КОМПОЗИТНЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ФИБРОИНА ШЕЛКА/ГИДРОКСИАПАТИТА, И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ, И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Российский патент 2025 года по МПК A61L27/46 A61L27/56 A61L27/58 A61L31/12 A61L31/14 

Область техники

Настоящее изобретение принадлежит к областям материаловедения и клинической медицины и относится к композитному материалу на основе фиброина шелка/гидроксиапатита и способу его изготовления, и к его применению.

Уровень техники

Перелом относится к частичному или полному разрушению или утрате целостности или непрерывности костной или хрящевой ткани при насильственном воздействии на костную или хрящевую ткань, и деформация, дисфункция и нарушенная активность являются типичными симптомами заболевания. У пациентов с тяжелыми переломами могут возникать осложнения, такие как шок, которые даже могут угрожать жизни. Лечение в общем случае проводят путем хирургической имплантации материалов для фиксации перелома. Идеальный материал для восстановления кости должен обладать следующими характеристиками: (1) биосовместимость: он может быть непосредственно объединен с костью, не предотвращая нормальную активность костных клеток на ее поверхности и не препятствуя естественному процессу регенерации костных клеток вокруг нее; (2) переносимость механических нагрузок: модуль упругости при сжатии компактного вещества кости человека должен составлять по меньшей мере не менее 45 МПа; (3) биоразлагаемость: он может разлагаться сам по себе по прошествии определенного периода времени в организме человека и может метаболизироваться в организме-хозяине и не требует проведения повторной хирургической операции для удаления; и (4) свойства индуцирования восстановления: рост кости стимулируется или индуцируется материалом как таковым или в результате добавления остеоиндуктивных факторов.

В настоящее время типы материалов для внутренней фиксации перелома включают, главным образом, материалы на металлической основе, на керамической основе и на основе разлагаемого полимера. Несмотря на то, что материалы для внутренней фиксации перелома на металлической основе обладают хорошими механическими свойствами, вследствие эффекта экранирования напряжений при использовании материалов для внутренней фиксации перелома на металлической основе в месте перелома могут легко возникать симптомы остеопороза, что приводит к медленному заживлению перелома. Несмотря на то, что материалы для внутренней фиксации перелома на керамической основе обладают преимуществами постепенного превращения в естественные компоненты в условиях пребывания в организме человека, существуют недостатки, связанные с высокой хрупкостью, концентрацией напряжений и восприимчивостью к перегрузкам, что ограничивает их применение. В настоящее время материалы для внутренней фиксации перелома на основе разлагаемого полимера, реализуемые на рынке, представляют собой, главным образом, полимолочную кислоту, но большое количество молочной кислоты, образующееся в результате разложения полимолочной кислоты, может оказывать определенное коррозионное воздействие на костную ткань, таким образом, полимолочная кислота часто вызывает местные воспалительные реакции в восстанавливаемом участке. В настоящее время в данной области техники сохраняется необходимость в разработке материала для внутренней фиксации перелома с превосходными механическими свойствами, хорошей биосовместимостью и безопасным и экологически безвредным способом синтеза для удовлетворения клинических потребностей.

Белок шелка представляет собой натуральный полимерный волокнистый белок, экстрагируемый из шелка, который составляет от примерно 70 масс. % до 80 масс. % шелка и содержит 18 видов аминокислот. Белок шелка как таковой обладает хорошими механическими свойствами и физическими и химическими свойствами, а также превосходной биосовместимостью с организмом человека. Продуктами разложения белка шелка в организме человека являются аминокислоты и полипептиды, которые нетоксичны для организма человека. Большинство продуктов, в которых в качестве сырья применяют фиброин шелка, обладают превосходной биосовместимостью, таким образом, фиброин шелка широко используют в области биомедицинских исследований. Тем не менее, раствор фиброина шелка плохо растворим в воде, и большие количества раствора фиброина шелка часто образуют гели в органических растворителях, что приводит к структурным изменениям. Таким образом, изготовление материалов на основе фиброина шелка предъявляет определенные требования к способу изготовления.

Гидроксиапатит (НАР) является основным неорганическим компонентом костей и зубов позвоночных, который присутствует в количестве примерно 69 масс. % в костях человека. Экспериментально было подтверждено, что частицы НАР обладают хорошей биосовместимостью и высокой аффинностью в отношении кости, и их минерализационный раствор может эффективно образовывать реминерализационные отложения и предотвращать утрату ионов кальция. Добавление наночастиц гидроксиапатита (nHA) в продукты для восстановления костей может не только усиливать механические свойства продуктов, но и улучшать био совместимость продуктов. В патенте Китая CN 108159501 А описаны способ изготовления материала на основе фиброина шелка с применением композитных наночастиц гидроксиапатита и применение материала в изделиях для восстановления при переломах костей. Способ заключается в равномерном диспергировании наночастиц гидроксиапатита в фиброине шелка при определенном отношении, их растворении в гексафторизопропаноле, выливании смешанного раствора в цилиндрическую форму, вымачивании в метаноле для протекания регенерации молекулярных цепей фиброина шелка посредством их самосборки для получения тем самым композитного материала, который обладает превосходной механической прочностью, и, наконец, в изготовлении медицинских костных винтов (гвоздей) из композитного материала способом механической обработки. Тем не менее, обработка материала на основе фиброина шелка, содержащего композитные наночастицы гидроксиапатита, описанного в патенте CN 108159501 А, для получения крупноразмерных костных винтов, является затруднительной.

Краткое описание изобретения

Для решения проблемы, заключающейся в том, что существующий композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита не может быть обработан для изготовления крупноразмерных костных винтов, автор изобретения провел углубленное исследование и обнаружил, что механические свойства крупноразмерных композитных материалов на основе фиброина шелка/гидроксиапатита являются недостаточными, чтобы указанные материалы могли быть обработаны для изготовления крупноразмерных костных винтов вследствие неравномерного распределения гидроксиапатита в крупноразмерных композитных материалах на основе фиброина шелка/гидроксиапатита.

Техническое решение, предложенное в настоящем изобретении, в частности, представлено далее.

Согласно первому аспекту предложен способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, который включает следующие стадии:

(1) выдерживание однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 3 часов с получением вязкого раствора фиброина шелка/гидроксиапатита;

(2) выливание раствора фиброина шелка/гидроксиапатита в длинную цилиндрическую форму; при этом два конца длинной цилиндрической формы представляют собой, соответственно, конец А и конец В;

(3) при комнатной температуре, оставляя открытым конец А и закрытым конец В, вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня; и переворачивание формы вверх дном, при этом оставляя закрытым конец А и открытым конец В, вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня; и

(4) удаление формы и проведение вентиляции и сушки для изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита.

На основе приведенного выше технического решения однородную смесь получают следующим способом:

(i) смешение наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, равномерное их диспергирование в гексафтороизопропаноле и выдерживание их в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 0,5 часа; и

(ii) проведение следующей операции по меньшей мере один раз: добавление наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола при равных отношениях к смеси, полученной на стадии (i), и выдерживание их в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 0,5 часа после смешения.

В предпочтительном варианте приведенного выше технического решения наночастицы гидроксиапатита составляют от 25 масс. % до 35 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка.

В предпочтительном варианте приведенного выше технического решения наночастицы гидроксиапатита составляют 31 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка.

В предпочтительном варианте приведенного выше технического решения размер наночастиц гидроксиапатита составляет от 60 нм до 80 нм; и размер частиц фиброина шелка составляет от 0,1 мм до 1,5 мм.

В предпочтительном варианте приведенного выше технического решения температура на стадии (1) составляет 55°С.

В предпочтительном варианте приведенного выше технического решения общее количество наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, добавляемое на 100 мл гексафторизопропанола, составляет от 30 г до 40 г.

Согласно второму аспекту предложен композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленный способом изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, при этом указанный материал может разлагаться на нетоксичные вещества в организме и обладает биосовместимостью и остеоиндуктивностью, и благодаря однородности и морфологии материала композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита образует стержень длиной вплоть до 200 мм, и стержень обладает превосходными механическими свойствами и может быть дополнительно обработан для изготовления изделий для восстановления при переломе.

Согласно третьему аспекту предложено применение композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита для изготовления изделия для восстановления кости на основе приведенного выше технического решения, при этом композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксоапатита механически обрабатывают для изготовления винта длиной от 4 мм до 150 мм.

Принцип настоящего изобретения, в частности, описан далее.

Наночастицы гидроксиапатита легко образуют агрегаты в гексафторизопропаноле, в результате образуется дисперсия микрочастиц гидроксиапатита в композитном материале на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, таким образом, настоящее изобретение включает выдерживание однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 1 часа, после чего выливают смесь в форму, с одной стороны, обеспечивается полное растворение гидроксиапатита перед выливанием смеси в форму в отсутствие агломерации или осаждения, а с другой стороны, предотвращается образование геля фиброина шелка вследствие слишком низкой температуры, тем самым образуется раствор фиброина шелка/гидроксиапатита, в котором равномерно распределены и растворены наночастицы гидроксиапатита и фиброин шелка.

В процессе формования происходит погружение гидроксиапатита под действием силы тяжести, что вызывает неравномерное распределение в композитном материале на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, приводит к неравномерной прочности и плохим механическим свойствам композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита и, наконец, делает невозможным его переработку в крупноразмерные изделия для восстановления костей. В настоящем изобретении форму переворачивают вверх дном в процессе формования материала, что позволяет избежать проблемы неравномерного распределения гидроксиапатита в стержне из-за осаждения гидроксиапатита на одном конце стержня под действием силы тяжести, что отрицательно влияет на механические свойства стержня.

Согласно предшествующему уровню техники полагают, что в общем случае состав гидроксиапатита схож с составом человеческой кости, в результате чего может быть индуцирован рост костных клеток и ускорено восстановление костных дефектов у пациентов, без учета влияния внутренних пор материала на костную индукцию. В настоящем изобретении применяется длинная цилиндрическая форма, в которой обеспечена возможность замены гексафторизопропанола на метанол в материале сверху вниз по всей длине формы и предварительного получения упорядоченных внутренних пор, после первоначального образования стержня переворачивают форму вверх дном, метанол поступает в форму с другого конца и заменяет гексафторизопропанол в материале сверху вниз, тем самым образуются упорядоченные внутренние поры, внутри которых могут расти костные клетки, очевидно обладающие остеоиндуктивностью.

По сравнению с известным уровнем техники настоящее изобретение обладает следующими преимуществами и полезными эффектами:

Композитный материал на основе гидроксиапатита/фиброина шелка (nHA/SF), изготовленный согласно настоящему изобретению, может быть переработан в костные винты длиной вплоть до 150 мм, имеющие максимальную деформирующую нагрузку в испытании на трехточечный изгиб 171,73 Н и предел прочности при растяжении 112,2 МПа, при этом как прочность при изгибе, так и прочность при растяжении значительно превышают данные показатели для костных винтов на основе PLA такой же спецификации, это решает проблему невозможности применения существующих композитных материалов на основе гидроксиапатита/фиброина шелка для изготовления костных винтов длиной более 4 мм.

(2) Композитный материал на основе гидроксиапатита/фиброина шелка (nHA/SF), изготовленный согласно настоящему изобретению, имеет поры правильной формы диаметром от 2 мкм до 10 мкм, внутри которых могут расти костные клетки, и по мере разложения материала и роста костных клеток поры дополнительно укрупняются, что обеспечивает рост еще большего числа костных клеток, результатом чего является значительная костная индукция.

Краткое описание графических материалов

Для лучшей иллюстрации технического решения, представленного в вариантах реализации настоящей заявки, далее будут кратко представлены графические материалы, необходимые для описания вариантов реализации, и специалистам в данной области техники будет очевидно, что графические материалы в последующем описании соответствуют только части вариантов реализации настоящей заявки, другие графические материалы также могут быть получены на основе указанных графических материалов без проведения какой-либо изобретательской работы.

На фиг. 1 показан профиль изменения максимальной прочности при изгибе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита при изменении содержания nHA от 0 масс. % до 40 масс. %.

На фиг. 2 показан профиль изменения максимальной прочности при изгибе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита при изменении содержания nHA от 25 масс. % до 35 масс. %.

На фиг. 3 приведены фотографии стержня и костного винта, изготовленных согласно варианту реализации 1 настоящего изобретения; при этом на фиг. 3(A) показан стержень, и на фиг. 3(B) показан костный винт.

На фиг. 4 показано 200Х изображение СЭМ среза поверхности композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленного согласно варианту реализации 1 настоящего изобретения.

На фиг. 5 показано 2000Х изображение СЭМ среза поверхности композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленного согласно варианту реализации 1 настоящего изобретения.

На фиг. 6 показано 200Х изображение СЭМ среза поверхности композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленного согласно варианту реализации 2 настоящего изобретения.

На фиг. 7 показано 2000Х изображение СЭМ среза поверхности композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленного согласно варианту реализации 2 настоящего изобретения.

Подробное описание вариантов реализации

Для более понятного разъяснения задачи, технических решений и преимуществ вариантов реализации настоящего изобретения технические решения, предложенные в вариантах реализации настоящего изобретения, будут подробно и во всей полноте описаны совместно с графическими материалами в вариантах реализации настоящего изобретения. Очевидно, что описанные варианты реализации составляют только часть вариантов реализации настоящего изобретения, а не все варианты реализации. На основе вариантов реализации настоящего изобретения все другие варианты реализации, выведенные специалистом в данной области техники без проведения изобретательской работы, должны быть включены в объем охраны настоящего изобретения.

Техническое решение, предложенное в вариантах реализации настоящего изобретения, в частности, описано далее.

(1) Отбирают небольшое количество порошка фиброина шелка и тщательно смешивают наночастицы гидроксиапатита с порошком фиброина шелка, при этом наночастицы гидроксиапатита составляют от 25 масс. % до 35 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка; и наночастицы гидроксиапатита и фиброин шелка равномерно диспергируют в гексафторизопропаноле, и оставляют отстаиваться в печи при температуре от 50°С до 60°С в течение периода от 0,5 часа до 5 часов для полного растворения наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка;

(2) Собирают раствор и добавляют равные количества наночастиц гидроксиапатита, порошка фиброина шелка и гексафторизопропанола, и оставляют раствор отстаиваться в печи при температуре от 50°С до 60°С в течение периода от 0,5 часа до 5 часов после тщательного смешения; и указанную стадию повторяют от 2 до 5 раз для получения достаточного количества смеси наночастиц гидроксиапатита, порошка фиброина шелка и гексафторизопропанола;

(3) После перемешивания смеси наночастиц гидроксиапатита, порошка фиброина шелка и гексафторизопропанола продолжают прогревать смесь в печи при температуре от 50°С до 60°С в течение периода от 3 часов до 24 часов для обеспечения полного удаления пузырьков воздуха, и тщательно перемешивают смесь для получения тем самым вязкого раствора фиброина шелка/гидроксиапатита.

(4) Формование: выливают раствор фиброина шелка/гидроксиапатита в специально изготовленную длинную цилиндрическую форму при температуре от 50°С до 60°С, два конца длинной цилиндрической формы представляют собой конец А и конец В, соответственно, и оба конца могут быть открыты; при комнатной температуре открывают конец А, закрывают конец В, вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют отстаиваться на период от 2 до 10 дней для постепенной замены гексафторизопропанола на метанол, поступающий через верхнее отверстие; а затем переворачивают форму вверх дном, при этом закрывают конец А, открывают конец В, вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют отстаиваться по меньшей мере на 2 дня для постепенной замены гексафторизопропанола на метанол, поступающий через верхнее отверстие; и

(5) После проведения вентиляции и сушки изготовленного цилиндрического твердого материала получают стержень из композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита и проводят механическую обработку.

В настоящем изобретении применяется способ добавления небольшого количества и количественного многократного добавления по частям для многократного добавления наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка и несколько раз применяется смеситель для равномерного смешения, таким образом, наночастицы гидроксиапатита равномерно диспергируются в порошке фиброина шелка перед растворением, и поддерживают температуру 55°С во время выливания смеси в форму и других связанных операций после растворения для обеспечения полного растворения твердых веществ перед выливанием смеси в форму, указанная последовательность операций эффективно предотвращает образование геля фиброина шелка при низкой температуре, образование агломератов и осаждение гидроксиапатита и ухудшение механических свойств стержней, вызванное неравномерным распределением гидроксиапатита. Только при условии отсутствия образования геля фиброина шелка и образования агломератов и осаждения гидроксиапатита и наличия достаточных механических свойств скручивающее устройство может эффективно скручивать стержень в винт длиной более 40 мм, что решает проблему сложности изготовления более длинных и крупных винтов из существующего композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита из-за неравномерности материала как такового.

В настоящем изобретении применяется специально изготовленная длинная цилиндрическая форма во время процесса формования стержня, и оба конца формы могут быть открыты и закрыты. Помещают форму вертикально с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол, чтобы обеспечить тем самым замену гексафторизопропанола на метанол в стержне в вертикальном направлении сверху вниз, после отстаивания в течение периода от 2 до 10 дней в целом формируется один конец стержня, а затем переворачивают форму вверх дном на 180°, метанол поступает в форму через конец, который ранее был расположен снизу, и продолжает заменять гексафторизопропанол в стержне в вертикальном направлении сверху вниз. Указанный способ обеспечивает не только образование полностью вертикально ориентированного и твердого стержня, но также обеспечивает однородность плотности верхнего и нижнего концов образованного стержня посредством литья через два конца, что увеличивает длину стержня. Максимальная длина стержня, изготовленного указанным способом, может достигать 150 мм, и его можно применять для изготовления более длинных костных винтов, которые удовлетворяют разным клиническим потребностям.

Если не указано иное, то в вариантах реализации и сравнительных вариантах реализации настоящего изобретения применяются наночастицы гидроксиапатита с размером от 60 нм до 80 нм, и фиброин шелка получают следующими способами: разрушают коконы шелкопряда, измельчают и дегуммируют кипячением в водном растворе карбоната натрия в течение 0,5 часа; растворяют высушенный шелк в 9,3 моль/л растворе бромида лития; проводят диализ раствора дистиллированной водой в течение 3 дней и лиофилизируют с получением образца фиброина шелка в виде белой пены; и распыляют образец фиброина шелка при помощи пульверизатора; и измельчают в порошок фиброина шелка с размером частиц менее 0,25 мм.

Вариант реализации 1

(1) Отбирают 5 г порошка фиброина шелка, добавляют наночастицы гидроксиапатита и применяют вихревой смеситель и генератор ультразвуковых волн для тщательного смешения. Наночастицы гидроксиапатита составляют от 0 масс. % до 40 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка.

(2) Добавляют 35 г смеси наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка на 100 мл гексафторизопропанола, равномерно диспергируют смесь наночастиц гидроксиапатита и порошка фиброина шелка в гексафторизопропаноле и оставляют отстаиваться в печи при 55°С в течение 0,5 часа для полного растворения наночастиц гидроксиапатита и порошка фиброина шелка и удаления пузырьков воздуха для получения тем самым однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола.

(3) Удаляют однородную смесь из печи, добавляют 5 г порошка белка фиброина шелка и такое же количество наночастиц гидроксиапатита, как и на стадии (1), добавляют такое же количество гексафторизопропанола, как и на стадии (2) после равномерного смешения, затем оставляют отстаиваться в печи при 55°С в течение 0,5 часа после равномерного смешения с получением однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола; и указанную стадию повторяют 3 раза для получения достаточного количества полностью растворенной однородной смеси.

(4) Оставляют смесь в печи при 55°С еще на 2,5 часа для обеспечения полного перемешивания раствора после смешения и удаления пузырьков воздуха для получения тем самым вязкого и однородного раствора фиброина шелка/гидроксиапатита.

(5) Формование: в среде, поддерживаемой при 55°С, выливают раствор фиброина шелка/гидроксиапатита в специально изготовленную длинную цилиндрическую форму (изготовленную из полипропилена, содержащую герметизирующие крышки на обоих концах формы, для удобства понимания два конца формы называют концом А и концом В, соответственно). При комнатной температуре конец А открывают, конец В закрывают, и вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют отстаиваться на 5 дней; и переворачивают форму вверх дном на 180°, закрывают конец А, открывают конец В, вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, и оставляют форму отстаиваться на 5 дней.

(6) Удаляют форму, сушат изготовленный композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита на воздухе и, наконец, механически обрабатывают для изготовления 45-миллиметровых винтов с половинной резьбой.

Если содержание nHA составляет 0 масс. %, то высушенный на воздухе композитный материал на основе фиброин шелка/гидроксиапатита является мягким и не может быть эффективно переработан в винтовые изделия. На фиг. 1 показан профиль изменения максимальной прочности при изгибе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита при изменении содержания nHA от 20 масс. % до 40 масс. %. Как показано на фиг. 1, при содержании nHA 20 масс. % максимальная прочность при изгибе высушенного на воздухе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-20%) достигала 75,38 Н; при содержании nHA 25 масс. %>максимальная прочность при изгибе высушенного на воздухе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-25%) достигала 171,73 Н; и при содержании nHA 30 масс. %, максимальная прочность при изгибе высушенного на воздухе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-30%) достигала 190,21 Н, можно увидеть, что механические свойства композитных материалов на основе фиброина шелка/гидроксиапатита постепенно улучшались по мере увеличения содержания nHA . Тем не менее, при содержании nHA 35 масс. %) механические свойства высушенного на воздухе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-35%) ухудшались по сравнению с SF/HA-30%, и максимальная прочность при изгибе составляла 180,5 Н, а при содержании nHA более 35 масс. % механические свойства композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита быстро ухудшались, и максимальная прочность при изгибе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-40%) при содержании nHA 40 масс. % составляла всего 82,3 Н, согласно анализу, это связано с образованием избыточного количества агрегатов nHA в матрице SF, что приводит к резкому ухудшению механических свойств.

На основании вышеизложенного автор изобретения дополнительно изучил содержание nHA и обнаружил, что при содержании nHA 31 масс. %, высушенный на воздухе композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита (SF/HA-31%) имел наилучшую максимальную прочность при изгибе, которая составляла 192,46 Н. На фиг. 2 показан профиль изменения максимальной прочность при изгибе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита при изменении содержания nHA от 25 масс. % до 35 масс. %.

После этого скручивали стержни из высушенного на воздухе композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, изготовленные с использованием разных относительных количеств nHA, и обнаружили, что при содержании nHA менее 20 масс. % или более 40 масс. % механические свойства композитных материалов на основе фиброина шелка/гидроксиапатита не позволяли изготавливать крупноразмерный винт длиной более 45 мм. Только стержень, в котором наночастицы гидроксиапатита составляли от 25 масс. % до 35 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, может быть эффективно обработан для изготовления костных винтов длиной более 40 мм.

Как показано на фиг. 3(A), стержень (SF/HA-31%), изготовленный согласно варианту реализации 1, имеет правильную форму, прямую и цилиндрическую, легко обрабатывается и может быть обработан для изготовления небольших винтов и удлиненных винтов с полной/половинной резьбой в соответствии с потребностями, и стержень (SF/HA-31%), изготовленный согласно варианту реализации 1, обрабатывают для изготовления костных винтов двух спецификаций, называемых винтами SF/HA-31%, как показано на фиг. 3(B). В таблице 1 показаны сравнительные параметры механических свойств винта SF/HA-31%, изготовленного согласно варианту реализации 1, и распространенного на рынке винта из PLA.

Из таблицы 1 видно, что винт nHA/SF-31% размером 45 мм обладает улучшенными механическими свойствами по сравнению с винтом из PLA того же размера.

Вариант реализации 2

Отбирают стержень (nHA/SF-31%), изготовленный согласно варианту реализации 1, в котором наночастицы гидроксиапатита составляют 31 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, нарезают и измельчают в порошок и изучают путем инфракрасной спектроскопии с Фурье-преобразованием для исследования механизма улучшения рабочих характеристик фиброина шелка после обработки метанолом. Пики поглощения при 1658 см^-1, 1545 см^-1 и 1242 см^-1 принадлежали характеристическим пикам поглощения амида I, амида II и амида III молекулы сухого фиброина шелка (шелк), соответственно, это указывает на то, что его вторичная структура представляла собой случайные спирали; и после восстановления в метаноле три характеристических пика сдвигались до 1634 см^-1, 1520 см^-1 и 1230 см^-1, соответственно, это указывает на то, что фиброин шелка превращается из случайных спиралей в β-слои, что благоприятно сказывается на повышении прочности композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита. Кроме того, на инфракрасном спектре композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита характеристические пики поглощения при 603 см^-1 и 565 см^-1 соответствуют деформационным колебаниям фосфата О-Р-О, это доказывает, что гидроксиапатит присутствует в композитном материале на основе фиброина шелка/гидроксиапатита.

Вариант реализации 3

Отбирают винт nHA/SF-31%, изготовленный в варианте реализации 1, и устанавливают в голеностопной кости кролика, и отслеживают разложение винта nHA/SF-31%). Было обнаружено, что по прошествии 2 месяцев после установки в голеностопной кости кролика зазор между винтом nHA/SF-31% и костной тканью хозяина значительно уменьшался, и во время разложения винта nHA/SF-31%) воспалительные клетки также не наблюдали, это указывает на то, что продукты разложения композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита могут всасываться в организме человека. В результате анализа было обнаружено, что продукты разложения композитного материала на основе гидроксиапатита/фиброина шелка, предложенного в настоящем изобретении, в организме человека являются нетоксичными и нераздражающими продуктами: продуктами разложения фиброина шелка являются аминокислоты и вода, которые могут всасываться в организме человека; с учетом того, что гидроксиапатит является основным компонентом человеческой кости, продукты разложения представляют собой ионы фосфата и кальция, которые нетоксичны и могут метаболизироваться и выводиться из организма, таким образом, винты, изготовленные из композитного материала на основе гидроксиапатита/фиброина шелка, позволяют полностью избежать риска локального воспаления, вызываемого при использовании винтов из PLA.

Сравнительный вариант реализации 1

Отличие от варианта реализации 1 заключается в том, что в данном сравнительном варианте реализации наночастицы гидроксиапатита и фиброин шелка одновременно диспергируют в гексафторизопропаноле, и дисперсию гидроксиапатита и фиброина шелка в гексафторизопропаноле не подвергают термической обработке.

(1) Отбирают 5 г порошка белка фиброина шелка, добавляют 2,25 г наночастиц гидроксиапатита и используют вихревой смеситель и генератор ультразвуковых волн для тщательного смешения.

(2) Равномерно диспергируют смесь наночастиц гидроксиапатита и порошка фиброина шелка в 20 мл гексафторизопропанола и тщательно смешивают при помощи вихревого смесителя и генератора ультразвуковых волн с получением дисперсии гидроксиапатита и фиброина шелка в гексафторизопропаноле.

(3) Формование: при комнатной температуре выливают дисперсию гидроксиапатита и фиброина шелка в гексафторизопропаноле в форму, применяемую в варианте реализации 1, открывают конец А, закрывают конец В и вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют отстаиваться на 5 дней; и переворачивают форму вверх дном на 180°, закрывают конец А, открывают конец В, вертикально погружают форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют форму отстаиваться на 5 дней.

(4) Удаляют форму, сушат изготовленный композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита на воздухе и, наконец, механически обрабатывают для изготовления 45 мм винтов с половинной резьбой.

В эксперименте показано, что если наночастицы гидроксиапатита составляли 31 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, то стержень, изготовленный в варианте реализации 1, являлся прямым и тонким, а стержень, изготовленный в сравнительном варианте реализации 1, изгибался в процессе формования, и из-за плохих механических свойств стержень разрушался посередине в процессе сушки на воздухе. Согласно анализу совокупность процедур смешения и поддержания нагрева при 55°С в варианте реализации 1 обеспечивает полное смешение и растворение наночастиц гидроксиапатита, позволяет избегать образования агломератов наночастиц гидроксиапатита с размером в микронном диапазоне, тем самым решается проблема неоднородной смеси гидроксиапатита/фиброина шелка, с другой стороны, поддержание нагрева при 55°С позволяет решить проблему неравномерного диспергирования гидроксиапатита, вызываемого образованием геля фиброина шелка при низкой температуре.

Сравнительный вариант реализации 2

В отличие от варианта реализации 1 в данном сравнительном варианте реализации применяется традиционная форма, которая может быть открыта только с одного конца и имеет относительно большой диаметр.

(1) Отбирают 5 г порошка фиброина шелка, добавляют 2,25 г наночастиц гидроксиапатита и применяют вихревой смеситель и генератор ультразвуковых волн для тщательного смешения.

(2) Равномерно диспергируют 7,25 г смеси наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, полученной на стадии (1), в 20 мл гексафторизопропанола, затем оставляют отстаиваться в печи при 55°С на 0,5 часа для полного растворения наночастиц гидроксиапатита и порошка фиброина шелка и удаления пузырьков воздуха для получения тем самым однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола.

(3) Удаляют однородную смесь наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола из печи, добавляют 5 г порошка фиброина шелка и 2,25 г наночастиц гидроксиапатита, добавляют 20 мл гексафторизопропанола после тщательного смешения, затем оставляют отстаиваться в печи при 55°С на 0,5 часа после тщательного смешения с получением однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола; и повторяют указанную стадию 3 раза для получения достаточного количества полностью растворенной однородной смеси.

(4) Оставляют смесь отстаиваться в печи при 55°С еще на 2,5 часа для обеспечения полного перемешивания раствора после смешения и удаления пузырьков воздуха с получением вязкого и однородного раствора фиброина шелка/гидроксиапатита.

(5) Формование: выливают раствор фиброина шелка/гидроксиапатита в традиционную форму при 55°С. При комнатной температуре вертикально погружают традиционную форму с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставляют отстаиваться на 10 дней.

(6) Удаляют форму, сушат изготовленный композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита на воздухе для изготовления стержня и, наконец, механически обрабатывают для изготовления винтов с половинной резьбой.

Отбирают стержень, изготовленный в варианте реализации 1, в котором наночастицы гидроксиапатита составляют 31 масс. % от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, и стержень, изготовленный в сравнительном варианте реализации 2, и делали 2 мм срезы, а затем использовали сканирующие электронные микроскопы 200Х и 2000Х для фотографирования двух групп срезов, соответственно. На фиг. 4 показано 200Х изображение СЭМ сечения стержня, изготовленного в варианте реализации 1, можно увидеть, что по стержню равномерно распределено множество продольных пор; и на фиг. 5 показано 2000Х изображение СЭМ сечения стержня, изготовленного в варианте реализации 1, на фиг. 5 можно увидеть, что диаметр продольных пор в стержне составляет от 2 до 10 мкм, и часть без пор является плоской. Размер пор близок к размеру клеток человека, что способствует росту костных клеток и может ускорять рост костных клеток. По мере разложения материала и роста костных клеток поры будут еще больше увеличиваться, что обеспечивает рост еще большего числа костных клеток, таким образом, стержень обладает остеоиндуктивными свойствами. На фиг. 6 показано 200Х изображение СЭМ, полученное для поперечного сечения (шляпка винта расположена вертикально снизу) стержня, изготовленного в сравнительном варианте реализации 2, можно увидеть, что стержень, изготовленный в сравнительном варианте реализации 2, имеет неупорядоченное и неравномерное распределение пор в поперечном сечении, и на многих участках изображения поры отсутствуют. На фиг. 7 показано 2000Х изображение СЭМ, полученное для поперечного сечения (шляпка винта расположена вертикально снизу) стержня, изготовленного в сравнительном варианте реализации 2, на фиг. 7 можно увидеть, что стержень имеет очень мало пор и является неоднородным, и индуцирование роста костных клеток в указанной структуре затруднено, таким образом, стержень не обладает остеоиндуктивными свойствами. Согласно анализу для варианта реализации 1, при формировании стержня метанол поступает в материал с конца А формы и заменяет гексафторизопропанол в материале сверху вниз, таким образом, внутренние поры являются относительно упорядоченными. После формирования стержня в целом переворачивают стержень вверх дном, метанол поступает в материал с конца В формы и заменяет гексафторизопропанол в стержне сверху вниз, что тем самым делает структуру головы и хвоста стержня упорядоченной и однородной. Во время формования стержня согласно сравнительному варианту реализации 2, так как метанол может проникать в материал только через верхнее отверстие формы и не может проникать в нижнюю часть длинной формы для замены гексафторизопропанола в материале, таким образом, при изготовлении более длинного стержня образуются неоднородные верхний и нижний концы стержня, и изготовленный стержень не может быть легко обработан для изготовления винта, в результате чего тратится очень большое количество материала. В то же время, из-за большого диаметра традиционной формы, формование происходит не по всей длине сверху вниз. Метанол будет случайным образом диффундировать в горизонтальном направлении и заменять гексафторизопропанол после попадания в материал, что приводит к образованию неупорядоченных внутренних пор в изготовленном стержне, что не подходит для роста костных клеток. В заключение, длинная цилиндрическая форма, которая может быть открыта по обоим концам, согласно настоящему изобретению и способ формования с переворачиванием приводят к тому, что стержни содержат более упорядоченные внутренние поры, что обеспечивает рост клеток, повышает биосовместимость клеток и создает остеоиндуктивность.

Выше упомянуты лишь некоторые варианты реализации настоящего изобретения, чтобы специалисты в данной области техники смогли понять или реализовать настоящее изобретение. Специалистам в данной области техники будут очевидны разные модификации указанных вариантов реализации, и общие принципы, определенные в настоящем документе, могут быть реализованы в других вариантах реализации без отступления от сущности и объема настоящего изобретения. Таким образом, настоящее изобретение не ограничено вариантами реализации, представленными в настоящем документе, но должно быть интерпретировано в самом широком объеме в соответствии с принципами и новыми отличительными признаками, применяемыми в настоящем документе.

Группа изобретений относится к медицине и может быть использована для изготовления костных винтов для внутренней фиксации перелома. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита включает выдерживание однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 3 часов с получением вязкого раствора фиброина шелка/гидроксиапатита, который выливают в длинную цилиндрическую форму, причем два конца длинной цилиндрической формы представляют собой соответственно конец А и конец В. Затем при комнатной температуре, оставляя открытым конец А и закрытым конец В, производят вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня. После этого осуществляют переворачивание формы вверх дном, при этом оставляя закрытым конец А и открытым конец В, вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня. Затем производят удаление формы и проведение вентиляции и сушки с получением композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита. Предложен также композитный материал, полученный указанным способом и имеющий поры правильной формы с диаметром от 2 мкм до 10 мкм, и применение композитного материала для изготовления изделий для восстановления костей. Полученный композитный материал характеризуется наличием упорядоченных внутренних пор правильной формы и равномерным распределением гидроксиапатита, однородной прочностью, хорошими механическими свойствами и значительной остеоиндуктивностью, что позволяет его использовать для изготовления крупноразмерных костных винтов длиной вплоть до 150 мм, имеющих максимальную деформирующую нагрузку в испытании на трехточечный изгиб 171,73 Н и предел прочности при растяжении 112,2 МПа. 3 н. и 7 з.п. ф-лы, 7 ил., 1 табл.

1. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, включающий следующие стадии:

(1) выдерживание однородной смеси наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 3 часов с получением вязкого раствора фиброина шелка/гидроксиапатита;

(2) выливание раствора фиброина шелка/гидроксиапатита в длинную цилиндрическую форму, причем два конца длинной цилиндрической формы представляют собой соответственно конец А и конец В;

(3) при комнатной температуре, оставляя открытым конец А и закрытым конец В, вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня; и переворачивание формы вверх дном, при этом оставляя закрытым конец А и открытым конец В, вертикальное погружение формы с открытым отверстием, обращенным вверх, в метанол и оставление формы для отстаивания по меньшей мере на 2 дня; и

(4) удаление формы и проведение вентиляции и сушки с получением композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита.

2. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 1, отличающийся тем, что указанную однородную смесь получают следующим способом:

(i) смешение наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, равномерное их диспергирование в гексафторизопропаноле и выдерживание их в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 0,5 ч;

(ii) проведение следующей операции по меньшей мере один раз: добавление наночастиц гидроксиапатита, фиброина шелка и гексафторизопропанола при равных отношениях к смеси, полученной на стадии (i), и выдерживание их в температурном диапазоне от 50°С до 60°С в течение по меньшей мере 0,5 ч после смешения.

3. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 1 или 2, отличающийся тем, что указанные частицы гидроксиапатита составляют от 25 мас.% до 35 мас.% от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка.

4. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 3, отличающийся тем, что указанные частицы гидроксиапатита составляют 31 мас.% от общего количества наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка.

5. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 1 или 2, отличающийся тем, что размер наночастиц гидроксиапатита составляет от 60 нм до 80 нм и размер частиц фиброина шелка составляет от 0,1 мм до 1,5 мм.

6. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 1, отличающийся тем, что температура на стадии (1) составляет 55°С.

7. Способ изготовления композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 1 или 2, отличающийся тем, что общее количество наночастиц гидроксиапатита и фиброина шелка, добавляемое на 100 мл гексафторизопропанола, составляет от 30 г до 40 г.

8. Композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита, отличающийся тем, что указанный композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита имеет поры правильной формы с диаметром от 2 мкм до 10 мкм и изготовлен способом по любому из пп. 1-7.

9. Применение композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита по п. 8 для изготовления изделий для восстановления костей.

10. Применение композитного материала на основе фиброина шелка/гидроксиапатита для изготовления изделий для восстановления костей по п. 9, отличающееся тем, что указанный композитный материал на основе фиброина шелка/гидроксиапатита выполнен с возможностью изготовления костного винта длиной от 4 мм до 150 мм.