CS255682B1 - Polymernf kompozice stimulující biologické procesy osifikace a způsob její přípravy - Google Patents

Abstract

Řešení se týká polymerní komposice stimulující biologické procesy osifikace a způsobu její přípravy. Polymerní komposice na základě trojrozměrně zesítěného hydrogelu póly(2-hydroxyetylmetakrylátu)-polyHEMA a rozpustného kolagenu typu I má schopnost při své implantaci do lidského či zvířecího organismu indukovat biologické procesy osteoplasie nebo osifikace. Této vlastnosti může být s úspěchem využito v těch oborech lékařství, kde je požadována novotvorba kostní tkáně, například v oboru kostní chirurgie, ortopedie, čelistní chirurgie a endodoncie. Podstata způsobu přípravy polymerní komposice spočívá v přípravě polymerační směsi, která obsahuje vodný roztok kolagenu typu 1, monomerní HEMA, vhodnou kyselinu a složky tzv. redox systému, který je schopen iniciovat radikálovou polymerizaci přítomného monomeru při běžné teplotě místnosti a tato směs pak přejde v krátké době do formy nerozpustného gelu. Výchozí kapalná polymerační směs může případně obsahovati i další látky, například plnivo, rtg-kontrastní látku, antibiotika či jiné biologicky aktivní látky a podobně. Těchto pomocných látek je možno použít v množství do 35 % hmot., vztaženo na celkovou polymerační směs.

Description

Vynález se týká polymerni komposice stimulující biologické procesy osifikace a způsobu její přípravy. Řadu let je známo, že houbovitý hydrogel na základě póly(2-hydroxyetylmetakrylátu)-polyHEMA po své implantaci do zvířecího nebo lidského organismu je náchylný ke kalcifikaci. Je zřejmé, že masivní deposity nerozpustných solí kalcia jsou ve většině případů použití tohoto protetického materiálu krajně nežádoucí. Platí to zejména u náhrady měkkých tkání, například protézy mammy. Jinak tento aloplastický materiál nevyvolává prakticky žádnou zánětlivou reakci. *

Časem bývá implantát obklopen zpravidla jen tenkým fibrózním pouzdrem.

Avšak byly popsány nálezy, kde tentýž materiál, implantovaný do podkoží pokusných prasat, vyvolal biologické procesy, které za normálních okolností dávají vzniknout tvrdým tkáním - kostem. Tato druhově závislá metaplastická osifikace, vyvolaná přítomností makroporézního polyHEMA,implantátu, nebyla dosud zcela uspokojivě vysvětlena. Předpokládá se, že_ézde hrají významnou úlohu deposity nerozpustných solí kalcia, hlavně v podobě hydroxyapatitu.

Nyní bylo překvapivě zjištěno, že rozpustný kolagen typu I, přítomný v polyHEMA hydrofelu, je schopen v místě implantace stimulovat migraci osteoblastů a následné procesy osteoplasie. Přesto, že jsou v současné době známy jiné dva typy kompositních materiálů na základě polyHEMA a kolagenu, připravované podle čs. patentu č. 146 130 a čs. autorského osvědčení č. 216 992, u žádného z nich nebyla prokázána schopnost stimulovat procesy osifikace. Oba uvedené kompositní materiály obsahují směs kolagenů typu I a III, zpravidla ve své nerozpustné formě.

Rozborem uvedené problematiky jsme dospěli k názoru, že přítomnost rozpustné formy kolagenu typu I v polyHEMA hydrogelu je zárukou úspěšné stimulace uvedených biologických procesů. Významnou úlohu zde hraje zřejmě i schopnost kalcifikace u vlastní matrice polyHEMA hydrogelu.

Je známo, že normální kostní buňky produkují výhradně makromolekuly typu I. Tyto polarizované buňky jsou též zodpovědné za procesy nukleace hydroxyapatitových krystalů a kalcifikace kolagenních fibril v extracelulární matrici. V tomto směru je pozoruhodný histologický nález při implantaci nového kompositního materiálu do podkoží krys, kde se mezi invadujícími buňkami vyskytují metabolicky aktivní kostní buňky - osteoblasty a časem též zralé buňky - osteocyty. Tyto buňky jsou zřejmě zodpovědné za tvorbu osteoidní tkáně s ložisky mineralizace uvnitř implantovaného materiálu.

Předmětem současného vynálezu je polymerni komposice na základě polyHEMA a rozpustné formy kolagenu typu X a způsob její přípravy, vyznačený tím, že kolagen uvedených vlastností, v množství 0,025 až 2,5 % hmot., se rozpustí ve vodné směsi obsahující 15 až 50 % hmot. monomerního HEMA, dále 0,01 až 1 % hmot. vhodné kyseliny, například kyseliny octové nebo chlorovodíkové, a nejvýše 1 % hmot. látek vytvářejících tzv. redox systém, který je schopen iniciovat radikálovou polymerizaci přítomného monomeru při běžné teplotě místnosti, přičemž uvedená kapalná směs přejde v krátké době do formy nerozpustného gelu.

Výchozí kapalná polymerační směs může případně obsahovati i další látky, například plnivo či rtg-kontrastní látku, antibiotika či jiné biologicky aktivní látky a podobně. Těchto pomocných látek je možno použít v množství do 35 % hmot., vztaženo na celkovou polymerační směs.

Monomerní HEMA musí být čistoty pro biomedicinské aplikace” a nemá obsahovat více než 1 % hmot. příslušného sírujícího diesteru, tj. etylendimetakrylátu.

Kolagen izolujeme známými postupy, tj. extrakcí živočišných tkání bohatých na kolagenní bílkoviny typu I, jako jsou kos_fti, šlachy a kůže obratlovců.

Extrakci provádíme pomocí kyselých činidel,jejichž pH je optimálně v rozmezí 2,5 až 3,5, například 0,5 M kyselinou octovou nebo 0,05 citrátovým pufr^m. Rozpustné frakce kolagenu typu I se dále zpracují obvyklým způsobem a uchovávají se nejlépe v lyofilizovaném stavu.

Všechny ostatní chemikálie musí mít zaručenou čistotu, tj. nejčistší nebo pro analýzu. Použitá voda musí býti rovněž vysoké čistoty a prosta pyrogenních látek.

Výchozí kapalná směs s.monomerním HEMA je v uvedeném koncentračním rozsahu autosterilní, tj. potlačuje růst mikroorganismů, včetně zárodků patogenních. Toto značně zjednodušuje a zvýhodňuje její použití pro řečené biomedicinské aplikace. Tato vlastnost spolu s prokazatelně neškodným účinkem na živé tkáně předurčují tento nový aloplastický materiál pro jeho přímou aplikaci, tj. polymerizaci in šitu. Kapalnou polymerační směs je tedy možno aplikovat přímo tam, kde chceme záměrně vyvolat procesy osteoplasie či osifikace. Můžeme k tomu použít i běžnou injekční stříkačku.

Polymerní komposici podle současného vynálezu je však možno připravit předem v libovolném množství a tvaru, tj. polymerizaci výchozí kapalné směsi ve vhodné formě. Takto může být připravena fólie, či roubík nebo i jinak tvarovaný odlitek, které mohou býti sterilně uskladněny pro jejich instantní použití v chirurgii. Je zde možné i dodatečně tvarové přizpůsobení implantátu střiháním či krájením, podle operační situace a použitím běžných chirurgických nástrojů. Dovoluje to měkkost a elastičnost nového protetické materiálu.

Sterilizace kompositního materiálu je možná, avšak vzhledem k obsahu kolagenních bílkovin je zde vhodnější radiační technika, například sterilizace beta- či gama-zářením.

Z toho je zřejmé, že běžné techniky sterilizace, jako je autoklávování či vyváření ve vodě, nejsou zde použitelné. Rovněž zde memůže být doporučeno i použití jiných sterilizačních prostředků, například parami etylenoxidu či formaldehydu, vzhledem k toxickým účinkům residuí či aduktů a jejich možné difúze do nitra implantátu. Posledně zmíněnou vlastnost gelového kompositního materiálu je však možno využít k vytvoření depa vhodných antibiotik či jiných biologicky aktivních látek. Vodný roztok těchto látek snadno difunduje do hmoty gelové komposice a časem rovnoměrně prostoupí celý objem materiálu určeného k implantaci.

Tato vlastnost hydrofilního gelu na základě polyHEMA byla již dříve popsána a vyzkoušena v některých oborech lékařství. Vytvořené depo léčiva může být využito k cílené terapii, tj. v místě implantace.

Kompositní materiál připravený postupem podle současného vynálezu může nalézti praktické uplatnění v těch oborech lékařství, kde je žádoucí stimulovat novotvorbu kostní tkáně, jako například v oboru kostní chirurgie, ortopedie, čelistní chirurgie a endodoncie.

Dále následují příklady pro ilustraci vynálezu, které však nikterak nevymezují počet možných kombinací a použití jednotlivých složek komposice, a to se týče kvality i kvantity.

Příklad 1

Kolagen typu I byl izolován z telecí kůže extrakcí 0,5 M kyselinou octovou; metodika viz S. Bažin a A. Delaunay: Preparation of acid and citrato soluble collagen, in: The Methodology of Connective Tissue Research, Ed. D. A. Halí, Chapter 3, Joynson Bruvvers Ltd., Oxford, 1976.

Ve 29,5 ml vodného roztoku kyseliny octové o koncentraci 0,5 % hmot. bylo za míchání při +4 °C rozpuštěno 0,5 g lyofilizovaného preparátu kolagenu a poté bylo za míchání přidáno 15 g čistého HEMA monomeru, který obsahoval 0,28 % hmot. sírujícího diesteru.

Do polyetylénové zkumavky obsahu 5 ml a rozměrů: 9 x 80 mm, bylo nadávkováno 2,7 ml výše uvedené směsi a po 0,15 ml vodného roztoku persíranu amonného a pyrosyřičitanu sodného.

oba o koncentraci 10 % hmot. Polymerační směs byla krátce homogenizována pomocí skleněné tyčinky a pak ponechána v klidu při teplotě místnosti. Původně kapalná směs ztuhla během 3 až 4 minut do podoby pružného gelu. Gelový roubík byl vyjmut ze zkumavky, pak důkladně prán v přebytku destilované vody a nakonec ve sterilním fyziologickém roztoku 0,9 % chloridu sodného. Praní probíhalo za chladu při +4 °C. Vypraný roubík byl umístěn do dvojitého sáčku z polyetylénu, který byl uzavřen zatavením a podroben radiační sterilizaci pomocí kobaltového gamma-zářiče, celkovou dávkou 1,8 Mrad. Sterilní implantační materiál se skladuje v chladu a je připraven k okamžitému chirurgickému použití.

Příklad 2

V přípravě polymerační směsi bylo postupováno podle příkladu 1.

Homogenizovaná směs byla nasáta do sterilní plastikové stříkačky a injekčně aplikována do podkoží krys typu Wistar. Každému ze tří pokusných zvířat bylo v dorsální kr.ajině oboustranně vstříknuto po 0,5 ml polymerační směsi, která pak v krátké době zpolymerovala in šitu. Přítomnost gelu v podkoží bylo možno zjistit palpačním vyšetřením.

V průběhu 4 až 6 týdnů bylo možno histologicky prokázat rozsáhlou kalcifikaci implantovaného materiálu a po 3 až 4 měsících též metaplasii osteoidní tkáně.

Příklad 3

Postupováno podle příkladu 1 a 2; polymerační směs tvořilo 0,9 ml vodné směsí uvedeného složení a po 0,05 ml obou složek redox iniciačního systému.

Psům rasy Beagle byla v pentoberbitalové narkóze provedena vitální exstirpace zubní dřeně, mechanické rozšířění kořenových kanálků, trepanace hrotu a po zástavě krvácení byly takto preparované kanálky vyplněny uvedenou kapalnou polymerační směsí. U každého psa se.jednalo o šest dolních premolárů, tj. celkem bylo zaplaněno 12 kořenových kanálků, přičemž část polymerační směsi byla přetlačena do periapikální oblasti. Ostí kořenových kanálků bylo překryto fosfátovým cementem a amalgamem.

Histologické nálezy prokázaly již dva měsíce po implantaci vodného gelu v periapikální oblasti relativně hojnou buněčnou fibroprodukci. V četných případech bylo zjištěno pronikání fibroplastů do nitra gelové hmoty, přičemž zde nebyla pozorována zánětlivá reakce.

V intervalu 4 až 6 měsíců po implantaci byla prokázána neoplasie apikálního cementu, který v některých případech uzavíral trepanovaný hrotový otvor zubních kořenů. Pevný uzávěr kořenových kanálků se považuje za ideální reparační proces v současné endodoncii.

Příklad 4

Postupováno podle příkladů 1 až 3, avšak zuby byly předem devitalizovány a kořenové kanálky ponechány volnému přístupu prostředí dutiny ústní po dobu šesti týdnů. Po této době rtg-kontrola prokázala chronickou apikální periodontitidu.

Aplikace polymerační směsi a ošetření devitalizovaných zubů byly provedeny způsobem uvedeným v příkladě 3.

Také zde bylo dosaženo dobrých výsledků v cílené tvorbě osteoidní tkáně, která se vytvářela dokonce v prostředí potlačeného chronického zánětu.

Příklad 5

Postupováno podle přikladu 4, avšak uvedená polymerační směs obsahovala 30 % hmot. jemně sráženého síranu barnatého - pro medicinální účely.

Tím bylo dosaženo dobré rtg-kontrastnosti u výsledného implantačního materiálu a umožnilo to kontrolu všech fází experimentu in vivo.

Příklad 6

Postupováno podle přikladu 1, avšak nepraný gelový roubik byl za sterilních podmínek uložen do skleněné nádoby s dobře těsnícím víčkem, která obsahovala 1 litr fyziologického roztoku 0,9 % hmot. chloridu sodného a 0,1 % hmot. chlorhexidinu (1:6-di-4'-chlorophenyldiquanidohexanu) jako antiseptika. Takto ošetřený materiál vydrží sterilní po řadu měsíců a je připraven k okamžitému chirurgickému použiti.

PŘEDMĚT VYNALEZU

Claims (4)

1. PŘEDMĚT VYNALEZU

   1. Polymerní kompozice, stimulující biologické procesy osifikace, pro lékařství nebo biologii, vyznačená tim, že sestává z trojrozměrně zesítěného hydrogelu na základě poly/2-hydroxyetylmetakrylátu/ a z rozpustného kolagenu typu I a pomocných látek, například rtg-kontrastních látek nebo léčiv, v množství až do 35 % hmot., vztaženo na celkovou směs.
2. 2. Způsob přípravy polymerní komposice podle bodů 1 a 2, vyznačený tím, že kolagen uvedených vlastností, v množství 0,025 až 2,5 $ hmot., se rozpustí ve vodné směsi obsahující 15 až

   50 % hmot. monomerního HEMA, dále 0,01 až 1 í hmot. vhodné kyseliny, například kyseliny octové nebo chlorovodíkové, případně až 35 % hmot. dalších aditiv, například rtg-kontrastní látku nebo léčivo, a nejvýše 1 i hmot. látek vytvářejících tzv. redox systém, který je schopen iniciovat radikálovou polymerizaci přítomného monomeru při běžné teplotě místnosti, přičemž uvedená kapalná směs přejde v krátké době do formy nerozpustného hydrogelu.
3. 3. Způsob podle bodu 3, vyznačený tím, že polymerizace uvedené směsi se provede ve vhodné formě, čímž se získá odlitek požadovaného tvaru, například fólie,či roubík, který se dále sterilně skladuje.
4. 4. Způsob podle bodu 3, vyznačený tím, že polymerisace sterilní směsi se provede přímo v lidském či zvířecím organismu in šitu, přičemž aplikace polymerační směsi se provede výhodně pomocí injekční stříkačky.