PL244706B1

PL244706B1 - Kompozyt na bazie (ko)polimeru polilaktydowego z napełniaczem nanohydroksyapatytowym oraz sposób jego wytwarzania i zastosowania

Info

Publication number: PL244706B1
Application number: PL437485A
Authority: PL
Inventors: Rafał Wiglusz; Sara Targońska; Monika Knitter; Monika Dobrzyńska-Mizera; Jacek Andrzejewski; Marek Kopacki
Original assignee: Inst Niskich Temperatur I Badan Strukturalnych Im Wlodzimierza Trzebiatowskiego Polskiej Akademii Na; Syntplant Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2021-04-02
Filing date: 2021-04-02
Publication date: 2024-02-26
Also published as: PL437485A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt do zastosowań biomedycznych na bazie (ko)polimeru polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym (nHAp) charakteryzujący się tym, że kompozyt składa się z osnowy polimerowej i nanohydroksyapaptytu, przy czym nHAp wytworzony jest metodą strąceniową, a jego ilość w kompozycie wynosi w zakresie od 0,01 do 90% wag. masy kompozytu. Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania kompozytu i jego zastosowanie do tymczasowej stabilizacji i/lub wypełniania ubytków kostnych.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt na bazie (ko)polimeru polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym do zastosowań biomedycznych, oraz sposób jego wytwarzania i zastosowanie.

Biodegradowalne polimery i ich kompozyty to materiały, które są od wielu lat powszechnie stosowane w medycynie ze względu na ich biozgodność i właściwości mechaniczne zbliżone do układów ludzkich. Współczesna medycyna opiera się na personalizowanych wyrobach i/lub rozwiązaniach dążących do jak najlepszej kompatybilności z ludzkimi tkankami. Wykorzystywane materiały muszą cechować się biozgodnością i tolerancją ze strony układu immunologicznego, jak również spełniać wymogi fizykochemiczne i mechaniczne. W konsekwencji najbardziej rokujące są materiały regeneracyjne, których budowa i właściwości zbliżone są do leczonej struktury.

W dziedzinie ortopedii i chirurgii kostnej stale poszukiwane są nowe rozwiązania, pozwalające na leczenie różnorodnych ubytków kostnych z zachowaniem funkcji tkanek. Komercyjnie dostępne rozwiązania bazują na polimerach i kopolimerach laktydu, glikolu etylowego lub chitozanie [1-4]. Polilaktydy cieszą się w tej dziedzinie szczególnym zainteresowaniem, ze względu na zdolność do resorpcji, możliwość przetwarzania wieloma tradycyjnymi metodami kształtującymi oraz szeroką dostępność rynkową. Właściwości fizykochemiczne oraz mechaniczne tych polimerów mogą być modyfikowane przez dodatek nieorganicznych napełniaczy [5, 6].

Syntetyczne nanokryształy hydroksyapatytu, ze względu na swoje podobieństwo do naturalnej struktury apatytu budującego kości, znajdują w dziedzinie ortopedii i chirurgii kostnej szerokie zastosowanie. Związki o strukturze apatytu krystalizują w układzie heksagonalnym. Każda cząsteczka wapniowego hydroksyapatytu jest zbudowana z dziesięciu atomów wapnia, sześciu grup fosforanowych oraz dwóch grup hydroksylowych, dając cząsteczki o wzorze sumarycznym Caw(PO4)6(OH)2 [7-9]. Dodatek hydroksyapatytu do matrycy polimerowej poprawia bioaktywność i osteokonduktywność, przyspieszając procesy namnażania komórek tkanki kostnej. Pozytywny wpływ na aktywność osteoblastów może być również powodowany przez uwalnianie grup OH^- z cząsteczek hydroksyapatytu, które neutralizują kwasowe środowisko powstające w procesie degradacji polilaktydu [1 0]. Ponadto zaobserwowano, że w początkowych etapach wzrostu tkanki kostnej, większą absorpcję białek na powierzchni wykazują materiały zawierające ponad 5% wagowych hydroksyapatytu. Dodatek hydroksyapatytu do matrycy polimerowej poprawia topologię powierzchni materiału, zwiększając powierzchnię właściwą, co w konsekwencji prowadzi do zwiększenia interakcji między materiałem a białkami oraz zwiększonej adhezji komórek [10, 11]. Wykazano również, że dodatek hydroksyapatytu wywiera pozytywny wpływ na proliferację i różnicowanie się komórek [6].

W stanie techniki [PL235484B1] opisana jest także synteza biozgodnych i bioresorbowalnych terpolimerów wytwarzanych metodą syntezy osnowy polimerowej w taki sposób, że odbywa się w formie przez co w jednym kroku możliwa jest synteza materiału i jednoczesne nadawanie mu kształtu. Takie podejście ma jednak kilka ograniczeń, tj. zaproponowany proces syntezy jest mało wydajny, nie uwzględnia możliwości wprowadzania napełniaczy, które istotnie rozszerzają możliwości zastosowania takiego materiału na implanty oraz istotnie ogranicza możliwości kształtowania tylko i wyłącznie do rodzaju formy.

W wyniku przeprowadzonych prac badawczych wskazano, że powyższe problemy można rozwiązać zgodnie z niniejszym wynalazkiem.

Celem wynalazku jest zapewnienie kompozytu (ko)polimeru polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym o kontrolowanych właściwościach mechanicznych i biomedycznych, dającego się formować w różne kształty, przeznaczonego do zastosowania jako materiał wszczepienny.

Przedmiotem wynalazku jest kompozyt na bazie (ko)polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym charakteryzujący się tym, że kompozyt składa się z osnowy polimerowej i nanohydroksyapatytu (nHAp), przy czym osnowę polimerową stanowi związek wybrany z grupy obejmującej polimer (poli(L-laktydu)), polimer (poli(D-laktydu)), kopolimer (poli(laktydo-ko-glikolid) i/lub mieszanina polimerów i/lub kopolimerów wybranych spośród L-laktydu, D-laktydu lub α-glikolidu, a nHAp wytworzony jest metodą strąceniową o rozmiarze krystalitu poniżej 100 nm, którego ilość w kompozycie mieści się w zakresie od 0,01 do 90% wag. masy kompozytu.

W kompozycie według wynalazku korzystnie osnowę polimerową stanowi (ko)polimer L-laktydu/D,L-laktydu w stosunku 80/20.

Kompozyt według wynalazku wykazuje właściwości, dzięki którym spełnia warunki biozgodności i dodatkowo jest resorbowalny co skutkuje kontrolowaną utratą stabilności kształtu i wymiaru po określonym czasie. Mechaniczne i biomedyczne właściwości kompozytu według wynalazku, które są funkcją stężenia napełniacza w osnowie polimerowej, sprawiają, że jest on biokompatybilny oraz biodegradowalny, co ma szczególne znaczenie w zastosowaniu jako materiał wszczepienny.

W związku z tym po wszczepieniu tego wyrobu w ciało pacjenta nie jest wymagane wykonywanie ponownego zabiegu związanego z koniecznością usunięcia go z organizmu. Istotne jest również to, że zaproponowana kompozycja polimerowa opiera się na bazie komercyjnie dostępnych granulatów (ko)polimerów polilaktydu (PLDL), co eliminuje konieczność wykonywania dodatkowych procesów technologicznych polegających na syntezowaniu matrycy, przez co proces wytwarzania kompozytów jest krótszy, tańszy i bardziej powtarzalny. Dodatek nHAp w kompozycie zwiększa sztywność kompozytu według wynalazku, co przekłada się na poprawę właściwości mechanicznych uzyskanych kompozycji oraz znacząco wpływa na bioaktywność i osteokonduktywność kompozytu, a także na zachowanie się implantu w organizmie, w szczególności dynamikę jego przebudowy.

Przedmiotem wynalazku jest także sposób wytwarzania wyrobu kompozytowego na bazie (ko)polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym, charakteryzujący się tym, że sposób prowadzi się etapami, gdzie:

- w etapie pierwszym przygotowuje się mieszaninę osnowy polimerowej oraz nanohydroksyapatyt, przy czym osnowę polimerową stanowi związek wybrany z grupy obejmującej polimer (poli(L-laktydu)), polimer (poli(D-laktydu)), kopolimer (poli(laktydo-ko-glikolid) i/lub mieszanina polimerów i/lub kopolimerów wybranych spośród L-laktydu, D-laktydu lub a-glikolidu, a nanohydroksyapatyt wytworzony jest metodą strąceniową o rozmiarze krystalitu poniżej 100 nm, którego ilość w kompozycie mieści się w zakresie od 0,01 do 90% wag. masy kompozytu, następnie składniki miesza się przez 2 minuty z prędkością 2000 obr/min, następnie uzyskaną mieszaninę suszy się w temp. 50°C przez okres 24 godzin, po czym prowadzi się mieszanie w stanie stopionym przy temperaturze uplastyczniania w zakresie 210-150°C, następnie uzyskaną wytłoczynę chłodzi się i granuluje; lub sporządza się zawiesinę składników w 1,4-dioksanie i chlorku sodu, wytrząsa się mieszaninę przez 24 h, po czym wymraża się mieszaninę przez 24 godziny w temperaturze -15°C, a następnie poddaje się liofilizacji w temperaturze -80°C; przy ciśnieniu 10-20 Pa przez 24 h, po czym płucze się lioflizat w wodzie dejonizowanej i suszy w temperaturze 60°C przez 24 h; oraz

- w etapie drugim formuje się wyrób kompozytowy.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku etap formowania wyrobu prowadzi się za pomocą urządzenia wybranego z grupy obejmującej gniotownik, wytłaczarkę, wtryskarkę, mieszalnik periodyczny, prasę lub drukarkę 3D, lub poprzez sporządzenie roztworu granulatu i wylanie folii.

Korzystnie w sposobie według wynalazku formuje się wyrób kompozytowy do dowolnego kształtu, dostosowanego do miejsca implantacji.

Korzystnie, formowanie gotowych wyrobów obejmuje wytwarzanie kompozytów w postaci płytek, folii, kształtek, mocowań, śrub, filamentu do druku 3D oraz wyrobów drukowanych metodą druku 3D. W przypadku formowania implantu metodą druku 3D w etapie pierwszym po zakończeniu mieszania składników w stanie stopionym prowadzi się proces kształtowania kompozytu w postaci filamentu, z którego następnie formuje się implant metodą druku 3D.

Wytworzony materiał kompozytowy według wynalazku bardzo łatwo się przetwarza i kształtuje do formy filamentu, dzięki zastosowaniu odpowiednio zsyntezowanego nanohydroksyapatytu, który podczas mieszania w stanie stopionym równomiernie rozprowadza się w osnowie. Ponadto, istotne jest również to, że proponowana osnowa cechuje się stabilnymi właściwościami przetwórczymi, w tym odpowiednią lepkością oraz stabilnością termiczną. Powstały kompozyt świetnie poddaje się formowaniu do gotowego wyrobu technologią druku 3D, co umożliwia wytwarzanie wyrobów „szytych na miarę” idealnie dopasowanych do potrzeb pacjenta, którym może być zwierzę lub człowiek.

Właściwości reologiczne kompozytu według wynalazku pozostają zbliżone do charakterystyki niemodyfikowanej osnowy. Sprawia to, iż proces przygotowania filamentu przeznaczonego do druku 3D metodą FusedDeposition Modeling (FDM) jest bardzo prosty i nie wymaga ingerencji w budowę głowicy wytłaczarskiej i parametry maszynowe procesu wytłaczania. W przypadku tradycyjnych odmian tworzyw kompozytowych napełnionych cząstkami mineralnymi, włóknami węglowymi lub nanododatkami, tak imi jak nanorurki węglowe, dodatek napełniaczy zwiększa lepkość, co wymusza zmianę warunków procesu wytłaczania filamentu, często nawet zmianę konstrukcji głowicy. Odpowiednie właściwości reologiczne wytworzonego kompozytu PLDL/nHAp przekładają się na łatwość formowania finalnego wyrobu drukowanego metodą FDM. Właściwości reologiczne kompozytu według wynalazku ułatwiają proces topienia filamentu, natomiast obecność cząstek nHAp ogranicza zjawisko skurczu termicznego, który często jest przyczyną deformacji wyrobów wytwarzanych metodą druku 3D. Stąd ograniczenie występowania skurczu termicznego przekłada się na lepsze odwzorowanie geometrii zaprojektowanego wyrobu, co ma bardzo duże znaczenie w przypadku wytwarzania elementów „szytych na miarę” dla danego pacjenta.

Przedmiotem wynalazku jest także zastosowanie kompozytu według wynalazku do regeneracji tkanki kostnej, zwłaszcza do tymczasowej stabilizacji i/lub wypełniania ubytków kostnych.

Korzystnie, kompozyt według wynalazku można zastosować do stabilizacji uszkodzonej kości czy jako wypełnienie drobnych ubytków. Dzięki możliwości formowania kompozytu według wynalazku jako implantu o kształcie i wymiarach dostosowanych do indywidualnych potrzeb pacjenta kompozyt według wynalazku może być zastosowany jako tzw. implant tymczasowy, który w kontrolowanym czasie ulegnie przebudowie wytwarzając w pełni funkcjonalną tkankę.

Stabilna struktura kompozytu według wynalazku i jego odporność termiczna pozwalają na poddawanie wytworzonego implantu procesowi sterylizacji przed wszczepieniem w organizm ludzki, przy czym proces sterylizacji nie wpływa na zmianę struktury, topografii czy właściwości mechanicznych implantu. Dzięki temu nie ma konieczności zachowania sterylnych warunków podczas formowania implantu, co również korzystnie wpływa na dostępność technologii formowania i stosowania implantów.

Sposób wytwarzania mieszanki kompozytowej w odróżnieniu od obecnie stosowanych procesów technologicznych jest bardzo elastyczny przez co pozwala na możliwość sterowania szybkością re generacji tkanki, poprzez dobranie optymalnego składu kompozycji, w tym przypadku ilości napełniacza w zakresie 0,01-90% wag. masy kompozytu.

Przedmiot wynalazku uwidoczniony jest na figurach rysunku, na których:

Fig. 1. przedstawia widma dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego dla próbki nanohydroksapatytu oraz kompozytów 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL, zestawione z wzorcem teoretycznym ICSD-26204.

Fig. 2. przedstawia obraz SEM na przekroju kompozytu 10-nHAp/PLDL oraz mapowanie elementarne EDS.

Fig. 3. przedstawia krzywe termograwimetryczne w funkcji temperatury dla próbek PLDL oraz 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL.

Fig. 4. przedstawia krzywe przepływu ciepła w funkcji temperatury dla próbek PLDL oraz 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL.

Fig. 5. przedstawia krzywe modułu rzeczywistego w funkcji temperatury dla próbek PLDL oraz 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL.

Fig. 6. przedstawia krzywe tangensa kąta stratności δ w funkcji temperatury dla próbek PLDL oraz 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL.

Fig. 7. przedstawia chłonność wody w funkcji czasu zanurzenia dla próbek PLDL oraz 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL.

Poszczególne etapy wykonania procedur będących przedmiotem wynalazku przedstawiono na poniższych przykładach.

W zgłoszeniu zaprezentowano wyniki dla reprezentacyjnych próbek o zawartości 10 i 20% wagowych (oznaczone odpowiednio 10-nHAp/PLDL oraz 20-nHAp/PLDL) oraz sposób ich wytwarzania.

Przykład 1

a) Synteza nanohydroksyapatytu

Nanohydroksyapatyt został otrzymany na drodze syntezy mokrej, w procesie reakcji strąceniowej. Jako substraty wykorzystane zostały: Ca(NO3)2 · 4H2O (99,0% Alfa Aesar), (NH4)H2PO4 (>99,0% Fluka) oraz NH3 · H2O (99% Avantor Polska). Stechiometryczne ilości soli wapnia i fosforu zostały roztworzone pojedynczo. Naczynie zawierające azotan wapnia ogrzewano, dodano diamonowodorofosforanu. Przy pomocy wody amoniakalnej pH ustalono na 10. Reakcję prowadzono przez 90 min, utrzymując temperaturę 90°C. Produkt został oczyszczony w wodzie dejonizowanej, wysuszony i poddany obróbce termicznej (450°C, 3 h).

b) Wytwarzanie kompozytów nHAp/PLDL

Pierwszy etap prac polegał na sporządzeniu mieszanin z kopolimeru polilaktydu (PLDL), składającego się z (L-laktydu) i (D,L-laktydu) (Purasorb 8058, stosunek 20:80) oraz nanohydroksyapatytu w odpowiednich ilościach w stanie stałym. W przykładzie pierwszym przygotowano kompozyt 10-nHAp/PLDL składający się z 500 g osnowy polimerowej oraz 55,6 g nHAp. W przykładzie drugim przygotowano kompozyt 20-nHAp/PLDL, gdzie odważono 500 g osnowy oraz 125 g nHAp. Mieszanie w stanie stałym składników prowadzono przez 2 minuty z prędkością 2000 obr/min przy użyciu młynka szybkoobrotowego.

Następnie wszystkie materiały zostały wysuszone w 50°C przez 24 h w suszarce próżniowej. W drugim etapie prac przeprowadzono mieszanie w stanie stopionym na linii wytłaczarskiej w skład której wchodziła wytłaczarka dwuślimakowa, suchy odciąg oraz granulator. Profil temperaturowy układu uplastyczniającego ostatecznie ustalono na: 210°C / 210°C / 200°C / 200°C / 190°C / 180°C / 150°C / 150°C / 150°C zasyp, natomiast temperatura wytłaczania, wyrażona poprzez temperaturę głowicy kształtującej, wynosiła 210°C. Prędkość obrotową ślimaka ustalono na 80 obr/min. Ukształtowany przez głowicę materiał był umieszczany na taśmie odciągu i chłodzony w strumieniu powietrza wymuszonego przez ciąg wentylatorów, po czym wytłoczynę granulowano. W opisany sposób sporządzono dwa rodzaje mieszanin zawierających 10 oraz 20% wag. nanomodyfikatora.

c) Wytwarzanie liofilizowanych kompozytów nHAp/PLDL

Do sporządzenia liofilizowanych kompozytów nHAp/PLDL wykorzystano nanometryczny hydroksyapatyt z punktu a) oraz poli(L-laktyd) racemat L201s (PLLA, Evonik). W pierwszym etapie utworzono zawiesinę PLLA oraz nHAp w 1,4-dioksanie. Do stabilizacji zawiesiny wykorzystano chlorek sodu. Mieszaninę wytrząsano przez 24 h, następnie poddano wymrożeniu przez 24 h w temperaturze -15°C. Wstępnie wymrożone próbki zostały poddane liofilizacji w warunkach temp. -80°C; ciśnienie 10-20 Pa przez 24 h. W celu usunięcia soli otrzymane liofilizowane kompozyty zostały trzykrotnie oczyszczone w wodzie dejonizowanej. W końcowym etapie materiał został wysuszony w 60°C przez 24 h.

Badania strukturalne wytworzonych kompozytów

a) Dyfrakcja rentgenowska

Do wytworzenia kompozytu wykorzystano heksagonalny nanohydroksyapatyt. Czystość fazową potwierdzono za pomocą pomiarów dyfrakcji promieniowania rentgenowskiego. Dyfraktogram wraz z odpowiadającym wzorcem przedstawiono na rysunku 1. Najbardziej intensywne linie dyfrakcyjne zarejestrowano przy kątach 2Θ: 26,0; 31,9; 32,2; 33,0; 34,2; 39,9; 46,8; 49,6° [12]. Na rysunku 1 zaprezentowano również dyfraktogramy wytworzonych kompozytów, zawierających odpowiednio 10 i 20 wt% hydroksyapatytowego napełniacza. Szerokie pasmo obserwowane w obszarze niskich kątów 2 Θ jest związane z małym stopniem krystaliczności matrycy polimerowej. Wyraźne piki dyfrakcyjne odpowiadające strukturze apatytu potwierdzają obecność napełniacza w próbce oraz potwierdzają jego odporność na procesy przetwórstwa.

b) Mikroskopia elektronowa

Przy pomocy skaningowego mikroskopu elektronowego zarejestrowane zostały obrazy przekroju kompozytu 10-nHAp/PLDL. Obrazy zostały wykonane dla filamentu wytworzonego w drugim procesie wytłaczania. Powierzchnia przekroju filamentu jest powierzchnią gładką, na której obserwowane są niewielkie pory. Mapowanie elementarne poszczególnych atomów pozwala na ocenę stopnia homogenizacji. Mimo niewielkiego stopnia aglomeracji, objawiającej się obszarami o większym natężeniu barwy żółtej i niebieskiej, które odpowiadają odpowiednio atomom wapnia i fosforu, dystrybucja napełniacza w osnowie polimerowej jest satysfakcjonująca [13]. Zatem wytworzony materiał można uznać za jednorodny.

c) Pomiar ciężaru cząsteczkowego

Dla wytworzonych materiałów wyznaczono wagowe oraz liczbowo średnie ciężary cząsteczkowe techniką chromatografii żelowej. Wyniki dla kompozytu 10-nHAp/PLDL po pierwszym i drugim procesie wytłaczania oraz po druku 3D zestawiono z wynikami dla wyjściowego materiału polimerowego oraz kompozytu 20-nHAp/PLDL po pierwszym wytłaczaniu. Wszystkie wyniki zebrano w Tabeli 1, wraz z współczynnikiem dyspersji. Rezultaty pokazują, że wraz z kolejnymi etapami przetwórstwa łańcuchy polimerowe ulegają znacznemu skróceniu, a po pierwszym wytłaczaniu ciężar cząsteczkowy zmniejsza się blisko trzykrotnie dla obu kompozytów. Pomiary wykazały wpływ ilości napełniacza na zmianę liczbowo średniego ciężaru cząsteczkowego. Wyznaczony ciężar cząsteczkowy Mn materiału zawierającego 20% wagowych napełniacza jest mniejszy niż dla materiału zawierającego 10% wagowych napełniacza, po takim samym procesie przetwórstwa. Efekt jest prawdopodobnie wywołany obecnością większej ilości małocząsteczkowych molekuł, które mają znaczny udział w wartości M n. Wyniki dla Mw obu materiałów są stosunkowo zbliżone. Zgodnie z założeniami podczas każdego z procesów przetwórstwa łańcuchy polimerowe ulegają skróceniu i zmniejsza się ich średni ciężar cząsteczkowy. Po ostatnim etapie, jakim był proces druku 3D liczbowo średni ciężar cząsteczkowy Mn kompozytu 10-nHAp/PLDL uległ 4,5-krotnemu zmniejszeniu, a masowo średni ciężar cząsteczkowy prawie pięciokrotnemu zmniejszeniu.

PL 244706 Β1

Tabela 1

Liczbowo średni ciężar cząsteczkowy (M_n), wagowo średni ciężar cząsteczkowy (M_w) oraz współczynnik dystrybucji ciężaru cząsteczkowego (D) dla próbki referencyjnej, kompozytu 10-nHAp/PLDL po pierwszym i drugim wytłaczaniu oraz po druku 3D oraz kompozytu 20-nHAp/PLDL po pierwszym wytłaczaniu

Próbka	M_n [g/mol]	M_w [g/mol]	D [arb. u.]
PLDL czysty kopolimer poli(L,L-laktydu) oraz poli(D,L-laktydu)	332 800	761 300	2,29
10-nHAp/PLDL wytłaczanie 1	114 800	248 000	2,16
10-nHAp/PLDL wytłaczanie 2	88 900	186 500	2,09
10-nHAp/PLDL druk 3D	74 200	155 700	2,09
20-nHAp/PLDL wytłaczanie 1	98 000	240 500	2,45

Badania termiczne i termomechaniczne

a) Termograwimetria (TGA)

Badania przeprowadzono za pomocą termowagi Netzsch TG 209 F1. Realizowany program temperaturowy mieścił się w zakresie od 30 do 800°C, a szybkość grzania wynosiła 10 Kmin'¹. Badania przeprowadzono w atmosferze azotu. Próbki o masie 10 mg ± 1 mg umieszczono w ceramicznych tyglach, a zarejestrowane krzywe przedstawiono na rysunku 3. Wynikiem analizy są krzywe TG, w których na osi rzędnych zapisywana jest masa próbki, natomiast na osi odciętych rejestruje się czas lub temperaturę. Krzywe TG pozwalają na ocenę ilościową procesów, ukazując zmiany masy próbki w funkcji temperatury. Analiza krzywych TG wykazała, że PLDL charakteryzuje się dwustopniowym rozkładem, którego początek zarejestrowano w 340°C. Dodatek nanohydroksyapatytu spowodował przesunięcie krzywych TG w kierunku wyższych temperatur, tj. przyczynił się do poprawy stabilności termicznej wytworzonych kompozytów. Ponadto, masa resztkowa próbki PLDL wynosiła 0,04 ± 2%, tak więc można stwierdzić, że kopolimer PLDL ulega całkowitemu rozkładowi w badanym zakresie temperatur. Próbki 10-nHAp/PLDL oraz 20-nHAp/PLDL wykazały masę resztkową na poziomie 12 oraz 17 ± 2%.

b) Skaningowa kalorymetria różnicowa (DSC)

Badania różnicowej kalorymetrii skaningowej zrealizowano przy użyciu aparatu DSC 204 F1 Phoenix firmy Netzsch. Próbki o masie m_P = 3 ± 0,5 mg umieszczano w tyglach jednorazowego użytku z aluminium. Zastosowano następujący program temperaturowy: ogrzewanie próbki od 25°C do 200°C z szybkością 10 Kmin¹; utrzymanie próbki w temperaturze 200°C przez 5 min, następnie chłodzenie próbki do temperatury 25°C z szybkością wynoszącą 5 Kmin¹. Następnie powtórzono ogrzewanie próbki do 200°C z szybkością 10 Kmin¹. Badania przeprowadzono w atmosferze azotu, a uzyskane krzywe DSC przedstawiono na rysunku 4. Na rysunku 4 przedstawiono krzywe przepływu ciepła w funkcji temperatury uzyskane podczas drugiego grzania dla wszystkich badanych próbek. Krzywe reprezentujące topienie kompozytów przedstawiają wyłącznie przegięcie charakterystyczne dla temperatury zeszklenia bez widocznego topienia fazy krystalicznej. Próbka referencyjna PLDL charakteryzowała się temperaturą zeszklenia równą 62°C. Natomiast, próbki 10-nHAp/PLDL oraz 20-nHAp/PLDL wykazywały obniżoną w porównaniu z próbką referencyjną temperaturę zeszklenia równą odpowiednio 59°C oraz 58°C. Poza wspomnianym przejściem szklistym, nie zaobserwowano innych przemian fizycznych charakterystycznych dla tworzyw polimerowych, co oznacza, że badana osnowa jest amorficzna, a dodatek nanohydroksyapatytu nie wykazuje oddziaływania nukleującego.

c) Dynamiczna analiza termiczna

Pomiary termomechaniczne przeprowadzono przy użyciu reometru rotacyjnego typu Anton Paar MOR 301. Urządzenie wyposażono w zestaw szczęk umożliwianych pomiar w trybie skręcania. W celu wykonania pomiarów przygotowano prostopadłościenne próbki o wymiarach 50 x 10 x2 mm. Pomiar prowadzony był przy stałej wartości amplitudy odkształceń o wartości 0,01%, przy czym ich częstotliwość wynosiła 1 Hz. Zadany zakres temperatur pomiaru wynosił 25-150°C, natomiast ze względu na drastyczny spadek sztywności próbek, powyżej temperatury 80°C, część pomiarów zakończyła się

PL 244706 Β1 przed osiągnięciem temperatury maksymalnej. Wyniki w postaci termogramów modułu rzeczywistego oraztangensa kąta stratności δ zostały zaprezentowane na rysunkach 5 i 6.

Wyniki pomiarów właściwości lepko-sprężystych wskazują ma istotny wpływ dodatku HAp na sztywność próbek kompozytowych (rysunek 5). Nawet dla najmniejszej zastosowanej zawartości nanonapełniacza (10% wag.) zaobserwowano istotny wzrost wartości modułu rzeczywistego. Przebieg termogramu modułu rzeczywistego w wyższych temperaturach wskazuje na charakterystyczny dla PLDL drastyczny spadek sztywności w okolicach temperatury 60°C. Zakres ten odpowiada temperaturze przejścia szklistego fazy amorficznej PLDL. Co ciekawe, dalszy wzrost temperatury nie powoduje wzrostu sztywności próbek, zatem potwierdzono brak występowania zjawiska zimnej krystalizacji, co zgodne jest z wynikami DSC (porównaj rysunek 4). Sztywność wszystkich badanych materiałów w dalszym ciągu spada, a powyżej 100°C próbki ulegają znacznej plastycznej deformacji, zatem prowadzenie pomiaru do temperatury 150°C jest bezcelowe, ponieważ próbka przechodzi w stan wysoko elastyczny. Rysunek 6 przedstawia zależność tangensa kąta stratności mechanicznej (tan δ) w funkcji temperatury dla wszystkich badanych materiałów. Charakterystyczny pik na termogramach poszczególnych próbek stanowi odzwierciedlenie przemiany szklistej zachodzącej w badanych materiałach. W omawianym przypadku próbki kompozytowe charakteryzuje niewielka zmiana wysokości piku, co związane jest z obecnością napełniacza w strukturze materiału. Drugą charakterystyczną zmianą widoczną na wykresach jest przesuwanie się piku tan δ w kierunku niższych temperatur. Podobną tendencję zauważono w badaniach DSC i powiązano ze zjawiskiem degradacji struktury PLDL podczas jego przetwarzania, co potwierdzono w badaniach pomiaru ciężaru cząsteczkowego kompozytów.

Właściwości mechaniczne

a) Statyczna próba rozciągania

Pomiar właściwości mechanicznych przeprowadzono zgodnie z normą ISO 527 na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Zwick/Roell Z010. Próbki rozciągano wstępnie z szybkością 1 a potem 10 mm/min. Na podstawie krzywych rozciągania zarejestrowanych podczas pomiarów określono wytrzymałość na rozciąganie, wydłużenie przy zerwaniu oraz moduł Younga dla każdego wariantu materiałowego. Ocenie poddano również przełomy próbek po badaniu niszczącym jak również i charakter pęknięć. Wyniki badań natomiast zestawiono w Tabeli 2. Zauważono, że zastosowana modyfikacja polilaktydu spowodowała zwiększenie sztywności uzyskanych materiałów. W przypadku PLDL oznaczono moduł na poziomie 2 GPa, natomiast dla próbek w postaci płytek wykonanych z kompozytów 20-nHAp/PLDL jest on wyższy. Wprowadzenie sztywnych nanocząstek do osnowy polimeru poskutkowało uzyskaniem kruchego materiału, co również odzwierciedlają wartości odkształcenia przy zerwaniu, gdzie dla PLDL odnotowano wartości na poziomie 3%, natomiast dla kompozytów odpowiednio 2,6 i 1,3%. Potwierdzają to również obserwowane po badaniu przełomy charakterystyczne dla kruchego pękania.

Tabela 2

Wytrzymałość na rozciąganie (o_m), moduł Younga (Et) i odkształcenie przy zerwaniu (sb) dla PLDL i jego kompozytów

Próbka	fTm [MPa]	E_t[MPa]	Sb [%]
PLDL	41,8± 11,8	2060 ± 86,9	3,1 ± 1,1
10-nHAp/PLDL	38,6 ±5,4	2090±150	2,6 ± 0,6
20-nHAp/PLDL	27,4 ±13,3	2590 ±302	1,3 ± 0,6

b) Statyczna próba zginania

Próbę trój punktowego zginania przeprowadzono na uniwersalnej maszynie wytrzymałościowej Zwick Roell Z010 wyposażonej w głowicę zginającą w postaci okrągłego trzpienia oraz stolika z dwiema podporami umożliwiającymi swobodne podparcie próbki. Pomiary wykonano zgodnie z normą ISO 178. Na podstawie uzyskanych wyników badań stwierdzano, że wprowadzenie do osnowy kopolimeru polilaktydu nanocząstek nanohydroksyapatytu zwiększa sztywność wytworzonych kompozytów (Tabela 3). Przy czym należy zwrócić uwagę, że moduł zginania dla PLDL wynosi 1700 MPa, natomiast dla płytek 10-nHAp/PLDL i 20-nHAp/PLDL jest nieznacznie większy. Tak duża sztywność wiąże się zazwyczaj z dużą kruchością, co jest widoczne w wartościach strzałki ugięcia, która zmniejsza się od wartości 5,6% dla niemodyfikowanego polimeru do około 2% dla 20-nHAp/PLDL

PL 244706 Β1 w postaci płytki. Zastosowany napełniacz wpływa również na wytrzymałość na zginanie i w tym przypadku powoduje on zmniejszenie wytrzymałości dla kompozytów wraz ze wzrostem zawartości hydroksyapatytu. Wyniki tej próby potwierdzają tendencję zaobserwowaną podczas pomiaru wytrzymałości na rozciąganie, co pozwala wnioskować, że wytworzone kompozyty są w stanie przenosić mniejsze obciążenia niż niemodyfikowany polimer.

Tabela 3

Wytrzymałość na zginanie (otm), moduł zginania (Et) i odkształcenie przy pękaniu (etm) dla PLDL i jego kompozytów

Próbka	CTfm [MPa]	Ef [MPa]	Efm [%]
PLDL	115 ± 10,2	1700 ± 135	5,6 ±0,61
10-nHAp/PLDL	95,7 ±8,7	1820 ±270	3,7 ± 0,04
20-nHAp/PLDL	81,4 ±5,5	1830±35	2,7 ±0,1

Właściwości użytkowe

a) Chłonność wody

W celu oznaczenia zdolności materiału polimerowego do wchłaniania wody przeprowadzono pomiary w pięciu odstępach czasowych, tj. po 1,2, 3, 4 i 7 dobach. Uzyskane dane wykorzystano do obliczenia chłonności wody, a wyniki przedstawiono w funkcji czasu zanurzenia w postaci wykresu (rysunek 7). Analiza danych potwierdza, że wszystkie badane kompozycje wykazują wzrost masy w czasie, zatem badane materiały są podatne na chłonięcie wody. Próbka PLDL wykazywała stały wzrost zawartości wody, która w 7 dobie badania wyniosła 0,9% początkowej masy próbki. Dodatek nanohydroksyapatytu w ilości 20% wag. przyczynił się do zwiększenia ilości zabsorbowanej w badaniu wody i uzyskał maksymalną wartość na poziomie 1,1%. Próbka 10-nHAp/PLDL wykazywała wartości pośrednie.

Claims

1. Kompozyt na bazie (ko)polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym znamienny tym, że kompozyt składa się z osnowy polimerowej i nanohydroksyapatytu (nHAp), przy czym osnowę polimerową stanowi związek wybrany z grupy obejmującej polimer (poli(L-laktydu)), polimer (poli(D-laktydu)), kopolimer (poli(laktydo-ko-glikolid) i/lub mieszanina polimerów i/lub kopolimerów wybranych spośród L-laktydu, D-laktydu lub α-glikolidu, a nHAp wytworzony jest metodą strąceniową o rozmiarze krystalitu poniżej 100 nm, którego ilość w kompozycie mieści się w zakresie od 0,01 do 90% wag. masy kompozytu.

2. Kompozyt według zastrz. 1 znamienny tym, że osnowę polimerową stanowi (ko)polimer L-laktydu/D,L-laktydu w stosunku 80/20.

3. Sposób wytwarzania wyrobu kompozytowego na bazie (ko)polilaktydu z napełniaczem nanohydroksyapatytowym, znamienny tym, że sposób prowadzi się etapami, gdzie:

- w etapie pierwszym przygotowuje się mieszaninę osnowy polimerowej oraz nanohydroksyapatyt, przy czym osnowę polimerową stanowi związek wybrany z grupy obejmującej polimer (poli(L-laktydu)), polimer (poli(D-laktydu)), kopolimer (poli(laktydo-ko-glikolid) i/lub mieszanina polimerów i/lub kopolimerów wybranych spośród L-laktydu, D-laktydu lub oc-glikolidu, a nanohydroksyapatyt wytworzony jest metodą strąceniową o rozmiarze krystalitu poniżej 100 nm, którego ilość w kompozycie mieści się w zakresie od 0,01 do 90% wag. masy kompozytu, następnie składniki miesza się przez 2 minuty z prędkością 2000 obr/min, następnie uzyskaną mieszaninę suszy się w temp. 50°C przez okres 24 godzin, po czym prowadzi się mieszanie w stanie stopionym przy temperaturze uplastyczniania w zakresie 210-150°C, następnie uzyskaną wytłoczynę chłodzi się i granuluje; lub sporządza się zawiesinę składników w 1,4-dioksanie i chlorku sodu, wytrząsa się mieszaninę przez 24 h, po czym wymraża się mieszaninę przez 24 godziny w temperaturze -15°C, a następnie poddaje się liofilizacji w temperaturze -80°C;

PL 244706 Β1 przy ciśnieniu 10-20 Pa przez 24 h, po czym płucze się lioflizat w wodzie dejonizowanej i suszy w temperaturze 60°C przez 24 h;

- w etapie drugim formuje się wyrób kompozytowy.

4. Sposób według zastrz. 3 znamienny tym, że etap formowania wyrobu prowadzi się za pomocą urządzenia wybranego z grupy obejmującej gniotownik, wytłaczarkę, wtryskarkę, mieszalnik periodyczny, prasę lub drukarkę 3D, lub poprzez sporządzenie roztworu granulatu i wylanie folii.

5. Sposób według któregokolwiek z zastrz. od 3 do 4, znamienny tym, że formuje się wyrób kompozytowy do dowolnego kształtu, dostosowanego do miejsca implantacji.

6. Kompozyt określony w zastrz. 1-2 do zastosowania do regeneracji tkanki kostnej.