RU2197509C1

RU2197509C1 - Полимерная композиция биомедицинского назначения

Info

Publication number: RU2197509C1
Application number: RU2001115591A
Authority: RU
Inventors: А.П. Краснов; О.В. Афоничева; А.Б. Попова; М.Е. Казаков; И.А. Рашкован; А.И. Воложин; В.К. Попов; С.А. Ульянов
Original assignee: Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова; ООО НПЦ "УВИКОМ" (Углеродные волокна и композиты)
Priority date: 2001-06-08
Filing date: 2001-06-08
Publication date: 2003-01-27

Abstract

Описывается полимерная композиция биомедицинского назначения, содержащая термопластичный полимер - полиамид или пропилен, биосовместимый порошкообразный наполнитель - гидроксиапатит и углеродный волокнистый наполнитель, а в качестве модификатора используют полиакриловую кислоту и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов, мас.ч.: термопластичный полимер 85-45, гидроксиапатит 10-35, углеродный волокнистый наполнитель 5-35, полиакриловая кислота 0,002-0,2, поливинилпирролидон 0,04-0,25. Материал, полученный из композиции, обладает прочностью 700-1200 МПа, твердостью до 120 МПа и краевым углом смачивания от 16 до 40^o. 4 табл.

Description

Изобретение относится к области композиционных полимерных материалов биомедицинского назначения, содержащих наряду с полимерным связующим и биосовместимым наполнителем - гидроксиапатитом, такие полимеры, как полиакриловая кислота и поливинилпирролидон, точнее к полимерным композитным имплантатам, используемым в качестве протезов для эндопротезирования в хирургии.

Наиболее эффективно предлагаемые материалы могут быть использованы в области костной ортопедии и челюстно-лицевой хирургии для изготовления различной биосовместимой и рентгенопрозрачной крепежной арматуры, в операционной технологии - для изготовления биосовместимых пластин и протезов кортикальных несущих скелетных костей, испытывающих высокие механические нагрузки.

Известен композиционный материал для хирургических имплантатов, полученный из полимерной композиции, состоящей из полимерного связующего (полиэтилена), наполнителя - гидроксиапатита и ориентированных высокомодульных полиэтиленовых волокон (Ward, Ian Macmillan; Ladizesky, Noe Hugo // Compacted biomaterials // pat. GB 96-800 960115).

Известна также аналогичная вышеуказанной композиция (N.H. Ladizesky, E. M. Pirhonen, D.B. Appleyard, I.M. Ward, W. Bonfield // Fibre reinforcement of ceramic/polymer composites for a major load-bearing bone Substitute material. Composites Science and Technology 58 (1998), 419-434), состоящая из слоев ориентированных непрерывных полиэтиленовых волокон, гидроксиапатита и полиэтилена.

Недостатками известных материалов, получаемых из данных композиций, является то, что оба материала получены экструзией, т.к. не могут быть переработаны методом литья под давлением, материалы анизотропны и их физико-механические свойства резко отличаются в нормальном и тангециональном направлении относительно волокна.

Кроме того, они имеют низкую твердость (около 20 МПа) и высокий краевой угол смачивания ( 50-70^o), что заметно отличается от показателей натуральной кости и затрудняет их использование для остеопротезирования.

Известен также композиционный материал для имплантатов (Okuno Masaki, Shikinami Yasuo // Osteosynthetic material, composited implant and process for preparing the same. Pat. EP0795336, A4), полученный из композиции, в которой в качестве связующих использованы полиэтилен, полипропилен, полилактид, а в качестве наполнителей гидроксиапатит и биоактивное стекло. Этот материал имеет повышенную биосовместимость и физико-механическую прочность по сравнению с вышеприведенными аналогами. Однако и этот материал имеет недостаточный уровень взаимодействия между полимером и наполнителем (гидроксиапатитом) в промежуточном слое (интерфейс). В связи с этим сохраняются относительно невысокие показатели твердости (до 4 кг/мм²) и прочности на изгиб (до 30 МПа).

Известен композиционный материал для хирургических имплантатов, выбранный в качестве прототипа как наиболее близкий по составу и назначению (S. Deb, M. Wang, K.E. Tanner, W. Bonfield // Hydroxyapatite-polyethylene composites: effect of grafting and surface treatment of hydroxyapatite. Journal of materials science: materials in medicine 7 (1996) 191-193).

Композиция прототипа состоит из полиэтилена, сшитого перекисью бензоила, в количестве 70 в.ч. и гидроксиапатита в количестве 20-40 в.ч. Дополнительно для повышения прочности она содержит модификаторы: жидкую акриловую кислоту (3 в. ч.) и кремнийорганический модификатор - триметоксисилилпропилметакрилат. Образцы, полученные из этой композиции, имеют прочность до 27 МПа и твердость до 30,0 МПа, краевой угол смачивания - 65-75^o. Изготовление образцов из этой композиции возможно только методом компрессионного прессования. Недостатками данной композиции являются: невозможность получения изделий более технологичным методом литья, высокий (65-75^o) краевой угол смачивания, низкая твердость (30 МПа), что затрудняет использование в остеопротезировании, где требуются более высокие физико-механические показатели и лучшая смачиваемость имплантата.

Задачей данного изобретения является получение полимерной композиции биомедицинского назначения, способной перерабатываться литьем для конструкционного материала, обладающего биосовместимостью, рентгенопрозрачностью, повышенной прочностью, твердостью, что позволяет его использовать в качестве крепежной арматуры в костной ортопедии челюстно-лицевой хирургии.

Поставленная задача достигается тем, что полимерная композиция биомедицинского назначения, содержащая термопластичный полимер, биосовместимый порошкообразный наполнитель гидроксиапатит и модификатор, дополнительно содержит углеродный волокнистый наполнитель, в качестве термопластичного полимера используют полимер, выбранный из группы полиамида, полипропилена, а в качестве модификатора используют полиакриловую кислоту и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:
Термопластичный полимер - 85-45
Гидроксиапатит - 10-35
Углеродный волокнистый наполнитель - 5-35
Полиакриловая кислота - 0,002-0,2
Поливинилпирролидон - 0,04-0,25
Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что композиция дополнительно содержит углеродный волокнистый наполнитель, в качестве термопластичного полимера используют полимер, выбранный из группы полиамида, полипропилена, а в качестве модификатора используют полиакриловую кислоту и поливинилпирролидон.

Предлагаемая полимерная композиция может быть переработана как литьевыми методами, так и другими (прессованием, экструзией) с получением стабильного по свойствам конструкционного материала.

Свойства компонентов, из которых состоит предлагаемый материал, широко известны, поскольку они используются в различных отраслях промышленности, и в том числе в медицине.

В качестве связующих термопластов исследованы:
полиамид-12 (ПА-12) (полидодеканамид) [-HN(CH₂)₁₁CO-]_n - плотность 1,02 г/см³, t^o _плавл. - 180^o;
полиамид-11 (ПА-11) (поли-ω-удеканамид) [-HN(CH₂)₁₀CO-] _n - плотность 1,02 г/см³, t^o _плавл. - 185^oС;
полипропилен (ПП) [-CH₂-(CH₃)CH-]_n - плотность 0,9-0,92 г/см³, t^o _плавл. - 160-176^oС.

Все эти полимеры исследованы медиками на биосовместимость и, судя по материалам статей, предлагаются в качестве имплантатов различных типов. Преимуществом всех предлагаемых связующих является большая по сравнению с полиэтиленом прочность и твердость, что определяется химической структурой полимеров.

Наполнителями разработанного материала являются гидроксиапатит и углеродное волокно. Гидроксиапатит широко применяется в качестве биосовместимого наполнителя имплантатов, в том числе и в композиции прототипа. В разработанном материале был использован гидроксиапатит в виде порошка размером около 1 мкм с соотношением Са/Р = 1,67.

Для обеспечения более высокой механической прочности без ухудшения биосовместимости в организме человека было использовано углеродное волокно марок УКН и УВИС. Волокна получены высокотемпературной обработкой (1500^oС) полиакрилонитрильного волкона (УКН) и гидроцеллюлозного волокна (УВИС). Наряду с этими преимуществами волокна имеют высокие физико-механические показатели. Углеродные волокна "УВИС" - модуль упругости - 100-120 ГПа, плотность 1,6 г/см³, прочность 1000-1500 МПа, ⌀ 4,9-5 мкм; углеродные волокна "УКН" - модуль упругости - 200-250 ГПа, плотность 1,72-1,76 г/см³, прочность 2500-4000 МПа, ⌀ 7-7,5 мкм.

Модификатор - поливинилпирролидон широко известен как компонент готовых форм лекарств и других типов изделий, используемых в человеческом теле. Сам поливинилпирролидон представляет собой термопласт с низкой (около 60^oС) температурой размягчения, хорошо растворимый в воде и является безопасным при введении в человеческий организм.

Полиакриловая кислота широко применяется в качестве компонента создания акрил-фосфорных керамик. В качестве полимерного электролита полиакриловая кислота используется для разнообразных применений биомедицинского назначения. По своему химическому строению полиакриловая кислота представляет собой полимер с температурой стеклования 160^oС. Термическая устойчивость полиакриловой кислоты (деструкция >250^oС) позволяет использовать ее в разработанных композициях, поскольку наиболее высокая температура переработки при использовании в качестве связующих полиамида-11 и полиамида-12 составляет 210-240^oС. Таким образом, сущность предлагаемого изобретения заключается в создании нового типа биомедицинского полимерного конструкционного материала, а именно "полимерного апатито-углеродного модифицированного материала".

Ниже в таблицах 1-3 приведены конкретные примеры заявляемой полимерной композиции в зависимости от используемого полимерного связующего сравнительно со свойствами прототипа (табл. 4).

Полученные показатели свойств зависят от всей суммы используемых компонентов (см. табл.). Так, такой показатель, как твердость и предел прочности при изгибе, помимо обычного влияния полимера и наполнителей зависит и от используемых модификаторов. Понижение значения краевого угла смачивания наряду с влиянием модификаторов, зависит и от оптимального содержания углеродоапатитной части. Введение двух модификаторов, а именно полиакриловой кислоты и поливинилпирролидона, позволяет достичь значительного снижения краевого угла смачивания и одновременно повышения физико-механических показателей (табл. 1, примеры 1-6).

Приведенные данные свидетельствуют о том, что все компоненты разработанного материала широко используются в биомедицинской технике, в том числе и внутри организма человека, что определяет обоснованность предложения по его применению в качестве имплантата.

Конкретный пример получения материала и изделия для определения свойств приводится ниже.

Компоненты композиции - 10 г порошка гидроксиапатита, 2,5 г углеродных волокон УКН, 0,1 г поливинилпирролидона и 0,002 г полиакриловой кислоты - смешивают в фарфоровой ступке с 37,4 г гранулированного ПА-12. Полученную сухую смесь помещают в прибор ИИРТ и дважды пропускают через капилляр диаметром 2 мм, температура 230^oС при общей нагрузке 20 кг.

Полученный экструдат разрезают на гранулы длиной 2 мм. Для приготовления опытных изделий (брусков 7Х15Х4 мм) гранулы помещают в загрузочную камеру пресс-формы для литьевого прессования, нагревают до 230^oС. Затем пресс-форму охлаждают до температуры 215^oС, дают давление из расчета 60 МПа и продолжают охлаждение. Полученные образцы испытывают на прочность при изгибе (σ_изг=98 МПа), ударную вязкость (А=43 КДж/м²), твердость (Н_в=98 МПа). На широкой грани образца определяют краевой угол смачивания водой (КУС=41^o).

Как видно из таблиц, полученный материал заметно превосходит прототип по показателю прочности, который у разных типов разработанных материалов находится на уровне 700-1200 МПа, в то время как у прототипа 250-300 МПа. Прототип имеет и значительно более низкое значение показателя твердости (около 25-32 МПа), в то время как у различных типов разработанного материала этот показатель достигает 120 МПа. Предлагаемый материал имеет и лучшую смачиваемость: краевой угол смачивания колеблется у различных типов материала от 16 до 40^o, в то время как у прототипа значительно выше, достигая 50^o
При увеличении количества наполнителей выше предельных концентраций материал теряет технологичность, при снижении - увеличивается КУС.

Таким образом, по ряду важных для эксплуатации показателей разработанный материал заметно превосходит прототип.

Сочетание в предлагаемом материале высоких физико-механических показателей, необходимых для эксплуатации конструкционных материалов (прочность на изгиб, твердость, ударная вязкость), с низким значением краевого угла смачивания водой, способствующего хорошей биосовместимости материала, обеспечивает его успешное применение в качестве имплантатов в черепно-лицевой хирургии, при протезировании различных частей скелета, а также для использования в крепежных рентгенопрозрачных и биосовместимых деталях (шурупы, болты, гайки, прокладки, шайбы), используемых в операционной технике.

Claims

Полимерная композиция биомедицинского назначения, содержащая термопластичный полимер, биосовместимый порошкообразный наполнитель - гидроксиапатит и модификатор, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит углеродный волокнистый наполнитель, в качестве термопластичного полимера используют полимер, выбранный из группы полиамида, полипропилена, а в качестве модификатора используют полиакриловую кислоту и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов, мас. ч. :
Термопластичный полимер - 85 - 45
Гидроксиапатит - 10 - 35
Углеродный волокнистый наполнитель - 5 - 35
Полиакриловая кислота - 0,002 - 0,2
Поливинилпирролидон - 0,04 - 0,25