Способ получения композиционного материала для заполнения костных дефектов

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.

 

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
	Полимер	Концентрация раствора, %	Температура раствора, °С	Время пропитки, мин	Вакуум, Па	Предел прочности при растяжении, МПа
1 (пористая керамика)	-	-	-	-	-	1,02-2,23
2	Коллаген	1	25	10	1	2,61
3	Коллаген	4	25	10	1	2,65
4	Коллаген	7	25	10	1	2,57
5	Коллаген	10	25	10	1	3,77
6	Коллаген	1	30	10	1	2,59
7	Коллаген	4	30	10	1	2,83
8	Коллаген	7	30	10	1	2,65
9	Коллаген	10	30	10	1	4,45
10	Коллаген	1	30	30	1	4,02
11	Коллаген	4	30	30	1	4,94
12	Коллаген	7	30	30	1	4,33
13	Коллаген	10	30	30	1	4,50
14	Коллаген	4	50	30	1	6,37
15	Коллаген	4	75	30	1	7,98
16	Коллаген	4	50	30	3	7,15
17	Коллаген	4	15	30	3	2,55
18	Коллаген	20	30	30	3	2,17
19	Коллаген	4	100	30	3	-
20	Коллаген	4	50	30	0,05	9,13
21	Коллаген	4	50	30	3,5	2,01

Таблица 2 Состав и свойства материалов
	Полимер	Концентрация раствора, %	Температура раствора, °С	Время пропитки, мин	Вакуум, Па	Предел прочности при растяжении, МПа
1 (пористая керамика)	-	-	-	-	-	1,02-2,23
2	Желатин	1	25	10	1	2,25
3	Желатин	4	25	10	1	2,75
4	Желатин	7	25	10	1	3,99
5	Желатин	10	25	10	1	5,65
6	Желатин	1	30	10	1	2,77
7	Желатин	4	30	10	1	4,08
8	Желатин	7	30	10	1	6,25
9	Желатин	10	30	10	1	7,34
10	Желатин	1	30	30	1	4,78
11	Желатин	4	30	30	1	6,21
12	Желатин	7	30	30	1	7,01
13	Желатин	10	30	30	1	7,30
14	Желатин	4	50	30	1	7,16
15	Желатин	4	75	30	1	8,35
16	Желатин	4	50	30	3	7,15
17	Желатин	4	15	30	3	9,20
18	Желатин	20	30	30	3	2,14
19	Желатин	4	100	30	3	-
20	Желатин	4	50	30	0,05	8,56
21	Желатин	4	50	30	3,5	3,02

Таблица 3 Состав и свойства материалов
	Полимер	Концентрация раствора, %	Температура раствора, °С	Время пропитки, мин	Вакуум, Па	Предел прочности при растяжении, МПа
1 (пористая керамика)	-	-	-	-	-	1,02-2,23
2	Поливиниловый спирт	1	25	10	1	1,33
3	Поливиниловый спирт	4	25	10	1	1,76
4	Поливиниловый спирт	7	25	10	1	2,87
5	Поливиниловый спирт	10	25	10	1	3,97
6	Поливиниловый спирт	1	30	10	1	1,41
7	Поливиниловый спирт	4	30	10	1	1,99
8	Поливиниловый спирт	7	30	10	1	2,56
9	Поливиниловый спирт	10	30	10	1	4,09
10	Поливиниловый спирт	1	30	30	1	1,92
11	Поливиниловый спирт	4	30	30	1	2,36
12	Поливиниловый спирт	7	30	30	1	4,07
13	Поливиниловый спирт	10	30	30	1	5,05
14	Поливиниловый спирт	4	50	30	1	3,69
15	Поливиниловый спирт	4	75	30	1	4,01
16	Поливиниловый спирт	4	50	30	3	4,99
17	Поливиниловый спирт	4	15	30	3	1,87
18	Поливиниловый спирт	20	30	30	3	2,56
19	Поливиниловый спирт	4	100	30	3	-
20	Поливиниловый спирт	4	50	30	0,05	7,43
21	Поливиниловый спирт	4	50	30	3,5	2,45

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.

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.