CZ283073B6

CZ283073B6 - Bioaktivní materiál a způsob jeho přípravy

Info

Publication number: CZ283073B6
Application number: CS923295A
Authority: CZ
Inventors: Matej Doc. Ing. Csc. Vaniš; Dušan Doc. Ing. Csc. Bakoš; Peter Ing. Vaniš; František Prof. Mudr. Drsc. Makai; Vendelín Prof. Ing. Drsc. Macho
Original assignee: Chemickotechnologická Fakulta Stu
Priority date: 1992-11-03
Filing date: 1992-11-03
Publication date: 1997-12-17
Also published as: CZ329592A3; SK329592A3

Abstract

Bioaktivní materiál, vhodný pro aplikace v medicině, hlavně pro implantace v rekonstrukční chirurgii, na bázi fosforečnanů vápenatých a/nebo fosforečnanů fluorovápenatých a atelokolagenů spočívá v tom, že obsahuje fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan flurovápenatý o zrnění 0,1 až 1,6 mm a atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a kyselinu hyaluronovou a/nebo její soli v množství 0,01 až 5,0 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu. Může též obsahovat pomocné látky, vybrané ze skupiny fyziologických kapalin, krve, krevní plasmy a simulovaných tělních kapalin. Dalším komponentou bioaktivního materiálu mohou být kostní morfogenní proteiny, s výhodou připravené extrakcí čerstvých bovinných kostí, v množství 1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu. Způsob přípravy bioaktivního materiálu spočívá v tom, že fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan fluorovápenatý se homogenizuje s atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a v přítŕ

Description

Oblast techniky

Vynález se týká bioaktivního osifikujícího rekonstrukčního materiálu, vhodného pro aplikace v medicíně, hlavně pro implantace v rekonstrukční chirurgii, na bázi lehko dostupných anorganických sloučenin a biopolymerů a způsobu jeho přípravy.

Dosavadní stav techniky

Je známo více druhů anorganických a organických materiálů, vhodných jako bioaktivní materiály pro použití v rekonstrukční medicíně [H.V.Cameron a kol., J.Biomed.Mater.Res., 11, 17915 86(1977), D.F.Williams Ed. Biocompatibillity of Clinical Implant Materials, CRC Press, FL

1981]. Z anorganických materiálů se především jedná o vápenato-fosforečné sloučeniny, mineralogicky nejčastější hydroxylapatit awhitelockit [B.V.Rejda a kol., J.Bioeng., 1,93-97 (1976), C.P.A.T.Klein a kol., Biomaterials, 6,189-92(1985)], popřípadě tetrakalciumfosfát a oktakalciumfosfát [J.F.Osbom, Zahnarztliche Mitteilungen. 77,2-12 (1987)].

Vedle těchto synteticky připravených materiálů se jako bioaktivní anorganický materiál s výhodou otevřené porozity používá drcený korál, respektive korál, hydrotermicky modifikovaný na hydroxylapatit [Biomedical Materials, MRS Bull. 16, No. 9. Sept. 1991], Ve snaze napodobit porézní strukturu kosti se bioaktivní implantáty v poslední době připravují jako 25 kompozitní materiály, ve kterých je anorganická složka kombinovaná s biopoiymemími funkčními složkami [J.P.McIntyre a kol., Ceramic Bulletin, 70,1499(1991)]. Objevuje se více patentů, využívajících kolageny a další proteiny, některé polysacharidy a podobně.

Jako příklady je možno uvést náhradní materiály, obsahující 100 až 2000 pm částečky kolagenu 30 a hydroxylapatitu, pokryté morfogenními proteiny, extrahovanými z čerstvých bovinních kostí [JP 02 182260,CA 114, 12256], nebo materiál, který může být vpravený do zlomených kostí, vytvořený na bázi vápenato-fosforečných sloučenin a kolagenu, nebo od kolagenu odvozených vytvrzovacích látek [PTC Int.Appl. WO 90 00 892, CA 114,30178d], Jinými příklady jsou kompozitní výplňové materiály, při kterých se práškový vápenato-fosforečný materiál mísí 35 s regulátory vytvrzování (tanin, kolagen a jeho deriváty) a s organickými kyselinami [PTC

Int.Apppl WO 90 01 341, CA 113,84905m], nebo na podobném základě vytvořená tuhá pěna, do které mohou být přidané kostní morfogenní proteiny a kolagen [JP 01 62 164, CA 112,62692s]. V dermatologii, oftalmologii apod. se používá kyselina hyaluronová a její soli (EP 0197 718 a 0338 813), která se též ve formě vodného roztoku s kolagenem používá v chirurgii pro korekci 40 měkkých tkání nebo jako protizánětlivá složka (WO 86/05984). Využívá se však jen její fyziologický, respektive farmakologický účinek (EP 0243 867). Z (EP0507 604 je známé její využití k síťování či lepení bioaktivních materiálů v přítomnosti chloridu železitého. Tím se však do organismu, přesto že jen lokálně, vnáší nadbytečné množství železa.

Podle EP 0 197 693 je zajímavý kompozit na bázi kalciumfosfátu a atelopeptidu, vázaný síťováním o změní minerální složky 100 až 2000 pm. Avšak příliš hrubé změní je nevhodné, zpomaluje osifikaci, a použití síťovacího činidla na bázi dialdehydů je nepřípustné z hlediska jeho toxicity..

Uvedená řešení neumožňují dostatečně rychlou osifikaci a úplnou kompaktnost s kostí. Způsobují tím i značné riziko z hlediska pevnosti a trvalosti spojů. Tyto problémy řeší způsob podle tohoto vynálezu.

Podstata vynálezu

Uvedené nevýhody odstraňuje bioaktivní materiál, vhodný pro aplikace v medicíně, hlavně pro implantace v rekonstrukční chirurgii, na bázi fosforečnanů vápenatých a/nebo fosforečnanů fluorovápenatých a atelokolagenů, který obsahuje fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan fluorovápenatý o změní 0,1 až 1,6 mm s atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a kyselinu hyaluronovou a/nebo její soli v množství 0,01 až 5,0 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu. Může též obsahovat pomocné látky, vybrané ze skupiny fyziologických kapalin, krve, krevní plazmy a simulovaných tělních kapalin. Další komponentou bioaktivního materiálu mohou být kostní morfogenní proteiny, s výhodou připravené extrakcí čerstvých bovinních kostí, v množství 1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu. Způsob přípravy bioaktivního materiálu spočívá vtom, že fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan fluorovápenatý se homogenizuje s atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a v přítomnosti vodného roztoku kyseliny hyaluronové nebo jejích solí, popřípadě dalších pomocných látek nebo kostních morfogenních proteinů. Vzniklý precipitát se oddělí a přímo se formuje do požadovaného tvaru implantátu, nebo se drtí, suší a sterilizuje gama zářením a před použitím se v přítomnosti fyziologických kapalin formuje do požadovaného tvaru implantátu. Atelokolagen typu I, prostý atelopeptidů, lze připravit z bovinních achilových šlach enzymatickým čištěním.

Fosforečnany vápenaté, jako trikalciumfosfát a/nebo fosforečnan fluorovápenatý, s výhodou hydroxylapatit, se s výhodou fortifikují nejméně jednou sloučeninou ze skupiny sloučenin hořčíku, křemíku, železa, zirkonia, titanu a hliníku, s výhodou ve formě oxidu, v množství 0,1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu.

Použití kombinace atelokolagenů s fosforečnany pro implantační materiály v rekonstrukční chirurgii je známé. Někdy se k síťování atelokolagenů používají látky, které však nejsou z fyziologického hlediska vhodné, zpomalují proces osifikace a někdy jsou přímo toxické. Kyselina hyaluronová je velmi dobře akceptována v živém organismu. Autory vynálezu bylo zjištěno, že atelokolagen vytváří s kyselinou hyaluronovou komplex, který je velmi vhodnou matricí pro zakotvení jednotlivých částic fosforečnanů a celý komplex je výborně snášen organismem. Synergický účinek kyseliny hyaluronové způsobuje, že komplex atelokolagenů s kyselinou hyaluronovou a fosforečnany má výrazně vyšší mechanickou pevnost, snášenlivost organismem a rychleji se osifikuje oproti známým implantačním materiálům. Tvarovatelnost a pevnost celého systému a proces osifikace se dále zvyšuje se snižováním velikosti částic fosforečnanů a s čistotou použitých surovin.

Jako fosforečnany vápenaté jsou podle tohoto vynálezu vhodné jednak čisté, zejména synteticky upravené fosforečnany vápenaté, jako fosforečnan vápenatý, případně směs fosforečnanu vápenatého s fosforečnanem vápenatohořečnatým. Může se kombinovat syntetický fosforečnan s přírodním, jestliže neobsahuje radioaktivní příměsi. Vhodnými příměsemi mohou být sloučeniny hliníku, křemíku, hořčíku, železa, případně i zirkonia, titanu, zejména ve formě oxidů. Je důležité, aby nebyly rozpustné ve vodě a toxické.

Jako fosforečnany fluorovápenaté jsou významné zejména hydroxylapatit, trikalciumfosfát, tetrakalciumfosfát, oktakalciumfosfát a podobně.

Z hlediska příměsí ajejich vhodnosti jsou požadavky podobné jako v uvedených fosforečnanech vápenatých. Zrnitost fosforečnanů má být v rozsahu od 0,01 do 1,6 mm. Změní nad 1,6 mm je málo vhodné, zejména z hlediska tvarovatelnosti a zpomalení procesu osifikace.

Atelokolagen typu I se připravuje zpravidla z čerstvých achilových šlach enzymatickým opracováním, za použití enzymu, jako například trypsinu, chymotrypsinu a podobně, přičemž se

-2CZ 283073 B6 zvláště dbá, podobně jako i v přípravě a formulaci ostatních komponentů, o exaktní znalost jejich složení a sterilitu. Důležitou operaci přípravy této složky je důkladné rozvláknění a fibrilace.

Vhodnou kapalinou na provedení způsobu podle tohoto vynálezu je fyziologický roztok kyseliny hyaluronové, nebo vodný roztok hyaluronátu sodného.

K přípravě bioaktivního materiálu lze použít kyselinu hyaluronovou nebo její soli ve formě roztoku. Kyselina hyaluronová může být živočišného původu, nebo může být připravena mikrobiologicky. Mikrobiálně připravená kyselina hyaluronová má nižší molekulovou hmotnost, pod 3.10⁶.

Vhodnou příměsí bioaktivního materiálu jsou kostní morfogenní proteiny, extrahované z čerstvých bovinních kostí.

Precipitátem se rozumí masa fosforečnanů s atelokolagenem a kyselinou hyaluronovou a případně dalšími pomocnými látkami, zachycená na filtru po homogenizaci v kalolisu a podobně, nebo odstředěná, v krajním případě i sedimentovaná masa.

Nejvhodnější je bioaktivní masu implantovat bezprostředně po její přípravě, ale je možno ji aplikovat i později, po vysušení při dodržení sterilizujících a skladovacích podmínek.

Výhodou způsobu podle tohoto vynálezu je výrazně zvýšená rychlost osifikace. Složení směsi bioaktivního materiálu a způsob její přípravy indukuje zvýšenou osteogenezi a tím vysokou pevnost a trvanlivost spoje.

V neposlední řadě je to i technická reprodukovatelnost a dostupnost jak komponentů, tak i tvorby a struktury výsledného bioaktivního materiálu.

Další údaje o provedení způsobu přípravy podle tohoto vynálezu, jako i další výhody, jsou zřejmé z příkladů provedení.

Příklady provedení vynálezu

Příklad 1

a) Disperzní hydroxylapatit sumárního vzorce Caio(P04)₆(OH)2 v množství 50 g o velikosti dispergovaných částic od 0,04 do 1,8 mm se za účinného míchání smísí s 5 g rozvlákněného, respektive rozfibrilizovaného, atelokolagenu typu I, získaného z čerstvých bovinných achilových šlach. Po dosažení dokonalé homogenizace tohoto bioaktivního materiálu se tento přefiltruje. Precipitát se dále tvaruje na požadovanou formu podle defektu kosti, do které se implantuje a v které bude tvořit výplň. Před implantací se materiál sterilizuje gama zářením. Při aplikaci in vivo byla poškozená tíbie psa vyplněna množstvím 1,38 g bioaktivního materiálu, zafixována a rána se uzavřela. Po dvou měsících byl rentgenograficky pozorován proces osifikace bioaktivního materiálu vtíbii psa. Po roční kontrole byla pozorována dokonalá kompatibilita bioaktivního materiálu a ošetřené kosti.

b) K další implantaci byl připraven bioaktivní materiál z hydroxylapatitu o velikosti částic od 1,8 do 2 mm. Osifikace s tímto materiálem probíhala velmi pomalu a byla ukončena až po dvanácti měsících.

-3 CZ 283073 B6

c) Další implantace byla provedena s bioaktivním materiálem, připraveným s použitím solí kyseliny hyaluronové. Do homogenizované suspenze bioaktivního materiálu bylo přidáno 10 cm³fyziologického roztoku s obsahem 0,9 % hmot, hyaluronátu sodného a 0,1 % hmot, hyaluronátu hořečnatého a 0,08 % hmot, antibiotika. Velikost částic hydroxylapatitu byla 1,8 až 2 mm, osifikace byla však ještě pomalá a byla ukončena za 10 měsíců.

d) Při použití hydroxylapatitu o velikosti částic 0,06 až 0,1 mm a použití solí kyseliny hyaluronové se už po šesti týdnech rentgenograficky pozoruje osifikace bioaktivního materiálu v tíbii psa a po tříměsíční kontrole se dosahuje dokonalá inkorporace bioaktivního materiálu do ošetřené kosti.

Příklad 2

Postupuje se podobně jako v příkladu l.a), jen hmotnostní poměr hydroxylapatitu a atelokolagenu není 10:1, ale 4:1, ke 40 g hydroxylapatitu se přidá 10 g atelokolagenu. Osifikace probíhá pomaleji, zřetelná kompatibilita s kostí se pozoruje po 3 měsících. Struktura osifikovaného materiálu je řidší a póry jsou větší než v příkladu 1.

Příklad 3

Postupuje se podobně jako v příkladu l.d), ale hmotnostní poměr hydroxylapatitu k atelokolagenu je 40:1. Osifikace je pozorovatelná už po 4 týdnech. Struktura osifikovaného materiálu je podstatně méně porézní, s menšími póry.

Příklad 4

Disperzní hydroxylapatit v množství 50 g o velikosti disperzních částic 0,05 až 0,8 mm se smíchá s 5 g rozfibrilizovaného atelokolagenu typu I a 0,5 g kostních morfogenních proteinů a 10 ml 1 % hmotn. roztoku hyaluronátu sodného. Po homogenizaci se materiál přefiltruje a precipitát se nechá vysušit za sníženého tlaku (2,67 kPa) při teplotě 26 až 30 °C. Vysušený materiál se pečlivě rozdrtí, sterilizuje účinkem gama záření. Takto připravený materiál se při implantaci na kost zvířete, specifikovaného v příkladu l.a), formuje za použití krevní plazmy s 10 % hmot, příměsí krve pacienta. Osifikovaná část je v tomto případě strukturně homogenní. Přechod kosti na bioaktivní materiál je jen těžko pozorovatelný.

Příklad 5

Postupuje se podobně jako v příkladu 4. Směs obsahuje 30 g fluoroapatitu Ca₁₀(PO4)₆F2 s příměsí 0,01 % hmotn. oxidu titaničitého, 0,6 % hmotn. oxidu hořečnatého, 0,25 % hmotn. oxidu křemičitého a 0,1 % hmotn. oxidu železitého o změní 0,05 až 0,15 mm a 20 g trikalciumfosfátu Ca3(PO₄)₂, přičemž rovněž po 4 týdnech nastává zřetelná osifikace tohoto bioaktivního materiálu.

Příklad 6

Postupuje se podobně jako v příkladu 5, jen místo atelokolagenu typu I se použije neupravený kolagen. Po aplikaci se projevuje osifikace až po 7 týdnech a je potřeba ve větší míře aplikovat antibiotika.

-4CZ 283073 B6

Průmyslová využitelnost

Bioaktivní materiál je vhodný k využití v klinické medicíně. Jeho výroba a výroba výchozích surovin se bude aplikovat v chemickém a farmaceutickém průmyslu.

Claims

PATENTOVÉ NÁROKY

1. Bioaktivní materiál, vhodný pro aplikace v medicíně, hlavně pro implantace v rekonstrukční chirurgii, na bázi fosforečnanů aatelokolagenů, vyznačující se tím, že obsahuje fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan fluorovápenatý o změní 0,01 až 1,6 mm satelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a kyselinu hyaluronovou a/nebo její soli v množství 0,01 až 5,0 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu.
2. Bioaktivní materiál podle nároku 1, vyznačující se tím, že dále obsahuje pomocné látky, vybrané ze skupiny fyziologických kapalin, krve, krevní plazmy a simulovaných tělních kapalin.
3. Bioaktivní materiál podle nároků laž2, vyznačující se tím, že další komponentou bioaktivního materiálu jsou kostní morfogenní proteiny, s výhodou připravené extrakcí čerstvých bovinních kostí, v množství 1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu.
4. Způsob přípravy bioaktivního materiálu podle nároků laž3, vyznačující se tím, že se fosforečnan vápenatý a/nebo fosforečnan fluorovápenatý o změní 0,01 až 1,6 mm homogenizuje s atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1 a s roztokem kyseliny hyaluronové a/nebo jejích solí v množství 0,01 až 5,0 % hmotn., vzniklý precipitát se oddělí.
5. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se oddělený precipitát formuje do požadovaného tvaru implantátu a sterilizuje se.
6. Způsob podle nároku 4, vyznačující se tím, že se oddělený precipitát rozdrtí, suší při teplotě 25 až 30 °C za sníženého tlaku a sterilizuje se gama zářením, před použitím se smísí s pomocnou fyziologickou kapalinou a formuje se do požadovaného tvaru implantátu a sterilizuje se.
7. Způsob podle nároků 4až6, vyznačující se tím, že se použije atelokolagen typu I, připravený z bovinních achilových šlach, zbavený enzymatickým čištěním atelopeptidů.
8. Způsob podle nároků 4až7, vyznačující se tím, že k fosforečnanu vápenatému a/nebo fosforečnanu fluorovápenatému, homogenizovanému s atelokolagenem typu I v hmotnostním poměru 1,5:1 až 50:1, s výhodou 7 až 20:1, se přidá 0,01 až 5,0 % hmotn., s výhodou 0,5 až 2 % hmotn. lyofilizované hyaluronové kyseliny a/nebo její alkalické soli, počítáno na sušinu bioaktivního materiálu.
9. Způsob podle nároků 4 až 8, vyznačující se tím, že se použijí fosforečnany vápenaté, jako trikalciumfosfát a/nebo fosforečnan fluorovápenatý, s výhodou hydroxylapatit, fortifikovaný nejméně jednou sloučeninou ze skupiny sloučenin hořčíku, křemíku, železa,

-5CZ 283073 B6 zirkonia, titanu a hliníku, s výhodou ve formě oxidu, v množství 0,1 až 20 % hmotn., vztaženo na sušinu bioaktivního materiálu.