RU2347793C1 - Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения - Google Patents
Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2347793C1 RU2347793C1 RU2007147988/04A RU2007147988A RU2347793C1 RU 2347793 C1 RU2347793 C1 RU 2347793C1 RU 2007147988/04 A RU2007147988/04 A RU 2007147988/04A RU 2007147988 A RU2007147988 A RU 2007147988A RU 2347793 C1 RU2347793 C1 RU 2347793C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- binder
- polymer
- mass units
- composition
- methyl methacrylate
- Prior art date
Links
Landscapes
- Lubricants (AREA)
Abstract
Изобретение относится к композициям, обладающим пониженным коэффициентом трения, для использования в узлах трения живых организмов. Техническая задача - разработка композиции, позволяющей снизить трение в нижнечелюстном суставе полимерного имплантанта. Предложена полимерная антифрикционная композиция, содержащая в качестве полимерного связующего смесь (с соотношением компонентов в связующем): мономера метилметакрилата (27-36 мас.ч.), порошкообразного полимера полиметилметакрилата (72-64 мас.ч.), инициатора - перекиси бензоила 1 мас.ч. (полимерное связующее «А»); или смесь (с соотношением компонентов в связующем): метилметакрилата (27-36 мас.ч.), порошкообразного сополимера (72-64 мас.ч.) с содержанием компонентов: метилметакрилата - 89 мас.ч., этилметакрилата - 8 мас.ч., метилметакрилата - 2 мас.ч., а также содержится инициатор - перекись бензоила 0,6-1,5 мас.ч. (полимерное связующее «Б») и сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой от 1·106 до 12·106 дальтон в порошкообразном состоянии (2-15 мас.ч. на 85-98 мас.ч. полимерного связующего). По сравнению с прототипом значение коэффициента трения уменьшилось в 2-4 раза. 2 з.п. ф-лы, 4 табл.
Description
Изобретение относится к композициям, обладающим пониженным коэффициентом трения для использования в узлах трения живых организмов. Наиболее целесообразно использовать изобретение в узлах трения скелета человека, а именно в нижней челюсти, в узле трения височно-нижнечелюстного сустава.
Известен выбранный в качестве аналога по назначению композиционный материал для хирургических имплантатов, полученный из полимерной композиции, состоящей из полимерного связующего (полиэтилена), наполнителя (гидроксиапатита) и дискретных ориентированных высокомодульных полиэтиленовых волокон (Ward, Ian Macmilean, Ladizesky, Noe Hugo) (Compacted biomaterials) Pat. GB./ 96-800 960115.
Недостаток данного армированного биостабильного материала заключается в невозможности получения из него изделий сложного профиля простым технологическим методом заливки в гипсовую форму, полученную путем «выплавления» восковой модели. Помимо этого, низкая твердость полиэтилена (~20 МПа) снижает его конструкционные возможности при использовании для замены костей челюстно-лицевого скелета.
Наиболее близкой по составу и способу применения к заявляемой композиции является композиция для биомедицинского материала, известная из патента RU 2281300 С1 от 03.03.2005 г. Композиция получена на тех же связующих и тем же способом, что и заявляемая композиция. Дополнительно она содержит для усиления эффекта биосовместимости порошкообразный гидроксиапатит и для повышения ударной вязкости армирующие углеродные нити, полученные из полиакрилнитрильного и гидратцеллюлозного волокна в соотношении (в массовых частях):
| Связующее | 50-72 |
| Гидроксиапатит | 25-40 |
| Углеродные нити | 2-10 |
| Пероксидный инициатор | 0,06-0,5 |
Получаемый по прототипу материал с повышенной биосовместимостью и ударной прочностью предназначен для использования при эндопротезировании.
Недостатком полученного материала является неудовлетворительные антифрикционные свойства при использовании его для изготовления головки сустава нижней челюсти, особенно ухудшающиеся при введении гидроксиапатита (табл.1).
Исходя из состава композиции вся нижняя челюсть, в том числе и головка нижней челюсти, представляет собой монолитную массу, состоящую из полиметилметакрилата (ПММА) и его сополимеров, содержащую в качестве наполнителя гидроксиапатит и армированную углеродными волокнами. Наши исследования поверхности головки нижней челюсти прототипа показали, что на поверхности в результате технологических операций при получении находится практически только полимер, а гидроксиапатит и углеродные нити отсутствуют. Это связано с тем, что при формировании любых композиций наиболее полярные компоненты располагаются внутри композиции, а менее полярные снаружи. При получении композиции прототипа полимер обволакивает наполнитель и находится в наружных слоях поверхности, что отвечало замыслу авторов.
Однако находящиеся на поверхности композиции головки полимеры, представляющие ПММА, либо его сополимеры, не являются антифрикционными материалами в трибологических классификациях и имеют в исследованных условиях высокий коэффициент трения (>0,7).
Сущность изобретения.
Сущность изобретения заключается в снижении трения в нижнечелюстном суставе полимерного имплантата, для чего в композицию имплантата головки нижней челюсти дополнительно вводят порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен в количестве 2-15 мас.ч.
Порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) вводится в композицию, представляющую собой исходный мономер - метилметакрилат (ММА), порошкообразный ПММА либо сополимер ММА с другими акриловыми мономерами: этилметакрилатом и метилакрилатом, а также известный инициатор полимеризации, который обычно представляет собой перекись бензоила в количестве 0,6-1,5 мас.ч. Композиция смешивается до получения однородной массы и затем помещается в форму, где происходит процесс полимеризации. Полимеризация осуществляется при переменном температурном режиме: вначале, в течение 30-60 минут полимеризация осуществляется при температуре 55-65°С, а затем в течение 1-го часа при температуре 95-100°С.
Прошедшее полимеризацию изделие извлекают из формы и определяют его трибологические и физико-механические свойства.
Оценка антифрикционных свойств разработанной композиции сравнительно с прототипом проводилась на машине торцевого трения типа И-47 при удельной нагрузке 0,1 МПа, скорости скольжения 0,5 м/с в условиях трения без смазочных сред, продолжительность - 6 часов. Контртелом являлся сплав титана (TiAl). Оценка антифрикционности проводилась по величине температуры, генерируемой в зоне трения (температура разогрева выше комнатной) и коэффициенту трения материала полимерной композиции.
| Таблица 1 | |||
| №№ п/п | Композиция | Показатели | |
| Повышение температуры фрикционного нагрева относительно комнатной, °С | Коэффициент трения | ||
| 1. | Связующее «А» - ПММА | +6 | 0,5 |
| 2. | Связующее «А» + ГАП (30 мас.ч.) | +10 | 0,7 |
| 3. | Связующее «А» + 5 мас.ч. СВМПЭ | +5 | 0,4 |
| 4. | Связующее «А» + 5 мас.ч. СВМПЭ радиационно модифицированного | +4 | 0,4 |
| 5. | Связующее «А» + 5 мас.ч. СВМПЭ модифицированного в среде ск CO2 | +3 | 0,3 |
| 6. | Связующее «Б» + 5 мас.ч. СВМПЭ | +5 | 0,38 |
| 7. | Связующее «Б» + 5 мас.ч. СВМПЭ модифицированного в среде ск СО2 | +3 | 0,25 |
Примечание:
Связующее «А» в примерах представляет собой смесь (с соотношением компонентов в связующем): мономера метилметакрилата (36 мас.ч.), порошкообразного полимера полиметилметакрилата (64 мас.ч.) и инициатор - перекись бензоила (1 мас.ч.) и связующее «Б» представляет собой смесь (с соотношением компонентов в связующем): метилметакрилата (36 мас.ч.), порошкообразный сополимер (64 мас.ч.) [с содержанием компонентов: метилметакрилата (89 мас.ч.), этилметакрилата (8 мас.ч.) метилакрилата (2 мас.ч.)] и инициатор - перекись бензоила (1 мас.ч.).
Оказалось, что значительного улучшения антифрикционности можно добиться, вводя относительно небольшое количество порошкообразного СВМПЭ, особенно при его модификации в среде сверхкритического СО2 (ск CO2) и радиационно-химическим методом.
Известно, что СВМПЭ обладает хорошими антифрикционными показателями, однако его введение в полимерные композиции приводит к резкому снижению физико-механических показателей. Оказалось, что введение относительно небольших (2-15 мас.ч.) количеств сверхвысокомолекулярного полиэтилена в мономер - полимерную композицию понижает физико-механические свойства лишь относительно на небольшую величину. Особенно при предварительной обработке сверхвысокомолекулярного полиэтилена в среде сверхкритического диоксида углерода либо при радиационно-химической обработке.
По показателям коэффициента трения и износа композиция прототипа значительно уступает заявляемой композиции. Результаты материаловедческих сравнительных испытаний, проведенных на машине торцевого трения типа И-47 без смазки, приведены в таблице 2. Следует учесть, что испытания проводились в тяжелых условиях сухого трения без смазки в узле трения, при коэффициенте взаимного перекрытия, равном единице.
| Таблица 2 | |||
| Результаты сравнительных материаловедческих испытаний разработанной композиции и прототипа (условия Р уд=0,1 МПа, V=0,5 м/с, трение без смазки, контртело - сплав титана TiAl) | |||
| №№ п/п | Тип образца | Коэффициент трения | Повышение температуры фрикционного нагрева относительно комнатной, °С |
| 1. | Прототип | >0,7 | +10 |
| 2. | Заявляемая композиция | 0,3-0,4 | +3-5 |
Определение физико-механических свойств является обязательной операцией, поскольку общеизвестно, что введение наполнителя, а тем более полимерного неполярного наполнителя, каковым является СВМПЭ, резко ухудшает физико-механические показатели любой полимерной композиции. В таблице 3 приводятся данные, иллюстрирующие влияние количества СВМПЭ на физико-механические свойства полиакриловой композиции.
| Таблица 3 | |||
| Композиционный состав | Физико-механические свойства | ||
| Полиакриловая композиция (в мас.ч.) | СВМПЭ (в мас.ч.) | Ударная вязкость, А, кДж/м2 | Прочность при изгибе, σизг, МПа |
| 100 «Б» | - | 6,5-7,0 | 91 |
| 99,5 «Б» | 0,5 | 6,5 | 89 |
| 99 «Б» | 1 | 6,2 | 87 |
| 97 «Б» | 3 | 5,1 | 82 |
| 95 «Б» | 5* | 6,3 | 79 |
| 95 «Б» | 5** | 5,5 | 89 |
| 95 «А» | 5* | 5,6 | 76 |
| 95 «А» | 5** | 5,2 | 85 |
| 90 «Б» | 10 | 4,9 | |
| *СВМПЭ радиационно модифицированный; | |||
| **СВМПЭ - модифицированный в среде ск СО2 | |||
Связующее «А» в примерах представляет собой смесь (с соотношением компонентов в связующем): мономера метилметакрилата (36 мас.ч.), порошкообразного полимера полиметилметакрилата (64 мас.ч.) и инициатор - перекись бензоила (1 мас.ч.) и связующее «Б» представляет собой смесь (с соотношением компонентов в связующем): метилметакрилата (36 мас.ч.), порошкообразный сополимер (64 мас.ч.) [с содержанием компонентов: метилметакрилата (89 мас.ч.), этилметакрилата (8 мас.ч.) метилакрилата (2 мас.ч.)] и инициатор - перекись бензоила (1 мас.ч.).
Из таблицы видно, что введение СВМПЭ выше 15 мас.ч. резко снижает физико-механические показатели полиакриловой композиции, что является недопустимым при эксплуатации антифрикционного эндопротеза, испытывающего постоянные знакопеременные нагрузки.
Еще более высокие физико-механические показатели имеют композиции при введении модифицированного СВМПЭ. Модификация СВМПЭ проводится одним из двух способов. Первый способ заключается в обработке порошка СВМПЭ в среде сверхкритического диоксида углерода (ск CO2) в условиях давления от 70 до 600 атм и температуре от 38 до 110°С в течение от 1 часа до 8 часов. Второй способ заключается в обработке порошка СВМПЭ γ облучением до дозы 2-30 Мрад с последующей операцией нейтрализации свободных радикалов.
В результате модификации происходят структурная перестройка и изменение состава поверхностных слоев, что, вероятно, благоприятно влияет на адгезионно-прочностные свойства композиции.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен представляет собой порошкообразный продукт с величиной частиц от 1 до 200 мкм, с молекулярной массой от 1·106 до 12·106 дальтон.
Существенными компонентами заявляемой композиции является то, что полимерная антифрикционная композиция содержит полиакриловое связующее, в котором в качестве полимерного связующего она содержит смесь (с соотношением компонентов в связующем): мономера метилметакрилата (27-36 мас.ч.), порошкообразного полимера полиметилметакрилата (72-64 мас.ч.), инициатора - перекиси бензоила 1 мас.ч.(полимерное связующее «А»); или смесь (с соотношением компонентов в связующем): метилметакрилата (27-36 мас.ч.), порошкообразного сополимера (72-64 мас.ч.) с содержанием компонентов: метилметакрилата - 89 мас.ч., этилметакрилата - 8 мас.ч., метилакрилата - 2 мас.ч., а также содержится инициатор - перекись бензоила 1 мас.ч. (полимерное связующее «Б») и, дополнительно, содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной масссой от 1·106 до 12·106 дальтон в порошкообразном состоянии при следующем соотношении компонентов в количестве, мас.ч.: полимерное связующее - 85-98 и сверхвысокомолекулярный полиэтилен в исходном или модифицированном виде - 2-15,
Все приводимые в заявляемой композиции ингредиенты производятся, охарактеризованы и разрешены для использования в медицинских целях. Что касается модифицированного СВМПЭ в среде ск CO2, то этот тип модификации не вносит существенные изменения в состав полимера.
Ниже приведены примеры конкретных составов заявляемой композиции и свойства получаемых материалов.
| Таблица 4 | ||||||
| №№ п/п | Состав композиции, мас.ч. | Свойства композиции | ||||
| Физико-механические свойства | Трибологические свойства | |||||
| Полиакриловая компонента связующее «Б» | СВМПЭ | Ударная вязкость, А, кДж/м2 | Прочность при изгибе, σизг, МПа | Коэффициент трения | Повышение температуры фрикционного нагрева, °С | |
| 1 | 100 | - | 6,5-7 | 91 | 0,5 | +6 |
| 2 | 95,5 | 0,5 | 6,5 | 89 | 0,49 | +3 |
| 3 | 95 | 5 | 5,5 | 74 | 0,4 | +5 |
| 4 | 90 | 10 | 4,9 | 71 | 0,37 | +3 |
| 5 | 85 | 15 | 3,5 | 65 | 0,38 | +3 |
| 6 | 82 | 18 | 2,7 | 60 | 0,42 | +5 |
| 7 | 95 | 5* | 6,3 | 79 | 0,4 | +4 |
| 8 | 95 | 5** | 5,5 | 89 | 0,3 | +3 |
| 9 | 95*** | 5 | 5,0 | 72 | 0,42 | +5 |
| * - радиационно-модифицированный СВМПЭ | ||||||
| ** - СВМПЭ модифицированный в среде ск СО2. | ||||||
| *** - в примере 9 использовано полиакриловое связующее «А». | ||||||
Claims (3)
1. Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения, содержащая полимерное связующее и инициатор пероксидного типа, отличающаяся тем, что в качестве полимерного связующего она содержит смесь (с соотношением компонентов в связующем): мономера метилметакрилата (27-36 м.ч.), порошкообразного полимера полиметилметакрилата (72-64 м.ч.), инициатора - перекиси бензоила 1 м.ч. (полимерное связующее «А»); или смесь (с соотношением компонентов в связующем): метилметакрилата (27-36 м.ч.), порошкообразного сополимера (72-64 м.ч.) с содержанием компонентов: метилметакрилата - 89 м.ч., этилметакрилата - 8 м.ч., метилметакрилата - 2 м.ч., а также содержится инициатор - перекись бензоила 0,6-1,5 м.ч. (полимерное связующее «Б») и, дополнительно, содержит сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой от 1·106 до 12·106 Да в порошкообразном состоянии при следующем соотношении компонентов:
полимерное связующее 85-98 мас.ч.
сверхвысокомолекулярный полиэтилен 2-15 мас.ч.
2. Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения по п.1, в которой порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен перед использованием в композиции проходит обработку в среде сверхкритического диоксида углерода в условиях: давление 70-600 атм, температуры 38-110°С и продолжительности 1-8 ч.
3. Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения по п.1, в которой порошкообразный сверхвысокомолекулярный полиэтилен проходит радиационно-химическую обработку от 2 до 30 Мрад.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007147988/04A RU2347793C1 (ru) | 2007-12-25 | 2007-12-25 | Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2007147988/04A RU2347793C1 (ru) | 2007-12-25 | 2007-12-25 | Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2347793C1 true RU2347793C1 (ru) | 2009-02-27 |
Family
ID=40529825
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2007147988/04A RU2347793C1 (ru) | 2007-12-25 | 2007-12-25 | Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2347793C1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2747349C2 (ru) * | 2016-06-07 | 2021-05-04 | КАРЛ ЛЯЙБИНГЕР МЕДИЦИНТЕХНИК ГМБХ И Ко. КГ | Изготовление гранулята с округлыми частицами для производства имплантатов или инструмента |
-
2007
- 2007-12-25 RU RU2007147988/04A patent/RU2347793C1/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2747349C2 (ru) * | 2016-06-07 | 2021-05-04 | КАРЛ ЛЯЙБИНГЕР МЕДИЦИНТЕХНИК ГМБХ И Ко. КГ | Изготовление гранулята с округлыми частицами для производства имплантатов или инструмента |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Espigares et al. | New partially degradable and bioactive acrylic bone cements based on starch blends and ceramic fillers | |
| Ginebra et al. | Mechanical performance of acrylic bone cements containing different radiopacifying agents | |
| Tihan et al. | Effect of hydrophilic–hydrophobic balance on biocompatibility of poly (methyl methacrylate)(PMMA)–hydroxyapatite (HA) composites | |
| US6203844B1 (en) | Precoated polymeric prosthesis and process for making same | |
| Converse et al. | Mechanical properties of hydroxyapatite whisker reinforced polyetherketoneketone composite scaffolds | |
| CN107158474A (zh) | 光固化3d打印牙科种植体用浆料及其制备方法和应用 | |
| JPS5913211B2 (ja) | 多孔性生物工学用熱可塑性プラスチック製補綴具及び製造方法 | |
| AU2011239742B2 (en) | Biomaterial | |
| Vazquez et al. | Optimization of benzoyl peroxide concentration in an experimental bone cement based on poly (methyl methacrylate) | |
| Becker et al. | Nanocomposite bone scaffolds based on biodegradable polymers and hydroxyapatite | |
| May-Pat et al. | Comparative study on the mechanical and fracture properties of acrylic bone cements prepared with monomers containing amine groups | |
| Victor et al. | Polymer ceramic composite materials for orthopedic applications—relevance and need for mechanical match and bone regeneration | |
| Harmata et al. | Investigating the effects of surface-initiated polymerization of ε-caprolactone to bioactive glass particles on the mechanical properties of settable polymer/ceramic composites | |
| RU2347793C1 (ru) | Полимерная антифрикционная композиция биомедицинского назначения | |
| Dhabale et al. | A bio-material: mechanical behaviour of LDPE-Al2O3-TiO2 | |
| Hernández et al. | Composites of poly (methyl methacrylate) with hybrid fillers (micro/nanohydroxyapatite): Mechanical, setting properties, bioactivity and cytotoxicity in vitro | |
| RU2281300C1 (ru) | Композиция для биомедицинского материала, способ его получения и материал биомедицинского назначения | |
| EP3470095A1 (en) | Injectable and expandable composition, devices, kits, methods and uses thereof | |
| Ghazi et al. | Water Sorption and Solubility of Light-Cured Dental Composites Prepared from Two Different Types of Matrix Monomers | |
| Murata et al. | Viscoelastic properties of tissue conditioners–influence of molecular weight of polymer powders and powder/liquid ratio and the clinical implications | |
| Fuentes et al. | Composition influence on properties of acrylic composites loaded with synthetic hydroxyapatite | |
| Nguyen et al. | Graft copolymers of methyl methacrylate and poly ([R]‐3‐hydroxybutyrate) macromonomers as candidates for inclusion in acrylic bone cement formulations: compression testing | |
| Deb et al. | Effect of crosslinking agents on poly (ethylmethacrylate) bone cements | |
| Planell et al. | Acrylic bone cements | |
| Boesel et al. | Hydrogels and hydrophilic partially degradable bone cements based on biodegradable blends incorporating starch |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| QB4A | Licence on use of patent |
Free format text: LICENCE Effective date: 20110204 |
|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20171226 |