Способ получения пористого костного биокомпозита


 


Владельцы патента RU 2482880:

Горшенёв Владимир Николаевич (RU)
Телешев Андрей Терентьевич (RU)

Изобретение относиться к медицине. Описан способ получения пористого коллаген-гидроксиапатитового биокомпозита, который включает синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице и сшивку волокон коллагена, который ведут в гидродинамическом диспергаторе роторно-пульсационного типа в процессе последовательной загрузки компонентов, а также разлив в форму и лиофильную сушку готового биокомпозита. На первой стадии загружают дробленую обезжиренную свиную шкуру и подготовленную воду и обрабатывают при гидромодуле 4-5 в течение 25-35 мин и температуре не выше 81°C до получения гидрогеля коллагена, затем, не прерывая процесса, в диспергатор загружают порошок фосфата кальция моногидрата в количестве 4,5-5,0 М и обрабатывают в течение 8-12 мин при температуре не выше 71°C и в диспергатор дробно вводят 3,0-3,3 М гидроксида кальция, суспендированного в 1-2 л воды, и обрабатывают в течение 25-35 мин при температуре не выше 77°С. Сшивку волокон коллагена проводят при гидромодуле 20-25, температуре 55-56°C в течение 90-120 мин, затем полученную пульпу разливают в форму и подвергают лиофильной сушке при температуре коллектора -50°C. Технический результат состоит в получении дисперсии гидроксиапатита в коллагеновом гидрогеле с экспоненциальным распределением твердых фракций размером от менее 0,05 мкм до 1,0 мкм. 5 з.п. ф-лы, 4 пр.

 

Изобретение относится к медицине и биологии, а именно к технологии получения биокомпозитов, стимулирующих восстановление костной ткани, как при ее лечении, так и при протезировании дефектных участков.

Известно, что костная ткань - это природный композит, состоящий из органической и неорганической составляющих. Важнейшими органическими составляющими этой ткани являются вещества белковой природы. Белки образуют межклеточный матрикс, в котором выстраиваются апатитовые структуры [Poh CK, et al. The effect of VEGF functionalization of titanium on endothelial cells in vitro. Biomaterials. 2010 Mar; 31(7): 1578-85. Epub 2009 Dec 5]. Технология искусственной костной ткани активно совершенствуется, особенно в направлении синтеза наночастиц гидроксиапатита на коллагеновых волокнах [Litvinov S.D., Krasnov A.F., Bulanov S.I. Hydroxo-base implants for orthopaedics and stomatology // Archives of Pharmacology, Suppel.2 to vol. 358, N1, 1998. P.511].

Известен способ формирования костной ткани, когда пересадочный материал приготавливают путем перемешивания деминерализованных и стерилизованных костных частиц с костным морфогенетическим белком (US 4394370, Jefferies, 19.07.1983). Полученную коллагеновую губчатую смесь имплантируют в область пораженного участка кости. Однако полученный в этом случае материал не имеет достаточной степени структурной интегрированности компонентов, кроме того, а сам процесс является низкотехнологичным.

В патенте RU 2053733 C1, Ершов и др., 10.02.1996 описан другой способ формирования костной ткани. Коллагеновый матрикс помещают в жидкий раствор, содержащий ионы кальция, фосфата и гидроксида, а процесс осаждения гидроксоапатита на коллагене проводят под действием электрофореза. Для предотвращения закисления раствора, содержащего ионы кальция, в него добавляют гидроксид или карбонат кальция, что исключает растворение гидроксоапатита (RU 2174848 C1, Литвинов и др., 20.10.2001). Однако при пропускании электрического тока одновременно происходит электролиз раствора соли кальция, в результате которого образуются водород и кислота, что приводит к изменению pH. Вместе с ионами кальция ионы водорода диффундируют в коллаген и частично растворяют образующийся гидроксоапатит. Поэтому, несмотря на высокую степень структурной интегрированности компонентов в отдельных местах коллагена, не происходит равномерного образования солевого компонента во всем объеме имплантата. Кроме того, образуются побочные продукты, снижающие биологическую эффективность получаемого материала.

В патенте RU 2206341 C1, Ершов и др., 20.06.2003 описан способ формирования костного имплантата, включающий диспергирование коллагена в водном растворе, синтез гидроксиапатита путем осаждения его на коллагене в микрогетерогенной среде водного раствора ионов кальция, фосфата и гидроксидов при потенциометрическом контроле pH и реагирующих ионов, при степени диспергирования 1-100 мкм-1 композита коллагена и осажденного на нем гидроксиапатита, после чего полученный композит центрифугируют, сушат при температуре не выше 45°C и стерилизуют. До введения ионов кальция, фосфата и гидроксидов в водный раствор диспергированного коллагена могут вводиться лекарственные вещества (антибиотики, и/или фактор роста, и/или иммуноподавляющие препараты, и/или антисептики). Однако этот способ многостадиен и сложен.

В патенте US 4623553, Ries, et al., 18.11.1986 рассматриваются особенности изготовления костной композиции с использованием очищенного водного раствора коллагена, в котором в качестве сшивающего агента использован формальдегид или глутаровый альдегид, в который затем добавляют зерна гидроксиапатита размером 50-300 мкм. В качестве источника коллагеновых волокон могла быть использована свиная шкура. Известно, что механическая агитация в процессе твердения композита, уже находящегося в форме, например, посредством ультразвуковых колебаний позволяет ориентировать волокна коллагена определенным образом, как бы ощетинивая поверхность коллагена (US 8080060, Govil, et al., 20.12.2011), вместе с тем, такая агитация не используется в процессе синтеза самого композита.

Наиболее близким по техническому существу является способ получения сшитого пористого коллаген-аппатита, включающий стадии гелеобразования и сублимационной сушки полученного биокомпозита (US 7153938, Kikuchi, et al., 26.12.2006 - прототип). Коллаген может быть получен от животных. Водный раствор коллагена в фосфорной кислоте может содержать коллаген в концентрации от 0,1 до 1% по массе. Добавляют водный раствор соли кальция и смесь нагревают до 40°C. При перемешивании скорость от 1 до 400 оборотов в минуту, например, около 200 об-1. После завершения процесса водная апатит-коллагеновая суспензия подвергается сублимационной сушке в вакууме при т-ре -10°C или ниже. Однако этот способ также включает ряд стадий, использует несколько разнородных по выполняемым функциям приспособлений и технологически сложен, кроме того, скорость перемешивания не обеспечивает необходимого равномерного распределения апатита в коллагеновой матрице.

Патентуемое изобретение направлено на решение задачи создания эффективного промышленного способа получения коллаген-гидроксиапатитового костного биокомпозита, позволяющего значительно сократить продолжительность процесса, упростить его технологию, снизить энергозатраты и получить при этом целевой продукт высокого качества.

Патентуемый способ получения пористого коллаген-гидроксиапатитового биокомпозита включает синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице, сшивку волокон коллагена, разлив в форму и лиофильную сушку готового биокомпозита.

Отличие способа состоит в том, что синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице и сшивку волокон коллагена ведут в гидродинамическом диспергаторе роторно-пульсационного типа в процессе последовательной загрузки компонентов. При этом на первой стадии загружают дробленую обезжиренную свиную шкуру и подготовленную воду и обрабатывают при гидромодуле 4-5 в течение 25-35 мин и температуре не выше 81°C до получения гидрогеля коллагена. На второй стадии, не прерывая процесса, в диспергатор загружают порошок фосфата кальция моногидрата в количестве 4,5-5,0 М и обрабатывают в течение 8-12 мин при температуре не выше 71°C. На третьей стадии в диспергатор дробно вводят 3,0-3,3 М гидроксида кальция, суспендированного в 1-2 л воды, и обрабатывают в течение 25-35 мин при температуре не выше 77°C. На четвертой стадии проводят сшивку волокон коллагена при гидромодуле 20-25, температуре 55-56°C в течение 90-120 мин, затем полученную пульпу разливают в форму и подвергают лиофильной сушке при температуре коллектора -50°C.

Способ может характеризоваться тем, что число оборотов ротора диспергатора на втором этапе составляет 0,8-0,85 от рабочего числа оборотов остальных этапов.

Способ может характеризоваться и тем, что свиную шкуру перед загрузкой бланшируют при температуре 38-40°C в течение 5-10 мин.

Способ может характеризоваться также тем, что в процессе подготовки воды ее подвергают микрофильтрации через фильтры с размером пор 20-30 мкм при температуре 16-20°C и давлении 0,1-0,2 МПа, отстаивают в присутствии ионов серебра в течение не менее двух часов до дозы серебра 0,03-0,05 мг/дм3 и стерилизуют на ультрафильтрационных элементах с размером пор 0,01-0,07 мкм.

Способ может характеризоваться также и тем, что по завершении третьей стадии дополнительно загружают антиоксидант природного происхождения на основе пентагидроксифлавона-дигидрокверцетина в количестве 0,05-0,10% в пересчете на сухую массу допируемого биокомпозита.

Способ может характеризоваться, кроме того, тем, что по завершении третьей стадии дополнительно загружают порошок сухой ламинарии с размером частиц до 5 мкм в количестве 0,05-0,10% в пересчете на сухую массу допируемого биокомпозита.

Технический результат состоит в получении дисперсии гидроксиапатита в коллагеновом гидрогеле с экспоненциальным распределением твердых фракций размером от менее 0,05 мкм до 1,0 мкм.

Особенность патентуемого способа состоит в использовании в качестве реактора аппарата роторно-пульсационного типа (РПА). Это устройство сочетает в себе принципы работы диспергатора, гомогенизатора и центробежного насоса. Благодаря конструктивным особенностям установки РПА жидкотекучие среды в зоне обработки подвергаются комплексному механоакустическому и тепловому воздействию за счет больших градиентов скоростей, вихреобразования и высокочастотных пульсаций в ультразвуковом диапазоне частот. Для задания заданных температурных воздействий на пульпу устройство содержит контур регулирования и холодильник для отвода тепла. Последовательность загрузки компонентов, их состав и время обработки лежат в рекомендованных интервалах.

Важное значение приобретает выбор источника коллагена. Для этих целей рекомендовано использовать дробленую обезжиренную свиную шкуру, которую предварительно бланшируют в воде при температуре 38-40°C в течение 5-10 мин. Воду для использования в процессе подвергают микрофильтрации через фильтры с размером пор 20-30 мкм при температуре 16-20°C и давлении 0,1-0,2 МПа. Далее воду отстаивают в присутствии ионов серебра в течение не менее двух часов до дозы серебра 0,03-0,05 мг/дм3, а затем стерилизуют ультрафильтрацией на элементах с размером пор 0,01-0,07 мкм.

На заключительной стадии загрузки в РПА вводят пентагидроксифлавон-дигидрокверцетин, известный как «Таксифолин» (Taxifolin), который относится к антиоксидантам натурального происхождения, или биофлавоноидам. Он обладает мощным противовоспалительным и противоаллергенным свойствами, укрепляет и восстанавливает соединительную ткань, способствует снижению уровня холестерина, усиливает действие многих полезных веществ (витамина С и витамина Е); укрепляет сосуды и капилляры, улучшает микроциркуляцию крови, препятствует образованию тромбов. Добавление порошка сухой ламинарии с размером частиц до 5 мкм, как источника альгинатов, обеспечивает улучшение процессов регенерации тканей, обладает кровеостанавливающими свойствами, создает мощный барьер для раневой инфекции.

Пример 1. В РПА при рабочем числе оборотов 3000 об/мин загружают предварительно бланшированную при температуре 40°C в течение 10 мин дробленую обезжиренную свиную шкуру и подготовленную воду. Продукт обрабатывают при гидромодуле 4,5 в течение 30 мин, при этом контролируют температуру продукта (не выше 81°C).

В полученный гидрогель коллагена, не прерывая процесса в РПА, загружают порошок фосфата кальция моногидрата CaHPO4·H2O в количестве 4,5 М и обрабатывают при температуре 61°C в течение 10 мин при пониженном числе оборотов (2500 об/мин). На третьей стадии в РПА дробно вводят 3,0 М гидроксида кальция Ca(OH)2·2Н2О, суспендированного в 1 л воды, и обрабатывают в течение 30 мин при числе оборотов 3000 об/мин и температуре не выше 77°C.

На последней четвертой стадии в РПА при рабочем числе оборотов (3000 об/мин) проводят сшивку волокон коллагена при гидромодуле 20, температуре 55-56°C в течение 90 мин. Затем полученный гелеобразный продукт разливают в заданные формы и подвергают лиофильной сушке при температуре коллектора -50°C в течение 32 ч.

Согласно данным анализа зольных элементов, проведенного на лазерном масс-спектрометре «ЭМАЛ-2», атомное соотношение фосфор-кальций составляет 0,6:1,0, что соответствует брутто-формуле Ca10H2O26P6.

Параметры пористой структуры определены из изотермы адсорбции паров азота при температуре -196°C на автоматической вакуумной адсорбционной установке «GRAVIMAT-4303». SБЭТ составляет 79 м2/г.

Размеры частиц твердых фракций определялись на фотоденсиметре ФСХ-5. Полидисперсность характеризуется интервалом 0,5-10 мкм, с вероятнейшим размером частиц 0,5 мкм.

Пример 2. Режимы и загрузка обезжиренной свиной шкуры соответствуют приведенным для примера 1. Загружают 5,0М СаНРО4·Н2О и суспензию 3,3 М Ca(ОН)2·2Н2О в 2 л воды.

Согласно данным анализа зольных элементов атомное соотношение фосфор-кальций составляет 0,6:1,0, что соответствует брутто-формуле Са10Н2О26Р6. Полидисперсность характеризуется интервалом 0,5-10 мкм, с вероятнейшим размером частиц 0,8 мкм. Параметр пористой структуры SБЭТ составляет 78 м2/г.

Пример 3. Режимы и составы соответствуют приведенным для примера 1.

По завершении третьей стадии в РПА с введением 3,0М гидроксида кальция Ca(ОН)2·2H2O, суспендированного в 1 л воды, и обработки в течение 30 мин при числе оборотов 3000 об/мин и температуре 75°C в полученную пульпу вводят пентагидроксифлавон-дигидрокверцетин в количестве 0,05-0,10 г на 100 г лиофилизированного биокомпозита.

Атомное соотношение фосфор-кальций составляет 0,6:1,0, что соответствует брутто-формуле Са10Н2О26Р6. Параметр пористой структуры SБЭТ составляет 79 м2/г. Полидисперсность характеризуется интервалом 0,5-10 мкм, с вероятнейшим размером частиц 0,5 мкм.

Пример 4. Режимы и составы соответствуют приведенным в примере 1.

По завершении третьей стадии в полученную пульпу вводят порошок сухой ламинарии с размером частиц до 5 мкм в количестве 0,05-0,10% в пересчете на сухую массу допируемого биокомпозита. Атомное соотношение фосфор-кальций составляет 0,6:1,0, что соответствует брутто-формуле Са10Н2О26Р6. Параметр пористой структуры SБЭТ составляет 77 м2/г.

Размеры частиц твердых фракций регистрировались на фотоденсиметре ФСХ-5. Полидисперсность характеризуется интервалом 0,5-10 мкм, с вероятнейшим размером частиц 0,5 мкм.

Способ может быть осуществлен с использованием любого промышленного диспергатора циркуляционного типа, например, роторно-пульсационного аппарата РПА «Дельта-ротор» с приводом (Установка РПА (роторно-пульсационный аппарат) 1111.731.00.100, ТУ513*-002-43794424-2008, производство ООО НПП «Авиатехника» г. Казань). Рабочая частота вращения ротора составляет 3000 об/мин; максимальная производительность (по воде) - 20 м3/ч.

Патентуемый способ позволяет получать коллаген-гидроксиапатитовые биокомпозиты высокого качества, существенно упростить технологию процесса, сделать его менее затратным, так как процесс в роторно-пульсационном аппарате осуществляется в условиях саморазогрева реакционной среды и не требует подвода тепла извне.

1. Способ получения пористого коллаген-гидроксиапатитового биокомпозита, включающий синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице, сшивку волокон коллагена, разлив в форму и лиофильную сушку готового биокомпозита,
отличающийся тем, что синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице и сшивку волокон коллагена ведут в гидродинамическом диспергаторе роторно-пульсационного типа в процессе последовательной загрузки компонентов, при этом
на первой стадии загружают дробленую обезжиренную свиную шкуру и подготовленную воду и обрабатывают при гидромодуле 4-5 в течение 25-35 мин и температуре не выше 81°C до получения гидрогеля коллагена,
на второй стадии, не прерывая процесса, в диспергатор загружают порошок фосфата кальция моногидрата в количестве 4,5-5,0 М и обрабатывают в течение 8-12 мин при температуре не выше 71°C,
на третьей стадии в диспергатор дробно вводят 3,0-3,3 М гидроксида кальция, суспендированного в 1-2 л воды и обрабатывают в течение 25-35 мин при температуре не выше 77°C,
на четвертой стадии проводят сшивку волокон коллагена при гидромодуле 20-25, температуре 55-56°C в течение 90-120 мин, затем
полученную пульпу разливают в форму и подвергают лиофильной сушке при температуре коллектора минус 50°C.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что число оборотов ротора диспергатора на втором этапе составляет 0,8-0,85 от рабочего числа оборотов остальных этапов.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что свиную шкуру перед загрузкой бланшируют при температуре 38-40°C в течение 5-10 мин.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в процессе подготовки воды ее подвергают микрофильтрации через фильтры с размером пор 20-30 мкм при температуре 16-20°C и давлении 0,1-0,2 МПа, отстаивают в присутствии ионов серебра в течение не менее двух часов до дозы серебра 0,03-0,05 мг/дм3 и стерилизуют на ультрафильтрационных элементах с размером пор 0,01-0,07 мкм.

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что по завершении третьей стадии дополнительно загружают антиоксидант природного происхождения на основе пентагидроксифлавона-дигидрокверцетина в количестве 0,05-0,10% в пересчете на сухую массу допируемого биокомпозита.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что по завершении третьей стадии дополнительно загружают порошок сухой ламинарии с размером частиц до 5 мкм в количестве 0,05-0,10% в пересчете на сухую массу допируемого биокомпозита.



 

Похожие патенты:
Изобретение относится к области медицины и фармакологии и представляет собой биоинженерный коллагеновый конструкт для восстановления или замещения поврежденной ткани, отличающийся тем, что он включает слой очищенного коллагенового тканевого матрикса, полученного из подслизистой оболочки тонкой кишки, при этом упомянутый очищенный коллагеновый тканевый матрикс является обработанным фармацевтически приемлемым противомикробным агентом и обладает противомикробными свойствами.

Изобретение относится к медицине и может быть использовано при направленной регенерации тканей. .

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения новых пористых биомедицинских материалов на основе сплава титан-кобальт, которые могут быть использованы для изготовления костных имплантатов.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано для воссоединения и регенерирования поврежденных нервов. .

Изобретение относится к способу ускорения заживления слизистой оболочки, заключающемуся в том, что на участок поврежденной слизистой оболочки накладывают мембрану, состоящую из очищенного коллагенового материала, полученного из природной ткани, содержащей коллаген, и дают возможность восстанавливаться слизистой оболочке на этом участке, а также регенерирующему слизистую оболочку препарату и к применению очищенного коллагенового материала, полученного из природной ткани, содержащей коллаген, для изготовления регенерирующего слизистую оболочку препарата.

Изобретение относится к получению пористых -трикальцийфосфатных керамических изделий, предназначенных для применения в качестве костных имплантатов. .

Изобретение относится к медицине, а именно к составу пористой биостеклокерамики, содержащей мелкодисперсное натрийсиликатное стекло, гранулы синтетических минералов - фосфатов кальция, входящих в состав нативной костной ткани, волластонита, образующегося при кристаллизации натрийсиликатного стекла, а также добавку карбоната и углеродсодержащего порообразователя.

Изобретение относится к медицине, в частности к материалам для возмещения дефектов костей (остеомиелитических секвестров, костных кист, очагов остеонекроза) посредством осуществления остеоиндукции и остеокондукции в полостях, заполненных предлагаемым биоматериалом.

Изобретение относится к области медицины, а именно к стоматологии, и касается получения цемента брушитного типа для замещения костных дефектов. .

Изобретение относится к химической технологии, конкретно к способу получения гидроксиапатита (ГА), обладающего антимикробной активностью, который может использоваться в медицине в качестве материала для замещения костных дефектов, в фармации, косметике, стоматологии, перевязочных средствах и в различных областях техники.

Изобретение относится к медицине. .

Изобретение относится к области медицинского материаловедения и может быть использовано при создании материалов для травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, а также в качестве носителей для лекарственных средств.
Изобретение относится к биоактивному микропористому материалу для костной хирургии, который включает при определенных соотношениях измельченное в порошок высокощелочное стекло островной, цепочечной, кольцевой и слоистой структуры определенного состава, порошок кальций-фосфатного наполнителя, выбранного из кальций-дефицитного гидроксиапатита с отношением Са/Р=1,5-1,65 или -трехкальциевого фосфата, и порообразователь, представляющий собой крахмал или желатин.

Изобретение относится к медицине. .
Изобретение относится к медицине, в частности к кальцийфосфатным керамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях.
Изобретение относится к области медицины и касается цементных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей
Наверх