Способ получения карбонатгидроксилапатита из модельного раствора синовиальной жидкости человека

Авторы патента:

Голованова Ольга Александровна (RU)

Герк Светлана Александровна (RU)

Измайлов Ринат Рашидович (RU)

A61L27/32 - фосфорсодержащие материалы, например апатит

A61L27/12 - фосфорсодержащии материалы, например апатит

Владельцы патента RU 2526191:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Омский государственный университет им. Ф.М. Достоевского" (RU)

Изобретение относится к области медицины. Описан способ получения карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят модельную среду указанного состава: CaCl₂ - 1.3431 г/л, Na₂HPO₄·12H₂O - 7.4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl₂∙6H₂O - 0.4764 г/л, Na₂SO₄ - 1.6188 г/л, КСl - 0.3427 г/л, осаждение проводят при концентрации карбонат-ионов 24 ммоль/л, температуре 22-25°С, значении рН 7.4±0,05 в течение 30 дней. Карбонатгидроксилапатит имеет мономодальное распределение частиц по размерам, при этом значение их среднего диаметра для КГА (42,38 мкм). Карбонат-ионы включены в структуру гидроксилапатита в позициях гидроксильных групп (ОН^-), что подтверждается данными ИК-спектроскопии и свидетельствует о том, что результатом синтеза является карбонатгидроксилапатит А-типа, который приближен к неорганическому матриксу костной ткани. 2 ил., 3 табл.

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных покрытий карбонатгидроксилапатита на имплантах, при создании бифазных композитов на основе карбонатгидроксилапатита и полимерной органической матрицы.

Известен способ приготовления шихты для керамического материала на основе карбонатгидроксиапатита (патент RU 2391317), заключающийся во взаимодействии водных растворов ацетата кальция с концентрацией 0,25-1,00 М и гидрофосфата калия с концентрацией 0,15-0,60 М в щелочной среде, обеспечиваемой KОН, взятым в 1,2-кратном избытке относительно количества, рассчитанного по реакции. Приготовленная таким образом шихта содержит 65-92% карбонатгидроксиапатита и 8-35% ацетата калия.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения биосовместимых материалов для замещения костной ткани в среде синтетической жидкости (SBF), моделирующей состав плазмы крови человека (Jalota S., Bhaduri S.B., Tas А.С.Using a synthetic body fluid (SBF) solution of 27 mM НСО₃ ^- to make bone substitutes more osteointegrative. // Materials Science and Engineering, V. 28, 2008, р. 129-140). По данному способу синтез биоматериалов осуществлялся путем выдерживания коллагеновых губок (коллаген I типа) в растворе близком по составу и содержанию неорганических ионов к плазме крови человека при физиологических значениях температуры 37°С и рН=7,4 в течение 7 дней. При этом стабилизация рН модельного SBF раствора проводилась при помощи буферной смеси трис-гидрокиметил-аминометана и соляной кислоты (Трис-HCl), что также позволило провести эксперимент при постоянной концентрации одного из важных ионов плазмы крови НСО₃ ^- (27 ммоль/л). Способ позволяет получить композиты коллаген-апатит-фосфат кальция (коллаген-Ар-Сар) с наноразмерами частиц и высокой площадью поверхности, что способствует улучшению остеогенеза при замещении костных дефектов в живом организме. К недостаткам его следует отнести отсутствие возможности получения карбонатгидроксилапатита, основного компонента костной ткани человека.

Задачей заявляемого изобретения является разработка способа получения карбонатидроксилапатита из модельного раствора синовиальной жидкости человека.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят модельную среду указанного состава: СаСl₂ - 1.3431 г/л, Na₂HPO₄∙12Н₂О - 7.4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl₂∙6Н₂O - 0.4764 г/л, Na₂SO₄ - 1.6188 г/л, KС1 - 0.3427 г/л, осаждение проводят при концентрации карбонат-ионов 24 ммоль/л, температуре 22-25°С, значении рН 7.4±0,05 в течение 30 дней.

Синтез карбонатгидроксилапатита осуществлялся из модельной среды, приближенной по ионно-электролитному составу, рН, ионной силы к синовиальной жидкости человека. Осаждение из растворов проводилось при значении рН 7.4±0,05, которое соответсвует физиологическому значению кислотности синовии в норме (Лунева С.Н. Биохимические изменения в тканях суставов при дегенеративно-дистрофических заболеваниях и способы биологической коррекции: Дис… д-ра биол. наук. Курган. 2003. 297 с). При этом корректировка рН до требуемых физиологических значений осуществлялась путем добавления 20%-ого раствора NaOH или концентрированной НСl. Синтез проводили при температуре 22-25°С. Для получения карбонатсодержащих материалов на основе апатита в модельных опытах проводилось варьирование физиологической концентрации карбонат-ионов (СО₃ ^2-) в интервале от 0 до 32 ммоль/л. Данные концентрационные диапазоны соответствуют содержанию ионов в синовиальной жидкости человека (Кирсанов А.И. Концентрация химических элементов в разных биологических средах человека. Клиническая лабораторная диагностика. 2001. №3. С.16-20). При этом содержание остальных минеральных составляющих соответствовало таковым для синовиальной жидкости человека (табл.1).

Таблица 1
Средние концентрации неорганических ионов синовиальной жидкости человека при разных значениях рН, ммоль/л
Компонент-ион (ммоль/л)	рН
7.40±0.05
Кальций	12.1
Фосфаты	20.9
Натрий	140.0
Магний	1.10
Калий	4.60
Хлорид	103.0
Карбонат	0÷32.00
Сульфат	11.40

Для приготовления модельных растворов использовались соли (СаСl₂, Na₂HPO₄∙12Н₂O, MgCl₂∙6Н₂O, NaHCO₃, Na₂SO₄, KСl, NaCl) марки ч.д.а, х.ч. и дистиллированная вода. Соли и их количество подбирались таким образом, чтобы концентрации их ионов в растворе и ионная сила были максимально приближены к данным параметрам моделируемой системы, а именно синовиальной жидкости. При этом полученная ионная сила отличалась от исходного значения не более чем на 0,03. Для получения достаточного количество твердой фазы использовали модельный раствор, пересыщенный относительно ионов кальция в 50 раз. Кристаллизация твердой фазы осуществлялась в течение 30 суток.

После вызревания осадка под маточным раствором в течение выбранного промежутка времени раствор фильтровали под вакуумом. Осадок высушивали при температуре ~100°С до постоянной массы для полного удаления химически не связанной воды. Взвешивали полученную твердую фазу и изучали методами РФА (Дрон-3М), ИК-Фурье-спектроскопии (ФТ-801, таблетки КВr) и дисперсионного анализа синтезированного карбонатгидроксилапатита на лазерном дифракционном анализаторе размеров частиц Shimadzu SALD-2101 (Laser Diffraction Particle Size Analyzer).

В жидких фазах фиксировали конечное значение рН и определяли химическими методами остаточные концентрации ионов кальция и магния (РД 52.24.403-94) и фосфат-ионов (ГОСТ 18309-72). В работе использовалась математическая обработка спектров с помощью программного пакета PeakFit_v 4.11. (Shi J., Klocke A., Zhang M., Bismayer U. Thermally-induced structural modification of dental enamel apatite: Decomposition and transformation of carbonate groups. European Journal of Mineralogy. 2005. Vol.17. P.769-775), заключающаяся в разложении спектральной области 400-650 см^-1 на три элементарных полосы поглощения (распределение по Лоренцу, Р=0.99). По результатам разложения рассчитан параметр инфракрасного расщепления антисимметричного деформационного колебания ν₄ связи О-Р-О, полученный как отношение интенсивностей двух пиков к интенсивности «впадины» между ними:

IRSF=I(564 см^-1)+I(604 см^-1)/I(584 см^-1).

По его величине оценивалась степень кристалличности исследуемого минерала. По данным РФА во всем диапазоне варьирования концентраций карбонатов-ионов получены гидроксилапатит низкой кристалличности, для которого оценены параметры кристаллической решетки (табл.2)

Таблица 2
Кристаллографические параметры решетки апатитов
С_СО3 ^2-. ммоль/л	0	8	16	24	32	Костная ткань	ГА
α	9,68	9,75	9,74	9,76	9,72	9,41	9,43
с	6,49	6,37	6,39	6,64	6,38	6,89	6,89
с/α	0,67	0,64	0,65	0,68	0,66	0,73	0,73

Известно, что величины параметров α и с элементарной ячейки синтезированных образцов отличаются от таковой для костной ткани и стехиометричного гидроксилапатита (Улумбекова Э.Г., Челышева Ю.А. Гистология (введение в патологию). - М.: ГЭОТАР, 1997. - 960 с.) Параметр α образцов по сравнению с апатитом кости больше, а с напротив уменьшается. Такие характеристики кристаллической решетки характерны для нестехиометрических кальцийдефицитных гидроксилапатитов, в том числе карбонатсодержащих [Улумбекова Э.Г., Челышева Ю.А. Гистология (введение в патологию). - М.: ГЭОТАР, 1997. - 960 с.].

На фиг.1 представлены ИК-спектры образцов, синтезированного при: С_СО3 ^2-=0 ммоль/л (1), С_СО3 ^2-=8 ммоль/л (2), С_СО3 ^2-=24 ммоль/л (3), С_СО3 ^2-=32 ммоль/л (4)), полученные во всем диапазоне варьирования карбонат-ионов. Диапазон частот 3440-3400 см^-1 соответствует валентным колебаниям νН₂O; интервал 1680-1610 см^-1 принадлежит деформационным колебаниям Н-О-Н в Н₂О; 1480-1410 см^-1 -асимметричным валентным колебаниям С-O в СО₃ ^2- В-типа (ν₃CO₃ ^2-); 1090-1030 см^1-- асимметричным валентным колебаниям υ₃ Р-O в РО₄ ^3-; 968-958 см^-1 - полносимметричное валентное колебание υ₁и υ₃ P-O в РО₄ ^3-; 893-894 см^-1 - колебания НРО₄ ^2-; 875-879 см^-1 - деформационное колебание О-С-О в СО₃ ^2- А и В-типа (ν₂ СO₃ ^2-); 634-632 см^-1 - либрационные полосы поглощения ОН^-; 605-564 см^-1 - деформационное колебание υ₄ О-Р-О в РO₄ ^3-.

Для каждого образца по ИК-спектрам были рассчитаны индексы кристалличности (табл.3), максимальная кристалличность (IRSF) отмечена у образца, синтезированного в отсутствии карбонатов (фиг.1). Необходимо отметить, что при концентрации карбонатов, равной 24 ммоль/л, наблюдается индекс кристалличности (IRSF) наиболее близкий к здоровой костной ткани человека (Лемешева С.А. Химический состав, свойства костного апатита и его аналогов: Дис.к.х.н., Омск 2009. 177 с). Следовательно, концентрация карбонатов-ионов (24 ммоль/л) обеспечивает получение карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани человека.

Таблица 3

Данные химического анализа модельного раствора

С_СО3 ^2- _{ммоль/л}	0	8	16	24	32
Са/Р	0,42	0,33	0,25	0,20	0,06
m_осадка,Г	2,86	4,25	4,73	5,27	4,59
IRSF	7,18	6,68	6,05	5,23	6,77

Распределение частиц по размерам представлено на фиг.2. Распределение частиц синтетических фосфатов кальция по размерам является важным параметром при характеристике физико-химических свойств дисперсных систем. Согласно данным анализа дисперсного состава синтетических порошков для образцов карбонатгидроксилапатита характерно мономодальное распределение частиц по размерам, при этом значение их среднего диаметра для КГА (42,38 мкм).

Таким образом, заявляемый способ позволяет в условиях, моделирующих синовиальную жидкость (основного компонента сустава), получить карбонатгидроксилапатит, приближенный к неорганическому матриксу костной ткани человека.

Способ получения карбонатгидроксилапатита, приближенного к неорганическому матриксу костной ткани, из модельного раствора синовиальной жидкости человека, в котором готовят раствор состава: CaCl₂ - 1.3431 г/л, Na₂HPO₄∙12H₂O - 7.4822 г/л, NaCl - 2,8798 г/л, MgCl₂∙6H₂O - 0.4764 г/л, Na₂SO₄ - 1.6188 г/л, КСl - 0.3427 г/л, осаждение проводят при концентрации карбонат-ионов 24 ммоль/л, температуре 22-25°С, значении рН 7.4+0,05 в течение 30 дней.

Изобретение относится к области медицины и касается цементных материалов для пластической реконструкции поврежденных костных тканей. Описаны кальцийфосфатные цементные материалы, которые получают на основе порошков тетракальциевого фосфата и/или трикальцийфосфата.

Способ получения наноструктурированного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов // 2523410

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в стоматологии, травматологии и ортопедии. Описан способ получения наноструктурированнного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов, заключающийся в распылении мишени из стехиометрического гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 в плазме высокочастотного магнетронного разряда в атмосфере аргона при давлении 0.1-1 Па и плотностью мощности на мишени 0.1-1 Вт/см2 в течение 15-180 мин на расстоянии от мишени до подложки в интервале от 40 до 50 мм, где формирование наноструктуры производится после нанесения покрытия в ходе контролируемого термического отжига при температуре 700-750°C в течение 15-30 мин.

Способ получения лантансодержащего покрытия // 2494764

Изобретение относится к челюстно-лицевой хирургии и травматологии и описывает способ получения лантансодержащего покрытия. При осуществлении способа помещают порошок гидроксиапатита в раствор 0,04 LaCl3, выдерживают порошок на воздухе при комнатной температуре в течение времени, необходимого для качественной пропитки частиц гидроксиапатита раствором LaCl3, отфильтровывают осадок на воронке Бюхнера, который затем промывают горячей водой, высушивают при 200-300°С в течение 4-6 часов и отжигают при 600-700°С в течение 2-3 часов, формирование лантансодержаего покрытия производят сначала напылением титанового подслоя, а затем лантансодержащего порошка гидроксиапатита.

Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с углеродным нанопокрытием // 2490032

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к ортопедической стоматологии. .

Остеоинтеграционное покрытие на ортопедические и стоматологические титановые имплантаты // 2472532

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к остеоинтеграционным оксидным покрытиям на ортопедические и стоматологические титановые имплантаты.

Способ нанесения биоактивного нано- и микроструктурированного кальцийфосфатного покрытия на имплантат из титана и его сплавов // 2444376

Изобретение относится к медицине. .

Способ получения биологически активного покрытия // 2428207

Изобретение относится к медицине. .

Кальций-фосфатное биологически активное покрытие на имплантате и способ его нанесения // 2423150

Изобретение относится к области медицинской техники. .

Способ нанесения гидроксиапатитового покрытия на имплантаты // 2417107

Изобретение относится к способам нанесения гидроксиапатитовых покрытий и может быть использовано в медицине при изготовлении металлических имплантатов с биоактивным покрытием.

Способ модифицирования поверхности имплантатов из титана и его сплавов // 2394601

Изобретение относится к медицине. .

Способ получения шихты для композиционного материала на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для восстановления костной ткани при реконструктивно-пластических операциях // 2523453

Изобретение относится к способу получения шихты для композиционного материала на основе карбоната кальция - гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для восстановления костной ткани при реконструктивно-пластических операциях.

Способ изготовления внутрикостных имплантатов с антимикробным эффектом // 2512714

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии. Описан способ изготовления внутрикостных имплантатов, включающий послойное нанесение плазменным напылением на металлическую основу имплантата биологического активного покрытия, при этом первым и вторым слоями дистанционно напыляют титан, третьим слоем наносят механическую смесь порошка титана и гидроксиапатита, четвертый слой формируют на основе гидроксиапатита или оксида алюминия, при этом при формировании четвертого слоя смешивают порошок бемита дисперсностью не более 50 нм с порошками гидроксиапатита или оксида алюминия в количестве 5-20% порошка бемита от общего количества веществ, при этом бемит берут в виде суспензии, приготовленной с добавлением поверхностно-активного вещества, растворенного в дистиллированной воде концентрацией 0,25-5%, обработанного в ультразвуковой ванне, затем полученную суспензию из бемита и гидроксиапатита или оксида алюминия обрабатывают в ультразвуковой ванне, сушат, отжигают и измельчают.

Отверждаемый биокомпозиционный материал для замещения костных дефектов // 2508131

Изобретение относится к области медицины, в частности к травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии, нейрохирургии, а именно к остеопластичным составам биокомпозиционных материалов, предназначенным для лечения заболеваний и повреждений костной системы человека, и может быть использовано в качестве материала, способного в организме полностью биодеградировать и заменяться новой костной тканью, для регенерации костных клеток, биологического наполнителя при дефектах костной ткани, остеокондуктивного и остеоиндуктивного биологического опорного каркаса для регенерации костной ткани.

Остеогенный биорезорбируемый материал для замещения костных дефектов и способ его получения // 2504405

Изобретение относится к области медицины, а именно к инъекционным биорезорбируемым составам биокомпозиционных материалов, предназначенных для лечения заболеваний и повреждений костной системы человека, в качестве материала, способного в организме полностью биодеградировать и заменяться новой костной тканью, для регенерации костных клеток, остеокондуктивного и остеоиндуктивного биологического опорного каркаса для регенерации костной ткани, применяемых в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, нейрохирургии.

Биоматериалы на основе фосфата кальция // 2501571

Изобретение относится к медицине. Описан биоматериал на основе фосфата кальция, предпочтительно на основе гидроксиапатита, или на основе материала, содержащего гидроксиапатит, такого как двухфазные фосфаты кальция и кальцийфосфатные цементы, и его применение для получения имплантата или для установки протеза с целью обеспечения регенерации костной ткани.

Способ получения нанокристаллического кремнийзамещенного гидроксиапатита // 2500840

Изобретение относится к технологии получения неорганических материалов, которые могут быть использованы для производства медицинских материалов, стимулирующих восстановление дефектов костной ткани, в том числе в стоматологии.

Способ получения канафита // 2499767

Изобретение относится к способу получения канафита, т.е. гидратированного двойного пирофосфата натрия кальция (Na2Ca2PO7*4H2O).

Пористые микросферы на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани // 2497548

Изобретение относится к пористым гранулам-микросферам с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани. Указанные микросферы имеют размер в диапазоне 1-1000 мкм, имеют сквозные поры с размером 1-100 мкм и общую пористость 40-75%.

Способ получения биологического гидроксиапатита // 2494751

Изобретение относится к медицине, а именно к получению биологического гидроксиапатита. Описан способ получения биологического гидроксиапатита, включающий предварительную очистку костей, измельчение их, растворение костной ткани в соляной кислоте с последующим осаждением гидроксиапатита осадителем, фильтрование, термическую обработку и измельчение осадка, измельчение костей производят до получения частиц размером 2,5-5 см, растворение костной ткани осуществляют раствором соляной кислоты с концентрацией 0,5-2М с последующим отделение жидкой части взвеси фильтрацией и добавлением в отфильтрованный раствор при постоянном перемешивании хитозана концентрацией 1,5-2 мас.% до его полного растворения.

Биосовместимый костнозамещающий материал и способ получения его // 2494721

Изобретение относится к медицине, а именно к способу получения биосовместимого костнозамещающего материала, при этом получают порошок биологического гидроксиапатита с размером частиц не более 40 мкм из костей крупного рогатого скота, смешивают порошок гидроксиапатита с порошком фосфата магния с размером частиц не более 40 мкм при соотношении их 1,0:0,25, добавляют к полученнной смеси порошков водную суспензию 2-амино-5-гуанидиновалериановой кислоты с последующим перемешиванием их в течение 40-50 минут и сушкой при 50-60°С.

Материал заменителя костной ткани // 2529802

Изобретение относится к медицине. Описан двухфазный материал заменителя костной ткани на основе фосфата кальция / гидроксиапатита (САР/НАР), включающий ядро из спеченного CAP и как минимум один равномерный и закрытый эпитаксически нарастающий слой нанокристаллического НАР, нанесенный сверху на ядро из спеченного CAP, причем эпитаксически нарастающие нанокристаллы имеют такой же размер и морфологию, что и у минерала костей человека, то есть длину от 30 до 46 нм и ширину от 14 до 22 нм. Описан также способ получения материала заменителя костной ткани на основе САР/НАР, включающий этапы: а) изготовления ядра из спеченного материала CAP, b) погружения ядра из спеченного материала CAP в водный раствор при температуре от 10°С до 50°С для запуска процесса преобразования CAP в НАР, при помощи которого на поверхности ядра из спеченного материала CAP образуется равномерный и закрытый эпитаксически нарастающий слой нанокристаллического гидроксиапатита, причем эпитаксически нарастающие нанокристаллы имеют такие же размер и морфологию, что и у минерала костей человека, с) прекращения преобразования путем отделения твердого материала от водного раствора при наличии равномерного и закрытого покрытия из как минимум одного нанокристаллического слоя НАР, но до полного завершения процесса преобразования, d) необязательной стерилизации отделенного материала с этапа с), и применения вышеупомянутого материала заменителя костной ткани в качестве имплантата или протеза для остеогенеза, регенерации костей, восстановления костей и/или реплантации костей в месте повреждения у человека или животного. 4 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 табл., 6 пр.