PL227987B1 - Sposób otrzymywania kompozytu o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych, zawierajacego hydroksyapatyt - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania kompozytu o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych, zawierającego hydroksyapatyt, przeznaczonego do zastosowań medycznych jako biomateriał implantacyjny, stymulujący odbudowę tkanki kostnej.

Biomateriały to materiały biomedyczne sztucznie wytworzone i poddane takiej obróbce, aby w bezpieczny sposób mogły zostać wprowadzone do organizmu, w którym mają pełnić funkcje pierwotnie wykonywane przez zastępowany narząd. Z biomateriałów wytwarzane są implanty o różnych postaciach użytkowych, zależnie od przeznaczenia.

Mimo ogromnej liczby dostępnych obecnie materiałów implantacyjnych o różnych właściwościach fizykochemicznych, żaden z nich nie jest w stanie w pełni sprostać wszystkim wymaganiom stawianym biomateriałom.

Dlatego też, z uwagi na fakt, iż zarówno tkanka kostna, jak i tkanki miękkie są typowymi przykładami naturalnych materiałów kompozytowych: polimerowo-ceramicznych i polimerowo-polimerowych, coraz większe znaczenie w implantologii odgrywają syntetyczne materiały kompozytowe. Zaprojektowanie materiału kompozytowego dla celów implantacyjnych wymaga doboru właściwych materiałów na osnowę i fazę modyfikującą (wzmacniającą). W znanych kompozytach, faza wzmacniająca ma postać włókien bądź cząstek (ziaren) zróżnicowanych pod względem rozmiarów i kształtu. Udział fazy wzmacniającej wynosi średnio od 5 do 30% wag., a jej zadaniem jest poprawa właściwości mechanicznych oraz biozgodnych. Osnowa zabezpiecza fazę modyfikującą przed mechanicznym uszkodzeniem, przenosi naprężenia zewnętrzne, zatrzymuje rozprzestrzenianie się pęknięć i odpowiada za nadawanie ostatecznych kształtów wyrobom.

Współczesne metody technologiczne pozwalają na łączenie ze sobą różnych biomateriałów, czego efektem jest wytworzenie szerokiej gamy kompozytów stosowanych w medycynie. Wśród nowoczesnych biomateriałów szczególne miejsce zajmują tworzywa ceramiczne, szkła oraz kompozyty. Wyjątkowe znaczenie z punktu widzenia właściwości fizykochemicznych i biologicznych odgrywają tworzywa oparte o ortofosforany wapnia, a zwłaszcza te spośród nich, które wytwarzają połączenie z kością na granicy implant-kość. Hydroksyapatyt (Ca₁₀(PO₄)₃(OH)₂, HAp), z uwagi na wysoki stopień biozgodności, czyli adaptację w środowisku żywego organizmu oraz bioaktywność, znalazł szerokie zastosowanie w medycynie i stomatologii. Jednakże, jego niewystarczające właściwości mechaniczne, a przede wszystkim słaba odporność na kruche pękanie sprawiają, że sama ceramika HAp nie może być stosowana na przykład w miejscach przenoszących znaczne obciążenia mechaniczne.

Wiadomo, że obecność materiału polimerowego w kompozytach ceramiczno-polimerowych zawierających HAp może poprawić właściwości mechaniczne implantów, takie jak elastyczność czy odporność na kruche pękanie. Równocześnie, kompozyty z dodatkiem hydroksyapatytu w ykazują korzystne zachowanie biologiczne w porównaniu do tworzyw polimerowych. Polega ono na tym, że bioaktywne cząstki (pochodzące od zawartego w kompozycie HAp) mogą działać jak k otwy dla tkanki kostnej, co zapewnia dobre połączenie implantów z żywą tkanką. W przypadku kompozytów biostabilnych wprowadzenie do osnowy polimerowej cząstek lub włókien może zmi enić mechanizm oddziaływania ze środowiskiem biologicznym i tym samym wpływać na pracę tego typu implantów.

Z literatury fachowej, a także patentowej znanych jest szereg rozwiązań dotyczących konstruowania materiałów kompozytowych mających z założenia zastępować uszkodzone tkanki żywego organizmu, zawierających hydroksyapatyt oraz polimery naturalne.

W pracach naukowych (np. w Sivakumar M., Panduranga Rao K.: Preparation, characterization and in vitro release of gentamicin from coralline hydroxyapatite-gelatin composite microspheres. Biomaterials 23 (2002) s. 3175-3181; Kim H.-W., Song J.-H, Kim H.-E.: Nanofiber generation of gelatin/hydroxyapatite biomimetics for guided tissue regeneration, Advanced Functional Materials 15 (2005) s. 1988-1994) wskazano, że ulepszona odpowiedź komórkowa porowatych nanokompozytów żelatyna/HAp stwarza możliwość stosowania ich jako rusztowania do regeneracji szkieletu.

Ujawniono też, że kompozyty zawierające zarówno HAp i chitozan, a także inne dodatkowe komponenty są wysoce biokompatybilne (Sailaja G.S., Ramesh P., Kumary T.V., Varma H.K.: Human osteosarcoma cell adhesion behaviour on hydroxyapatite integrated chitosan-poly(acrylic acid) polyelectrolyte complex, Acta Biomaterialia 2 (2006) s. 651-657).

Z opisu zgłoszenia patentowego US 2008262121 znana jest metoda otrzymywania kompozytu biohybrydowego, zawierającego hydroksyapatyt wytwarzany in situ, modyfikowany obcymi jonami

PL 227 987 B1 oraz naturalne polimery, funkcjonującego jako materiał kościozastępczy. Jako polimery naturalne stosuje się żelatynę, albuminę, alginiany, gumę gellanową, skrobię, chitozan, celulozę, kolagen, polilaktyd.

W zgłoszeniu patentowym CN 102133429 przedstawiono sposób otrzymywania materiałów kompozytowych złożonych z syntetycznego hydroksyapatytu wytwarzanego in situ oraz naturalnego polimeru. Ujawniono wielostopniową metodę otrzymywania kompozytu z hydroksyapatytu syntetyzowanego z użyciem kwasu hialuronowego oraz polimeru naturalnego w środowisku kwaśnym, o potwierdzonych ulepszonych właściwościach mechanicznych.

Znana jest również, przedstawiona w zgłoszeniu patentowym WO 2011035573, metoda otrzymywania materiału kompozytowego HAp/naturalny polimer, w której wykorzystano do syntezy roztwory wodne oraz alkoholowe, w celu uzyskania materiału w postaci cienkiej warstwy.

W Opisie CN 102107022 ujawniono kość z naturalnego polimeru i hydroksyapatytu, będącą tkanką rusztowania wytworzoną przez inżynierię materiałową, mającą wtórną sieć o trójwymiarowej strukturze, oraz sposób jej wytwarzania. Sposób ten obejmuje następujące etapy: mieszanie hydroksyapatytu w postaci nanoprętów i naturalnego polimeru, sieciowanie przez zastosowanie nietoksycznego czynnika sieciującego, suszenie sublimacyjne celem uzyskania porowatego polimeru naturalnego wzmocnionego rusztowaniem z ziaren nanokryształów hydroksyapatytu, a następnie biomineralizację przez zastosowanie płynów symulowanych na ustrojowe oraz formowanie warstwy hydroksyapatytu o strukturze nanometrycznej trójwymiarowej sieci na porowatych ściankach kanałów naturalnego szkieletu polimerowego.

Okazało się nieoczekiwanie, że istnieje możliwość otrzymania prostą metodą wielofunkcyjnych biozgodnych kompozytów o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych, zawierających hydroksyapatyt naturalny bądź syntetyczny, nadających się do formowania z nich implantów o różnorodnych postaciach użytkowych.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób otrzymywania kompozytu o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych, zawierającego hydroksyapatyt, w którym to sposobie wykorzystuje się mieszaninę reakcyjną, zawierającą przynajmniej hydroksyapatyt naturalny lub; syntetyczny, polimer naturalny i czynnik sieciujący, polega na tym, że:

- sporządza się zawiesinę (A) hydroksyapatytu naturalnego lub syntetycznego, o ziarnach wielkości poniżej 200 pm i o rozmiarze krystalitów w ziarnach w zakresie od 10 nm do 50 pm, w ilości 1 do 60% wag. w roztworze wodnym kwasu akrylowego zobojętnionego wodorotlenkiem, korzystnie potasowym, o stężeniu 10 do 50%, korzystnie 40%, którą poddaje się procesowi homogenizacji ultradźwiękowej w temperaturze 20 do 90°C w czasie od 1 do 20 minut;

- sporządza się wodny roztwór (B) polimeru naturalnego, którym jest agar lub żelatyna, o stężeniu od 1 do 60% wag., korzystnie 40%, w ilości 1 do 50% wag. w stosunku do zawiesiny (A);

- sporządza się wodny roztwór (C) inicjatora polimeryzacji, którym jest nadsiarczan, potasu, amonu lub sodu, o stężeniu 1-30% wag., w takiej ilości aby stosunek masowy inicjatora do grup -COOH kwasu akrylowego mieścił się w zakresie od 1 : 20 do 10 : 1;

- sporządza się wodny roztwór (D) czynnika sieciującego, którym jest N,'N-metylenobisakryloamid, tetrahydroksymetyloacetylomocznik, diwinylobenzenosulfonian sodu, diakrylan glikolu etylenowego, akrylan glikolu, o stężeniu od 1% do 20% wag., w takiej ilości, aby stosunek masowy czynnika sieciującego do grup -COOH kwasu akrylowego był w zakresie od 1 : 10 do 20 : 1;

- do zawiesiny (A) dozuje się podczas mieszania kolejno roztwory (B), (C) i (D), po czym całą mieszaninę reakcyjną poddaje się homogenizacji ultradźwiękowej od 1 do 30 minut i działaniu pola promieniowania mikrofalowego o mocy od 300 do 1000 W w czasie 0,5 do 15 minut, korzystnie 1 -7 minut.

Otrzymany kompozyt o elastycznej, porowatej, trójwymiarowej strukturze poddaje się obróbce mechanicznej (m.in. takim procesom jak skrawanie, ścinanie, wytłaczanie) lub wylewa się do form o pożądanym kształcie w celu wykonania z niego biozgodnych implantów o różnorodnych postaciach użytkowych, a zwłaszcza implantów o indywidualnym kształcie, dostosowanym do konkretnej luki w tkance kostnej.

Zastosowanie w kompozycie wytworzonym według wynalazku resorbowalnej osnowy z polimeru naturalnego prowadzi do możliwości formowania implantów wielofunkcyjnych, w których po spełnieniu funkcji biomechanicznej (zespolenia) po procesie resorpcji polimeru, faza hydroksyapatytowa może pełnić rolę rusztowania dla wzrostu tkanki kostnej.

Sposobem według wynalazku można otrzymywać materiał na implanty kostne również w warunkach laboratorium klinicznego w klinikach chirurgii twardej i ortopedii, co ma duże znaczenie

PL 227 987 B1 w przypadkach urazów nagłych, wymagających natychmiastowego wszczepienia indywidualnie uformowanego implantu.

Dzięki zastosowaniu sposobu według wynalazku można uzyskać następujące efekty techniczno-użytkowe, mające znaczenie podczas projektowania materiałów biomedycznych:

• wprowadzenie hydroksyapatytu do kompozytu pozwala nadać matrycy polimerowej właściwości bioaktywne i biozgodność;

• dodatek biopolimeru zapobiega agregacji cząstek HAp i zapewnia ich równomierne rozmies zczenie w strukturze kompozytu;

• możliwe jest wytworzenie materiału o kontrolowanych właściwościach mechanicznych, odpornego na kruche pękanie oraz o możliwym do określenia zachowaniu biologicznym.

Wynalazek w kilku przykładach jego realizacji, został objaśniony szczegółowo poniżej.

P r z y k ł a d 1 (Kompozyt o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych zawierający hydroksyapatyt syntetyczny i żelatynę)

Odczynniki: hydroksyapatyt syntetyczny otrzymany metodą mokrą strąceniową, kwas akrylowy, wodorotlenek potasu, nadsiarczan potasu, żelatyna, N,'N-metylenobisakryloamid.

Zawiesina A: W temperaturze otoczenia zobojętniono 80 ml kwasu akrylowego 95 ml 35% wodorotlenku potasowego, do którego dodano hydroksyapatyt o frakcji sitowej zawierającej ziarna o wielkości poniżej 65 pm w ilości 25 g i następnie zawiesinę homogenizowano z wykorzystaniem ultradźwięków przez 5 minut. Rozmiar krystalitów w ziarnach określony przy użyciu mikroskopii sk aningowej wynosił do 50 pm.

Roztwór B: W 100 ml wody o temperaturze powyżej 45°C rozpuszczono 20 g żelatyny.

Roztwór C: W 50 ml wody rozpuszczono nadsiarczan potasu w ilości 12,50 g.

Roztwór D: W 5 ml wody rozpuszczono N'N metylenobisakryloamid w ilości 0,25 g.

W temperaturze otoczenia do zawiesiny A dodano w warunkach mieszania kolejno roztwór: B, C i D. Mieszaninę reakcyjną poddano homogenizacji ultradźwiękowej przez 10 minut i działaniu pola promieniowania mikrofalowego o mocy 600 W przez 1 minutę, w trakcie której nastąpiła polimeryzacja i otrzymanie kompozytu polimerowo-ceramicznego. Otrzymany kompozyt złożony z matrycy polimerowej ze zdyspergowanymi kryształami hydroksyapatytu poddano analizie metodą rentgenogr aficzną. Analiza wykazała, że jedyną fazą krystaliczną jest hydroksyapatyt.

P r z y k ł a d 2 (Kompozyt o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych zawierający hydroksyapatyt naturalny i żelatynę)

Odczynniki: hydroksyapatyt naturalny pochodzenia kostnego, kwas akrylowy, wodorotlenek potasu, nadsiarczan potasu, żelatyna, N,'N-metylenobisakryloamid.

Zawiesina A: W temperaturze otoczenia zobojętniono 100 ml kwasu akrylowego 115 ml 40% wodorotlenkiem potasu, do którego dodano hydroksyapatyt naturalny o frakcji sitowej poniżej 150 pm w ilości 10 g i następnie zawiesinę homogenizowano z wykorzystaniem ultradźwięków przez 15 minut. Rozmiar krystalitów w ziarnach określony przy użyciu mikroskopii skaningowej wynosił do 50 pm.

Roztwór B: W 100 ml wody o temperaturze powyżej 45°C rozpuszczono 20 g żelatyny.

Roztwór C: W 50 ml wody rozpuszczono nadsiarczan potasu w ilości 12,50 g.

Roztwór D: W 5 ml wody rozpuszczono N'N-metylenobisakryloamid w ilości 0,25 g.

W temperaturze otoczenia do zawiesiny A dodano w warunkach mieszania kolejno roztwór B, C i D. Mieszaninę reakcyjną poddano homogenizacji ultradźwiękowej przez 20 minut i działaniu pola promieniowania mikrofalowego o mocy 400 W przez czas 5 minut, w trakcie którego nastąpiła polimeryzacja i otrzymanie kompozytu polimerowo-ceramicznego. Otrzymany kompozyt złożony z matrycy polimerowej ze zdyspergowanymi kryształami hydroksyapatytu poddano analizie metodą rentgenograficzną. Analiza wykazała, że jedyną fazą krystaliczną jest hydroksyapatyt.

P r z y k ł a d 3 (Kompozyt o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych zawierający hydroksyapatyt naturalny i agar)

Odczynniki: hydroksyapatyt naturalny pochodzenia kostnego, kwas akrylowy, wodorotlenek potasu, nadsiarczan potasu, agar, N,'N-metylenobisakryloamid.

Zawiesina A: W temperaturze otoczenia zobojętniono 100 ml kwasu akrylowego 115 ml 40% wodorotlenkiem potasu, do którego dodano hydroksyapatyt naturalny o frakcji sitowej poniżej 65 pm

PL 227 987 B1 w ilości 10 g i następnie zawiesinę homogenizowano z wykorzystaniem ultradźwięków przez 2 minuty. Rozmiar krystalitów w ziarnach określony przy użyciu mikroskopii skaningowej wynosił do 50 pm.

Roztwór B: W 100 ml wody o temperaturze powyżej 85°C rozpuszczono 25 g agaru.

Roztwór C: W 50 ml wody rozpuszczono nadsiarczan potasu w ilości 12,50 g.

Roztwór D: W 5 ml wody rozpuszczono N'N-metylenobisakryloamid w ilości 0,25 g.

W temperaturze otoczenia do zawiesiny A dodano w warunkach mieszania kolejno roztwór

B, C i D. Mieszaninę reakcyjną poddano się homogenizacji ultradźwiękowej przez 3 minuty i działaniu pola promieniowania mikrofalowego o mocy 600 W przez 5 minut, w wyniku czego nastąpiła polimeryzacja i otrzymanie kompozytu polimerowo-ceramicznego. Otrzymany kompozyt złożony z matrycy polimerowej ze zdyspergowanymi kryształami hydroksyapatytu poddano analizie metodą rentgenogr aficzną. Analiza wykazała, że jedyną fazą krystaliczną jest hydroksyapatyt.

Claims (4)

1. Sposób otrzymywania kompozytu o osnowie polimerowej na bazie polimerów naturalnych, zawierającego hydroksyapatyt, w którym wykorzystuje się mieszaninę reakcyjną, zawierającą przynajmniej hydroksyapatyt naturalny lub syntetyczny, polimer naturalny i czynnik sieciujący, znamienny tym, że sporządza się zawiesinę (A) hydroksyapatytu naturalnego lub syntetycznego, o ziarnach wielkości poniżej 200 pm, w ilości 1 do 60% wag., w roztworze wodnym kwasu akrylowego zobojętnionego wodorotlenkiem, korzystnie potasowym, o stężeniu 10 do 50%, korzystnie 40%, którą poddaje się procesowi homogenizacji ultradźwiękowej w temperaturze 20 do 90°C w czasie od 1 do 20 minut, po czym do zawiesiny (A) dozuje się podczas mieszania: wodny roztwór (B) agaru lub żelatyny o stężeniu od 1 do 60% wag., korzystnie 40%, w ilości 1 do 50% wag. w stosunku do zawiesiny (A), następnie wodny roztwór (C) inicjatora polimeryzacji, którym jest nadsiarczan potasu, amonu, sodu, o stężeniu 1-30% wag., w takiej ilości aby stosunek masowy inicjatora do grup -COOH kwasu akrylowego mieścił się w zakresie od 1 : 20 do 10 : 1, a w następnej kolejności wodny roztwór (D) czynnika sieciującego, którym jest N,'N-metylenobisakryloamid, tetrahydroksy-metyloacetylomocznik, diwinylobenzenosulfonian sodu, diakrylan glikolu etylenowego, akrylan glikolu, o stężeniu od 1% do 20% wag., w takiej ilości, aby stosunek czynnika sieciującego do grup -COOH kwasu akrylowego był w zakresie od 1 : 10 do 20 : 1, przy czym na koniec mieszaninę reakcyjną poddaje się homogenizacji ultradźwiękowej i działaniu pola promieniowania mikrofalowego.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się hydroksyapatyt o rozmiarze krystalitów w ziarnach w zakresie 10 nm do 50 pm.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces homogenizacji ultradźwiękowej mieszaniny reakcyjnej prowadzi się przez 1 do 30 minut.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że mieszaninę reakcyjną poddaje się działaniu promieniowania mikrofalowego o mocy od 300 do 1000 W w czasie 0,5 do 15 minut, korzystnie 1-7 minut.