПК A61L27/20, A61L27/12, A61L27/50, A61L27/52, C08J3/075, опубл. 23.04.2021), в котором композитный материал хрящевой ткани на основе гидроксиапатита и полимеров получают последовательным послойным нанесением, при этом сшивка геля выполняется с использованием глутаральдегида. Данный метод реализует получение градиентных материалов во множество последовательных стадий наслоения градиента и его замораживания, а также требует строгого контроля за концентрацией свободного глутаральдегида в материале, который является токсичным.

Известен способ (патент JP 2004026963 A, МПК С08L 101/14, C08J 5/18, C08K 3/32, опубл. 29.01.2004), в котором композитный материал на основе гидроксиапатита и полимеров получают в реакционной массе смешением соединений кальция и фосфорной кислоты. Материал перерабатывается в пленки высокой прозрачности методом удаления растворителя. Данный метод реализует схожие подходы синтеза, однако применяет отличный метод переработки, не использует криообработки для формирования гелевой структуры, что приводит к получению плёночных необъёмных материалов. Способ выбран в качестве прототипа.

Технический результат заключается в формировании заданного количества водородных связей в структуре криогеля поливинилового спирта, наполненного гидроксиапатитом, которое оценивают по величине ряда механических и физических параметров, без применения сшивающих агентов.

Технический результат достигается за счет специфической термической обработки, включающей однократный цикл «замораживание до выбранной температуры - оттаивание до комнатной температуры» криогеля с заданной скоростью изменения температуры.

Технический результат достигается тем, что готовят 15 мас.% водного раствора поливинилового спирта, добавляют при перемешивании эквивалентные количества твёрдого оксида кальция и концентрированной ортофосфорной кислоты до получения материала с содержанием гидроксиапатита 4-10 мас.% и перемешивают суспензию до достижения нейтрального рН, со скоростью изменения температуры от 0,05°C/мин до 0,201°C/мин последовательно проводят замораживание и оттаивание материала в диапазоне температур от минус 20°C до плюс 201°C.

Особенностью поведения поливинилового спирта является формирование физически-сшитых криогелей, что позволяет исключить применение сшивающих агентов. В то же время варьирование скоростей этапов «замораживание» и «оттаивание» материала в диапазоне от 0,05 до 0,20°C/мин в интервале температур от минус 20°C до плюс 20°C позволяет управлять формированием водородных связей в гелях, что в свою очередь влияет на физико-механические параметры, степень набухания и температуру плавления материала.

Способ получения криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита включает:

Этап 1. Приготовление 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде с последующим растворением в нем при перемешивании оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4-10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале.

Этап 2. Добавление концентрированной ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому на Этапе 1 оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита с перемешиванием до достижения нейтрального значения рН среды.

Этап 3. Формирование геля из суспензии её внесением в формы с требуемыми размерами с последующим циклом «замораживание» и «оттаивание» со скоростью 0,05°C/мин до 0,20°C/мин в интервале температур от минус 20°C до плюс 20°C.

Примеры осуществления изобретения представлены ниже. Способ реализован при использовании оборудования Томского регионального центра коллективного пользования ТГУ (ТРЦКП).

Пример 1. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h= 2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 20°C и «оттаиванием» со скоростью 0,05°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 224±6 кПа. Температура плавления 90±2°C.

Пример 2. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита, и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 20°C и «оттаиванием» со скоростью 0,20°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 199±1 кПа. Температура плавления 90±1°C.

Пример 3. Из расчета на 10 г материала в 9,0 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,558 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,837 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита, и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 20°C и «оттаиванием» со скоростью 0,05°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 231±5 кПа. Температура плавления 95±4°C.

Пример 4. Из расчета на 10 г материала в 9,0 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,558 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,837 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита, и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 20°C и «оттаиванием» со скоростью 0,20°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 201±6 кПа. Температура плавления 93±1°C.

Пример 5. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита, и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,05°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 208±5 кПа. Температура плавления 95±4°C.

Пример 6. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита, и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,20°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 193±1 кПа. Температура плавления 88±2°C.

Пример 7. Из расчета на 10 г материала в 9,0 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,558 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,837 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,05°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 211±5 кПа. Температура плавления 91±2°C.

Пример 8. Из расчета на 10 г материала в 9,0 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,558 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,837 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,20°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 184±2 кПа. Температура плавления 89±3°C.

Пример 9. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 20°C и «оттаиванием» со скоростью 0,10°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 201±2 кПа. Температура плавления 91±1°C.

Пример 10. Из расчета на 10 г материала в 9,0 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,558 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 10 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,837 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому на оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,10°C/мин до плюс 20°C. Модуль Юнга для полученного материала составил 210±2 кПа. Температура плавления 89±2°C.

Пример 11. Из расчета на 10 г материала в 8,9 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,613 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 11 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,92 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому на оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d=1 см, h=2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 10°C и «оттаиванием» со скоростью 0,20°C/мин до плюс 20°C. Полученный композит не является гомогенным, т.к. гидроксиапатит в количестве более 10 мас.% в суспензии успевает осесть на дно формы до начала формирования криогеля.

Пример 12. Из расчета на 10 г материала в 9,6 г 15 мас.% раствора поливинилового спирта в воде добавляли при перемешивании 0,223 г оксида кальция в количестве, достаточном для получения 4 мас.% гидроксиапатита в итоговом материале. Далее в реакционную смесь добавляли 0,334 г 70 мас.% ортофосфорной кислоты в количестве, эквивалентном внесённому на оксиду кальция для синтеза суспензии гидроксиапатита и перемешивали до достижения нейтрального значения рН среды. Полученную суспензию разливали в формы для изготовления стандартных тестовых образцов определения модуля Юнга (d= 1 см, h= 2 см) и помещали в криостат с последующим циклом «замораживания» до минус 5°C и «оттаиванием» со скоростью 0,4°C/мин до плюс 20°C. Полученный гель не держит форму, растекается под собственной тяжестью, что делает его использование невозможным.

Следует отметить, что получаемый предложенным способом материал потенциально пригоден для пластической реконструкции повреждённых костей.

Во-первых, основной фазой минерального вещества костной ткани является гидроксиапатит, поэтому использование материалов на его основе для реконструкции повреждённых костей является оправданным [Афанасьев, Ю. И. Гистология : Учебник / Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др.; Под Ред. Ю. И. Афанасьева, Н. А. Юриной. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 2002. - 744 с.].

Во-вторых, благодаря своей инертности и стабильности, поливиниловый спирт считается безопасным и биосовместимым [Byrne D. Biodegradability of Polyvinyl Alcohol Based Film Used for Liquid Detergent Capsules / Boeije, G., Croft, I., Hüttmann, G., Luijkx, G., Meier, F., Parulekar, Y. & Stijntjes, G. // Tenside Surfactants Detergents. - 2021. - № 58(2). - р. 88-96.].

Во-третьих, получаемый материал имеет макроразмерные поры [Лозинский, В. И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. Влияние скорости охлаждения водных растворов поливинилового спирта при х замораживании на физико-химические свойства и пористую структуру получаемых криогелей // Коллоидный журнал. - 2012. -№3. - с. 343 - 352], достаточные для пролиферации тканей и остеоиндуктивность за счёт гидроксиапатита [Россихин, В. В. Биоматериаловедение: учеб. пособие / В. В. Россихин, А. И. Ильинский, Н. Ф. Клещев. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2011]. Этапность формирования костной ткани является ее принципиальной особенностью. Первоначально создается органический фибриллярный каркас, состоящий из коллагеновых и неколлагеновых белков. Этот каркас - матрица, которая определяет пространственные взаимоотношения осаждения на ней кристаллитов гидроксиапатита [Аврунин, А. С. О физической природе жесткости и прочности костной ткани // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. - 2010. - №3. с. 205-210]. Конструкция должна быть подобна структуре ткани организма-хозяина и способствовать миграции клеток и росту ткани в трех измерениях. Для этого шаблон, на котором будет расти новая костная ткань, должен обладать сетью макропор. Поры должны быть соединены друг с другом, а отверстия между ними должны иметь диаметр более 100 мкм (минимальный диаметр отверстий для ангиогенеза) [Россихин, В. В. Биоматериаловедение: учеб. пособие / В. В. Россихин, А. И. Ильинский, Н. Ф. Клещев. Харьков : НТУ «ХПИ», 2011].

Список использованных источников

1. Лозинский, В. И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. Влияние скорости охлаждения водных растворов поливинилового спирта при х замораживании на физико-химические свойства и пористую структуру получаемых криогелей // Коллоидный журнал. 2012. №3. с. 343 352.

2. Бондалетова Л.И. Б811 Полимерные композиционные материалы (часть 1): учебное пособие / Л.И. Бондалетова, В.Г. Бондалетов. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2013. - 118 с.

3. Патент KR 100743562 B1, МПК B01J 20/262, B01J 20/048, B01J 20/28047, B01J 20/3028 опубл. 27.07.2007.

4. Патент CN 109010921 B, МПК A61L 27/20, A61L 27/12, A61L 27/50, A61L 27/52, C08J 3/075, опубл. 23.04.2021.

5. Патент JP 2004026963 A, МПК С08L 101/14, C08J 5/18, C08K 3/32, опубл. 29.01.2004

6. Афанасьев, Ю. И. Гистология : Учебник / Ю. И. Афанасьев, Н. А. Юрина, Е. Ф. Котовский и др.; Под Ред. Ю. И. Афанасьева, Н. А. Юриной. - 5-е изд., перераб. и доп. - М.: Медицина, 2002. - 744 с.

7. Byrne D. Biodegradability of Polyvinyl Alcohol Based Film Used for Liquid Detergent Capsules / Boeije, G., Croft, I., Hüttmann, G., Luijkx, G., Meier, F., Parulekar, Y. & Stijntjes, G. // Tenside Surfactants Detergents. - 2021. - № 58(2). - р. 88-96.

8. Лозинский, В. И. Изучение криоструктурирования полимерных систем. Влияние скорости охлаждения водных растворов поливинилового спирта при х замораживании на физико-химические свойства и пористую структуру получаемых криогелей // Коллоидный журнал. - 2012. -№3. - с. 343 - 352.

9. Россихин, В. В. Биоматериаловедение: учеб. пособие / В. В. Россихин, А. И. Ильинский, Н. Ф. Клещев. - Харьков : НТУ «ХПИ», 2011.

10. Аврунин, А. С. О физической природе жесткости и прочности костной ткани // Научно-технические ведомости СПбГПУ. Наука и образование. - 2010. - №3. - с. 205-210.

11. Россихин, В. В. Биоматериаловедение: учеб. пособие / В. В. Россихин, А. И. Ильинский, Н. Ф. Клещев. - Харьков: НТУ «ХПИ», 2011.

Настоящее изобретение относится к способу получения материала на основе криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита. Описан способ получения материала на основе криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита, характеризующийся тем, что готовят 15 мас.% водного раствора поливинилового спирта, добавляют при перемешивании эквивалентные количества твёрдого оксида кальция и концентрированной ортофосфорной кислоты до получения материала с содержанием гидроксиапатита 4-10 мас.% и перемешивают суспензию до достижения нейтрального рН, осуществляют однократный цикл замораживания-оттаивания, причем замораживание осуществляют до минус 20°C, а оттаивание осуществляют до плюс 20°C со скоростью изменения температуры от 0,05 до 0,20°C/мин. Технический результат - формирование заданного количества водородных связей в структуре криогеля поливинилового спирта, наполненного гидроксиапатитом, которое оценивают по величине ряда механических и физических параметров, без применения сшивающих агентов. 12 пр.

Способ получения материала на основе криогеля поливинилового спирта и гидроксиапатита, характеризующийся тем, что готовят 15 мас.% водного раствора поливинилового спирта, добавляют при перемешивании эквивалентные количества твёрдого оксида кальция и концентрированной ортофосфорной кислоты до получения материала с содержанием гидроксиапатита 4-10 мас.% и перемешивают суспензию до достижения нейтрального рН, осуществляют однократный цикл замораживания-оттаивания, причем замораживание осуществляют до минус 20°C, а оттаивание осуществляют до плюс 20°C со скоростью изменения температуры от 0,05 до 0,20°C/мин.