CZ28981U1

CZ28981U1 - Bioaktivní nanokompozitní vrstva na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými kalcium fosfátovými částicemi pro aplikace v ortopedii

Info

Publication number: CZ28981U1
Application number: CZ2015-31647U
Authority: CZ
Inventors: Tomáš Suchý; Monika Šupová; Šárka Rýglová; Radek Sedláček; Zbyněk Sucharda; Margit Žaloudková; Karel Balík; Martin Braun; Lukáš Horný; Hynek Chlup; Jan Veselý; František Denk
Original assignee: Ăšstav struktury a mechaniky hornin AV ÄŚR, v.v.i.; ÄŚeskĂ© vysokĂ© uÄŤenĂ technickĂ© v Praze, Fakulta strojnĂ
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2015-12-14

Description

Bioaktivní nanokompozitní vrstva na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými kalcium fosfátovými částicemi pro aplikace v ortopedii

Oblast techniky

Předmětem užitného vzoru je bioaktivní kompozitní vrstva na bázi kolagenových nanovláken a kalcium fosfátových nanočástic pro povrchové úpravy kovových implantátů pro použití v ortopedii a stomatologií a způsob její přípravy.

Dosavadní stav techniky

S ohledem na značná zdravotní rizika a vysoké náklady spojené s reoperacemi stávajících implantátů, zejména velkých kloubů, představuje prodloužení jejich životnosti funkcionalizací jejich povrchu velmi perspektivní a žádoucí směr vývoje v oblasti zdravotnické techniky. Vzhledem k tomu, že počet ortopedických operací tohoto typu v poslední dekádě celosvětově významně narostl, lze dosáhnout zavedením moderních typů náhrad s bioaktivním povrchem, modifikovaným za využití nanotechnologických řešení, díky vyšší odolnosti a osteointegraci implantátů, jak zvýšení komfortu pro pacienta, tak i značných úspor ekonomických. Dodnes nejčastěji používané kovové náhrady na bázi titanu, titanových slitin, nerezové oceli, slitin chrómu a kobaltu jsou biokompatibilní, avšak bioinertní. Často také podléhají různým formám koroze v tělním prostředí. Osteointegrace bioinertních kovových náhrad je problematická, jejich povrch je potřeba pro vhodnou fixací s kostí dodatečně upravovat, pro zvýšení fixace lze provést fyzikálněchemickou, či morfologickou modifikaci povrchu endoprotézy. V současné době jsou pro chemické úpravy povrchu kovových náhrad používány především bioaktivní kalcium fosfáty, nejčastěji hydroxyapatit nebo fosforečnan vápenatý. Tyto biokeramické materiály vykazují ve spojení s kostí výborné vlastností dané povrchovou reaktivitou způsobenou mechanizmem vytvářejícím styčnou mineralizovanou vrstvu mezi implantátem a kostní tkání. Toto rozhraní pak zajišťuje fyzikálně chemickou a mechanickou kohezi mezi implantátem a kostí. Použití těchto materiálů ve své původní formě je však limitované jejich mechanickými vlastnostmi nebo adhezi k povrchu implantátů. Další strategií je pokrytí polymerní vrstvou na bázi syntetických polymerů (alifatické polyestery a jejich kopolymery). Zvýšení bioaktivity povrchu lze dosáhnout pokrytím přírodními polymery (kolagen, želatina). Tyto bioaktivní vrstvy mohou sloužit současně jako lokální nosiče antibiotik pro jejich postupné uvolňování při prevencí osteomyelitidy. Odborné studie stejně tak, jako klinická praxe naznačují, že slibný přístup pro zvýšení fixace implantátů může spočívat v nanesení povrchové vrstvy, která imituje složení i strukturu reálné kostí. Toho je možné dosáhnout kombinací kolagenu a hydroxyapatitu, jakožto hlavních složek kostní tkáně. Mimo chemického složení je důležité napodobit i strukturu kosti, a to aplikací hydroxyapatitu formou nanočástic a kolagenu ve formě nanovláken, čímž se docílí nanostrukturovaného povrchu ideálního pro vhodnou adhezi a proliferaci kostních buněk. Další předností těchto kompozitních materiálů je možnost volby jednotlivých složek z pohledu jejích skladby a orientace, materiálových, fyzikálních a chemických charakteristik, kterými je možno dosáhnout širokého rozsahu mechanických a biologických vlastností.

Podstata technického řešení

Předmětem užitného vzoru jsou bioaktivní kompozitní vrstvy na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými hydroxyapatitovými nanočásticemi. Nanovrstva je připravena elektrostatickým zvlákňováním kolagenu typu I, hydroxypatitu ve frakci 100 až 150 nm a polyetylén oxidu, jako 8 % hmotnostních roztoku v jedenkrát koncentrovaném fosfátovém pufru (0,0027 M chlorid draselný a 0,137 M chlorid sodný, pH 7,4 při 25 °C) a ethanolu (1:1 objemově). Hmotnostní podíly jednotlivých složek v elektrostaticky zvlákněné vrstvě jsou 78,2 až 87,4 % hmotnostních kolagenu, 5 až 15 % hmotnostních hydroxyapatitu a 6,8 až 7,6% hmotnostních polyetylén oxidu. Vrstva a proces přípravy jsou navrženy tak, aby kolagenní vlákna vykazovala střední hodnotu průměru 150 až 250 nm a integrovala do sebe homogenně rozptýlené nanoěástice hydroxyapatitu. Vrstvu lze elektrostaticky nanášet přímo na povrch kovového implantátu.

-1 CZ 28981 Ul

Předmětem užitného vzoru je dále způsob přípravy této nanokompozitní vrstvy, při přípravě se postupuje tak, že odvážené množství lyofilizovaného kolagenu se smísí s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotnostních kolagenu. Do směsi je dále přidán polyetylén oxid. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin. Dalším krokem přípravy je homogenizace, po níž je do roztoku přidán hydroxyapatit. Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňo ván při napětí nepřesahujícím 60 kV, dávkování do 200 μΐ/min, relativní vlhkosti vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením v roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody s N-(3dimethylaminopropyl)-N-ethylkarbodiimid hydrochloridem (EDC) a N-hydroxysukcinimidu (NHS) při teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smíšené s 150 ml roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody.

Příklady uskutečnění technického řešení

Nanokompozitní vrstva je tvořena nanovlákny kolagenu typu I a homogenně rozptýlenými nanočásticemi hydroxyapatitu, které jsou integrovány v kolagenových vláknech. Nanokompozitní vrstva je připravena elektrostatickým zvlákňováním. Odvážené množství kolagenu je nejprve smí seno s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotnostních. Do této směsi je přidán polyetylén oxid v množství 8 % hmotnostních na hmotnost kolagenu. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin, poté je směs homogenizována (rychlost míchání 15000 otáček min v homogenizátorů do úplného zhomogenizování). Po homogenizaci je do roztoku přidáno odvážené množství hydroxyapatitu v množství 5 % hmotnostních na hmotnost kolagenu tak, aby došlo k rovnoměrné dispergaci (rychlost míchání 20000 otáček/min po dobu 15 min v homogenizátorů). Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňován při napětí nepřesahujícím 60 kV, dávkování do 200 μΐ/min, relativní vlhkostí vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením vrstvy v roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody s EDC a NHS pří teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smísené se 150 ml roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody.

Nanokompozitní vrstva je tvořena nanovlákny kolagenu typu I a homogenně rozptýlenými nanočásticemi hydroxyapatitu, které jsou integrovány v kolagenových vláknech. Nanokompozitní vrstva je připravena elektrostatickým zvlákňováním. Odvážené množství kolagenu je nejprve smíseno s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotnostních. Do této směsí je přidán polyetylén oxid v množství 8 % hmotnostních na hmotnost kolagenu. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin. Poté je směs homogenizována (rychlost míchání 15000 otáček/min v homogenizátorů do úplného zhomogenizování). Po homogenizaci je do roztoku přidáno odvážené množství hydroxyapatitu v množství 15 % hmotnostních na hmotnost kolagenu tak, aby došlo k rovnoměrné dispergaci (rychlost míchání 20000 otáček/min po dobu 15 min v homogenizátorů). Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňován při napětí nepřesahujícím 60 kV, dávkování do 200 μΐ/min, relativní vlhkosti vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením vrstvy v roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody s EDC a NHS při teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smísené se 150 ml roztoku 95 % hmotnostních ethanolu a vody.

Průmyslová využitelnost

Nanokompozitní vrstvy na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými hydroxyapatitovými nanočásticemi připravené podle tohoto užitného vzoru lze využít v humánní a veterinární medicíně, zejména v ortopedii a stomatologii.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Bioaktivní nanokompozitní vrstvy na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými kalcium fosfátovými částicemi pro aplikace v ortopedii, vyznačující se tím, že jsou tvořené 87,4 % hmotnostními kolagenu typu 1 ve formě nanovláken se střední hodnotou průměru

5 150 až 250 nm, 7,6 % hmotnostními polyetylén oxidu a 5 % hmotnostními hydroxyapatitu ve formě nanočástic o velikosti 100 až 150 nm.
2. Bioaktivní nanokompozitní vrstvy na bázi kolagenových nanovláken s integrovanými kalcium fosfátovými částicemi pro aplikace v ortopedii, vyznačující se tím, že jsou tvořené 78,2 % hmotnostními kolagenu typu I ve formě nanovláken se střední hodnotou průměru ío 150 až 250 nm, 6,8 % hmotnostními polyetylén oxidu a 15 % hmotnostními hydroxyapatitu ve formě nanočástic o velikosti 100 až 150 nm.