Пористый композиционный материал на основе хитозана и желатина для заполнения костных дефектов

Изобретение относится к области медицины и касается композиционных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Получена пористая композиционная хитозан-желатиновая губка, содержащая октакальциевый фосфат в виде порошка или гранул. Введение желатина увеличивает пластичность губки, что позволяет заполнять костные дефекты различной формы и размера, а также способствует увеличению растворимости губки. Содержащийся в губке октакальцийфосфат проявляет остеоиндуктивные свойства, что совместно с хитозаном создает благоприятные условия для формирования естественной костной ткани человека. 1 табл.

 

Изобретение относится к медицине, а именно для пластической реконструкции поврежденных костных тканей.

Хитозан является биосовместимым и биодегадируемым натуральным полимером, что позволяет его использовать в различных областях медицины, в том числе для быстрого заживления ран, различной этимологии (Хитин и Хитозан. Получение, свойства и применение. /Под ред. академика РАСХН К.Г.Скрябина. Наука. 2002. 365 стр.). Особенно широкое применение получили хитозановые материалы в виде пластичных пористых губок. За счет пористости данные материалы легко деформируются до требуемого размера (костного дефекта) и после помещения их в сжатом состоянии в костный дефект распрямляются (за счет обратной деформации), заполняя объем дефекта. Сравнительно невысокая пластичность губки из чистого хитозана затрудняет использование данного материала в хирургии, поэтому для повышения эластичности губок в состав биополимерной матрицы вводят желатин. Желатин является продуктом денатурации коллагена, фибриллярного белка, входящего в состав костной и соединительной ткани животных. Хитозан относится к полисахаридам - питательным веществам, способствующим формированию костной ткани. Однако хитозан-желатиновые губки не содержат таких важных для формирования костной ткани элементов как фосфор и кальций. Поэтому при резорбции таких губок в костном дефекте формируются в основном хрящевые ткани (хондроидные). Октакальцийфосфат (ОКФ), являющийся предшественником гидроксиапатита в процессе минерализации тканей, в отличие от других фосфатов кальция, например гидроксиапатита, проявляет остеоиндуктивные свойства, т.е. индуцирует формирование новой костной ткани.

Создать благоприятные условия для формирования естественной костной ткани возможно при использовании композиционных материалов на основе желатин-хитозановых губок, содержащих октакальцийфосфат.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является композиционные губки на основе хитозана (КХГ), содержащего фосфаты кальция (патент РФ №2376019 приоритет от 26.12.2007 Баринова С.М., Смирнова В.В., Федотова А.Ю и др. Пористые композиционные материалы на основе хитозана для заполнения костных дефектов). Композиционные губки получали при смешении порошка фосфата кальция с раствором высокомолекулярного хитозана в уксусной кислоте, в качестве вспенивающего агента добавляли карбонат аммония. После вспенивания губку высушивали и промывали этанолом. Недостатком данного способа получения губок является их сравнительно невысокая эластичность, а также низкая растворимость в физиологическом растворе.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение пористых композиционных губок на основе хитозана и наполнителя из октакальцийфосфата с добавлением желатина, образующихся при физиологических температурах, обладающих эластичностью и не содержащих вредных веществ.

Технический результат достигается тем, что пористый композиционный материал на основе хитозана и желатина для заполнения костных дефектов, содержащий хитозан с молекулярной массой более 300000 г/моль, добавку карбонат аммония, а в качестве кальцийфосфатного наполнителя используют октакальцийфосфат в виде порошка или гранул с размером 1-1000 мкм, согласно изобретению дополнительно содержит желатин в количестве 25-50 мас.% от общего содержания полимеров в смеси при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хитозан - 10-40

желатин 10-40

наполнитель - 10-75

добавка (карбонат аммония) - 5-60

Указанный состав КХГ неизвестен. Для получения КХГ в растворе уксусной кислоты растворяют высокомолекулярный хитозан при рН от 6 до 6,5. После полного растворения хитозана добавляют водный раствор желатина, после чего при перемешивании добавляют наполнитель октакальцийфосфат в количестве до 75 мас.% и порошок добавки карбоната аммония от 5 до 60 мас.%.

В результате взаимодействия кислоты, содержавшейся в исходном растворе, и карбоната аммония происходит вспенивание за счет выделения углекислого газа и формирование пористой губчатой структуры с одновременным твердением образующейся губки. Полученную губку затем отмывают от избытка воды и остатков кислоты в этаноле и сушат. В результате получают композиционную губку с пористостью от 50 до 98% в зависимости от состава. При содержании октакальцийфосфата больше 75 мас.% губки становятся хрупкими и легко разрушаются при деформации. При увеличении массового содержания добавки более 60 мас.% в губке образуются многочисленные крупные поры с размером более 2 мм, в результате структура становится рыхлой и хрупкой, что приводит к разрушению губок при деформации. При уменьшении количества желатина менее 10% снижается эластичность губок, а также их растворимость в физиологическом растворе. При снижении количества карбоната аммония менее 5 мас.% не происходит твердения губок при их вспенивании. Снижение содержания октакальцийфосфата менее 2 мас.% не позволяет получать губки с равномерным распределением компонентов по объему.

Пример. 1 Порошок высокомолекулярного хитозана (молекулярная масса 450000 500000 г/моль) в количестве 0,5 г (16,7 мас.%) растворяли в 50% уксусной кислоте. К оборазовавшемуся раствору добавляли раствор 0,5 г желатина (16,7%) в 20 мл воды. Затем при перемешивании добавляли 1 г (33,3 мас.%) гранул октакальцийфосфата (наполнителя) с размером гранул 100-300 мкм и 1 г (33,3 мас.%) порошка карбоната аммония. Смешивали компоненты пропеллерной мешалкой со скоростью оборотов 800-1000 об/мин. Полученную губку промывали этанолом и сушили на воздухе до удаления этанола. В результате получили пластичную композиционную губку с пористостью 85%.

Пример 2. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование хитозана с молекулярной массой 300000-350000 г/моль в количестве 0,5 г (5 мас.%) и наполнителя - порошка октакальциевого фосфата с размером частиц 1-5 мкм в количестве 7,5 г (75 мас.%) и добавки карбоната аммония в количестве 0,5 г (5 мас.%). В результате получили эластичную композиционную губку с пористостью 50%.

Пример 3. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование хитозана с низкой молекулярной массой 85000-150000 г/моль в количестве 1,5 г (15 мас.%). При использовании хитозана с молекулярной массой менее 300000 г/моль образовавшаяся при смешивании компонентов пена не твердеет, губка не образуется.

Пример 4. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование малых количеств ОКФ. В результате порошок или гранулы ОКФ распределены по объему губки неравномерно.

Пример 5. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование меньших количеств вспенивающей добавки, 4 мас.% карбоната аммония. Губка не образуется.

Пример 6. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование других количеств исходных реагентов в рамках заявленных интервалов. Образуется губка с пористостью 70%.

Пример 7. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование хитозана в количествах больше заявленного. При смешивании реагентов образуется очень вязкая суспензия, в результате чего губка не образуется.

Пример 8. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование других количеств исходных реагентов, находящихся в пределах заявленного. Образуется эластичная, но быстро растворяющаяся в (физиологическом растворе губка с пористостью 75%.

Пример 9. Получение образцов аналогично примеру 1. Отличием является использование больших количеств ОКФ, более заявленного. В результате образуется хрупкая губка, разрушающаяся при деформации. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Как видно из табл.1, наилучший технический результат достигается введением желатина в количестве 10-40 мас.%. Уменьшение количества желатина ниже заявленного уровня снижает растворимость и эластичность губок. При введении желатина от 10% до 40% эластичность увеличивается в среднем на 10%. При этом содержание желатина составляет от 25 до 50 мас.% от общего содержания биополимеров. При увеличении желатина более 50 мас.% от общего содержания полимеров в смеси растворимость композиционного материала в физиологическом растворе резко возрастает (пример 8), что делает такой материал неприемлемым для использования в качестве матриксов.

На достижение наилучшего технического результата влияет использование хитозана с различной молекулярной массой (м.м.) - оптимальным является использование хитозана с м.м. 350000-450000 г/моль. Использование низкомолекулярного хитозана с более низкой м.м. 300000-350000 г/моль приводит к увеличению растворимости губки в физиологическом растворе, что делает невозможным использование данного материала в качестве матрикса. При понижении молекулярной массы хитозана ниже 150000 г/моль губка не образуется.

Таким образом, при использовании хитозана с м.м. 400000-500000 г/моль, введении желатина в количестве 25-50 мас.% от общего содержания полимеров в смеси нами достигнут наилучший технический результат - получены эластичные губки для применения в качестве матриксов в медицине. При соотношении хитозана и желатина с наполнителем вне заявленных пределов, а также при использовании хитозана с м.м. ниже 300000 г/моль заявленный технический результат не достигается.

Таким образом, данные пористые композиционные материалы на основе хитозана и желатина, содержащего наполнитель - порошок или гранулы ОКФ, обладают, с одной стороны, более высокой растворимостью и, с другой стороны - проявляют остеоиндуктивные потенции благодаря наличию ОКФ. По результатам данного исследования данные биоматериалы представляются весьма перспективными в качестве имплантатов (самостоятельно) или остеозамещающих 3D материалов-матриксов для инженерии костных дефектов.

Пористый композиционный материал на основе хитозана и желатина для заполнения костных дефектов, отличающийся тем, что содержит хитозан с молекулярной массой более 300000 г/моль, добавку карбонат аммония, наполнитель октакальцийфосфат в виде порошка или гранул с размером 1-1000 мкм, а желатин берут в количестве 25-50 мас.% от общего содержания полимеров смеси, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

хитозан	10-40
желатин	10-40
наполнитель	10-75
карбонат аммония	5-60