PL247432B1 - Sposób otrzymywania ceramiczno-polimerowego kompozytu - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest sposób otrzymywania kompozytu ceramiczno-polimerowego jako substytu kości lub jako materiału wiążącego implant z kością, zwłaszcza jako kleju kostnego, charakteryzujący się tym, że do wody, korzystnie demineralizowanej, w ilości 37 do 47% wag. względem masy całego kompozytu w temperaturze od 40 do 60°C i przy szybkości mieszania od 150 do 300 rpm dodaje się polimer pochodzenia naturalnego, korzystnie żelatynę, w ilości od 17 do 19% wag. względem masy całego kompozytu, a następnie przy ciągłym mieszaniu do wodnego roztworu polimeru pochodzenia naturalnego w temperaturze od 30 do 50°C dodaje materiały bioceramiczne na bazie bioszkła i/lub hydroksyapatytu i/lub nanohydroksyapatytu w ilości od 35 do 38% wag. względem masy całego kompozytu. Uzyskaną kompozycję poddaje się homogenizacji i kolejno do mieszaniny dozuje się czynnik sieciujący, korzystnie transglutaminazę. Po dodaniu czynnika sieciującego mieszaninę poddaje się homogenizacji przez okres od 5 do 30 sekund, korzystnie 10 sekund.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania ceramiczno-polimerowego kompozytu, wstrzykiwanego, zawierającego w swoim składzie biozgodne materiały bioceramiczne na bazie bioszkła i/lub hydroksyapatytu o różnej średniej wielkości ziaren (w tym w postaci nanoproszku), polimeru pochodzenia naturalnego oraz czynnika sieciującego. Wynalazek służy do uzupełniania ubytków kostnych oraz jako klej kostny mocujący implanty.

Aktualnie stosuje się szereg biomateriałów aby zastąpić funkcję uszkodzonej naturalnej tkanki. Niestety wciąż wykorzystywane materiały nie spełniają w pełni stawianych im wymagań. Metale i ich stopy charakteryzują się dobrymi właściwościami mechanicznymi, pozostają jednak zbyt sztywne w stosunku do zastępowanej tkanki zwiększając znacząco ryzyko uszkodzenia otaczającej tkanki na skutek występowania „efektu ekranowania”. Dodatkowo charakteryzują się słabymi właściwościami antykorozyjnymi. Materiały bioceramiczne charakteryzują się znaczną kruchością, a tworzywa polimerowe posiadają niewystarczające właściwości mechaniczne i zmieniają swoje właściwości fizykochemiczne wraz z czasem przebywania w środowisku tkanek ludzkich.

Implanty długotrwałe osadzane są w tkance kostnej, łącznej lub chrzęstnej w rozmaity sposób, warunkujący stabilizację pierwotną i długoczasową implantu. Jest to podstawowy problem, ponieważ odrzucenie implantu w pierwszym okresie czasu może być spowodowane wieloma przyczynami: odpowiedź układu immunologicznego wskutek alergii lub ostrej reakcji zapalnej (np. częstej w przypadku implantów zawierających nikiel), nieprzestrzegania przez pacjenta zaleceń lekarskich (np. zbytniego wczesnego obciążania implantu), błędu lekarskiego, ale wreszcie najczęściej z powodu braku należytej adhezji między implantem a tkanką.

Znane są pochodzenia biologicznego środki do zastępowania struktur kostnych oraz do mocowania implantów tytanowych w kości. Materiały kościozastępcze oraz kościotwórcze na bazie kompozytów były przedmiotem wielu badań i obecnie najczęściej stosowanym składnikiem ich jest fosforan wapnia w różnej postaci, najczęściej hydroksyapatyt (HAp) lub jego mieszanina z fosforanem trójwapniowym. Drugim składnikiem materiałów kompozytowych jest zazwyczaj polimer. Do najczęściej stosowanych należą kolagen, chitozan, żelatyna. Obok polimerów naturalnych stosowane są także biodegradowalne, jak poliestry (PLA, PLGA, PLLA), polifumarany, poliwęglany, polikaprolaktony Opisali to: A. Zieliński, S. Sobieszczyk, T. Seramak, W. Serbiński, B. Świeczko-Żurek, A. Ossowska, w Biocompatibility and Bioactivity of Load-Bearing Metallic Implants, Advances in Materials Sciences. 10 (2011).

Istotną właściwością polimeru jest czas jego degradacji biologicznej w ciele ludzkim. Kolagen jest najbardziej popularnym polimerem w inżynierii tkankowej. Możliwości jego łączenia z hydroksyapatytem pokazano w pracy N. Eliaz, N. Metoki, Calcium phosphate bioceramics: A review of their history, structure, properties, coating technologies and biomedical applications, Materials. 10 (2017) na wielu przykładach.

Żelatyna także była badana po jej zmieszaniu z samym hydroksyapatytem. Opisano to w publikacjach: M. Azami i inni, A porous hydroxyapatite/gelatin nanocomposite scaffold for bone tissue repair: In vitro andin vivo evaluation, Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition. 23 (2012) 2353-2368; X. Chen i inni, Fabrication of gelatin methacrylate/nanohydroxyapatite microgel arrays for periodontal tissue regeneration, International Journal of Nanomedicine. 11 (2016) 4707-4718, czy B. Yin i inni, Hybrid macro-porous titanium ornamented by degradable 3D Gel/nHA micro-scaffolds for bone tissue regeneration, International Journal of Molecular Sciences. 17 (2016). W publikacji K. Maji I inni, Development ofgelatin-chitosan-hydroxyapatite based bioactive bone scaffold with controlled pore size and mechanical strength, Journal of Biomateriał Science, Polimer Edition. 26 (2015) 1190-1209) badali żelatynę zmieszaną z hydroksyapatytem i chitozanem. Badania nad mieszaniną żelatyny i nanohydroksyapatytu, chitozanu i alginianu prowadzili i opisali C. Sharma, A.K. Dinda, P.D. Potdar, C.F. Chou, N.C. Mishra, Fabrication and characterization of novel nano-biocomposite scaffold of chitosan-gelatin-alginate-hydroxyapatite for bone tissue engineering, Materials Science and Engineering C. 64 (2016) 416-427). Znane są również publikacje opisujące badania żelatyny po jej zmieszaniu z hydroksyapatytem i krzemianem wapniowym (D.J. Lee i inni, Biological assessment of a calcium silicate incorporated hydroxyapatite-gelatin nanocomposite: A comparison to decellularized bone matrix, BioMed Research International. 2014 (2014)), z hydroksyapatytem i ditlenkiem tytanu (J.R. Ferreira i inni, Titanium-enriched hydroxyapatite-gelatin scaffolds with osteogenically differentiated progenitor cell aggregates for calvaria bone regeneration, Tissue Engineering - Part A. 19 (2013) 1803-1816), z nanohydroksyapatytem I polikaprolaktonem (A. Hamlekhan i inni, Preparation of laminated poly(ε-caprolactone)-gelatin

-hydroxyapatite nanocomposite scaffold bioengineered via compound techniques for bone substitution, Biomatter. 1 (2011) 91-101).

Również chitozan w mieszaninie z hydroksyapatytem i nanohydroksyapatytem był przedmiotem badań co opisali S. Deepthii inni, An overview of chiti or chitosan/nano ceramic composite scaffolds for bone tissue engineering, International Journal of Biological Macromolecules. 93 (2016) 1338-1353).

Cementy kostne na bazie ceramiki stosowane w medycynie posiadają stosunkowo długi okres wiązania. Alternatywą jest stosowany do niedawna w ortopedii cement na bazie polimeru, PMMA (polimetakrylan metylu), w przypadku którego proces utwardzania stwarza niebezpieczeństwo wzrostu temperatury i nekrozy tkanek. Ostatnio intensywnie poszukiwane są formuły cementów oparte na fosforanach, jednak ich wytrzymałość mechaniczna i słaba odporność na kruche pękanie są poważnymi wadami czystych ceramik. Niewiele jest jednak badań zmierzających do uzyskania kompozytów szybkowiążących gwarantujących natychmiastową stabilizację pierwotną implantu. Dzięki ich zastosowaniu istnieje możliwość poszerzenia zakresu stosowalności zabiegu natychmiastowej implantacji, nawet u pacjentów ze znacznym zanikiem tkanki kostnej, w złamaniach wieloodłamowych, czy w przypadku implantów personalizowanych o nietypowym kształcie. Jedyna do tej pory istotna propozycja to kompozytowy siloksan modyfikowany hydroksyapatytem i żelatyną opisany przez C.K. Chiu i innych, In-situ hybridization of calcium silicate and hydroxyapatite-gelatin nanocomposites enhances physical property andin vitro osteogenesis, Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 26 (2015) 1-14 oraz C.K. Chi i inni, Direct scaffolding of biomimetic hydroxyapatite-gelatin nanocomposites using aminosilane cross-linker for bone regeneration, Journal of Materials Science: Materials in Medicine. 23 (2012) 2115-2126, bazujący na mieszaninie krzemianu wapniowego i siloksanu z dodatkiem żelatyny.

W celu usieciowania polimerowej matrycy kompozytowych materiałów biomedycznych, aby zapewnić trwałość w środowisku tkanek ludzkich wykorzystuje się czynniki sieciujące. W publikacji E. Olewnik-Kruszkowska i inni, Examining the Impact of Squaric Acid as a Crosslinking Agent on the Properties of Chitosan-BasedFilms. Int. J. Mol. Sci. 2021,22, 3329 w celu usieciowania cienkich powłok na bazie chitozanu wykorzystano kwas stearynowy. W przypadku matrycy żelatynowej znane są fizyczne i chemiczne metody sieciowania. Wśród chemicznych wykorzystywane są następujące związki: 1-etyl-3-(3-dimetyloaminopropyl) karbomidyny, N-hydroksysukcynimid, genipina, formaldehyd oraz aldehyd glutarowy, a wśród metod enzymatycznych wymieniana jest transglutaminaza co opisano w publikacji C.E. Campiglio i inni, Cross-Linking Strategies for Electrospun Gelatin Scaffolds, Materials 2019, 12, 2476.

W przypadku hydrożelu na bazie mieszaniny żelatyny i alginianu wykorzystano transglutaminazę jako czynnik sieciujący, co opisano w publikacji C.K. Sun i inni, Transglutaminase Cross-Linked Gelatin-Alginate-Antibacterial Hydrogel as the Drug Delivery-Coatings for Implant-Related Infections, Polymers 2021,13, 414. W celu sieciowania matrycy kolagenowej wykorzystywane są związki: aldehyd glutarowy, genipina, 1-etyl-3-(3-dimetyloaminopropyl) karbomidyny, N-hydroksysukcynimid, skrobia dialdehydowa i chitozan (Adamiak K., Sionkowska A., Current methods of collagen cross-linking: Review, International Journal of Biological Macromolecules 161 (2020) 550-560).

W stanie techniki znane są rozwiązania dotyczące metod wytwarzania kompozytowych substytutów kości oraz materiałów wiążących implant z kością.

Znane są metody otrzymywania kompozytowych substytutów kości na bazie fosforanów wapnia. Z opisu patentowego KR 100920951 B1 znany jest kompozytowy materiał kościozastępczy zawierający w składzie biokompatybilną ceramikę na bazie wielu fosforanów wapnia oraz zawierający szereg polimerowych związków biodegradowalnych stanowiących polimerową matrycę, w tym chitozan, fibrynę, żelatynę, kolagen czy alginian.

W opisach zgłoszeń patentowych US 2008262121 A1, CN 106963984 A, WO 2011035573 A1 omówiono otrzymywanie materiału kościozastępczego zawierającego w składzie hydroksyapatyt oraz naturalnego pochodzenia materiał polimerowy taki jak skrobia, chitozan, celuloza, albumina polilaktyd, żelatyna, guma gellanowana, kolagen.

Opis patentowy EP 1372748 B1 opisuje materiał stosowany jako substytut kości bazujący na porowatym trójfosforanie wapnia wraz z dodatkiem środków wiążących takie jak: alginian sodu, kwas hialuronowy, celuloza, kolagen, peptydy.

W opisie patentowym PL 235354 B1 omówiono metodę wytwarzania kompozytu polimerowo-ceramicznego do rekonstrukcji tkanki chrzęstnej na bazie hydroksyapatytu pochodzenia naturalnego lub syntetycznego, polimerów naturalnych i syntetycznych, takich jak: poli(winylopirolidol) i żelatyna, czynników sieciujących takich jak: diakrylan poli(glikolu etylenowego) oraz dodatków takich jak: kwas asparaginowy, białko surowiczej albuminy wołowej.

W opisie patentowym PL 226644 B1 przedstawiono materiał polimerowy zwłaszcza do klejów kostnych lub cementów kostnych składający się z usieciowanej żywicy dimetakrylanowej oraz usieciowanej żywicy epoksydowo-poliestrowej.

Opis patentowy EP 1601387 B1 ujawnia nową kompozycję materiału mineralnego substytu kości ze zdolnością do twardnienia w środowisku tkankowym in-vivo na bazie fosforanu wapnia (hydroksyapatytu, wytrąconego hydroksyapatytu lub korzystnie zubożałego w wapń hydroksyapatytu, lub ich mieszanina), siarczaniu wapnia, wody i przyspieszacza, np. wodorofosforan disodowy. Materiał charakteryzuje się dopuszczalnym twardnieniem do 15 minut po iniekcji, tak aby jego wytrzymałość wynosiła ok. 30 MPa.

W opisie patentowym EP 1635885 B1 przedstawiono sposób wytwarzania syntetycznego, biodegradowalnego środka do tworzenia kości na bazie fosforanu wapnia o izotropowej spiekanej strukturze i o statystycznie rozmieszczonych porach między spiekanymi cząstkami. W celu otrzymania materiału na drodze syntezy termicznej syntetyzuje się z substancji wejściowych (wodorowęglanu wapnia i wodorofosforanu wapnia) substancję wyjściową - beta fosforan wapnia. Następnie dodaje się odpowiednie czynniki porotwórcze i materiał poddawany jest rozdrobnieniu.

W opisie patentowym EP 1855734 B1 ujawniono biomateriał kompozytowy odpowiedni do naprawy miejsca styku między tkankami. Ochrona dotyczy materiałów na bazie kolagenu i fosforanu wapnia lub kolagenu, fosforanu wapnia i glikozaminoglikanu oraz procesu jego wytwarzania.

W opisie patentowym EP 1924302 B1 przedstawiono wstrzykiwalny materiał kompozytowy odpowiedni do zastosowania jako substytut kości, bazujący na materiale kompozytowym złożonym z dwóch faz: ceramicznej i fluidalnej fazy hydrożelowej alkoholu poliwinylowego. Materiał wykazuje korzystne właściwości mechaniczne podobne do właściwości mechanicznych kości.

W opisie patentowym EP 1948255 B1 ujawniono materiał do naprawy kości oparty na fosforanach wapnia, takimi jak: hydroksyapatyt, fosforan trójwapniowy, fosforan czterowapniowy, alfa pirofosforan wapnia, beta pirofosforan wapnia i inne, z dodatkiem substancji zwiększającej ładunek powierzchniowy cząstek mieszaniny (związki karboksylowe, zwłaszcza zawierające jony cytratowe albo polikarboksylowe, przykładowo kwas poliakrylowy).

W opisie zgłoszeniowym EP 0166263 A1 przedstawiono substytut kości bazujący na fosforanie wapnia i fibrynie. Natomiast opis patentowy PL 2029184 T3 ujawnia wstrzykiwalną kompozycję obejmującą składniki zawierające fibrynogen, trombinę, środek kontrastowy oraz sól wapnia. Materiały, w przeciwieństwie do cementów kostnych bazujących na polimetrakrylanie metylu, nie wykazują egzotermiczności.

Z opisu patentowego CN 103480039 B znany jest sposób wytwarzania nanomateriałowego cementu kostnego na bazie fazy stałej złożonej z trójfosforanu wapnia, hydroksyapatytu, nanorurek tlenku aluminium oraz fazy ciekłej na bazie kwasu cytrynowego, chitozanu oraz glikozy. Według zastrzeżonego sposobu wytwarzania fazę stałą miesza się z fazą ciekłą w proporcjach 0,3-0,8 g/1 ml. Materiał wykazuje dobre właściwości mechaniczne przy zachowaniu maksymalnej wytrzymałości na ściskanie 120 MPa. Z opisu patentowego CN 105031720 B znana jest metoda wytwarzania kompozytu nanohydroksyapatytowo-poliamidowego na bazie nanohydroksyapatytu, glikolu polietylowego, alkoholu etylowego, chlorku wapnia.

W opisie patentowym CN 103893827 B opisano metodę wytwarzania materiału kościozastępczego na bazie nanohydroksyapatytu z dodatkiem kolagenu oraz czynnika sieciującego pochodzenia naturalnego (transglutaminazy). Według opisu kolagen rozpuszcza się w wodzie (procent masowy kolagenu 20-40%), reguluje pH roztworu do poziomu 5-7 (z wykorzystaniem m.in. wodorotlenku sodu, wodorotlenku potasu, węglanu sodu), dodaje transglutaminazę (2-15 U/g kolagenu), następnie dodaje się nanohydroksyatyt (w proporcji 1:2-4 względem kolagenu) do uzyskania konsystencji pasty. Materiał umieszczony w formie pozostawia się do ostygnięcia, następnie poddaje inaktywacji enzymu i chłodzi w ultraniskotemperaturowej zamrażalce. Dzięki zastosowaniu nietoksycznych składników materiał jest wysoce biokompatybilny przy zachowaniu odpowiednich właściwości osteokonduktywnych.

Metoda wytwarzania materiału kościozastępczego na bazie ceramiki hydroksyapatytowej, kolagenu i czynnika sieciującego - transglutaminazy, genipiny lub aldehydu glutarowego został opisany w opisie zgłoszenia patentowego US 2011243913 A1. Dodatkowymi składnikami są m.in. czynniki biologiczne, biotyna i czynniki je wiążące (substancje z grupy składającej się z awidyny, streptawidyny i tamawidyny) oraz peptyd.

Sposób wykorzystania mieszaniny żelatyny i transglutaminazy jako kleju medycznego został opisany w opisie patentowym ES 2370095 T3. W zgłoszeniu patentowym US 6007613 A opisano biologiczny klej tkankowy z co najmniej dwoma składnikami, w którym pierwszy półpłynny składnik zawiera wodny roztwór żelatyny, a drugi składnik, który może występować w postaci żelu, zawiera aldehyd. Zgłoszenie patentowe WO 2006083384 A1 opisuje klej tkankowy, który jest wytwarzany przez sieciowanie albuminy i/lub żelatyny pewnymi poliaminami i/lub polikarboksylanami przy użyciu rozpuszczalnego w wodzie karbodiimidu.

W opisie zgłoszeniowym WO 2013074748 A1 zastrzeżono sposób wytwarzania nanokompozytu GEMUSSEL. Sposób ten obejmuje połączenie bioceramiki hydroksyapatytowo-żelatynowej (HAP-GEL), co najmniej jednego rodzaju dopaminy, co najmniej jednego środka utleniającego i co najmniej jednej soli wapnia w celu wytworzenia materiału GEMUSSEL, w którym materiał GEMUSSEL twardnieje tworząc nanokompozyt GEMUSSEL.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania nowego ceramiczno-polimerowego kompozytu, który dzięki zastosowaniu nietoksycznych składników charakteryzuje się wysoką biokompatybilnością. Ponadto charakteryzuje się wstrzykiwalnością, wysoką adhezją oraz właściwościami mechanicznymi zbliżonymi do właściwości mechanicznych ludzkiej kości.

Sposób otrzymywania kompozytu ceramiczno-polimerowego jako substytu kości lub jako materiału wiążącego implant z kością, zwłaszcza jako kleju kostnego, zawierającego materiał bioceramiczny, polimer pochodzenia naturalnego i czynnik sieciujący, polegający na wytworzeniu wodnego roztworu do którego dodaje się materiał bioceramiczny, korzystnie hydroksyapatyt, i następnie sieciuje, według wynalazku charakteryzuje się tym, że do wody w ilości 37 do 47% wag., korzystnie 45% wag. względem masy całego kompozytu w temperaturze od 40 do 60°C i przy szybkości mieszania od 150 do 300 rpm dodaje się polimer pochodzenia naturalnego, korzystnie żelatynę lub kolagen, w ilości od 17 do 19% wag., korzystnie 18% wag. względem masy całego kompozytu. Następnie przy ciągłym mieszaniu do wodnego roztworu polimeru pochodzenia naturalnego w temperaturze od 30 do 50°C, korzystnie 30°C dodaje materiały bioceramiczne na bazie bioszkła i/lub hydroksyapatytu i/lub nanohydroksyapatytu, korzystnie dodaje się hydroksyapatyt o wielkości ziaren nie większych niż 200 μm, w ilości od 35 do 38% wag., korzystnie 36% wag. względem masy całego kompozytu. Uzyskaną kompozycję poddaje się homogenizacji, korzystnie przez okres od 5 do 10 minut i kolejno do mieszaniny dozuje się czynnik sieciujący, korzystnie transglutaminazę lub chitozan lub glikol etylenowy lub aldehyd glutarowy, tak aby zawartość czynnika sieciującego wynosiła od 0,5 do 6% wag., korzystnie 2% wag. względem masy całego kompozytu. Po dodaniu czynnika sieciującego mieszaninę poddaje się homogenizacji przez okres od 5 do 30 sekund, korzystnie 10 sekund.

Korzystnie jako czynnik sieciujący stosuje się wodny roztwór koloidalny przygotowany poprzez wytrząsanie czynnika sieciującego w wodzie przez czas od 2 do 5 minut, korzystnie 5 minut, wytrząsarką przy prędkości obrotowej od 1000 do 2000 obr./min, korzystnie 1500 orb./min.

Korzystnie jako materiał bioceramiczny stosuje się bioszkło o średniej wielkości ziaren nie większych niż 80 μm lub nanohydroksyapatyt o średniej wielkości ziaren nie mniejszych niż 20 nm.

Korzystnie jako materiał bioceramiczny stosuje się mieszaninę hydroksyapatytu o średniej wielkości ziaren nie większych niż 200 μm i bioszkła o wielkości ziaren nie większych niż 80 μm w stosunku wagowym 1:1.

Korzystnie jako materiał bioceramiczny stosuje się mieszaninę nanohydroksyapatytu o średniej wielkości ziaren nie mniejszych niż 20 nm i bioszkła o wielkości ziaren nie większych niż 80 μm w stosunku wagowym 1:1.

Sposobem według wynalazku można otrzymywać kompozyt ceramiczno-polimerowy do zastosowań jako substytut kości i jako materiał wiążący kość z implantem. Dzięki zastosowaniu powyższego sposobu możliwe jest uzyskanie następujących efektów techniczno-użytkowych:

- Dzięki zastosowaniu nietoksycznych komponentów materiał charakteryzuje się wysoką biokompatybilnością,

- dzięki zastosowaniu fosforanów wapnia i/lub bioszkieł materiał charakteryzuje się bioaktywnością i właściwościami osteokonduktywnymi oraz odpowiednimi właściwościami mechanicznymi,

- dzięki zastosowaniu polimerowej matrycy możliwe jest wytworzenie materiału odpornego na kruche pękanie i sterowanie zachowaniem biologicznym materiału w środowisku żywych tkanek,

- dodanie czynnika sieciującego zwiększa właściwości mechaniczne materiału.

Wynalazek objaśniono w poniższych przykładach wykonania:

Przykład 1

W 8 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 3 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 6 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmu Sigmy Aldrich). Mieszając przez 5 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 0,15 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 2

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 4 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 8 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmu Sigmy Aldrich). Mieszając przez 7 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 0,4 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 3

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 4 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 8 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmy Sigmy Aldrich). Mieszając przez 5 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 1,2 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 4

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 5 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 10 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmy Sigmy Aldrich). Mieszając przez 5 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 1,5 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 5

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 4 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 8 g bioszkła 45S5 (produkt firmy Metaxcel) w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 10 μm. Mieszając przez 5 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 0,4 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 6

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 4 g kolagenu. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano 8 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmy Sigmy Aldrich). Mieszając przez 7 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 0,4 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 7

W 10 ml wody demineralizowanej o temperaturze 30°C w szklanym naczyniu umieszczonym na mieszadle magnetycznym, przy prędkości obrotowej 200 rpm, rozpuszczono 4 g żelatyny. Do tak przygotowanego roztworu, przy ciągłym mieszaniu, w temperaturze od 40 do 60°C dodano mieszaninę 8 g hydroksyapatytu w postaci proszku o średniej wielkości ziaren < 200 μm (produkt firmy Sigmy Aldrich)

PL 247432 BI i bioszkła 45S5 (produkt firmy Metaxcel) w postaci proszku o średniej wielkości ziaren <10 μm w proporcji 1:1. Mieszając przez 7 minut otrzymano kompozyt ceramiczno-polimerowy o konsystencji jednolitej pasty. Ciągle mieszając dodano czynniki sieciujący transglutaminazę w ilości 0,4 g. Kompozyt mieszano przez 10 sekund i umieszczono w przygotowanych formach. Otrzymano elastyczny i biozgodny materiał kompozytowy.

Przykład 8. Właściwości mechaniczne

Aby zbadać właściwości mechaniczne kompozytu ceramiczno-polimerowego według wynalazku sporządzono w specjalnie przygotowanych formach próbki kompozytu według sposobu podanego w przykładach 1-5. Próbki po umieszczeniu w formach o średnicy 20 mm suszono w powietrzu przez 4 dni, następnie wykonano badania mechaniczne z wykorzystaniem techniki mikroindentacji. Wykonano 8 niezależnych, oddalonych od siebie o 100 pm, pomiarów z maksymalną wartością siły wynoszącą 5 N oraz z czasem narastania siły, czasem wstrzymania z maksymalną wartością siły oraz czasem odciążania do wartości zerowej siły odpowiednio 15, 5 i 10 s. Wyniki dla przykładów 1-5 przedstawiono w postaci wartości średniej z odchyleniem standardowym w Tabeli 1.

Tabela 1. Właściwości mechaniczne (moduł Younga i twardość) kompozytów ceramiczno-polimerowych

Materiał / Przykład	moduł Younga E [GPa]	Twardość H [GPa]
I	9,51 ±0,46	0,23 ± 0,02
II	11,17 ± 1,11	0,29 ± 0,05
III	5,73 ± 1,61	0,19 ±0,05
IV	6,55 ±0,19	0,16 ±0,01
V	10,58 ± 1,85	0,25 ± 0,06

Przykład 9. Ocena potencjalnej bioaktywności

W celu określenia potencjalnej bioaktywności kompozytu ceramiczno-polimerowego według wynalazku sporządzono w specjalnie przygotowanych formach próbki kompozytu według sposobu podanego w przykładach 1-5. Próbki po umieszczeniu w formach o średnicy 20 mm suszono w powietrzu przez 4 dni, następnie poddano badaniu zwilżalności z wykorzystaniem metody spadającej kropli. Dla każdej z próbek wykonano 3 niezależne pomiary z wykorzystaniem kropli o objętości ~3 pL. Kąt zwilżania odczytywano każdorazowo po stałym czasie od rozpoczęcia pomiaru (spuszczeniu kropli na badaną powierzchnię). Wyniki dla przykładów 1-5 przedstawiono w postaci wartości średniej z odchyleniem standardowym w Tabeli 2.

Tabela 2. Zwilżalność kompozytów ceramiczno-polimerowych

Materiał / Przykład	kąt zwilżania uśredniony [°]
I	88,61 ±2,33
II	93,25 ± 2,87
III	97,77 ± 6,68
IV	113,16 ± 3,59
V	36,91 ±5,27

Claims (5)

1. Sposób otrzymywania kompozytu ceramiczno-polimerowego jako substytu kości lub jako materiału wiążącego implant z kością, zwłaszcza jako kleju kostnego, zawierającego materiał bioceramiczny, polimer pochodzenia naturalnego i czynnik sieciujący, polegający na wytworzeniu wodnego roztworu do którego dodaje się materiał bioceramiczny, korzystnie hydroksyapatyt, i następnie sieciuje znamienny tym, że do wody, korzystnie demineralizowanej, w ilości 37 do 47% wag., korzystnie 45% wag. względem masy całego kompozytu w temperaturze od 40 do 60°C i przy szybkości mieszania od 150 do 300 rpm dodaje się polimer pochodzenia naturalnego: żelatynę lub kolagen, w ilości od 17 do 19% wag., korzystnie 18% wag. względem masy całego kompozytu, a następnie przy ciągłym mieszaniu w temperaturze od 30 do 50°C, korzystnie 30°C dodaje się materiały bioceramiczne na bazie bioszkła i/lub hydroksyapatytu i/lub nanohydroksyapatytu, korzystnie dodaje się hydroksyapatyt o wielkości ziaren nie większych niż 200 μm, w ilości od 35 do 38% wag., korzystnie 36% wag. względem masy całego kompozytu, a uzyskaną kompozycję poddaje się homogenizacji, korzystnie przez okres od 5 do 10 minut i kolejno do mieszaniny dozuje się czynnik sieciujący: transglutaminazę lub chitozan lub glikol etylenowy lub aldehyd glutarowy, tak aby zawartość czynnika sieciującego wynosiła od 0,5 do 6% wag., korzystnie 2% wag. względem masy całego kompozytu, a następnie mieszaninę poddaje się homogenizacji przez okres od 5 do 30 sekund, korzystnie 10 sekund.

2. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako czynnik sieciujący stosuje się wodny roztwór koloidalny przygotowany poprzez wytrząsanie czynnika sieciującego w wodzie przez czas od 2 do 5 minut, korzystnie 5 minut, wytrząsarką przy prędkości obrotowej od 1000 do 2000 obr./min, korzystnie 1500 orb./min.

3. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako materiał bioceramiczny stosuje się bioszkło o średniej wielkości ziaren nie większych niż 80 μm lub nanohydroksyapatyt o średniej wielkości ziaren nie mniejszych niż 20 nm.

4. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako materiał bioceramiczny stosuje się mieszaninę hydroksyapatytu o wielkości ziaren nie większych niż 200 μm i bioszkła o wielkości ziaren nie większych niż 80 μm w stosunku wagowym 1:1.

5. Sposób według zastrz. 1 znamienny tym, że jako materiał bioceramiczny stosuje się mieszaninę nanohydroksyapatytu o średniej wielkości ziaren nie mniejszych niż 20 nm i bioszkła o wielkości ziaren nie większych niż 80 μm w stosunku wagowym 1:1.