PL235354B1 - Sposób otrzymywania bioaktywnego biomateriału kompozytowego polimerowo-ceramicznego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania materiału kompozytowego, zawierającego biozgodne polimery i bioaktywne bioceramiczne tworzywo hydroksyapatytowe, przeznaczonego dla chirurgii regeneracyjnej do rekonstrukcji ubytków tkanki łącznej oporowej, w szczególności tkanki chrząstnej.

Badania nad nowymi biomateriałami prowadzone są obecnie przez wiele ośrodków naukowych, a celem poszukiwań jest otrzymanie funkcjonalnego materiału implantacyjnego, który zastąpi lub zregeneruje uszkodzoną tkankę i przywróci jej pierwotne funkcje. Biomateriały to materiały medyczne sztucznie wytworzone i poddane obróbce, tak 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 (Marciniak J.: Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002). Biomateriały wprowadzane celowo do organizmu pacjenta powinny posiadać właściwości uzasadniające ich użycie. Jednocześnie należy brać pod uwagę wpływ materiału na otoczenie biologiczne, czyli ingerencję w funkcjonowanie organizmu (Burdick J.A., Mauck R.L.: Biomaterials for Tissue Engineering Applications. A Review of the Past and Future Trends, Springer 2011). Oczywistym jest więc, że dopuszczenie danego biomateriału jako elementu implantacyjnego poprzedzone jest szeregiem badań laboratoryjnych i klinicznych.

Ze względu na rodzaj materiału zastosowanego do wytworzenia implantu wyróżnia się kilka charakterystycznych grup materiałów wykazujących zbliżone właściwości biologiczne i mechaniczne: biomateriały metaliczne, polimerowe oraz ceramiczne. Jednakże 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.

Metale i ich stopy cechują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, lecz są zbyt sztywne w stosunku do tkanek twardych, przez co całość obciążeń przejmuje implant, a kość pozostaje niedociążona i ulega resorpcji. Dodatkowo, metale nie są bioaktywne i korodują.

Tworzywa polimerowe stosowane w medycznych aplikacjach są elastyczne, odporne na kruche pękanie, mają mały ciężar właściwy, lecz przy tym niekorzystne inne właściwości mechaniczne, a produkty ich degradacji mogą być toksyczne.

Z kolei kruchość bioceramiki ogranicza możliwości aplikacyjne mimo doskonałej biozgodności umożliwiającej wytworzenie trwałego połączenia implantu z kością.

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 i medycynie regeneracyjnej odgrywają materiały kompozytowe, posiadające cechy poszczególnych materiałów będących elementami składowymi danego kompozytu.

Współczesne metody technologiczne pozwalają na łączenie ze sobą różnych biomateriałów, czego efektem jest wytworzenie dość szerokiej gamy kompozytów do zastosowań biomedycznych. Niestety należy wyraźnie podkreślić, iż wciąż nie skonstruowano materiałów całk owicie niezawodnych. Niemniej jednak wciąż dąży się do uzyskania jak najbardziej funkcjonalnych i mimetycznych (naśladujących naturalne wewnętrzne środowisko) materiałów wszczepiennych, które można stosować bez narażenia życia i zdrowia (Saenz A., Rivera-Munoz E., Brostow W., Castano V.M.: Ceramic biomaterials: An introductory overview, Journal of Materials Education 21 (5-6) (1999) 297-306; Roach P., Eglin D., Rohde K., Perry C.C.: Modern biomaterials: a review- bulkproperties andimplications of surface modifications, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 18 (2007) 1263-1277; Hubbell J.A.: Bioactive biomaterials , Current Opinion in Biotechnology 10 (1999) 123-129; Teoh S.H.: Fatigue of biomaterials: a review, International Journal of Fatigue 22 (2000) 825-837).

Ceramika stosowana w medycynie posiada właściwości zdecydowanie odmienne niż biomateriały metaliczne czy tworzywa polimerowe. Cechuje się ona przede wszystkim: porowatością, co umożliwia wrastanie tkanki okołowszczepowej i tworzenie trwałego połączenia z implantem, a ponadto odpornością na ścieranie i wytrzymałością na ściskanie, wysoką odpornością korozyjną i jest dobrze tolerowana przez organizm. Z drugiej jednak strony, kruchość tego typu materiałów, wysoka twardość i związana z tym niska wytrzymałość na zginanie wyklucza wiele możliwości aplikacyjnych (Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E.: Biomaterials science: An introduction to materials in medicine, Academic Press, Elsevier 2004; Świeczko-Żurek B.: Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej,

PL 235 354 B1

Gdańsk 2009; Zima A., Paszkiewicz Z., Ślósarczyk A.: Bioceramika TCP (aTCP, βΎΟΡ, BTCP) dla ortopedii i stomatologii - otrzymywanie oraz ocena w testach in vitro, Materiały Ceramiczne 62(1) (2010) 51-55).

Wyróżnia się różne kategorie biomateriałów ceramicznych, wśród których przewagę stanowią materiały ceramiczne resorbowalne, tj. te które ulegają stopniowej degradacji w czasie, a następnie substytucji naturalnymi tkankami organizmu. Do tej grupy zalicza się hydroksyapatyty i pokrewne fosforany wapnia o najwyższej biozgodności spośród znanych obecnie materiałów implantacyjnych. Z racji podobieństwa składu chemicznego syntetycznych apatytów do apatytów będących naturalnymi składnikami mineralnej fazy kości, nie działają drażniąco na otaczające tkanki, nie powodują ostrych i przewlekłych stanów zapalnych oraz, co niezwykle istotne, stymulują procesy naprawcze tkanki kostnej, dając możliwość wytworzenia bezpośrednich wiązań chemicznych między implantem a kością.

Do wyrobu implantów najczęściej stosuje się bioceramikę hydroksyapatytową (HAp) oraz whitlockitową (TCP) pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, a także dwufazowe materiały implantacyjne zawierające oba wyżej wymienione związki chemiczne. Dodatkowo, bioceramika łatwo łączy się z innymi materiałami umożliwiając tworzenie nowych materiałów kompozytowych o określonych właściwościach aplikacyjnych (Wise D.L., Trantolo D.J., Altobelli D.E., Yaszemski M.J., Gresser J.D., Schwartz E.R.: Encyclopedic handbook of biomaterials and bioengineering. Part A: Materials, Marcel Dekker, Inc. 1995; Marciniak J.: Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2002; Błażewicz S., Stoch L.: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000. Tom 4: Biomateriały, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003; Best S.M., Porter A.E., Thian E.S., Huang J.: Bioceramics: Past, present and for the future, Journal of the European Ceramic Society 28 (2008) 1319-1327).

Tworzywa sztuczne stosowane są w medycynie od lat trzydziestych XX wieku do wytwarzania produktów jednorazowego użytku oraz do wyrobu implantów. Duże zainteresowanie ośrodków badawczych i klinicznych tą grupą materiałów spowodowane jest zróżnicowaniem gatunkowym tworzyw, a także możliwością modelowania ich właściwości fizykochemicznych.

Polimery biomedyczne można podzielić na dwie podstawowe grupy, obejmujące polimery pochodzenia naturalnego (biopolimery) i tworzywa syntetyczne.

Polimery naturalne to związki wielkocząsteczkowe będące naturalnymi składnikami budulcowymi komórek organizmów żywych, głównie białka (kolagen, fibrynogen, jedwab) i polisacharydy (celuloza, chityna). Przykładowo, w chirurgii rekonstrukcyjnej wykorzystuje się kolagen - główny składnik skóry, ścięgien, chrząstek, kości, naczyń krwionośnych, do leczenia m.in. poparzeń skórnych, w okulistyce w plastyce rogówki oraz w ortopedii w celu odtworzenia powierzchni stawowych (Nair L.S., Laurencin C.T.: Biodegradable polymers as biomaterials, Progress in Polymer Science 32 (2007) 762-798; Sionkowska A., Kozłowska J.: Characterization of collagen/hydroxyapatite composite sponges as a potential bone substitute, International Journal of Biological Macromolecules 47 (2010) 483-487; Sionkowska A.: Currentresearch on the blends of natural and synthetic polymers as newbiomaterials: Review, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1254-1276; Chen Q., Liang S., Thouas G.A.: Elastomeric biomaterials for tissue engineering, Progress in Polymer Science 38 (2013) 584-671).

Inne białka - fibrynogeny stosowane są w urologii, są też składnikami klejów wykorzystywanych do zespalania tkanek oraz wchłanialnych materiałów chirurgicznych różnego przeznaczenia.

Również biopolimer chitozan, będący pochodną chityny pozyskiwanej z pancerzy skorupiaków znalazł zastosowanie w leczeniu ran oparzeniowych lub uszczelniania syntetycznych protez naczyniowych. Jest także obiecującym kandydatem do połączeń z materiałami ceramicznymi stosowanych do regeneracji chrząstki lub dysków międzykręgowych (Di Martino A., Sittinger M., Risbud M.V.: Review. Chitosan: A versatile biopolymer for orthopaedic tissue-engineering, Biomaterials 26 (2005) 59835990).

Badania wykazują, że kompozyty zawierające chitozan są wysoce biokompatybilne, co oznacza że dodatek chitozanu ułatwia tworzenie struktur o kontrolowanym kształcie, porowatości i pożądanej homogeniczności, co znacznie ułatwia indywidulane dopasowanie implantu do konkretnej luki (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) 651-657).

Innymi ważnymi biopolimerami będącymi składnikami biomateriałów są białka - żelatyna, jedwab i elastyna oraz polisacharydy takie jak celuloza alginiany (Błażewicz S., Stoch L: Biocybernetyka i inżynieria biomedyczna 2000. Tom 4: Biomateriały, Akademicka Oficyna Wydawnicza EXIT, Warszawa 2003; Nair L.S., Laurencin C.T.: Biodegradable polymers as biomaterials, Progress in Polymer Science

PL 235 354 B1 (2007) 762-798; Sionkowska A.: Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials: Review, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1254-1276; Chen Q., Liang S., Thouas G.A.: Elastomeric biomaterials for tissue engineering, Progress in Polymer Science 38 (2013) 584-671); zgłoszenie patentowe PL 381388).

Polimery syntetyczne, które znalazły zastosowanie w medycynie należą do dwóch grup: polimery niedegradowalne (stabilne) oraz polimery bioresorbowalne i biodegradowalne. Podział ten warunkowany jest trwałością polimeru w środowisku biologicznym.

Do pierwszej grupy zalicza się tworzywa zachowujące stałe właściwości w medium tkankowym, o dużej odporności na działanie środowiska biologicznie czynnego. Jednakże nie wszystkie z polimerów niedegradowalnych są całkowicie odporne, a implanty z nich konstruowane w mniejszym lub większym stopniu ulegają z czasem degradacji w kontakcie z tkankami. Podatność implantu na degradację jest zależna zarówno od rodzaju polimeru, z jakiego został wykonany, jak i miejsca implantacji oraz obciążeń mechanicznych, jakim jest poddawany (Sionkowska A.: Current research on the blends of natural and synthetic polymers as new biomaterials: Review, Progress in Polymer Science 36 (2011) 1254-1276; Jankins M., Stamboulis A.: Durability and Reliability of Medical Polymers, 1st Edition, Woodhead Publishing, 2012).

Najpowszechniej wykorzystywanymi niedegradowalnymi polimerami są polietylen (PE), polipropylen (PP), politetrafluoroetylen (PTFE), politereftalan etylenu (PET), poliuretany (PU), poliwęglany (PC), polisulfon (PSU).

Przykładowo, protezy naczyniowe wytwarza się z poliestrów (np. PET) lub PTFE, komorę sztucznego serca wykonuje się z PC, PTFE, polimetakrylanu metylu) (PMMA) lub kauczuku silikonowego. Protezy ścięgien wytwarza się z dzianin poliestrowych, protezy stawu biodrowego - z PMMA lub wielkocząsteczkowego PE, a kauczuk silikonowy jest także wykorzystywany w produkcji protez stawów palców i nadgarstka.

Coraz większe zastosowanie w medycynie znajdują również wyroby z polimerów bioresorbowalnych i biodegradowalnych, które po spełnieniu swojego zadania w naturalny sposób rozpadają się do produktów nieszkodliwych, które organizm jest w stanie samodzielnie zmetabolizować i wydalić.

Polimery bioresorbowalne stosowane w medycynie, które produkowane są na skalę przemysłową to głównie poliglikolid (PGA), polilaktydy (PLA), kopolimery glikolidu z laktydami (PGLA), poli( ε-kaprolakton), poliortoestry i poliestroamidy (Nair L.S., Laurencin C.T.: Biodegradable polymers as biomaterials , Progress in Polymer Science 32 (2007) 762-798; Świeczko-Żurek B.: Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Gdańskiej, Gdańsk 2009; Maitz M.F.: Applications of syntheticpolymers in clinicalmedicine, Biosurface and Biotribology 1(3) (2015) 161-176). Cechą charakterystyczną tych biomateriałów są zmieniające się z biegiem czasu właściwości, co czyni je nieprzydatnymi do zastosowania jako implanty długotrwałe. Niestabilność właściwości tych tworzyw wiąże się z przebiegiem procesów biodegradacji w środowisku tkankowym.

Obok polimerów bioresorbowalnych stosuje się także polimery biodegradowalne. W tym przypadku tworzące się produkty degradacji niekoniecznie występują naturalnie w organizmie, jednak tak jak w przypadku polimerów bioresorbowalnych, powinny być dla organizmu nieszkodliwe, a degradacja powinna przebiegać w sposób kontrolowany (Majola A., Vainionpaa S., Rokkanen P., Mikkola H.M., Tormala P.: Absorbable self-reinforced polylactide (SR-PLA) composite rods for fracture fixation: strength and strength retention in the bone and subcutaneous tissue ofrabbits, Journal of Materials Science: Materials in Medicine 3(1) (1992) 43-47; Jankins M., Stamboulis A.: Durability and Reliability of Medical Polymers, 1st Edition, Woodhead Publishing, 2012; Maitz M.F.: Applications of synthetic polymers in clinical medicine, Biosurface and Biotribology 1(3) (2015) 161-176).

Możliwość wytworzenia materiałów o kontrolowanych właściwościach mechanicznych oraz o określonym zachowaniu biologicznym oferują bioresorbowalne kompozyty polimerowe zawierające jako drugą fazę hydroksyapatyt w postaci cząstek lub włókien (Burdick J.A., Mauck R.L.: Biomaterials for Tissue Engineering Applications. A Review of the Past and Future Trends, Springer 2011, zgłoszenie patentowe CN 1775306, zgłoszenie patentowe CN 106730022).

Z literatury fachowej, a także z baz patentowych znanych jest szereg rozwiązań dotyczących konstruowania biomimetycznych materiałów kompozytowych polimerowo-ceramicznych oraz polimerowo-polimerowych o potencjalnym zastosowaniu jako substytuty uszkodzonych tkanek oporowych żywego organizmu.

PL 235 354 B1

Należy nadmienić, iż pierwszym bioaktywnym połączeniem ceramiczno-polimerowym był kompozyt HAp/HDPE (hydroksyapatyt/polietylen o wysokiej gęstości) o właściwościach podobnych do naturalnej kości, wykorzystany w 1995 roku do rekonstrukcji ucha środkowego (Chłopek J., Rosół J., Morawska-Chochoł A.: Durability of polymer-ceramics composite implants determined in creep tests, Composites Science and Technology 66 (2006) 1615-1622). Z kolei Sugo i inni wykazali, że odpowiednio uformowane próbki kompozytu HAp/PLLA (hydroksyapatyt/poli-L-laktyd) wszczepione do kości nie wykazały osteolitycznych ani zwyrodnieniowych zmian nawet po kilku latach od implantacji (Sudo A., Hasegawa M., Fukuda A., Kawamura G., Muraki M., Uchida A.: Acetabular Reconstruction Using a Cementless Cup and Hydroxyapatite Granules 3-to 8-Year Clinical Results, The Journal of Arthroplasty 22 (2007) 828-832).

Znane są również połączenia zawierające hydroksyapatyt i polilaktyd badane pod względem wykorzystania jako bioresorbowale elementy (urządzenia) służące do stabilizacji kości oraz w chirurgii plastycznej i regeneracyjnej (Shikinami Y., Okuno M.: Bioresorbable devices made of forged composites of hydroxyapatite (HA) particles and poly-L-lactide (PLLA): Part I. Basic characteristics, Biomaterials 20 (1999) 859-877; Zhang S.M., Liu J., Zhou W., Cheng L., Guo X.D.: Interfacial fabrication and property of hydroxyapatite/polylactide resorbable bone fixation composites, Current Applied Physics 5 (2005) 516-518; Zheng X., Zhou S., Li X., Weng J.: -, Biomaterials 27 (2006) 4288-4295; Zhang H. Mao X., Du Z Jiang W., Han X., Zhao D. Han D., Li Q.: Three dimensionalprintedmacroporouspolylactic acid/hydroxyapatite composite scaffolds for promoting bone formation in a critical-size rat calvarial defect model, Science and Technology of Advanced Materials, 17(1) (2016) 136-148, Syusyukina V. A., Shapovalova Y., Korotchenko N.M., Kurzina I.A., Structural-phase state andsurface properties of composite materials based on polylactide and hydroxyapatite, Russian Journal of Applied Chemistry 90(1) (2017) 106-112, zgłoszenie patentowe CN 106913913).

Innymi kompozytami polimerowo-ceramicznymi wykazującymi potwierdzone ulepszone właściwości mechaniczne, bioaktywność i biodegradowalność są połączenia HAp z biopolimerami pochodzenia naturalnego. Ujawniono między innymi, że kompozyty zawierające zarówno HAp i chitozan, są wysoce biokompatybilne i ulegają rozłożeniu do nietoksycznych substancji po spełnieniu swojej funkcji (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; patent RU 2297249).

Metody otrzymywania fosforanowo-wapniowych połączeń z polimerowymi związkami organicznymi, zarówno pochodzenia naturalnego, jak i z syntetykami, przeznaczonymi do zastosowań medycznych zostały ujawnione również w poniższych opisach patentowych i zgłoszeniach patentowych.

W opisie patentowym EP 1362565 ujawniono metodę otrzymywania biomateriałów implantacyjnych zawierających HAp, kolagen oraz PLLA o takim ułożeniu przestrzennym, aby umożliwić infiltrację żywych komórek do wnętrza utworzonej matrycy.

Z kolei w zgłoszeniu patentowym KR 20090013302 przedstawiono sposób otrzymywania materiału również stanowiącego rusztowanie dla nowotworzonych tkanek kostnych zawierające szereg fosforanów wapnia (m.in. HAp) oraz biodegradowalną matrycę polimerową.

Ponadto, z opisów patentów i zgłoszeń patentowych RU 2631594, US 2008262121, WO 2011035573, DE 10143410 i CN 106963984, znane są metody otrzymywania kompozytu biohybrydowego, zawierającego hydroksyapatyt wytwarzany in situ, modyfikowany obcymi jonami oraz naturalne polimery, funkcjonującego jako materiał kościozastępczy. Jako polimery naturalne stosuje się żelatynę, albuminę, alginiany, gumę gellanową, skrobię, chitozan, celulozę, kolagen, polilaktyd.

W opisie patentowym RU 2631890 przedstawiono sposób otrzymywania materiałów kompozytowych z pamięcią kształtu, złożonych z matrycy polimerowej w postaci glikolu polietylenowego i polilaktydu oraz bioaktywnego składnika w postaci hydroksyapatytu.

Opis patentowy CN 104324418 ujawnia z kolei sposób otrzymywania porowatych włóknistych nanowarstw, złożonych z PLLA na bazie degradowalnych polimerów oraz z nanohydroksyapatytu, przeznaczonych do substytucji tkanki chrzęstnej.

Podobne zastosowanie ujawniono w opisie zgłoszenia patentowego CN 106620873, w którym przedstawiono sposób otrzymywania kompozytowego hydrożelu do regeneracji chrząstek na bazie kropek węglowych i hydroksyapatytu o ziarnach w skali nanometrycznej, alkoholu poliwinylowego oraz żelu fibrynowego.

PL 235 354 B1

Ponadto, w opisie zgłoszenia patentowego CN 106729928 ujawniono sposób wytwarzania i zastosowania membrany złożonej z polimeru polialkoholu winylowego, alginianu sodu oraz hydroksyapatytu jako materiału wspomagającego regenerację uszkodzonych tkanek miękkich.

Okazało się nieoczekiwanie, że istnieje możliwość otrzymania w sposób prosty i niskokosztowy biozgodnych materiałów kompozytowych polimerowo-ceramicznych, zawierających fosforany wapnia o strukturze hydroksyapatytu pochodzenia naturalnego lub syntetycznego oraz polimery pochodzenia naturalnego i syntetycznego, przeznaczonych dla chirurgii regeneracyjnej, do rekonstrukcji uszkodzonej tkanki chrzęstnej.

Zgodnie z wynalazkiem, sposób otrzymywania bioaktywnego biomateriału kompozytowego polimerowo-ceramicznego, zwłaszcza do rekonstrukcji tkanki chrzęstnej, w którym hydroksyapatyt pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, polimery naturalne i syntetyczne oraz ewentualnie związki wspomagające procesy akceptacji materiału kompozytowego przez żywy organizm i czynniki sieciujące, wykorzystuje się do wytworzenia wodnej kompozycji, którą następnie sieciuje się, polega na tym, że wodny roztwór polimeru poli(winylopirolidonu), o stężeniu od 5 do 20% wag., korzystnie 15%, w ilości od 10 do 75% obj. w stosunku do całej kompozycji (tj. mieszaniny wszystkich składników) łączy się w temperaturze otoczenia, przy ciągłym mieszaniu, z wodnym roztworem polimeru naturalnego, korzystnie żelatyny, o stężeniu od 2 do 10% wag., korzystnie 2%, w ilości od 10 do 75% obj. w stosunku do całej kompozycji, po czym do ujednorodnionej mieszaniny roztworów wprowadza się, przy ciągłym mieszaniu, fosforan wapnia o strukturze hydroksyapatytu, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, o ziarnach o wielkości poniżej 200 μm, w ilości od 2,5 do 10% wag. kompozycji, uzyskaną mieszaninę poddaje się homogenizacji, korzystnie przez okres od 5 do 15 minut, a następnie do homogenicznej mieszaniny dozuje się podczas mieszania czynnik sieciujący, którym jest korzystnie diakrylan poli(glikolu etylenowego) PEGDA o średniej masie cząsteczkowej wynoszącej 700, w ilości takiej, aby stosunek całkowitej objętości mieszaniny reakcyjnej do objętości dodanego czynnika sieciującego wynosił od 1:0,1 do 1:0,2, a korzystnie 1:0,16 oraz fotoinicjator, którym jest 2-hydroksy-2-metylo-propiofenon, w ilości takiej, aby stosunek całkowitej objętości mieszaniny reakcyjnej (uwzględniając czynnik sieciujący) do objętości dodanego fotoinicjatora mieścił się w zakresie od 1:0,015 do 1:0,300, a korzystnie 1:0,025, po czym dokładnie wymieszaną kompozycję poddaje się polimeryzacji w polu promieniowania UV w dawce od 0,2 do 0,8 J/cm², korzystnie 0,4 do 0,5 J/cm².

Korzystnie, do mieszaniny roztworów polimerów dodaje się, przed wprowadzeniem fosforanu wapnia o strukturze hydroksyapatytu, wodny roztwór białka, korzystnie surowiczej albuminy wołowej, buforowanej fosforanami soli fizjologicznej o pH 7,3±0,2, o stężeniu od 0,1 do 2,0% wag., korzystnie 0,3% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji i/lub wodny roztwór kwas u asparaginowego, o stężeniu od 0,2 do 2,0% wag., korzystnie 0,5% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji, przy czym wszystkie te roztwory homogenizuje się z fosforanem wapnia o strukturze hydroksyapatytu.

Korzystnie, wodny roztwór poli(winylopirolidonu) sporządza się w temperaturze od 40 do 60°C.

Korzystnie, wodny roztwór żelatyny sporządza się w temperaturze od 40 do 60°C.

W sposobie według wynalazku korzystnie stosuje się hydroksyapatyt pochodzenia naturalnego lub hydroksyapatyt syntetyczny otrzymany metodą strąceniową, a najlepiej zgodnie z metodyką, która została szczegółowo opisana w publikacjach: Sobczak-Kupiec A., Pluta K., Malina D., Tyliszczak B.: Studies on bone-derived calcium phosphate materials, Journal of Renewable Materials 5(3-4) (2017) 180-189; Pluta K., Malina D., Radomski P., Sobczak-Kupiec A., Strukturalna charakterystyka bioceramiki hydroksyapatytowej otrzymanej przy zastosowaniu różnych metod suszenia, Przemysł Chemiczny 96(9) (2017) 1952-1955.

Sposobem według wynalazku można otrzymywać materiały implantacyjne do zastosowań w chirurgii regeneracyjnej, jako substytuty chrząstki, możliwe do obróbki mechanicznej dopasowującej implant do luki po urazie, przy czym oczywistym dla znawców jest, że ich wprowadzenie do orga nizmu żywego jest to możliwe po uprzedniej sterylizacji materiału.

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

- wprowadzenie fosforanów wapnia o strukturze hydroksyapatytu, jako fazy ceramicznej kompozytu, pozwala nadać matrycy polimerowej właściwości bioaktywne i biozgodność;

- dodatek dobranych materiałów polimerowych oraz prowadzony proces homogenizacji zapobiega agregacji cząstek stałych fosforanów i zapewnia ich równomierne rozmieszczenie w strukturze kompozytu;

PL 235 354 B1

- dzięki zawartości białka surowiczej albuminy wołowej zwiększa się powinowactwo białek organizmu do mikro- i nanostruktur implantu (wszczepu), co ułatwia akceptację obcego obiektu w żywym organizmie;

- dodatek kwasu asparaginowego, aminokwasu o właściwościach buforujących zawierającego ujemnie naładowaną grupę karboksylową, przeciwdziała zmianom pH środowiska powodowanym wprowadzeniem obcego obiektu do ustroju, a ponadto unieruchomienie cząsteczek kwasu asparaginowego wewnątrz trójwymiarowej matrycy polimerowej implantu promuje w procesie biologicznej mineralizacji zarodkowanie i wzrost kryształów hydroksyapatytu wytwarzanych przez organizm;

- możliwe jest wytworzenie materiału o kontrolowanych właściwościach mechanicznych, odpornego na kruche pękanie oraz o możliwym do określenia zachowaniu biologicznym w kontakcie z żywym ustrojem.

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

P r z y k ł a d 1 (Biozgodny materiał kompozytowy polimerowo-ceramiczny PVP:GE/HAp)

Odczynniki: Hydroksyapatyt, otrzymany metodą strąceniową na bazie produktów naturalnych, opisaną w publikacji: Sobczak-Kupiec A., Pluta K., Malina D., Tyliszczak B.: Studies on bone-derived calcium phosphate materials, Journal of Renewable Materials 5(3-4) (2017) 180-189, poli(winylopirolidon) (PVP) - produkt firmy Acros Organics, żelatyna (GE) - produkt firmy POCH, diakrylan poli(glikolu etylenowego) - produkt firmy Sigma-Aldrich, 2-hydroksy-2-metylo-propiofenon - produkt firmy SigmaAldrich.

Roztwór (A): w 40 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 6,0 g poli(winylopirolidonu).

Roztwór (B): W 60 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 2,4 g żelatyny.

Przebieg procesu otrzymywania materiału kompozytowego: W temperaturze otoczenia do ostudzonego roztworu (A) dozowano ostudzony roztwór (B), po czym dodano hydroksyapatyt o frakcji sitowej zawierającej ziarna o wielkości poniżej 65 gm, w ilości 10,0 g. Następnie zawiesinę homogenizowano przez 5 minut przy użyciu homogenizatora statywowego. Do homogenicznej zawiesiny dozowano, przy ciągłym mieszaniu, 16 ml diakrylanu poli(glikolu etylenowego) i 2,5 ml 2-hydroksy-2-metylo-propiofenonu. Uzyskaną zawiesinę, zawierającą wszystkie niezbędne komponenty, poddano procesowi polimeryzacji pod wpływem promieniowania UV w dawce 0,3 J/cm². Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał polimerowo-ceramiczny.

P r z y k ł a d 2 (Biozgodny materiał kompozytowy polimerowo-ceramiczny PVP:GE:BSA/HAp)

Odczynniki: Hydroksyapatyt otrzymany metodą strąceniową na bazie produktów naturalnych, jak w przykładzie 1, poli(winylopirolidon) jak w przykładzie 1, żelatyna jak w przykładzie 1, surowicza albumina wołowa (BSA) - produkt firmy Sigma-Aldrich, diakrylan poli(glikolu etylenowego) jak w przykładzie 1,2-hydroksy-2-metylo-propiofenon jak w przykładzie 1.

Roztwór (A): W 30 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 3,0 g poli(winylopirolidonu).

Roztwór (B): W 60 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 1,2 g żelatyny.

Roztwór (C): W 10 ml roztworu buforowanej fosforanami soli fizjologicznej o pH 7,3±0,2, w temperaturze otoczenia, rozpuszczono 30 mg surowiczej albuminy wołowej.

Przebieg procesu otrzymywania materiału kompozytowego: W temperaturze otoczenia do ostudzonego roztworu (A) dozowano ostudzony roztwór (B), następnie dozowano roztwór (C). Do uzyskanej mieszaniny roztworów dodano hydroksyapatyt o frakcji sitowej zawierającej ziarna o wielkości poniżej 100 gm, w ilości 5,0 g. Następnie zawiesinę homogenizowano przez 12 minut przy użyciu homogenizatora statywowego. Do homogenicznej zawiesiny dozowano, przy ciągłym mieszaniu, 16 ml diakrylanu poli(glikolu etylenowego) i 2,5 ml 2-hydroksy-2-metylo-propiofenonu. Uzyskaną zawiesinę, zawierającą wszystkie niezbędne komponenty, poddano procesowi polimeryzacji pod wpływem promieniowania UV w dawce 0,6 J/cm². Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał polimerowo-ceramiczny.

PL 235 354 B1

P r z y k ł a d 3 (Biozgodny materiał kompozytowy polimerowo-ceramiczny PVP:GE:ASP/HAp)

Odczynniki: Hydroksyapatyt otrzymany metodą strąceniową na bazie produktów naturalnych jak w przykładzie 1, poli(winylopirolidon) jak w przykładzie 1, żelatyna jak w przykładzie 1, kwas asparaginowy (ASP) - produkt firmy Sigma-Aldrich, diakrylan poli(glikolu etylenowego) jak w przykładzie 1, 2-hydroksy-2-metylo-propiofenon jak w przykładzie 1.

Roztwór (A): W 30 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 3,0 g poli(winylopirolidonu).

Roztwór (B): W 60 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 6,0 g żelatyny.

Roztwór (C): W 10 ml wody destylowanej, w temperaturze otoczenia, rozpuszczono 50 mg kwasu asparaginowego.

Przebieg procesu otrzymywania materiału kompozytowego: W temperaturze otoczenia do ostudzonego roztworu (A) dozowano ostudzony roztwór (B), następnie dozowano roztwór (C). Do uzyskanej mieszaniny roztworów dodano hydroksyapatyt o frakcji sitowej zawierającej ziarna o wielkości poniżej 65 μm, w ilości 7,0 g. Następnie zawiesinę homogenizowano przez 6 minut przy użyciu homogenizatora statywowego. Następnie do homogenicznej zawiesiny dozowano, przy ciągłym mieszaniu, 16 ml diakrylanu poli(glikolu etylenowego) i 2,5 ml 2-hydroksy-2-metylo-propiofenonu. Uzyskaną zawiesinę, zawierającą wszystkie niezbędne komponenty, poddano procesowi polimeryzacji pod wpływem promieniowania UV w dawce 0,5 J/cm². Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał polimerowo-ceramiczny.

P r z y k ł a d 4 (Biozgodny materiał kompozytowy polimerowo-ceramiczny PVP:GE:BSA:ASP/HAp)

Odczynniki: Hydroksyapatyt syntetyczny, otrzymany metodą strąceniową z odczynników komercyjnych, opisaną w publikacji: Pluta K., Malina D., Radomski P., Sobczak-Kupiec A., Strukturalna charakterystyka bioceramiki hydroksyapatytowej otrzymanej przy zastosowaniu różnych metod suszenia, Przemysł Chemiczny 96(9) (2017) 1952-1955, poli(winylopirolidon) jak w przykładzie 1, żelatyna jak w przykładzie 1, surowicza albumina wołowa jak w przykładzie 2, kwas asparaginowy jak w przykładzie 3, diakrylan poli(glikolu etylenowego) jak w przykładzie 1,2-hydroksy-2-metylo-propiofenon jak w przykładzie 1.

Roztwór (A): W 30 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 1,5 g poli(winylopirolidonu).

Roztwór (B): W 50 ml wody destylowanej, w temperaturze od 40 do 60°C, rozpuszczono 4,0 g żelatyny.

Roztwór (C): W 10 ml roztworu buforowanej fosforanami soli fizjologicznej o pH 7,3±0,2, w temperaturze otoczenia, rozpuszczono 30 mg surowiczej albuminy wołowej.

Roztwór (D): W 10 ml wody destylowanej, w temperaturze otoczenia, rozpuszczono 50 mg kwasu asparaginowego.

Przebieg procesu otrzymywania materiału kompozytowego: W temperaturze otoczenia do ostudzonego roztworu (A) dozowano ostudzony roztwór (B), następnie dozowano roztwór (C) oraz (D). Do uzyskanej mieszaniny roztworów dodano hydroksyapatyt o frakcji sitowej zawierającej ziarna o wielkości poniżej 200 μm, w ilości 2,5 g. Następnie zawiesinę homogenizowano przez 15 minut przy użyciu homogenizatora statywowego. Następnie do homogenicznej zawiesiny dozowano, przy ciągłym mieszaniu, 16 ml diakrylanu poli(glikolu etylenowego) i 2,5 ml 2-hydroksy-2-metylo-propiofenonu. Uzyskaną zawiesinę, zawierającą wszystkie niezbędne komponenty, poddano procesowi polimeryzacji pod wpływem promieniowania UV w dawce 0,8 J/cm². Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał polimerowoceramiczny.

Claims (7)

1. Sposób otrzymywania bioaktywnego biomateriału kompozytowego polimerowo-ceramicznego, zwłaszcza do rekonstrukcji tkanki chrzęstnej, w którym hydroksyapatyt pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, polimery naturalne i syntetyczne oraz ewentualnie związki wspomagające procesy akceptacji materiału kompozytowego przez żywy organizm i czynniki sieciujące, wykorzystuje się do wytworzenia wodnej kompozycji, którą następnie sieciuje się, znamienny tym, że wodny roztwór polimeru syntetycznego, którym jest poli(winylopirolidon),

PL 235 354 B1 o stężeniu od 5 do 20% wag., korzystnie 15%, w ilości od 10 do 75% obj. w stosunku do całej kompozycji, łączy się w temperaturze otoczenia, przy ciągłym mieszaniu, z wodnym roztworem polimeru naturalnego, korzystnie żelatyny, o stężeniu od 2 do 10% wag., korzystnie 2%, w ilości od 10 do 75% obj. w stosunku do całej kompozycji, po czym do mieszaniny roztworów wprowadza się, przy ciągłym mieszaniu, fosforan wapnia o strukturze hydroksyapatytu, pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, o ziarnach o wielkości poniżej 200 μm, w ilości od 2,5 do 10%wag. kompozycji, uzyskaną mieszaninę poddaje się homogenizacji, korzystnie przez 5 do 15 minut, następnie do homogenicznej mieszaniny dozuje się, przy ciągłym mieszaniu, czynnik sieciujący, którym jest korzystnie diakrylan poli(glikolu etylenowego) o średniej masie cząsteczkowej wynoszącej 700, w ilości takiej, aby stosunek całkowitej objętości mieszaniny reakcyjnej do objętości dodanego czynnika sieciującego wynosił od 1:0,1 do 1:0,2, a korzystnie 1:0,16 oraz fotoinicjator, którym jest 2-hydroksy-2-metylo-propiofenon, w ilości takiej, aby stosunek całkowitej objętości mieszaniny reakcyjnej, uwzględniając objętość czynnika sieciującego, do objętości dodanego fotoinicjatora mieścił się w zakresie od 1:0,015 do 1:0,300, a korzystnie 1:0,025, po czym dokładnie wymieszaną kompozycję poddaje się polimeryzacji w polu promieniowania UV w dawce od 0,2 do 0,8 J/cm², korzystnie 0,4 do 0,5 J/cm².

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny roztworów polimerów dodaje się, przed wprowadzeniem fosforanu wapnia o strukturze hydroksyapatytu, wodny roztwór białka, korzystnie surowiczej albuminy wołowej, buforowanej fosforanami soli fizjologicznej o pH 7,3±0,2, o stężeniu od 0,1 do 2,0% wag., korzystnie 0,3% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji, przy czym roztwory te homogenizuje się z fosforanem wapnia o strukturze hydroksyapatytu.

3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny roztworów polimerów dodaje się, przed wprowadzeniem fosforanu wapnia o strukturze hydroksyapatytu, wodny roztwór kwasu asparaginowego, o stężeniu od 0,2 do 2,0% wag., korzystnie 0,5% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji, przy czym roztwory te homogenizuje się z fosforanem wapnia o strukturze hydroksyapatytu.

4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że do mieszaniny roztworów polimerów dodaje się, przed wprowadzeniem fosforanu wapnia o strukturze hydroksyapatytu, wodny roztwór białka, korzystnie surowiczej albuminy wołowej, buforowanej fosforanami soli fizjologicznej o pH 7,4±0,2, o stężeniu od 0,1 do 2,0% wag., korzystnie 0,3% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji i wodny roztwór kwasu asparaginowego, o stężeniu od 0,2 do 2,0% wag., korzystnie 0,5% wag., w ilości od 1 do 30% obj. w stosunku do całej kompozycji, przy czym roztwory te homogenizuje się z fosforanem wapnia o strukturze hydroksyapatytu.

5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodny roztwór poli(winylopirolidonu) sporządza się w temperaturze od 40 do 60°C.

6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wodny roztwór żelatyny sporządza się w temperaturze od 40 do 60°C.

7. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3 albo 4, znamienny tym, że stosuje się hydroksyapatyt pochodzenia naturalnego lub hydroksyapatyt syntetyczny otrzymany metodą strąceniową.