BR102019009073A2

BR102019009073A2 - fast-healing injectable bone cement reinforced with graphene oxide and its preparation method

Info

Publication number: BR102019009073A2
Application number: BR102019009073-1A
Authority: BR
Inventors: Sidney Nicodemos Da Silva; Ivete Peixoto Pinheiro Silva; Matheus Soares Siman; Marcelo Augusto Brito Madureira; Danielle Marra De Freitas Silva Azevedo; Ana Esther Silva Amaral
Original assignee: Centro Federal De Educação Tecnológica De Minas Gerais
Priority date: 2019-05-03
Filing date: 2019-05-03
Publication date: 2020-11-10

Abstract

A presente invenção refere-se ao processamento e a melhora das propriedades biológicas, físico-químicas e mecânicas de materiais para enxertos ósseos ou biofixação de próteses. O campo técnico de aplicações desse novo biomaterial compósito injetável de fosfato de cálcio bifásico reforçado com óxido de grafeno envolve as áreas odonto-médicas e veterinárias. O biomaterial é constituído de fosfato de cálcio bifásico: Hidroxiapatita (HA) e Fosfato de Cálcio Amorfo (ACP), reforçado com óxido de grafeno nas razões mássicas de (0,1% a 1,0%) e demais aditivos. O material é biocompatível, osteocondutor e reabsorvível no meio fisiológico, podendo ser usado para reparar ou substituir parte do tecido ósseo e auxiliar no tratamento de doenças ou traumas ortopédicos e odontológicos, bem como na cimentação de próteses e implantes. A adição do óxido de grafeno na formulação confere um incremento nas propriedades mecânicas e biológicas, viabilizando a obtenção de um cimento injetável ou de fácil manipulação em ambientes clínicos, com características inovadoras importantes como: cura rápida, compatíveis com o tecido ósseo e/ou com o sistema osteocondral, biofuncionalidade e baixo custo de produção.

The present invention relates to the processing and improvement of the biological, physical-chemical and mechanical properties of materials for bone grafts or prosthesis biofixation. The technical field of applications of this new injectable composite biomaterial of biphasic calcium phosphate reinforced with graphene oxide involves the dental-medical and veterinary areas. The biomaterial consists of biphasic calcium phosphate: Hydroxyapatite (HA) and Amorphous Calcium Phosphate (ACP), reinforced with graphene oxide in the mass ratios of (0.1% to 1.0%) and other additives. The material is biocompatible, osteoconductive and resorbable in the physiological environment, and can be used to repair or replace part of the bone tissue and assist in the treatment of orthopedic and dental diseases or trauma, as well as in the cementation of prostheses and implants. The addition of graphene oxide in the formulation provides an increase in mechanical and biological properties, making it possible to obtain an injectable cement or easy to handle in clinical environments, with important innovative characteristics such as: quick cure, compatible with bone tissue and / or with the osteochondral system, biofunctionality and low production cost.

Description

QUICK HEALING INJECTABLE BONE CEMENT REINFORCED WITH GRAPHEN OXIDE AND ITS PREPARATION METHOD

[001] A presente patente de invenção, que se insere no campo técnico de materiais para enxertos ósseos ou na biofixação de próteses, constitui-se de um novo cimento biológico injetável de fosfato de cálcio bifásico reforçado com óxido de grafeno (OG). Este biomaterial apresenta propriedades biológicas e mecânicas adequadas para aplicações odontológicas e ortopédicas, devido a sua composição química compatível com o tecido ósseo e osteocondrais, graças a sua biofuncionalidade, bioatividade e sua função osteogênica, promovendo uma remodelação óssea natural.[001] The present invention patent, which is inserted in the technical field of materials for bone grafts or in the biofixation of prostheses, consists of a new injectable biological cement of biphasic calcium phosphate reinforced with graphene oxide (OG). This biomaterial has biological and mechanical properties suitable for dental and orthopedic applications, due to its chemical composition compatible with bone and osteochondral tissue, thanks to its biofunctionality, bioactivity and its osteogenic function, promoting a natural bone remodeling.

[002] Descrição do estado da técnica: Os materiais usados para substituir sistemas biológicos, seja completamente ou em partes, são denominados biomateriais, sendo que estes são projetados para que, durante seu uso, gerem o menor distúrbio imunológico possível, tais como reações alérgicas ou inflamatórias. De acordo com a interação do material com o meio biológico, eles podem ser classificados como bioinertes, bioativos ou reabsorvíveis.[002] Description of the state of the art: The materials used to replace biological systems, either completely or in parts, are called biomaterials, which are designed so that, during their use, they generate the least possible immunological disturbance, such as allergic reactions or inflammatory. According to the interaction of the material with the biological environment, they can be classified as bioinert, bioactive or resorbable.

[003] Biomateriais inertes são aqueles que ao serem implantados apresentam características não tóxicas e não interagem com os tecidos vivos, formando-se apenas uma camada fibrosa ao redor do implante; os bioativos são capazes de formar ligação com tecidos duros e moles; já os biodegradáveis ou reabsorvíveis permitem que o tecido vivo substitua o implante, ou seja, o material implantado é reabsorvido localmente.[003] Inert biomaterials are those that, when implanted, have non-toxic characteristics and do not interact with living tissues, forming only a fibrous layer around the implant; bioactives are able to form bonds with hard and soft tissues; whereas biodegradable or resorbable materials allow living tissue to replace the implant, that is, the implanted material is reabsorbed locally.

[004] Os produtos não tóxicos gerados pela decomposição do material são eliminados através dos processos do metabolismo, secreção ou excreção e praticamente não ocasionam reações inflamatórias, além do mais, a reabsorção evita todos os dispêndios causados por mais um procedimento cirúrgico, que é geralmente necessário para retirada de próteses.[004] The non-toxic products generated by the decomposition of the material are eliminated through the processes of metabolism, secretion or excretion and practically do not cause inflammatory reactions, moreover, reabsorption avoids all expenses caused by another surgical procedure, which is generally necessary for removal of prostheses.

[005] Os Cimentos de Fosfatos de Cálcio (CFCs), em suas mais diversas composições, são exemplos clássicos de matérias reabsorvíveis, mostrando-se como uma alternativa promissora em diversas aplicações biomédicas, devido também a suas propriedades de molhabilidade, hidratação, capacidade de endurecimento e facilidade de moldagem, formando uma pasta plástica quando misturados em uma solução aquosa. Esta pasta perde sua plasticidade à medida que sua resistência mecânica aumenta, ao decorrer da reação, que pode durar de segundos a dias.[005] Calcium Phosphate Cements (CFCs), in their most diverse compositions, are classic examples of resorbable materials, showing themselves as a promising alternative in several biomedical applications, due also to their properties of wettability, hydration, ability to hardening and easy molding, forming a plastic paste when mixed in an aqueous solution. This paste loses its plasticity as its mechanical resistance increases, during the reaction, which can last from seconds to days.

[006] A pega, ou endurecimento, dos CFCs ocorrem pelos mecanismos de dissolução e reprecipitação. Inicialmente ocorre dissolução dos reagentes, com liberação de íons cálcio e fosfato, levando a supersaturação da solução. Quando a concentração iônica atinge níveis críticos acontece à nucleação de cristais e em seguida seu crescimento. Durante o crescimento, os cristais se entrecruzam fazendo o CFC perder sua propriedade viscoelastica, tornando-se uma massa sólida.[006] CFCs take up, or harden, through dissolution and reprecipitation mechanisms. Initially, the reagents dissolve, releasing calcium and phosphate ions, leading to supersaturation of the solution. When the ionic concentration reaches critical levels, it happens to the nucleation of crystals and then their growth. During growth, the crystals intertwine causing the CFC to lose its viscoelastic property, becoming a solid mass.

[007] O tempo de pega, ou tempo de cura. é uma característica de extrema importância, pois determina o tempo que o cirurgião tem para processar o material e implantá-lo no local adequado. Esse tempo deve ser lento o suficiente para permitir que o cirurgião processe a pasta cimentícia e faça o implante, porém rápido o bastante para evitar atrasos na operação, pois deformações durante o tempo de pega podem levar a rachaduras no cimento implantado.[007] The setting time, or curing time. it is an extremely important characteristic, as it determines the time that the surgeon has to process the material and implant it in the appropriate place. This time should be slow enough to allow the surgeon to process the cement paste and make the implant, but fast enough to avoid delays in the operation, as deformations during the setting time can lead to cracks in the implanted cement.

[008] Vários fatores podem afetar esse tempo de pega, dentre eles: o tamanho da partícula do sólido (partículas de pequeno tamanho reduzem esse tempo); a relação líquido/sólido usado para confecção da pasta cimentícia (quantidades pequenas de água levam a tempo curto de pega); adição de íons de cálcio e/ou de fosfato dissolvidos na fase líquida (o aumento da concentração desses íons leva a redução do tempo de pega) e a adição de inibidores de crescimento de cristais levam a um aumento do tempo de pega.[008] Several factors can affect this setting time, among them: the particle size of the solid (small particles reduce this time); the liquid / solid ratio used to make the cement paste (small amounts of water take a short time to set); addition of calcium and / or phosphate ions dissolved in the liquid phase (increasing the concentration of these ions leads to a reduction in the setting time) and the addition of crystal growth inhibitors leads to an increase in the setting time.

[009] O produto final a ser obtido depende intrinsecamente de uma vasta gama de parâmetros de fabricação, tais como, a razão de líquido/sólido, o método de mistura usado para misturar o pó com o líquido dos cimentos, bem como a presença de aditivos. Por exemplo, se for diminuída a quantidade de líquido na mistura, leva a uma diminuição da porosidade do cimento. Como é de conhecimento no estado da técnica, as propriedades mecânicas dos cimentos cerâmicos diminuem exponencialmente com o aumento da porosidade.[009] The final product to be obtained depends intrinsically on a wide range of manufacturing parameters, such as the liquid / solid ratio, the mixing method used to mix the powder with the cement liquid, as well as the presence of additions. For example, if the amount of liquid in the mixture is decreased, it leads to a decrease in the porosity of the cement. As is known in the prior art, the mechanical properties of ceramic cements decrease exponentially with increasing porosity.

[010] A escolha da formulação do CFC para aplicações médicas deve ser cuidadosa e o conhecimento de suas propriedades é fundamental para garantir o efeito clínico desejado. O cimento deve apresentar facilidade de preparo e manuseio durante o procedimento cirúrgico e depois de endurecido, deve ser biocompatível, ter integridade mecânica suficiente para estabilizar a fratura ou o local do implante e apresentar porosidade adequada para ser reabsorvido e substituído pelo tecido hospedeiro.[010] The choice of CFC formulation for medical applications must be careful and the knowledge of its properties is essential to guarantee the desired clinical effect. The cement must be easy to prepare and handle during the surgical procedure and after hardening, it must be biocompatible, have sufficient mechanical integrity to stabilize the fracture or the implant site and have adequate porosity to be reabsorbed and replaced by the host tissue.

[011] A principal limitação dos CFCs está relacionada à suas propriedades mecânicas, limitando seu uso para aplicações sujeitas a baixos esforços mecânicos, e por isso, outro materiais, como o PMMA poli(metacrilato de metila), eram largamente utilizados em cirurgias ortopédicas, sendo este, uma resina acrílica resultante da polimerização do metacrilato de metila (MMA) que quando injetado, se solidifica a partir do mecanismo de auto-polimerização e se adapta à forma para o qual foi direcionado. Entretanto, a adesão deste polímero aos ossos é limitada se a área de contato não é suficientemente grande. Além disso, o mesmo não induz remodelação óssea e pode gerar toxicidade em função da conversão incompleta do metil metacrilato, o que pode resultar na presença de monômeros residuais que podem gerar uma resposta inflamatória ao paciente.[011] The main limitation of CFCs is related to their mechanical properties, limiting their use for applications subject to low mechanical stress, and therefore, other materials, such as poly PMMA (methyl methacrylate), were widely used in orthopedic surgeries, this being an acrylic resin resulting from the polymerization of methyl methacrylate (MMA) which, when injected, solidifies from the self-polymerization mechanism and adapts to the form for which it was directed. However, the adhesion of this polymer to the bones is limited if the contact area is not large enough. In addition, it does not induce bone remodeling and can generate toxicity due to the incomplete conversion of methyl methacrylate, which can result in the presence of residual monomers that can generate an inflammatory response to the patient.

[012] No estado da técnica, diversas formulações de CFCs reforçados com uma segunda fase foram elaboradas, a fim de produzir um material que aliasse à resistência dos cimentos acrílicos com a biocompatibilidade dos fosfatos de cálcio, porém estas além de apresentarem composições distintas, o que altera em muito suas propriedades, utilizam métodos de preparação e materiais que apresentam um elevado custo de produção.[012] In the state of the art, several formulations of CFCs reinforced with a second phase were elaborated, in order to produce a material that combined the resistance of acrylic cements with the biocompatibility of calcium phosphates, but these in addition to presenting different compositions, the that changes their properties a lot, they use preparation methods and materials that present a high production cost.

[013] O óxido de grafeno, por sua vez, pode ser obtido por rotas químicas de oxidação do grafite, produzindo grandes quantidades com baixo custo, proporcionando ainda, aumentos significativos da resistência mecânica dos CFCs.[013] Graphene oxide, in turn, can be obtained by chemical routes of graphite oxidation, producing large quantities at low cost, also providing significant increases in the mechanical resistance of CFCs.

[014] A patente descrita em CN201210269892 divulga um material compósito de grafeno/fosfato de cálcio e um método de preparação do mesmo. O material compósito é preparado por prensagem a quente e sinterização, utilizando nanofolhas de grafeno como reforço e o fosfato de cálcio bifásico como substrato. O agente dispersante do grafeno utilizado foi o brometo de hexadeciltrimetilamônio.[014] The patent described in CN201210269892 discloses a composite material of graphene / calcium phosphate and a method of preparing it. The composite material is prepared by hot pressing and sintering, using graphene nano sheets as reinforcement and biphasic calcium phosphate as a substrate. The graphene dispersing agent used was hexadecyltrimethylammonium bromide.

[015] O produto proposto em CN201710456840 divulga um material compósito de cimento ósseo de fosfato de cálcio reforçado por nanotubos de carbono e grafeno, nas seguintes proporções de partes em peso: (94,2-95 partes de fosfato alfa tricálcico), (4,8-5,2 partes de hidroxiapatita), (0,2-1 parte de grafeno) e (0,2-1 parte de carbono nanotubo).[015] The product proposed in CN201710456840 discloses a bone cement composite material of calcium phosphate reinforced by carbon nanotubes and graphene, in the following proportions of parts by weight: (94.2-95 parts of alpha tricalcium phosphate), (4 , 8-5.2 parts of hydroxyapatite), (0.2-1 part of graphene) and (0.2-1 part of nanotube carbon).

[016] O pedido CN20131075185 refere-se a um material compósito de fosfato de cálcio de duas fases que adota o grafeno e o nanotubo de carbono como fases de endurecimento. Uma proporção em peso de grafeno para o nanotubo de carbono para o fosfato de cálcio de duas fases no material compósito é (0,1-0,5), (0,5-2,5), (97,099,4). O brometo de hexadeciltrimetilamônio é adotado como um agente dispersante para o grafeno e nanotubos de carbono; e um processo ultrassônico é combinado com um processo de dispersão de moagem de bolas para preparar o material compósito de fosfato de cálcio de duas fases através de sinterização por prensagem a quente.[016] CN20131075185 refers to a two-phase calcium phosphate composite material that adopts graphene and carbon nanotube as hardening phases. A weight ratio of graphene to the carbon nanotube to the two-phase calcium phosphate in the composite material is (0.1-0.5), (0.5-2.5), (97,099.4). Hexadecyltrimethylammonium bromide is adopted as a dispersing agent for graphene and carbon nanotubes; and an ultrasonic process is combined with a ball mill dispersion process to prepare the two-phase calcium phosphate composite material by hot pressing sintering.

[017] CN2017299348 descreve um nano cimento ósseo de fosfato de cálcio e um método de preparação do mesmo. O cimento ósseo é preparado pelos passos de adição de um nanomaterial solúvel em água em um cimento ósseo de fosfato de cálcio. O desempenho do cimento pode ser ajustado dependendo do metal utilizado, por exemplo, o cimento ósseo pode ser dotado de uma propriedade magnética pela adição de um nanomaterial magnético, e a resistência do cimento ósseo também é aumentada pela quantidade aditivada do nanomaterial em um determinado intervalo.[017] CN2017299348 describes a calcium phosphate bone cement and a method of preparing it. Bone cement is prepared by the steps of adding a water-soluble nanomaterial to a calcium phosphate bone cement. The performance of the cement can be adjusted depending on the metal used, for example, bone cement can be endowed with a magnetic property by the addition of a magnetic nanomaterial, and the strength of bone cement is also increased by the additive amount of the nanomaterial in a given interval .

[018] Descrição detalhada da invenção: A presente patente tem como objeto uma formulação de fosfato de cálcio injetável constituída de Hidroxiapatita (HA) e de Fosfato de Cálcio Amorfo (ACP), na qual a HA representa a fase com maior quantidade, reforçado com Óxido de Grafeno (OG) nas proporções de 0,1% a 1,0% (m/m) da mistura. Uma solução aceleradora de hidrogenofosfato dissódico (Na2HPO4) também é utilizada para adequar o tempo de pega do cimento e por fim um ligante o CMC (carboximetilcelulose) usado para melhorar a resistência mecânica do produto conformado.[018] Detailed description of the invention: The object of the present patent is an injectable calcium phosphate formulation consisting of Hydroxyapatite (HA) and Amorphous Calcium Phosphate (ACP), in which HA represents the phase with the largest amount, reinforced with Graphene oxide (OG) in the proportions of 0.1% to 1.0% (w / w) of the mixture. A disodium hydrogen phosphate accelerator solution (Na2HPO4) is also used to adjust the cement setting time and finally a CMC (carboxymethylcellulose) binder used to improve the mechanical strength of the shaped product.

[019] As vantagens desta formulação permeiam os baixos custos dos produtos utilizados, a possibilidade de injetar o material in vivo, mantendo a sua biocompatibilidade e aumentando a resistência mecânica do CFC.[019] The advantages of this formulation permeate the low costs of the products used, the possibility of injecting the material in vivo, maintaining its biocompatibility and increasing the mechanical resistance of the CFC.

[020] O preparo do CFC é realizado em diversas etapas, aos quais se encontram abaixo:

► Preparo do pó do cimento, misturando a quantidade desejada do fosfato de cálcio bifásico com o ligante CMC, podendo esta ser realizada manualmente ou em um moinho de bolas.
► Preparo da solução aceleradora de hidrogenofosfato dissódico (Na2HPO4) com sua diluição em água destilada na proporção desejada, em seguida é adicionada a quantidade requerida de OG que é disperso na solução aceleradora de Na2HPO4 utilizando um aparelho de ultrassom.
►Processamento da pasta do compósito iniciando-se com a adição da solução Na2HPO4, contendo óxido de grafeno, em um recipiente com o pó do cimento. A incorporação da fração líquida se dá por meio de uma seringa, preparada antecipadamente com a quantidade total de liquido a ser usada em cada ocasião. O processo de homogeneização pode ser realizado com auxílio de uma espátula, por cerca de 3 minutos.
► Com o material homogêneo e com elevada plasticidade, este pode ser aplicado na região solicitada e conformado da maneia desejada. Após certo tempo este vai endurecendo em um processo de cristalização, até assumir uma consistência similar ao tecido ósseo.

[020] The preparation of the CFC is carried out in several stages, which are found below:

► Preparation of the cement powder, mixing the desired amount of biphasic calcium phosphate with the CMC binder, which can be carried out manually or in a ball mill.
► Preparation of the disodium hydrogen phosphate accelerator solution (Na2HPO4) with its dilution in distilled water in the desired proportion, then the required amount of OG is added, which is dispersed in the Na2HPO4 accelerator solution using an ultrasound device.
►Processing of the composite paste starting with the addition of the Na2HPO4 solution, containing graphene oxide, in a container with the cement powder. The incorporation of the liquid fraction occurs through a syringe, prepared in advance with the total amount of liquid to be used on each occasion. The homogenization process can be carried out with the help of a spatula, for about 3 minutes.
► With the homogeneous material and with high plasticity, it can be applied in the requested region and conformed to the desired manner. After a while it hardens in a crystallization process, until it takes on a consistency similar to bone tissue.

[021] A figura 1 descreve o fluxograma com as matérias primas utilizadas e as etapas de preparação do material.[021] Figure 1 describes the flowchart with the raw materials used and the steps for preparing the material.

[022] A figura 2 mostra uma microscopia eletrônica de varredura de uma amostra do óxido de grafeno utilizada como reforço na estrutura do cimento de fosfato de cálcio.[022] Figure 2 shows a scanning electron microscopy of a sample of graphene oxide used as a reinforcement in the structure of calcium phosphate cement.

[023] A figura 3 mostra uma microscopia eletrônica de varredura de uma amostra do CFC com o óxido de grafeno conectando dois cristais de fosfato de cálcio.[023] Figure 3 shows a scanning electron microscopy of a CFC sample with graphene oxide connecting two calcium phosphate crystals.

[024] A presente invenção supera a limitação da baixa resistência mecânica dos CFCs, ampliando suas aplicações biomédicas para atuar como um substituto ósseo em regiões suscetíveis a maiores esforços mecânicos (reparos em regiões de tecidos ósseos corticais e esponjosos), aliado a um tempo de cura rápido e viscosidade inicial que permite sua injetabilidade ou manipulação no ambiente clínico.[024] The present invention overcomes the limitation of the low mechanical resistance of CFCs, expanding its biomedical applications to act as a bone substitute in regions susceptible to greater mechanical efforts (repairs in regions of cortical and spongy bone tissues), combined with a time of fast cure and initial viscosity that allows its injectability or manipulation in the clinical environment.

Claims

INJECTABLE BONE CEMENT FOR QUICK CURE REINFORCED WITH GRAPHEN OXIDE AND ITS PREPARATION METHOD being the biocompatible, osteoconductive and resorbable material in the physiological medium, characterized by being a fast curing composite (setting times ranging from 10 to 50 minutes), injectable or easy to handle in surgical procedures, consisting of biphasic calcium phosphate (BCP - Hydroxyapatite and Amorphous Calcium Phosphate), reinforced with graphene oxide (OG) in the mass ratios of (0.1% to 1.0%) and other additives .

FAST CURE INJECTABLE BONE CEMENT REINFORCED WITH GRAPHEN OXIDE AND ITS PREPARATION METHOD, according to claim 1, characterized by having in its composition in addition to BCP and OG, the following additives: carboxymethylcellulose (CMC) in the proportions of 1, 6% to 3.2% by weight and a disodium hydrogen phosphate accelerator solution (Na2HPO4) which can vary from 2.5% to 5.0% (w / w).