LV14492B

LV14492B - Poraina hidroksilapatīta keramika ar bimodālu poru sadalījumu un tās izgatavošanas paņēmiens

Info

Publication number: LV14492B
Application number: LVP-11-178A
Authority: LV
Inventors: Jānis LOČS; Vita ZĀLĪTE; Indulis Freimanis; Līga BĒRZIŅA-CIMDIŅA; Andrejs SKAĢERS
Original assignee: Rīgas Tehniskā Universitāte
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2012-07-20
Also published as: LV14492A

Description

Piedāvātais izgudrojums attiecas uz medicīnas nozari un pielietojams traumatoloģijā un ortopēdijā, sejas-žokļa kaulu ķirurģijā kā pamatnes kaulaudu inženierijā vai zāļu piegādes sistēmu izveidošanai, kā arī kā pildviela kaulu defektu aizpildīšanai.

Ir zināms paņēmiens porainu, formējamu izstrādājumu izgatavošanai no metāla, keramikas un kompozītmateriālu pulveriem [1], kurā kā poru veidojošu vielu pielieto amonija sāļus, t.sk. amonija hidrogēnkarbonātu (NH4HCO3), kas termiski sadalās virs 60°C, veidojot materiāla struktūrā poras. Kā virsmas aktīvas vielas masas sastāvā ievada polivinilacetātu vai polietilēnu, bet kā mitrinošās piedevas - absolūto etanolu vai petrolēteri. Iegūtie izstrādājumi pēc šī paņēmiena pielietojami galvenokārt būvmateriālu ražošanas nozarē.

Zināms arī porainas AI2O3 keramikas iegūšanas tehnoloģiskais paņēmiens, kura pamatā ir poru veidotāja NH4HCO3 sadalīšanās termiskās apstrādes (60-80°C) procesa laikā [2], Kā poru veidojošs komponents masas sastāvā ievadīts NH4HCO3, kā mitrinošais aģents - ūdens. Kā plastificējošā piedeva keramikas sastāvā ievadīta kartupeļu ciete, kas 80°C sekmē suspensijas sarecēšanu (želēšanu), un kā dispersants - viela A6114. Uz šo pētījumu pamata iegūtās porainās AI2O3 keramikas izmantošana medicīnas nozarē ir ierobežota, jo tā klasificējama kā inerts implantmateriāls, ap kuru veidojas saistaudu kapsula, kas ierobežo šo implantu pielietošanu vietās, kas pakļautas dinamiskai slodzei. Plašāku pielietojumu, kā tas norādīts [2], tā guvusi ķīmijas tehnoloģijā un aparātbūvē katalīzes reakcijas paātrinātāju, separācijas filtru un termisko izolatoru izgatavošanai.

Vēl zināmi Nīderlandes zinātnieku pētījumi par makroporainu hidroksilapatīta pamatņu izgatavošanu kaulaudu inženierijai [3]. Porainas HAp keramikas iegūšanai pielieto paņēmienu, kas pamatojas uz divu fāžu - HAp suspensijas un polimēra maisījuma uzputošanu. Kā poru veidojošus aģentus izmanto 25 % karbonātu šķīdumus (NaHCO₃, CaCCfi, NH4HCO3) un citronskābi. Kā polimerizācijas iniciatorus izmanto polimetilmetakrilātu (PMMA) un metilmetakrilāta monomēra (MMA) maisījumu. Tehnoloģiskais cikls sastāv no sagatavju žāvēšanas, pirolīzes un apdedzināšanas 1250°C un ilgst ~60 stundas. Iegūto paraugu kopējā porainība ir 50 - 68 %, ar vidējo poru izmēru - 456 pm. Paraugu mikroporainība pēc apdedzināšanas ir 2 %. Kā paņēmiena trūkums atzīmējams tas, ka keramiskās masas sastāvā ievadīto polimerizācijas iniciatoru sadalīšanai un izvadīšanai no masas papildus jāveic pirolīze, kas paildzina tehnoloģisko procesu. Šādā veidā iegūtajai keramikai raksturīga ļoti maza mikroporainība, kas būtiski samazina proteīnu adsorbciju. Jo lielāka būs mikroporainība, jo lielāks implanta virsmas laukums un līdz ar to labāka proteīnu sorbcija. . Paņēmiens vērtējams kā laika un energoietilpīgs, un videi nedraudzīgs ar relatīvi zemu kopējo mikroporu daudzumu.

Zināmi arī Anglijas zinātnieku pētījumi par dispersantu koncentrācijas ietekmi uz hidroksilapatīta poru morfoloģiju [4]. Pētījumi veikti ar mērķi noskaidrot keramisko materiālu pielietošanas iespējas kā pamatnes kaulaudu reģenerācijai. Kā poru veidotājs HAp keramikas sastāvā izmantots daudzvērtīgais organiskais spirts - tergitols (Cu^oCh), kā poraino struktūru stabilizējoša viela - metilceluloze. Pēc termiskās apstrādes 65°C temperatūrā, sadaloties tergitolam, veidojas poras, pēc termiskās apstrādes 250°C, izdegot metilcelulozei, poras fiksējas keramikas struktūrā. Konstatēts, ka apdedzināta parauga kopējā porainība sasniedz 85%, poru izmērs 391 - 495 pm. Eksperimentāli pierādīts, ka poru forma un lielums atkarīgi no masas suspensijas viskozitātes, izejvielu komponentu daudzuma un poru veidojošā aģenta putotspējas. Kā paņēmiena trūkums atzīmējama - iegūto keramikas pamatņu zemā spiedes izturība, kas raksturojas ar 1,09 - 1,76 MPa. Līdz ar to tās nav ieteicamas kaulu aizvietošanai slogotās vietās un ir apgrūtināta implanta mehāniska fiksācija. To pielietojums varētu būt selektīvs, t.i. vietās, kur materiāls ekspluatācijas laikā nav pakļauts mehāniskai slodzei.

Zināms arī Vācijas patents [5], atbilstoši kuram porainas kalcija fosfāta (Ca/P=l,5 - 1.7) keramikas iegūšanai kā izejvielu izmanto HAp pulveri ar dažādu daļiņu granulometrisko sastāvu (rupjo daļiņu vidējais izmērs ir no 5 pm līdz 20 pm, smalko daļiņu - mazākas par 1 pm), ūdeni, virsmas aktīvas vielas - malamīdu un/vai metilcelulozi, karboksilmetilcelulozi, polioksietilēnlaurilēteri. Masu homogenizējot un mehāniski putojot notiek poru veidošanās, kā poru veidojošais aģents ir masā iesaistītais atmosfēras gaiss. Pēc uzputošanas iegūto gēlu žāvē 83°C temperatūrā (2 h). Žāvēšanas procesam seko apdedzināšana 1200°C, kuras rezultātā iegūst keramiku ar porainību 85 % un poru izmēriem no 50 - 500 pm. Struktūrā konstatējamas mikroporas ar vidējo diametru 0,8 pm. Mikroporas veido sietveida struktūru, kas sekmē proteīnu sorbēšanos uz keramikas virsmas un pēc tam arī kaulaudu ieaugšanu. Šādus implantus var pielietot kā kaulu defektu pildvielu. Kā izgudrojuma trūkumi minami: materiāla sastāvā ievadīti lielmolekulāri polimēru savienojumi kā virsmas aktīvās vielas un saistvielas, kuri termiskās apstrādes laikā sadalās, izdalot CO₂, kas palielina tā emisiju apkārtējā vidē, tehnoloģiski process ir laik- un energoietilpīgs. Kā trūkums jāatzīmē arī tas, ka trabekulārā kaula porainība ir no 55 - 70 % [6], bet pēc šīs metodes iegūtie materiāli raksturojas ar relatīvi lielāku porainību (85 %) un līdz ar to - ar zemāku mehānisko izturību uz spiedi nekā dabiskajam trabekulārajam kaulam. Organiskās un neorganiskās fāzes termiskās izplešanās koeficientu atšķirības rezultātā materiālā rodas plaisas termiskās apstrādes procesā, kas savukārt arī pazemina mehānisko izturību un ilgmūžību.

Par prototipu izvēlēta hidroksilapatīta (HAp) keramika ar bimodālu poru sadalījumu un tās izgatavošanas paņēmiens [7]. Paņēmiens pamatojas uz HAp keramikas izgatavošanu no masas sastāva, kas satur HAp un želatīnu (plastificējošā piedeva) attiecībās 1:0,1-0,3. Tehnoloģiskais process vispirms ietver HAp granulu izgatavošanu. Hidroksilapatīta granulas izgatavo ar suspensijas paņēmienu, sajaucot HAp pulveri ar 10 % želatīna šķīdumu ūdenī, iegūto suspensiju disperģē ar lāpstiņveida maisītāju. Virsmas spraiguma spēku iedarbības rezultātā izveidojas sfēriskas formas granulas, kuras atmazgā no eļļas un žāvē. Ar sietu palīdzību atdala frakciju no 500 - 1000 pm. Granulas pēc žāvēšanas presē ar izostatiskās presēšanas paņēmienu ar spiedienu no 10 līdz 100 MPa. Izpresētās sagataves 24 stundas žāvē gaisā un apdedzina gaisa vidē temperatūrā 900 - 1250°C, izturot 0,5 - 5 stundas. Noteicošie tehnoloģiskie parametri, no kuriem atkarīga materiāla porainība un poru sadalījums, ir presēšana un apdedzināšanas režīms. Keramikas tehnoloģiskā procesa rezultātā iegūtā keramika raksturojas ar bimodālu poru sadalījumu, kas ietver slēgtās mikroporas ar diametru <10 pm un vaļējās makroporas, kas veidojas izdegot želatīnam, ar diametru >100 pm. Paraugu kopējā porainība ir 41 - 70 %, tajā skaitā 15-54 % mikroporas ar izmēru no 1 līdz 10 pm un makroporas 4 - 37 % ar izmēru 50 - 150 pm.

Paņēmiens tehnoloģiski vērtējams kā laikietilpīgs, tā realizācijai nepieciešams patērēt papildus energoresursus pulverveida daļiņu granulēšanai, žāvēšanai. Bez tam, kā izostatiskās presēšanas trūkumi jāatzīmē tas, ka, izostatiski presējot, iespējams iegūt vienkāršas konstrukcijas elementus (plāksnītes, diskus u.c.), kā arī nav iespējams nodrošināt vienmērīgu blīvuma sadalījumu formētajā sagatavē [8].

Kā būtiskākais trūkums jāatzīmē tas, ka iegūtā keramika raksturojas ar relatīvi zemu atvērto, caurejošo makroporu daudzumu (4 - 37 %) un relatīvi mazu atvērto poru izmēru, kas nenodrošina efektīvu jaunu kaulaudu un asinsvadu ieaugšanu un fiksāciju implanta tilpumā [9], kā arī poru veidošanās process atkarīgs no sagatavju presēšanas spiediena un apdedzināšanas temperatūras.

Piedāvātā izgudrojuma mērķis ir izstrādāt porainu HAp keramiku ar vienkārši realizējamu tehnoloģiju, kas nodrošina bimodālu poru sadalījumu implantā (makroporas un mikroporas), palielinot makroporu daudzumu un to izmēru diapazonu keramikas struktūrā, kas sekmētu kaulaudu un asinsvadu ieaugšanu materiālā un nodrošinātu to osteokonduktivitāti.

Izgudrojuma mērķis tiek sasniegts, izstrādājot jaunu keramiskās masas sastāvu un keramikas ieguvi no tā ar vienkāršu energo- un materiālus taupošu paņēmienu.

Piedāvātais keramiskās masas sastāvs (masas%):

hidroksilapatīts 45-50 dejon. H₂O 4-5 glicerīns 44 - 47

NH4HCO3 2-3

Masas izgatavošanai izmantotas sekojošas izejvielas: hidroksilapatīts [10], dejonizēts ūdens (attīrīts ar Crystal E iekārtu (R>0,055 pS/cm); glicerīns (A/S „Bio-Venta”, -Lot. 19041-2009, tīrības pakāpe 99,8 %), amonija hidrogēnkarbonāts (NH4HCO3) (SIA «Enola” EC213-911-5). Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskā procesa pamatā, lai veidotos poraina struktūra, ir uzputošanas paņēmiens in situ, t.i., poras struktūrā rodas termiskās apstrādes laikā, kad amonija hidrogēnkarbonāta sadalīšanās rezultātā rodas gāzveida vielas (CO₂, NH3, H₂O) un notiek suspensijas uzputošana.

Porainas HAp biokeramikas iegūšanas paņēmiens realizējams sekojošā secībā:

- HAp pulvera sagatavošana (smalcināšana, sijāšana) un dozēšana;

- glicerīna un ūdens maisījuma pagatavošana;

- pakāpeniska HAp pulvera pievienošana sagatavotajam glicerīna-ūdens maisījumam, to nepārtraukti maisot, līdz izveidojas homogēna viskoza plūstoša masa (maisīšanas procesa laikā viskozitāte samazinās no 9-10³ Pa-s līdz 0,9-10³ Pa-s);

- poru veidotāja NH4HCO3 pievienošana, suspensiju nepārtraukti maisot (sākotnēji viskozitāte palielinās no 0,17-10³ Pa-s līdz 0,2-10³ Pa-s, bet, turpinot maisīt, samazinās līdz 0,09-10^J Pa-s);

- sagatavotās masas iepildīšana formās, kuras izmērus un konfigurāciju izvēlas atbilstoši nepieciešamā implanta formai un izmēriem;

- termiskās apstrādes procesa realizēšana 2 stadijās, no kurām pirmajā stadijā 80 °C temperatūrā ar izturēšanas laiku 1 - 2 stundas, keramiskās masas sastāvā notiek intensīva poru veidošanās, sadaloties NH4HCO3 un izdaloties gāzveida vielām. Glicerīna-ūdens sistēma ir tā masas komponente, kas satur kopā HAp daļiņas. Ūdens un glicerīna maisījums aptver pulvera daļiņas un rada lubrikanta efektu, pie tam, HAp daļiņas var viegli pārvietoties masas uzputošanās laikā.Otrajā stadijā, kuru realizē 120 °C ar izturēšanas laiku 20 stundas, no masas izdalās pievienotais ūdens un daļēji sāk iztvaikot glicerīns. Otrajā žāvēšanas stadijā notiek izveidojušās porainās struktūras fiksācija un nostiprināšanās, nozīmīgs parametrs šajā stadijā ir HAp un glicerīna masas attiecība izveidotās masas sastāvā ir 1:0,88-1,04

- paraugu izņemšana no formām un apdedzināšana elektriskajā mufeļkrāsnī gaisa vidē

1100 - 1200 °C, maksimālo temperatūru izturot 2 stundas, temperatūras celšanas ātrums - 5°C/min. Apdedzināšanas-atdzesēšanas cikls ilgst 11 stundas.

Ietekmējošie faktori, kas nosaka poru daudzumu un to lielumu keramikas struktūrā, ir izejvielu HAp un NH4HCO3 masu attiecība, granulometriskais sastāvs (daļiņu izmēri) un apdedzināšanas temperatūra. Eksperimentāli noskaidrots, HAp daļiņu frakcijas optimālais izmērs ir 45 pm < d < 100 pm, kas nodrošina lielāku kopējo, t.sk. atvērto porainību. Apdedzināšanas procesā smalkākās HAp daļiņas (d<45 pm) nodrošina blīvāku materiāla mikrostruktūru (saķepšanas process), kas samazina atvērto, bet palielina slēgto porainību. Ja poru veidotāja NH4HCO3 daļiņas lielākas par 300 pm, tad iegūtās keramikas struktūrā pēc apdedzināšanas konstatējama mazāka kopējā un atvērtā porainība.

Apdedzināšanas temperatūrā, zemākā par 1000°C, keramika nav pietiekoši saķepusi un raksturojas ar zemāku mehānisko izturību, nekā nepieciešams kaula porainās daļas reģenerācijai. Apdedzināšanas temperatūrā virs 1200°C keramikas struktūrā samazinās porainība, kā arī iespējama HAp kristāliskās fāzes daļēja sadalīšanās, veidojot otru kristālisko fāzi - β-trikalcija fosfātu (β-TCP).

Lai keramiskā implanta struktūrā izveidotu bimodālu poru sadalījumu, eksperimentāli konstatēts, ka optimālais HAp aglomerātu daļiņu lielums ir 45-100 pm un NH4HCO3 (pie masu attiecības HApiNHzļHCCb 1:0.04-0.07)- 100-300 pm.

Pie šāda daļiņu izmēra keramikas struktūrā pēc apdedzināšanas 1150°C konstatējamas mikroporas, kuru izmēri ir no 0,05-0,2 pm un makroporas ar izmēriem no 50-500 pm.

Kopējā porainība materiāla tilpumā ir 65-75 %, t.sk. atvērtā porainība - 53-62 %, kas ir analoģiska dabīgā kaula porainās daļas (trabekulārā kaula) poru izmēriem un sadalījumam. Tas sekmē kaulaudu veidošanos un ieaugšanu implanta materiālā, kā arī asinsvadu veidošanos, nodrošinot implantu osteokonduktivitāti.

Eksperimentālie keramiskās masas sastāvu piemēri un iegūtās keramikas (apdedz. 1150°C) struktūras un mehāniskās stiprības raksturojums uzrādīts 1. tabulā salīdzinājumā ar prototipu.

1. tabula

Sastāva apzīm.	Masas sastāvs	Stru	<turas raksturojums	Izturība spiedē MPa
Izejviela	Daudzums, masas %	Kopējā porainība, %	Vaļēja porainība, %	Slēgtā porainība, %	Makroporu diametrs, pm	Mikroporu diametrs, pm
1.	HAp H₂O Glicerīns NH4HCO3	45 5 47 3	75	62	13	50-500	0,05-0,2	9
2.	HAp H₂O Glicerīns NH₄HCO₃	46 5 46 3	70	57	13	50-500	0,05-0,2	10
3.	HAp H₂O Glicerīns NH₄HCO₃	48 5 45 2	68	54	14	50-500	0,05-0,2	8

4.	HAp h₂o Glicerīns NH4HCO3	50 4 44 2	65	53	12	50-500	0,05-0,2	11
Prototips	HAp:želatīns	1:0,1-0,3	41-70	4-37	15-54	50-150	1-10	-

Salīdzinot ar prototipu [7], izstrādātās porainās HAp keramikas iegūšanas tehnoloģiskais paņēmiens ir vienkāršs, ekonomisks un nodrošina lielāku atvērto poru izmēru diapazonu un poru daudzumu, kas uzlabo audu ieaugšanu implanta materiālā, jaunu kaulaudu veidošanos, nodrošinot implantu integrāciju organismā.

Izstrādātās keramikas biosaderības un citotoksicitātes in vitro testa rezultāti, kā ari sākotnējie pētījumi in vivo, pierādīja, ka materiāls ir biosaderīgs un neuzrāda citotoksisku efektu, turklāt materiāla mikrostruktūrā esošo atvērto un caurejošo poru izmērs ir atbilstošs mugurkaulnieku organisma kaulaudu šūnu izmēriem [6], un tās sekmīgi var pārvietoties materiāla tilpumā. Eksperimenta gaitā konstatēta šūnu augšana un vairošanās, kā arī šūnu morfoloģija atbilst kontroles lauciņā esošajām šūnām.

Mikroporas savukārt palielina kopējo implanta virsmas laukumu un sekmē proteīnu adsorbciju, kā ari nodrošina efektīvu zāļu piegādes sistēmu izveidi, jo ievadīto zāļu izdalīšanās notiek pakāpeniski ilgākā laika periodā.

IZMANTOTĀ LITERATŪRA

1. Patent DE, N° 19726961C1. Verfahren zur Herstellrung poroser Formkorper aus Metāli, Keramik oder kompositwerkstoffen. Int. cl. C22C 1/08, B 22 F3/11; B29C 67/20; C04B 38/06, 1998.

2. T. Banno, Y. Yamada, H. Nagae. Fabrication of porous aluminia ceramies by simultaneus thermal solidification://J. ofthe Ceram. Soc. of Jap., 117 [5], 2009, p 713716.

3. Shi Hong Li et. al. Synthesis of macroporous hydroxyapatite scaffolds for bone tissue enguneering:// J. of Biomed. Mater. Res., v. 61,1.1., 2002, p. 109-120.

4. Cyster L.A., Grant D.M. et.al. The influence of dispersant contentration on the pore morphology of hydroxyapatite ceramies for bone tissue engineering:// Biomaterials, 26, 2005, p. 697-702.

5. Patent DE, N° 102004057212A1. Porose Calcium-phosphatkeramik und Verfahren uz deren Herstellung. Int. cl. C04B 38/00; C04B 35/447; A61L27/12; Α 61K6/033, 2005.

6. Dorozhkin S.V. Calcium ortophosphates in nature, biology and medicine. Materials, 2, 2009, p. 399-498.

7. Π3Τ. RU 2303580C2, Int. cl. C04B 35/477, C04B 35/00; A61L27/12. CnocoS H3roTOBjieHHH ru^poKcnanaTOTOBOH KepaMHKu c 6HMoņanBHbiM pacnpeņeneHneM nop, 2007.

8. ^Haruņa X. ToHKaa TexHnnecKasi KepaMHKa. ElepeB. c an. M.: MeTajiJiyprna, 1986, 278 c.

9. Mandrinos M. et. al. Porogen-based solid freeform fabrication of polycaprolactonecalcium phosphate scaffolds for tissue engineering. Biomaterials, 2006,27, 4399-4408.

10. Salma K., Berzina-Cimdina L., Borodajenko N. Calcium phosphate bioceramics prepared from wet chemically precipitated powders. Proceeding and application of ceamics, 2010, 4(1), p. 45-51.

PRETENZIJAS

Claims

PRETENZIJAS

l. Poraina hidroksilapatīta (HAp) keramika ar bimodālu poru sadalījumu satur HAp, ūdeni, plastifīcējošo piedevu un poru veidotāju un atšķiras ar to, ka kā plastificējošā piedeva izmantots glicerīns CsHsļOHL, bet poru veidotājs - amonija hidrogēnkarbonāts NH4HCO3 sekojošās masas procentuālajās attiecībās (masas%):

hidroksilapatīts 45-50 ūdens (dejonizēts) 4-5 glicerīns 44-47 amonija hidrogēnkarbonāts 2-3
2. Poraina HAp keramika ar bimodālu poru sadalījumu saskaņā ar l. punktu atšķiras ar to, ka keramiskās masas sastāva izgatavošanai izmantots HAp pulveris ar daļiņu izmēru no 45 pm līdz ĪOO pm, bet NH4HCO3 - ar daļiņu izmēru no 100 pm līdz 300 pm.
3. Saskaņā ar 2.punktu daļiņu sadalījums izveidotās masas sastāvā atšķiras ar to, ka tas nodrošina keramikas mikrostruktūrā bimodālu poru sadalījumu, jo HAp pulvera un poras veidojošās vielas masas attiecība HApTttLHCCh ir 1:0.04-0.07.
4. Paņēmiens porainas HAp keramikas iegūšanai satur masas komponentu sasmalcināšanu un sijāšanu un atšķiras ar to, ka masas sastāvā saskaņā ar 1. punktu HAp pulvera un plastificējošās piedevas masu attiecība HAp : glicerīns ir 1:0,881,04.
5. Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskais paņēmiens ietver suspensijas sagatavošanu no masas komponentēm atbilstoši 1. punktā dotajām masas attiecībām un atšķiras ar to, ka izejvielas tiek samaisītas noteiktā secībā, kas nodrošina keramiskās suspensijas homogenitāti un plūstamību (viskozitāte 0,09-10³ Pa-s pie bīdes laika 60 s).
6. Keramikas izgatavošanas tehnoloģiskais paņēmiens saskaņā ar 4. punktu atšķiras ar to, ka masas uzputošanu realizē in situ, pievienojot poru veidotāju -NH4HCO3.
7. Paņēmiens porainas HAp keramikas izgatavošanai saskaņā ar 2. - 5. punktā minēto, atšķiras ar to, ka keramiku formē, plūstošo masu iepildot nepieciešamas konfigurācijas formās, tā nodrošinot dažādas konfigurācijas un profilu (atkarībā no praktiskās nepieciešamības) implantmateriālu ieguvi.
8. Keramikas izstrādājumu izgatavošanas paņēmiens atbilstoši 6. punktam atšķiras ar to, ka atlietās sagataves termiski apstrādā 80°C (1-2 stundu) un, paaugstinot temperatūru līdz 120°C, termisko apstrādi turpina 20 stundas.
9. Paņēmiens saskaņā ar 7. punktu atšķiras ar to, ka paraugus apdedzina temperatūrā 1100-1200°C, izturot pie šīs temperatūras 2 stundas. Apdedzināšanas un atdzesēšanas cikls ilgst 11 stundas.