PL214929B1 - Sposób otrzymywania syntetycznego bioceramicznego tworzywa implantacyjnego na bazie hydroksyapatytów weglanowych - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania bioceramicznego tworzywa implantacyjnego na bazie hydroksyapatytów węglanowych, które znajduje zastosowanie jako substytut kostny w ortopedii, chirurgii twarzo-czaszki i stomatologii zachowawczej.

Pod względem składu chemicznego i mineralnego syntetyczny hydroksyapatyt jest bliski apatytowi kostnemu, stanowiącemu podstawowy składnik nieorganiczny kości i zębów. Obecne badania nad hydroksyapatytem idą w kierunku takiej jego modyfikacji odpowiednimi jonami, aby jak najbardziej zbliżyć jego skład do naturalnego apatytu kostnego.

2Wprowadzenie do podsieci anionowej grup CO3^2- pozwala na uzyskanie hydroksyapatytu węglanowego CHAp. Bioceramika oparta na CHAp wykazuje lepsze własności osteointegracyjne w sto2sunku do hydroksyapatytu bez grup CO3^2-.

Innym możliwym modyfikatorem struktury hydroksyapatytu, przybliżającym go do naturalnego, jest magnez.

Z polskiego opisu patentowego nr 154957 znany jest sposób otrzymywania ceramicznego tworzywa implantacyjnego. który pozwala na uzyskanie czystego, reaktywnego proszku hydroksyapatytowego, z którego formuje się kształtki przeznaczone do implantacji.

Z polskiego opisu patentowego nr 190486 znany jest sposób wytwarzania wysokoreaktywnych proszków fosforanów wapnia, który polega na tym, że wytrąca się jednostopniowo osady fosforanów wapnia, dodając powoli do zawiesiny Ca(OH)2 roztwór H3PO4. przy czym ilość wyjściowych reagentów jest taka, aby stosunek molowy CaO:P2O5 wynosił 1,5:1,66, pH środowiska reakcyjnego utrzymuje się w granicach 5-11, temperaturę w granicach 18-90°C. Równocześnie intensywnie miesza się zawiesinę reakcyjną. Fosforany wapnia wytrącają się w postaci galaretowatych, amorficznych osadów, w których stosunek molowy Ca/P wynosi 1,50-1,66. Osady te poddaje się następnie procesowi dojrzewania przez kilkadziesiąt godzin, w następstwie czego ulegają przemianie w niestechiometryczny hydroksyapatyt, w którego strukturze obecne są jony HPO4^-2. Po odfiltrowaniu, wysuszeniu, rozdrobnieniu, praży się je w temperaturze 700-900°C, uzyskując wysokoreaktywne proszki, będące mieszaniną HAp i TCP lub monofazowy proszek TCP.

Z literatury (Journal of Material Science : Materials in Medicine (1998) 779-783) znany jest sposób uzyskiwania proszków hydroksyapatytu węglanowego z substaratów Ca(NO₃)₂ · 4 H₂O. (NH₄)₂HPO₄ i NaHCO3 (0,2 lub 0,4 mola). Z proszków tych formuje się kształtki, które wypala się w temperaturze 800-1100°C w atmosferze CO2. Uzyskuje się gęste tworzywo na bazie hydroksyapatytu węglanowego o gęstości względnej około 95%.

Z artykułu Y. Doi z zespołem (Journal Biomedical Materials Research 39 (1998) 603-610) znany jest bioresorbowalny substytut kości, wytworzony z proszków hydroksyapatytu węglanowego, otrzymanego z Ca(NO3)2; Na2HPO4 i Na2CO3.

Z proszków zaprasowano jednoosiowo pod ciśnieniem 600 MPa kształtki, które wypalono w temperaturze 1200 i 750°C, otrzymując kształtki gęstej ceramiki CHAp. Badania wykazały duże podobieństwo syntetycznego hydroksyapatytu węglanowego do apatytu kostnego.

Znany z opisu patentowego US 4917702 materiał do uzupełniania ubytków w kościach, zębach i ich korzeniach, a także do wytwarzania warstw na implantach metalicznych, który stanowi proszkowy preparat apatytowy zawierający w sieci krystalicznej jony węglanowe i alkaliczne.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania syntetycznej bioceramiki hydroksyapatytowej o własnościach odpowiadających materiałom opartym na naturalnych kościach.

Sposób otrzymywania proszków hydroksyapatytów węglanowych w procesie jednostopniowym polega na tym, że syntezę prowadzi się dodając kroplami do zawiesiny wodnej Ca(OH)2 z równoczesnym dodatkiem roztworu soli pierwiastka modyfikującego, wybranego z grupy pierwiastków magnezu, manganu, sodu i tytanu w ilości 0-0,1 M, roztwór (NH4)2HPO4, w którym rozpuszczono związek węglanowy, korzystnie NH4HCO3 i/lub NaHCO3 w ilości 0,05-0,25 M, będący źródłem jonów węglanowych CO3^-2, a także Na⁺ wbudowujących się w strukturę hydroksyapatytu, przy czym pH środowiska reakcyjnego utrzymuje się na poziomie powyżej 10, przy użyciu amoniaku, a ilość reagentów wyjściowych jest taka, aby stosunek molowy Ca : P wynosił 1,55-1,9. Powstałą galaretowatą zawiesinę amorficznego, niestechiometrycznego hydroksyapatytu węglanowego, w którego strukturę wbudowane są jony

-2 -2

CO3^-2, HPO4^-2 oraz jony pierwiastków modyfikujących poddaje się procesowi dojrzewania, dekantuje się, odfiltrowuje, a następnie suszy i rozdrabnia uzyskując proszek o uziarnieniu poniżej 60 μm i ewentualnie kalcynuje w temperaturze 300-500°C.

PL 214 929 B1

Z powstałych proszków hydroksyapatytu węglanowego, modyfikowanego odpowiednimi pierwiastkami formuje się znanymi sposobami implanty o żądanym kształcie, po czym poddaje się je obróbce termicznej w zakresie 600 do 950°C w obecności surowców węglanowych wprowadzających CO2 w trakcie spiekania.

Tworzywa implantacyjne otrzymane z proszków wg wynalazku charakteryzują się niższą o około 350°C temperaturą spiekania, przez co wytworzone materiały implantacyjne wykazują niższy stopień krystaliczności, bliski apatytom pochodzenia naturalnego. Niższa temperatura spiekania hamuje rozrost ziaren, korzystnie wpływając na wytrzymałość implantów. Materiał wykazuje ponadto wysoką stabilność termiczną (brak CaO w wypalonym tworzywie).

Opracowany materiał dzięki multipodstawieniom w podsieci kationowej i anionowej (efekt synergii) wykazuje podobieństwo do naturalnej kości.

W przeprowadzonych na zwierzętach testach, biomateriał odznacza się lepszą osteointegracją -2 w stosunku do HAp-u nie zawierającego w strukturze grup CO3^-2 i innych modyfikatorów. Ponadto jako materiał syntetyczny nie niesie niebezpieczeństwa transmisji patogenów.

P r z y k ł a d 1

Do zawiesiny Ca(OH)2 sporządzonej z 0,525 M CaO oraz 1 litra wody destylowanej, podaje się roztwór sporządzony z 0,3 M (NH4)2 HPO4, 0,06 M (NH4)HCO3 i 0,04 M NaHCO3, utrzymując pH zawiesiny na poziomie ~11 przy użyciu amoniaku. Po syntezie zawiesinę reakcyjną pozostawia się w spoczynku na kilkanaście godzin. podczas których następuje dojrzewanie i sedymentacja żelowatego osadu. Następnie zawiesinę dekantuje się i odwirowuje, a zagęszczony osad suszy się w suszarce w temperaturze 90°C i rozdrabnia w młynku do proszku o uziarnieniu poniżej 60 μm.

P r z y k ł a d 2

Do zawiesiny Ca(OH)2 sporządzonej z 0,5 M CaO oraz 1 litra 0,006 molowego roztworu octanu magnezu z dodatkiem 0,03 g octanu manganu, podaje się roztwór sporządzony z 0,3 M (NH4)2 HPO4, 0,1 M(NH4)HCO3 Zawiesinę reakcyjną o temperaturze 20°C poddaje się intensywnemu mieszaniu, utrzymując jej pH na poziomie 10,5-11 przy użyciu amoniaku. Po zakończeniu syntezy zawiesinę żeIowatego osadu poddaje procesowi dojrzewania, sedymentacji a następnie zagęszczoną zawiesinę po dekantacji odwirowuje się w wirówce . przemywając osad wodą destylowaną do otrzymania placka filtracyjnego o wilgotności w zakresie 75-80%, który po wysuszeniu w temperaturze 90°C rozdrabnia się i kalcynuje w temperaturze 500°C w ciągu godziny.

P r z y k ł a d 3

Do zawiesiny Ca(OH)2 sporządzonej z 0,49 M CaO oraz 1 litra wody destylowanej, i 0,008 M octanu magnezu podaje się kroplami 0,3 M roztworów (NH4)2 HPO4, z dodatkiem 0,08 M (NH4)HCO3 i 0,01 M NaHCO3 utrzymując pH zawiesiny na poziomie 10,5-11 przy użyciu roztworu amoniaku.

Po syntezie zawiesinę żelowatego osadu poddaje się procesowi dojrzewania i grawitacyjnej sedymentacji w ciągu 48 godzin. Następnie zawiesinę dekantuje się i zagęszcza w wirówce do placka filtracyjnego po czym suszy i rozdrabnia do odpowiednich frakcji ziarnowych , korzystnie do proszku o uziarnieniu poniżej 60 μm.

Z powstałego proszku formuje się kształtki metodą jednoosiowego prasowania pod ciśnieniem 100 MPa i poddaje obróbce termicznej. W tym celu umieszcza się kształtki w tyglu alundowym z pokrywką do którego wsypuje 30 g proszku dolomitowego, po czym spieka się z postępem 200°C/godz., przetrzymując w maksymalnej temperaturze 880°C przez godzinę.

P r z y k ł a d 4

Z proszku powstałego jak w przykładzie 3 i po kalcynacji. przygotowuje się gęstwę, którą nasącza się piankę poliuretanową. Kształtki po wysuszeniu w 100°C umieszcza się w tyglu alundowym, do którego wsypano wcześniej 20 g węglanu wapnia. Proces spiekania prowadzi się w piecu elektrycznym z postępem 100°C/godz. do temperatury 600°C, a następnie do 900°C z szybkością 200°C/godz. przetrzymując w maksymalnej temperaturze przez godzinę.

Claims (2)

1. Sposób otrzymywania syntetycznego bioceramicznego tworzywa implantacyjnego na bazie hydroksyapatytów węglanowych, znamienny tym, że syntezę prowadzi się dodając kroplami do zawiesiny wodnej Ca(OH)2 z równoczesnym dodatkiem roztworu soli pierwiastka modyfikującego, wybranego z grupy pierwiastków magnezu, manganu, sodu i tytanu w ilości 0-0,1 M, roztwór (NH4)2HPO4,

PL 214 929 B1 w którym rozpuszczono związek węglanowy, korzystnie NH4HCO3 i/lub NaHCO3 w ilości 0,05-0,25 M, będący źródłem jonów węglanowych CO3^-2 a także Na⁺ wbudowujących się w strukturę hydroksyapatytu, przy czym pH środowiska reakcyjnego utrzymuje się na poziomie powyżej 10, przy użyciu amoniaku, a ilość reagentów wyjściowych jest taka aby stosunek molowy Ca : P wynosił 1,55-1,95, powstałą galaretowatą zawiesinę amorficznego, niestechiometrycznego hydroksyapatytu węglanowego,

-2 -2 w którego strukturę wbudowane są jony CO3^-2. HPO4^-2 oraz jony pierwiastków modyfikujących poddaje się procesowi dojrzewania, dekantuje się , odfiltrowuje. a następnie suszy i rozdrabnia uzyskując proszek o uziarnieniu poniżej 60 μm i ewentualnie kalcynuje w temperaturze 300-500°C.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że z powstałych proszków hydroksyapatytu węglanowego, modyfikowanego odpowiednimi pierwiastkami formuje się znanymi sposobami implanty o żądanym kształcie, po czym magnezu, manganu, sodu i tytanu w ilości 0-0,1 M, roztwór (NH4)2HPO4 poddaje się je obróbce termicznej w zakresie 600 do 950°C w obecności surowców węglanowych