ITPR960021A1

ITPR960021A1 - Procedimento per la preparazione di rivestimenti di idrossiapatite

Info

Publication number: ITPR960021A1
Application number: IT96PR000021A
Authority: IT
Inventors: Christian Rey; Xavier Ranz
Original assignee: Flametal S P A; Chi Bo Srl; 3C Research Srl; Biotecnic S A; Cremascoli G Srl
Priority date: 1996-04-30
Filing date: 1996-04-30
Publication date: 1997-10-30
Also published as: IT1288038B1; EP0904421B1; DE69702610D1; EP0904421A1; US6280789B1; DE69702610T2; ITPR960021A0; WO1997041273A1

Description

D E S C R I Z I O N E

annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo:

PROCEDIMENTO PER LA PREPARAZIONE DI RIVESTIMENTI DI IDROSSIAPATITE.

DESCRIZIONE

La presente invenzione concerne un procedimento per rivestire un substrato con un rivestimento di carbonato-idrossiapatite, una struttura comprendente un substrato rivestito con un rivestimento ottenibile con detto procedimento, nonché una protesi o implantazione ortopedica o dentale comprendente detta struttura.

Ε' noto che i componenti inorganici delle ossa e dei denti animali sono costituiti essenzialmente da fosfati di calcio, ed in particolare da fosfati appartenenti alla classe della idrossi apatite, che è rappresentata dalla formula stechiometrica Ca10(PO4)6(OH)2, nella quale il rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato è 1,67.

E' anche noto che le idrossiapatiti che costituiscono le ossa e i denti animali (dette anche "idrossiapatiti biologiche") sono idrossiapatiti non stechiometriche, che contengono ioni estranei, quali carbonato, sodio, potassio, magnesio e fluoro, e sono caratterizzate da un rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato inferiore a 1,67.

Idrossiapatiti sintetiche possono essere usate per la preparazione di protesi e implantazioni ortopediche e dentali. Per essere adatte a tale uso le idrossiapatiti sintetiche devono avere struttura e composizione simile alle idrossiapatiti biologiche, non essere tossiche nei confronti del corpo animale, devono essere biocompatibili (cioè compatibili con il corpo animale senza dar luogo a reazioni avverse nei confronti delle funzioni del corpo stesso), osteoconduttive (cioè capaci di aderire fortemente all'osso animale e di promuoverne la guarigione e la crescita), bioassorbibili o biodegradabili (cioè capaci di disciogliersi nel corpo animale) e bioattive (cioè caapci di facilitare fattività cellulare e la riparazione dei tessuti viventi).

Per la preparazione di protesi ed implantazioni, le idrossiapatiti sintetiche vengono usate ad esempio sotto forma di rivestimenti che vengono depositati su substrati metallici o ceramici. Tali depositi vengono realizzati con procedimenti a secco ad alta temperatura, come ad esempio il plasma-spray ing, i quali però provocano la decomposizione del materiale, la formazione di altre fasi e la presenza di impurezze nei rivestimenti; inoltre, i rivestimenti così ottenuti sono costituiti da cristalli aventi dimensioni piuttosto elevate, e presentano superficie specifica e reattività superficiale piuttosto basse; di conseguenza, l'assorbimento di proteine, che è necessario per favorire l'ancoraggio di cellule ostéoblasti e la loro moltiplicazione, risulta scarso. Pertanto la stabilità nel tempo, la osteoconduttività, la bioassorbibilità e la bioattività di tali rivestimenti sono insoddisfacenti.

Sono stati proposti procedimenti per l'ottenimento di rivestimenti di idrossiapatite mediante deposizione da soluzioni contenenti ioni calcio e fosfato. Tuttavia, tali procedimenti sono di lunga durata, complessi e di difficile controllo.

Inoltre danno luogo a rivestimenti che hanno scarsa adesione rispetto al substrato, non sono soddisfacenti intermini di composizione e struttura cristallina e, pertanto, non soddisfano adeguatamente le proprietà necessarie di osteoconduttività, bioassorbibilità e bioattività.

Uno scopo pertanto della presente invenzione è quello di fornire un procedimento che sia di facile esecuzione e controllo, e che permetta la formazione di rivestimenti di idrossiapatite che abbiano eccellente adesione rispetto al substrato, presentino una scarsa cristallinità (cioè siano costituiti da cristalli di dimensioni piuttosto piccole), elevate superificie specifica e reattività superficiale, e che soddisfino in maniera eccellente le proprietà di biocompatibiiità, osteocoduttività, bioassorbibilità e bioattività.

Il suddetto ed altri scopi vengono raggiunti per mezzo della presente invenzione la quale fornisce un procedimento per rivestire un substrato con un rivestimento costituito essenzialmente da carbonato-idrossiapatite. Il termine "carbonato-idrossiapatite" sta ad indicare una idrossiapatite nella quale gli ioni fosfato e/o gli ioni ossidrile sono parzialmente sostituiti da ioni bicarbonato HCCV.

Il procedimento della presente invenzione comprende:

(a) immergere il substato da rivestire in una soluzione acquosa contenente ioni calcio in concentrazione da 1 a meno di 3,8 mmoli/litro, ioni fosfato in concentrazione da 1 a meno di 3,8 mmoli/litro e ioni bicarbonato in concentrazione da 0,08 a 0}25 moli/litro, con un rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato da 0,8 a 2, ad un pH da 6,8 a 8,0 ed una temperatura inferiore a 50 °C;

(b) riscaldare almeno la parte della soluzione in contatto con il substrato fino ad una temperatura compresa tra 50 e 80°C e fino ad avere un pH maggiore di 8;

(c) mantenere il substrato in contatto con la soluzione alcalina riscaldata e sovrassatura ottenuta nello stadio (b), lasciando così avvenire spontaneamente, direttamente a contatto della superficie del substrato, la formazione di un rivestimento di carbonato-idrossiapatite; e (d) togliere il substrato dalla soluzione, dopo che si è raggiunto la spessore di rivestimento desiderato, e sottoporre il rivestimento ad essiccamento. Un altro oggetto della presente invenzione è una struttura comprendente un substrato costituito da un materiale metallico o ceramico rivestito con un rivestimento ottenibile con il suddetto procedimento.

Un ulteriore oggetto della presente invenzione è una protesi o una implantazione ortopedica o dentale comprendente la suddetta struttura. I substrati ai quali può essere applicato il procedimento della presente invenzione possono essere costituiti da un materiale metallico o ceramico. Preferibilmente la superficie del substrato da rivestire deve presentare ima certa porosità e/o rugosità. Se necessario, porosità e/o rugosità della superficie possono essere accresciute mediante opportuni trattamenti, come ad esempio trattamento con laser, sabbiatura o trattamento plasma-spraying. Ad esempio, i substrati possono essere costituiti da un metallo scelto tra titanio, leghe di titanio, zirconio, leghe di zirconio, vanadio e leghe di vanadio, oppure da un materiale rivestito con un rivestimento di detti metalli o leghe metalliche.

Altri esempi sono substrati costituiti da un materiale ceramico scelto tra idrossiapatite, idrossiapatite fluorurata ed altri fosfati di calcio, oppure supporti costituiti da un materiale metallico rivestito con un rivestimento di detti materiali ceramici, detto rivestimento essendo stato ottenuto con un procedimento a secco ad aita temperatura, per esempio mediante plasma-spraying.

Il termine "idrossiapatite fluorurata" sta ad indicare una idrossiapatite nella quale gli ioni ossidrile sono stati parzialmente sostituiti da ioni fluoro, allo scopo di ridurre il grado di dissoluzione e la degradazione della idrossiapatite a contatto con altre sostanze presenti nel corpo animale.

Le Richiedenti hanno trovato che il procedimento della presente invenzione è particolarmente adatto e vantaggioso per rivestire substrati che sono stati preventivamente rivestiti con idrossiapatite mediante plasma-spraying. In particolare le Richiedenti hanno trovato che strutture multistrato comprendenti un supporto metallico, rivestito con un primo rivestimento di materiale metallico, preferibilmente dello stesso materiale metallico del supporto, con un secondo rivestimento di idrossiapatite eventualmente fluorurata e con un terzo rivestimento di carbonato-idrossiapatite ottenuto con il procedimento della presente invenzione, sono caratterizzate da eccellenti proprietà meccaniche e da altre proprietà, quali biocompatibilità, osteoconduttività, bioassoibibilità e bioattività. Di conseguenza tali strutture multistrato possono essere vantaggiosamente usate per la realizzazione di protesi e implantazioni ortopediche e dentali.

Particolarmente vantaggiose sono strutture multistrato nelle quali tanto il suddetto primo rivestimento metallico (con spessore preferibilmente di 30-100 pm) quanto il suddetto secondo rivestimento di idrossiapatite sono ottenuti mediante plasma-spraying sotto vuoto o in atmosfera inerte. Preferibilmente, prima di depositare il suddetto secondo rivestimento, la porosità e/o la rugosità della superficie metallica possono essere accresciute mediante opportuni trattamenti dei tipi sopra menzionati.

La soluzione acquosa dello stadio (a) è una soluzione che è stabile e può essere facilmente preparata a temperatura ambiente e manipolata senza particolari attenzioni.

Nello stadio (a) la soluzione viene utilizzata preferibilemnte a temperatura ambiente e può essere preparata introducendo gli ioni richiesti mediante dissoluzione in acqua distillata di qualsiasi composti che li contengano. Preferibilmente gli ioni calcio vengono introdotti sotto froma di nitrato di calcio Ca(N03)2, gli ioni fosfato sotto forma di idrogenofosfato di ammonio (NH4)2HP04 e gli ioni bicarbonato sotto forma di bicarbonato di sodio NaHC03.

Eventualmente, altri ioni, come ad esempio fluoro, sodio, potassio, magnesio, etc., possono essere aggiunti alla soluzione allo scopo di migliorare alcune specifiche proprietà del rivestimento bioattivo che si vuole ottenere.

Preferibilmente la soluzione dello stadio (a) contiene ioni calcio in concentrazione da 1 a 2 mmoli/litro, ioni fosfato in concentrazione da 1 a 2 mmoli/litro e ioni bicarbonato in concentrazione da 0,10 a 0,18 moli/litro. Più preferibilmente la soluzione dello stadio (a) contiene ioni calcio in concentrazione da 1,4 a 1,8 mmoli/litro e ioni fosfato in concentrazione da 1,2 a 1,7 mmoli/litro.

Preferibilmente il rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato nella soluzione dello stadio (a) è da 0,9 a 1,6.

Il pH della soluzione dello stadio (a) è preferibilmente da 7,2 a 7,6, più preferibilmente di circa 7,4. Il pH può essere aggiustato al valore desiderato mediante aggiunta di soluzioni acide.

A titolo di esempio, la soluzione che viene utilizzata nello stadio (a) può essere ottenuta preparando preventivamente due soluzioni in acqua distillata concentrate, la prima contenente ioni calcio (soluzione A) e la seconda contenente ioni fosfato e ioni bicarbonato (soluzione B), e successivamente mescolando le due soluzioni A e B in una massa di acqua distillata, in modo da raggiungere le concentrazioni e le proporzioni richieste dal procedimento della presente invenzione.

Nello stadio (b) del procedimento della presente invenzione la soluzione viene riscaldata preferibilemtne fino ad una temperatura da 60 a 78 °C, più preferibilmente da 65 a 75 °C, ancor più preferibilmente da 68 a 72 °C. Detto riscaldamento può essere effettuato con qualsiasi metodo noto.

Preferibilmente negli stadi (b) e (c) la soluzione viene tenuta sotto agitazione, allo scopo di omogeneizzare il deposito alla superfìce del suupporto. Tale agitazione può essere realizzata agitando la soluzione, o il substrato da rivestire o entrambi.

Le Richiedenti hanno trovato che, grazie alla solubilità retrograda dell'idrossi apatite (nel senso che l'idrossiapatite è meno solubile ad alta temperatura che a bassa temperatura) e grazie alla instabilità della soluzione di bicarbonato, che si decompone emettendo anidride carbonica, detto riscaldamento dà luogo ad un aumento di pH e ad una soluzione alcalina altamente sovrassatura, la quale fa precipitare a contatto con la superficie del substrato una carbonato-idrossiapatite sotto forma di nuclei di cristallizzazione.

Le Richiedenti hanno inoltre trovato che gli ioni bicarbonato agiscono come inibitori della crescita dei cristalli e che il rivestimento che si forma nello stadio (c) del procedimento della presente invenzione ha una struttura scarsamente cristallina, cioè una struttura caratterizzata da cristalli che contengono difetti, non sono stechiometrici ed hanno dimensioni piuttosto piccole.

In genere, i cristalli del rivestimento ottenuto con il procedimento della presente invenzione, hanno una lunghezza di 10-40 nm ed una larghezza di 3-10 nm.

Le Richieenti hanno inoltre trovato che il rivestimento ottenuto con il procedimento della presente invenzione aderisce perfettamente al substrato ed ha superficie specifica e reattività superficiale molto elevate.

Il substrato viene tolto dalla soluzione quando il rivestimento ha raggiunto lo spessore desiderato.

Il tempo durante il quale il substrato viene mantenuto immerso nella solzuione nello stadio (c) è preferibilmente compreso tra 3 minuti e 2 ore.

Lo spessore del rivestimento ottenuto con il procedimento della presente invenzione è preferibilmente da 1 a 10 μm e la concentrazione di ioni bicarbonato è preferibilmente del 10-22 % in peso rispetto al peso totale del rivestimento.

Dopo che il substrato è stato tolto dalla soluzione, il rivestimento viene essiccato, ad esempio all'aria.

I rivestimenti ottenuti con il procedimento della presente invenzione sono stati sottoposti a varie analisi fisico-chimiche e test in vitro e in vivo. Tutti i risultati hanno mostrato che i rivestimenti della presente invenzione sono perfettamente biocompatibili, sono altamente osteoconduttivi (cioè accelerano la crescita dell'osso in vicinanza delfimplantazione), altamente bioattivi (cioè favoriscono notevolmente l'attività delle cellule) e altamente biodegradabili (bioassorbibili).

Gli esempi seguenti vengono riportati per illustrare alcune forme di realizzazione dell'invenzione, senza comunque limitarne la portata.

Esempio 1

Vengono utilizzati dei provini costituiti da dischi (diametro 15 mm, spessore 3 mm) di lega TA6V (che è una lega di titanio contenente il 6% in peso di vanadio) rivestiti con un rivestimento di idrossi apatite con uno spessore di 100-130 pm.

Detti provini sono stati preparati dalla società italiana Flametal, mediante deposizione plasma-spraying, in atmosfera inerte di argo e azoto, utilizzando una polvere di idrossiapatite stechiometrica (cioè con rapporto molare calcio/fosfato di 1,67). Detti provini vengono utilizzati senza essere sottoposti ad alcun trattamento per aumentarne porosità e/o rugosità.

Viene preparata una soluzione concentrata A sciogliendo 4,57 g di Ca(N03)2 (98% di purezza) in 500 mi di acqua distillata, ottenendo una concentrtazione di ioni calcio pari a 38 mmoli/litro. Quindi viene preparata una soluzione concentrata B sciogliendo 2,53 g di (NH4)2HPO4 (99,5% di purezza) in 500 mi di acqua distillata, ottenendo una concentrazione di ioni fosfato pari a 38 mmoli/litro.

Ciascuna delle due soluzioni A e B viene diluita 5 volte con acqua distillata, raggiungendo così una concentrazione di 7,6 mmoli/litro. Successivamente si aggiungono 10 g di NaHC03 nella soluzione B e il pH di questa soluzione viene aggiustato a 7,4 aggiungendo acido nitrico diluito.

200 mi della soluzione A e 200 mi della soluzione B così ottenute vengono diluiti e mescolati versandoli in un volume di 600 mi di acqua distillata. In questa maniera si ottiene una soluzione contenente 1,52 mmoli/litro di ioni calcio, 1,52 mmoli/litro di ioni fosfato e 0,12 moli/litro di ioni bicarbonato, nella quale il rapporto molare calcio/fosfato è pari a 1.

Il pH della soluzione viene nuovamente aggiustato a 7,4 e, mantenendo la soluzione a temperatura ambiente e sotto agitazione, i provini vengono immersi nella stessa.

Sempre mantenendo la soluzione sotto agitazione e agitando anche i provini, la soluzione viene riscaldata fino a 70 °C, provocando un innalzamento del pH fino a 8,7 e una spontanea precipitazione-cristallizzazione di carbonato-idrossiapatite a contatto della superficie dei provini.

Dopo 5 minuti dall’inizio della precipitazione i provini vengono tolti dalla soluzione ed essiccati aH'aria. Sulla superficie dei provini si è formato un sottilissimo strato bianco dello spessore di circa 5 μτη.

Esempio 2

L'Esempio 1 viene ripetuto con la sola differenza che, invece di riscaldare l'intera massa della soluzione, solamente i supporti vengono riscaldati mediante riscaldamento ad alta frequenza. Inoltre viene realizzato un sistema di circolazione della soluzione sovrassatura, in modo da evitare il riscaldamento dell'intera soluzione e di consentire che solamente la soluzione vicina ai substrati sia riscaldata a 70°C. La circolazione ed il continuo rinnovo della soluzione consente di controllare lo spessore e la omogeneità del rivestimento.

Dopo 5 minuti dal'inizio della precipitazione, sulla superficie dei provini si è formato un sottilissimo strato bianco dello spessore di circa 8 μm.

Tanto i rivestimenti dell'Esempio 1 che quelli dell'Esempio 2 sono stati sottoposti ad una serie di caratterizzazioni.

Analisi di assorbimento allo spettro infrarosso effettuate con un Perkin-Elmer FTIR 1760 mostrano che nei rivestimenti si è formata carbonato-idrossiapatite e, mediante un'analisi chimica quantitativa, si è trovato che la concentrazione di ioni bicarbónato è del 20% in peso rispetto al peso totale del rivestimento.

La caratterizzazione ai raggi X, che è stata effettuata usando un diffrattometro CPS120 della Inel e la lunghezza d'onda del cobalto (1,78897 À), ha mostrato la presenza di una struttura scarsamente cristallina simile a quella delle ossa animali.

Nel caso dell'Esempio 1 i cristalli hanno lunghezza media di 15 nm e la larghezza media di 5 nm.

Nel caso dell'Esempio 2 i cristalli hanno ima lunghezza media di 13 nm e larghezza media di 4 nm.

I provini erano stati sottoposti alle medesime caratterizzazioni di cui sopra prima del trattamento secondo la presente invenzione.

Confrontando i risultati si è visto che mediamente le dimensioni dei cristalli dei rivestimenti depositati negli Esempi 1 e 2 sono il 15-18% più piccole delle dimensioni dei cristalli dei rivestimenti depositati per plasma-spraying. Confrontando le misure dell'area superficiale effettuate con il metodo BET prima e dopo il trattamento secondo la presente invenzione, si è visto che l'area superficiale dopo il trattamento è aumentata di circa il 12-14%.

Inoltre sono state effettuate caratterizzazioni biologiche in vitro secondo le norme AFNOR S91-145 e S91-142 (AFNOR-Association Francaise de Normalisation). Il comportamento cellulare degli osteoblasti umani come densità di attacco al materiale del rivestimento, l'aspetto citoplasmico, la proliferazione cellulare e la biocompatibilità risultano notevolmente migliorati nei provini trattati rispetto ai provini non trattati. Inoltre non è stata riscontrata alcuna citotossicità dei rivestimenti secondo la presente invenzione.

Claims

RIVENDICAZIONI 1) Procedimento per rivestire un substrato con un rivestimento costituito essenzialmente da carbonato-idrossiapatite, il quale procedimento comprende: (a) immergere il substrato da rivestire in una soluzione acquosa contenente ioni calcio in concentrazione da 1 a meno di 3,8 mmoli/litro, ioni fosfato in concentrazione da 1 a meno di 3,8 mmoli/litro e ioni bicarbonato in concentrazione da 0,08 a 0,25 moli/litro, con un rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato da 0,8 a 2, ad un pH da 6,8 a 8,0 ed una temperatura inferiore a 50°C; (b) riscaldare almeno la parte della soluzione in contatto con il substrato fino ad una temperatura compresa tra 50 e 80 °C e fino ad avere un pH maggiore di 8; (c) mantenere il substrato in contatto con la soluzione alcalina riscaldata e sovrassatura ottenuta nello stadio (b), lasciando così avvenire spontaneamente, direttamente a contatto della superficie del supporto, la formazione di un rivestimento di carbonato-idrossiapatite; e (d) togliere il substrato dalla soluzione, dopo che si è raggiunto lo spessore di rivestimento desiderato, e sottoporre il rivestimento ad essiccamento.
2) Procedimento secondo la rivendicazione 1), nel quale il substrato da rivestire è costituito da un materiale ceramico o metallico.
3) Procedimetno secondo la rivendicazione 1), nel quale il substrato da rivestire è costituito da un materiale ceramico scelto tra idrossi apatite, idrossiapatite fluorurata ed altri fosfati di calcio.
4) Procedimento secondo la rivendicazione 1), nel quale il substrato da rivestire è costituito da un materiale metallico scelto tra titanio, leghe di titanio, zirconio, leghe di zirconio, vanadio e leghe di vanadio.
5) Procedimento secondo la rivendicazione 1), nel quale il substrato da rivestirre è un rivestimento di materiale ceramico o metallico che è stato precedentemente depositato su un supporto.
6) Procedimento secondo la rivendicazione 1), nel quale il substrato da rivestire è un rivestimento di idrossiapatite che è stato precedentemente depositato mediante plasma-spraying su un supporto metallico.
7) Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, nel quale la soluzione acquosa dello stadio (a) contiene ioni calcio in concentrazione da 1 a 2 mmoli/litro, ioni fosfato in concentrazione da 1 a 2 mmoli/litro e ioni bicarbonato in concentrazione da 0,10 a 0,18 moli/litro e il rapporto molare tra ioni calcio e ioni fosfato in detta soluzione è da 0,9 a 1,6.
8) Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, nel quale gli ioni calcio vengono introdotti nella soluzione acquosa dello stadio (a) sotto forma di nitrato di calcio Ca(N03)2.
9) Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, nel quale gli ioni fosfato vengono introdotti nella soluzione acquosa dello stadio (a) sotto forma di idrogenofosfato di ammonio (NH4)2HPO4.
10) Procedimento secondo una o più delle rivendiczioni precedenti, nel quale gli ioni bicarbonato vengono introdotti nella soluzione acquosa dello stadio (a) sotto forma di bicarbonato di sodio NaHC03.
11) Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, nel quale la soluzione acquosa deio stadio (a) è ad un pH da 7,2 a 7,6 ed a temperatura ambiente.
12) Procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, nel quale la soluzione acquosa nello stadio (b) viene riscaldata a una temperatura da 60 a 78°C.
13) Struttura comprendente un substrato rivestito con un rivestimento costituito essenzialmente da carbonato-idrossiapatite, detto rivestimento essendo ottenibile con un procedimento secondo una o più delle rivendicazioni precedenti.
14) Struttura secondo la rivendicazione 13), caratterizzata dal fatto di essere una struttura multistrato comprendente un supporto metallico rivestito con un primo rivestimento di materiale metallico, con un secondo rivestimento di idrossiapatite e con un terzo rivestimento di carbonato-idrossiapatite, detto terzo rivestimento essendo ottenuto con un procedimento secondo una o più delle rivendicazioni da 1) a 12).
15) Struttura secondo la rivendicazione 14), nella quale detti primo e secondo rivestimento sono ottenuti mediante deposizione plasma-spraying.
16) Protesi o implantazione ortopedica o dentale comprendente una struttura secondo una o più delle rivendicazioni da l3) a l5).