PL248713B1

PL248713B1 - Iniekcyjny preparat kościotwórczy oraz sposób wytwarzania takiego preparatu

Info

Publication number: PL248713B1
Application number: PL446693A
Authority: PL
Inventors: Witold ŁOJKOWSKI; Witold Łojkowski; Elżbieta PIETRZYKOWSKA; Elżbieta Pietrzykowska; Urszula Szałaj
Original assignee: Intergos Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2023-11-09
Filing date: 2023-11-09
Publication date: 2026-01-19
Also published as: PL446693A1

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest preparat, który stanowi jednolitą mieszaninę wody, dekstryny i syntetycznego hydroksyapatytu. Syntetyczny hydroksyapatyt charakteryzuje się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą mieszczącą się w zakresie od 125 do 155 m2/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2% do 6%. Udział syntetycznego hydroksyapatytu w całości mieszaniny wynosi 18% do 52% wagowych, zaś zawartość dekstryny w tej mieszaninie wynosi od 1% do 20% wagowych udziału hydroksyapatytu. Zgłoszenie obejmuje też sposób wytwarzania takiego preparatu, który polega na tym, że stosuje się wodną zawiesinę syntetycznego hydroksyapatytu, charakteryzującego się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą z zakresu od 125 do 155 m2/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2% do 6%. Początkowy udział hydroksyapatytu w zawiesinie wynosi nie więcej niż 6% wagowych. Zawiesinę tę zagęszcza się do konsystencji pasty poprzez usuwanie wody co najmniej do uzyskania udziału hydroksyapatytu na poziomu 18% wagowych, po czym dodaje się do tej pasty sproszkowaną dekstrynę w ilości od 1% do 20% wagowych bieżącego udziału hydroksyapatytu, a następnie całość miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest iniekcyjny preparat kościotwórczy, zawierający nanokrystaliczny hydroksyapatyt i wodę, przeznaczony zwłaszcza do wypełniania porowatości w tytanowych implantach kręgosłupa, oraz sposób wytwarzania takiego preparatu.

W chirurgii kręgosłupa stosuje się implanty, wykonane ze stopów tytanu metodą druku 3D. Implanty takie charakteryzują się otwartą porowatą strukturą, której powierzchnię pokrywa się warstwą bioaktywnej ceramiką, w celu nadania implantom lepszych właściwości biologicznych. Jednakże pokrywanie porowatych struktur jest trudne i bywa mało skuteczne. Za korzystne uznaje się przerośnięcie tkanką kostną porowatości takiego implantu, gdyż zwiększa to jego stabilność w miejscu wszczepienia. W tym celu, poza fabrycznym pokrywaniem implantu warstwą bioaktywną, już w trakcie operacji wypełnia się dostępne puste przestrzenie implantu ceramicznymi preparatami bioaktywnymi, albo w postaci sproszkowanej albo w postaci pasty, na przykład pasty sporządzonej ze sproszkowanego syntetycznego hydroksyapatytu i wody.

Przykładem takiej pasty jest preparat o handlowej nazwie OSTIM, ujawniony między innymi w publikacji nr EP0664133A1, i stosowany na przykład w stomatologii, do wypełnienia wyrostka zębowego. Pasta ta zawiera nanokrystality syntetycznego hydroksyapatytu (nHAP), mające postać nanosłupków o typowych rozmiarach 70 χ 20 nm, ale czasem przekraczających nawet rozmiar 300 nm. Powierzchnia właściwa tych krystalitów wynosi 100 m²/g. Pasta OSTIM zawiera 35% wagowych nHAP i jest podawana podczas operacji przez strzykawkę pozbawioną igły. W badaniach in vivo stwierdzono obecność tej pasty w miejscu wszczepieniu nawet po dwunastu miesiącach.

Innym dostępnym na rynku produktem tego typu jest pasta o nazwie handlowej ReproBone, oferowana przez Ceramisys Ltd. Sheffield z Wielkiej Brytanii. Pasta ta także zawiera hydroksyapatyt o powierzchni właściwej do 100 m²/g i charakteryzuje się dosyć wysoką lepkością, dzięki czemu można ją wyciskać z aplikatora lub formować w palcach.

W literaturze naukowej pojawiają się doniesienia o próbach modyfikacji właściwości pasty hydroksyapatytowej poprzez dodatek polimeru, takiego jak glikol polietylenowy, gliceryna, alginian sodu, kwas hialuronowy i dekstran. Przykłady takich past, modyfikowanych gliceryną i karboksymetylocelulozą, ujawniono w publikacji autorstwa A. Kaneko, E. Marukawa i H. Harada p.t. „Hydroxyapatite Nanoparticles as Injectable Bone Substitute Material in a Vertical Bone Augmentation Model” [In vivo 34: 1053-1061,2020]. Efektem takiej modyfikacji były pasty zawierające nHAP o średnim rozmiarze ziarna wynoszącym 40 nm i o różnych lepkościach. Pasty o wysokiej lepkości były w stanie utrzymać swój kształt i po wylaniu miały nieregularną powierzchnię. Natomiast pasty o niskiej lepkości, zawierające 25% wagowych nHAP nie były w stanie utrzymać swojego kształtu z powodu rozdzielania się hydroksyapatytu i wody. Okazała się, że tak modyfikowana pasta, zawierająca 35% wagowych nHAP, ma co prawda dużą lepkość, która pozwala na dawkowanie tej pasty w konkretne miejsca, ale powoduje niższy przyrost tkanki kostnej niż pasta o mniejszej stabilności postaciowej ze względu na zawartość tylko 25% wagowych nHAP. Według autorów tej publikacji stopień przyrostu tkanki kostnej zależy od mechanizmu tworzenia się aglomeratu powstającego wskutek wchłaniania przez organizm wody oraz od polimerów stosowanych do modyfikacji pasty.

Celem wynalazku było uzyskanie półpłynnego preparatu zawierającego nanokrystaliczny hydroksyapatyt i nadającego się do iniekcyjnego wypełniania przestrzeni kostnych podczas operacji ortopedycznych, zwłaszcza do wypełniania pustych przestrzeni w tytanowych implantach kręgosłupa umieszczanych w organizmie pacjenta.

Cel taki spełnia preparat według wynalazku, który stanowi jednolitą mieszaninę wody, dekstryny i syntetycznego hydroksyapatytu. Użyty w tym preparacie syntetyczny hydroksyapatyt charakteryzuje się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą mieszczącą się w zakresie od 125 do 155 m²/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2 do 6%. Udział syntetycznego hydroksyapatytu w całości mieszaniny wynosi 18 do 52% wagowych, zaś zawartość dekstryny w tej mieszaninie wynosi od 1 do 20% wagowych udziału hydroksyapatytu.

W jednym z wariantów preparatu według wynalazku zawiera on od 18 do 25% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 1 do 5% wagowych udziału hydroksyapatytu.

W innym z wariantów preparatu według wynalazku zawiera on od 28 do 35% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 1 do 5% wagowych udziału hydroksyapatytu.

W jeszcze innym wariancie preparatu według wynalazku zawiera on od 49 do 52% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 10 do 20% wagowych udziału hydroksyapatytu.

Sposób wytwarzania preparatu według wynalazku polega na tym, że stosuje się wodną zawiesinę syntetycznego hydroksyapatytu. Użyty w tym preparacie syntetyczny hydroksyapatyt charakteryzuje się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą mieszczącą się w zakresie od 125 do 155 m²/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2% do 6%. Początkowy udział hydroksyapatytu w zawiesinie wynosi nie więcej niż 6% wagowych. Użytą zawiesinę zagęszcza się do konsystencji pasty poprzez usuwanie wody co najmniej do uzyskania udziału hydroksyapatytu na poziomu 18% wagowych. Następnie dodaje się do tej pasty sproszkowaną dekstrynę w ilości od 1 do 20% wagowych bieżącego udziału hydroksyapatytu, a następnie całość miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny.

W jednym z wariantów sposobu według wynalazku wodną zawiesinę hydroksyapatytu poddawaną zagęszczeniu uzyskuje się w znanym procesie mikrofalowym z jednorodnej mieszaniny zawiesiny wodorotlenku wapnia w wodzie i kwasu fosforowego.

W kolejnym wariancie sposobu według wynalazku zagęszczanie wodnej zawiesiny hydroksyapatytu prowadzi się w trzech etapach, przy czym w pierwszym etapie zawiesinę zagęszcza się do poziomu 11% wagowych poprzez sedymentację, w drugim etapie zagęszczania nadmiar wody usuwa się poprzez odwirowanie, zaś w trzecim etapie pozostały nadmiar wody usuwa się w suszarce z nawiewem w temperaturze z zakresu od 20 do 90°C.

W kolejnym wariancie sposobu według wynalazku mieszanie dekstryny z zagęszczoną zawiesiną hydroksyapatytu z prowadzi się w młynie kulowym.

W kolejnym wariancie sposobu według wynalazku zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 21% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 1,5% wagowo dekstryny.

W innym wariancie sposobu według wynalazku zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 31% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 3,1% wagowo dekstryny.

W jeszcze innym wariancie sposobu według wynalazku zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 51% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 10% wagowo dekstryny.

Nieoczekiwanie okazało się, że dodatek nawet niewielkiej ilości dekstryny do preparatu zawierającego nanokrystaliczny hydroksyapatyt i wodę, znacząco zwiększa jego płynność, pomimo zastosowania bardzo drobnych ziaren hydroksyapatytu. Duża płynność implikuje zdolność do precyzyjnego, czyli nawet przy pomocy strzykawki z cienką igłą, wstrzykiwania preparatu w wybrane rejony implantu, oraz zdolność do wypełniania porowatej struktury tego implantu przez wstrzyknięty preparat. Dodatkowo, nieoczekiwanie okazało się, że stopień upłynnienia wspomnianego preparatu w prosty sposób można regulować udziałem dekstryny. Preparat według wynalazku zachowuje dużą stabilność postaciową w czasie, czyli małą podatność na wydzielanie się z wody z tego preparatu. Dekstryna, na jako dodatek upłynniająco-stabilizujący, jest jednocześnie bioresorbowalna i obojętna dla ludzkiego organizmu. Całkowite wypełnienie preparatem porów implantu kręgosłupa utrudnia powstawanie stanów zapalnych i zapewnia mocne zakotwiczenie tego implantu w nowej tkance kostnej, która pojawi się sukcesywnie w przestrzeniach wcześniej wypełnionych przez preparat według wynalazku.

Wynalazek zostanie opisany bardziej szczegółowo na podstawie trzech poniższych przykładów jego realizacji. Wielkość ziaren hydroksyapatytu, który wykorzystano do wytworzenia tych przykładowych preparatów, wyznaczono w sposób pośredni, na podstawie powierzchni właściwej i gęstości szkieletowej, zakładając, że wszystkie cząstki były kuliste. Powierzchnia właściwa hydroksyapatytu została zmierzona metodą izotermii BET przy użyciu urządzenia Gemini 2360 firmy Micromeritics, zgodnie z normą ISO 9277:2010, natomiast gęstość szkieletowa została określona za pomocą piknometru helowego (AccuPyc II 1340, Micromeritics) w temperaturze 24 ±2°C, zgodnie z normą ISO 12154:2. Materiał cząstek hydroksyapatytu zawierał od 2 do 6% wagowo wody strukturalnej. Zawartość wody strukturalnej ustalono metodą termograwimetrii, mierząc utratę masy nanoproszku podczas ogrzewania go powyżej 200°C.

Pr zykład 1

Preparat kościotwórczy zawierający wodę, 21% wagowych nanocząstek hydroksyapatytu oraz 1,5% wagowych dekstryny

Nanocząstki hydroksyapatytu wykorzystane w tym przykładzie do sporządzenia preparatu uzyskano w znanym procesie, ujawnionym w publikacji PL235292B1. Proces ten zawiera etap przygotowania prekursora, polegający na sporządzeniu jednorodnej mieszaniny zawiesiny wodorotlenku wapnia w wodzie i kwasu fosforowego, oraz etap formowania z tego prekursora nanostruktur krystalicznych poprzez oddziaływanie na przygotowany prekursor promieniowaniem mikrofalowym. Efektem tego realizacji tego procesu było uzyskanie 1000 ml wodnej zawiesina nanohydroksyapatytu (nHAP) o wielkości ziarna wynoszącej 16 ±3 nm, powierzchni właściwej wynoszącej 140 ±15 m²/g oraz o stosunku ilości wapnia do fosforu (Ca/P) równym 1,61 ±0,04. W zawiesinie tej ograniczano udział wody w trzech etapach. W pierwszym etapie otrzymaną zawiesinę poddano procesowi sedymentacji w butelce, po czym zlano wodę znad osadzonych na dnie tej butelki cząstek nHAP, uzyskując zawiesinę o zawartości 6% wagowych hydroksyapatytu. W drugim etapie, z zawiesiny o stężeniu hydroksyapatytu wynoszącym 6% wagowych, umieszczonej w czterech pojemnikach z polipropylenu o pojemności 350 ml każdy, oddzielano mechanicznie wodę przez okres 30 minut za pomocą wirówki typu MPW-380, nastawionej na 4000 obrotów na minutę. W dolnej części każdego z tych pojemników, po zlaniu nadmiaru wody pozostała pasta o zawartość 11% wagowych nHAP. W trzecim etapie uzyskaną pastę zagęszczano w suszarce z nawiewem powietrza 60% w temperaturze 60°C przez okres 1,5 godziny. Po tym czasie uzyskano mieszaninę wody z nHAP o konsystencji pasty, zawierającą 21% wagowych hydroksyapatytu. Stężenie nHAP w tej paście wyznaczono przy pomocy wagosuszarki firmy Sartorius. Do tak otrzymanej pasty dodano polimeru o nazwie dekstryna (C6H12O6; CAS-No. 9004-53-9, Dextrin from potato starch, dostawca Merck Life Science Sp. z o.o.) w ilości 5% wagowych zawartości hydroksyapatytu. W tym celu, na wadze analitycznej odważono 20 gramów wodnej pasty nHAP oraz 0,21 gramów suchej sproszkowanej dekstryny. Następnie oba te składniki umieszczono w młynie planetarno-kulowym i mieszano do uzyskania jednolitej masy. W tym celu zastosowano młyn planetarno-kulowy firmy Retsch PM100, z naczyniem mielącym o pojemności 300 ml i kulkami ceramicznymi o średnicy 10 mm. W celu uzyskania 10 gramów gotowej pasty z dekstryną młyn pracował z prędkością 400 obrotów na minutę przez okres 30 minut. Gotową pastą o jednolitej konsystencji wypełniano standardowe strzykawki insulinowe o pojemnościach 1,2 i 5 ml. Otrzymany w ten sposób preparat kościotwórczy w postaci pasty charakteryzował się wstrzykiwalnością umożliwiającą jego aplikację przez standardową igłę insulinową o rozmiarze 25G (25 Gauge Needle), czyli o średnicy zewnętrznej wynoszącej 0,51 mm i o średnicy wewnętrznej wynoszącej 0,26 mm. Dodatek dekstryny spowodował zauważalne zmniejszenie lepkości preparatu w porównaniu z preparatem zawierającym tylko hydroksyapatyt i wodę, co spowodowało, że otrzymana w tym przykładzie pasta rozpływała się i miała gładką konsystencję, dzięki czemu wypełniała porowatości implantu tytanowego, w tym przestrzenie o rozmiarach 1 χ 1 mm.

Przykład 2

Preparat kościotwórczy zawierający wodę, 31% wagowych nanocząstek hydroksyapatytu oraz do 3,1% wagowych dekstryny

Wodną zawiesinę hydroksyapatytu przygotowano i odwodniono w pierwszym i drugim etapie w takim sam sposób jak w przykładzie pierwszym. Trzeci etap usuwania wody trwał w tej samej co poprzednio suszarce, ale przez okres trzech godzin. W konsekwencji uzyskano wodną pastę, zawierającą 21% wagowych hydroksyapatytu. Do pasty tej dodano tę samą co w pierwszym przykładzie dekstrynę, w ilości 10% wagowych, i oba te składniki poddano mieszaniu w tym samym co poprzednio młynie, przez okres 30 minut i przy prędkości 400 obrotów na minutę, uzyskując preparat o jednolitej konsystencji. Uzyskany w tym przykładzie preparat kościotwórczy, w postaci pasty hydroksyapatytowej zmodyfikowanej dekstryną, dawał się podawać za pomocą znanej strzykawki insulinowej ze stalową igłą iniekcyjną o średnicy 1,2 mm, zachowując w czasie kształt jaki przybierał podczas wstrzykiwania. Tak jak w poprzednim przykładzie, otrzymana pasta miała mniejsza lepkość niż pasta składająca się tyko z hydroksyapatytu i wody, przez co skutecznie wypełniała porowatości implantów tytanowych, w tym przestrzenie o rozmiarach 1 χ 1 mm Proliferacja komórek linii L929 dla uzyskanego w tym przykładzie preparatu kościotwórczego wynosiła powyżej 40%, według badań cytotoksyczności wykonanych zgodnie z normą.

Przykład 3

Preparat kościotwórczy zawierający wodę, 51% wagowych nanocząstek hydroksyapatytu oraz do 10% wagowych dekstryny

Wodną pastę nHAP otrzymano w ten sam sposób co w obu poprzednich przykładach, przy czym odwadnianie w trzecim etapie, realizowano w tej samej suszarce, trwało aż sześć godzin. Odwodnioną wodną pastę nHAP wymieszano z tą samą co poprzednio dekstryną, dodając jej w ilości 20% wagowych zawartości hydroksyapatytu. Jednolitą mieszaninę obu składników uzyskano w tym samym co poprzednio młynie kulowym w czasie 30 minut i przy tych samych co poprzednio obrotach. Otrzymany jednorodny preparat kościotwórczy dawał się wstrzykiwać przy pomocy aplikatora tłokowego o średnicy otworu wyjściowego równej średnicy tłoka, wynoszącej 8 mm. Pomimo oczekiwanej dużej lepkości, wynikającej z dużego udziału hydroksyapatytu, dodatek dekstryny umożliwił dokładne wypełnienie porowatości implantu tytanowego, w tym jego przestrzeni o rozmiarach 1 χ 1 mm.

Claims

1. Iniekcyjny preparat kościotwórczy, zawierający nanokrystaliczny hydroksyapatyt i wodę, znamienny tym, że stanowi jednolitą mieszaninę wody, dekstryny i syntetycznego hydroksyapatytu, przy czym syntetyczny hydroksyapatyt charakteryzuje się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą mieszczącą się w zakresie od 125 do 155 m²/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2 do 6%, udział syntetycznego hydroksyapatytu w całości mieszaniny wynosi 18 do 52% wagowych, zaś zawartość dekstryny w tej mieszaninie wynosi od 1 do 20% wagowych udziału hydroksyapatytu.

2. Iniekcyjny preparat kostny według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 18 do 25% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 1 do 5% wagowych udziału hydroksyapatytu.

3. Iniekcyjny preparat kostny według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 28 do 35% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 1 do 5% wagowych udziału hydroksyapatytu.

4. Iniekcyjny preparat kostny według zastrz. 1, znamienny tym, że zawiera od 49 do 52% wagowych hydroksyapatytu i dekstrynę w ilości od 10 do 20% wagowych udziału hydroksyapatytu.

5. Sposób wytwarzania iniekcyjnego preparatu kostnego, zawierającego nanokrystaliczny hydroksyapatyt i wodę, znamienny tym, że stosuje się wodną zawiesinę syntetycznego hydroksyapatytu, charakteryzującego się wielkością ziaren z zakresu od 13 do 19 nm, powierzchnią właściwą z zakresu od 125 do 155 m²/g oraz zawartością wody strukturalnej w zakresie od 2 do 6%, w której to zawiesinie udział hydroksyapatytu wynosi nie więcej niż 6% wagowych, zagęszcza się tę zawiesinę do konsystencji pasty poprzez usuwanie wody co najmniej do uzyskania udziału hydroksyapatytu na poziomu 18% wagowych, po czym dodaje się do tej pasty sproszkowaną dekstrynę w ilości od 1 do 20% wagowych bieżącego udziału hydroksyapatytu, a następnie całość miesza się do uzyskania jednorodnej mieszaniny.

6. Sposób według zastrz. 5, znamienny tym, że wodną zawiesinę hydroksyapatytu poddawaną zagęszczeniu uzyskuje się w znanym procesie mikrofalowym z jednorodnej mieszaniny zawiesiny wodorotlenku wapnia w wodzie i kwasu fosforowego.

7. Sposób według zastrz. 5 albo 6, znamienny tym, że zagęszczanie wodnej zawiesiny hydroksyapatytu prowadzi się w trzech etapach, przy czym w pierwszym etapie zawiesinę zagęszcza się do poziomu 11% wagowych poprzez sedymentację, w drugim etapie zagęszczania nadmiar wody usuwa się poprzez odwirowanie, zaś w trzecim etapie pozostały nadmiar wody usuwa się w suszarce z nawiewem w temperaturze z zakresu od 20 do 90°C.

8. Sposób według zastrz. 5 albo 6, albo 7, znamienny tym, że mieszanie dekstryny z zagęszczoną zawiesiną hydroksyapatytu prowadzi się w młynie kulowym.

9. Sposób według zastrz. 5 albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 21% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 1,5% wagowo dekstryny.

10. Sposób według zastrz. 5 albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 31% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 3,1% wagowo dekstryny.

11. Sposób według zastrz. 5 albo 6, albo 7, albo 8, znamienny tym, że zagęszczanie zawiesiny kończy się po uzyskaniu 51% udziału wagowego hydroksyapatytu, po czym dodaje się 10% wagowo dekstryny.