RU2421229C1

RU2421229C1 - Porous composite chitosan-gelatin matrix for bone defect filling

Info

Publication number: RU2421229C1
Application number: RU2010114768/15A
Authority: RU
Inventors: Сергей Миронович Баринов (RU); Сергей Миронович Баринов; Валерий Вячеславович Смирнов (RU); Валерий Вячеславович Смирнов; Александр Юрьевич Федотов (RU); Александр Юрьевич Федотов; Владимир Сергеевич Комлев (RU); Владимир Сергеевич Комлев; Инна Вилоровна Фадеева (RU); Инна Вилоровна Фадеева; Юлия Борисовна Тютькова (RU); Юлия Борисовна Тютькова
Original assignee: Учреждение Российской академии наук Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН; Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Образования И Науки Российской Федерации
Priority date: 2010-04-14
Filing date: 2010-04-14
Publication date: 2011-06-20

Abstract

FIELD: medicine. ^ SUBSTANCE: invention refers to medicine and concerns composites for waxed reconstruction of the injured bone tissues. High-porous elastic chitosan-gelatin matrixes of porosity 90 % or more consist of chitosan and contain gelatin up to 60 wt % and sodium lauryl sulphate up to 0.2-0.4 wt %. The porous structure is produced by introducing the additives, freezing and sublimation drying. ^ EFFECT: due to elasticity and high porosity, said sponges fill bone defects with a minimum clearance that promotes the uniform formation of bone tissue throughout the defect; high solubility of matrixes provides fast bone tissue genesis. ^ 1 tbl, 1 ex

Description

Изобретение относится к медицине, а именно пластической реконструкции поврежденных костных тканей.The invention relates to medicine, namely to plastic reconstruction of damaged bone tissue.

Наиболее перспективными для быстрого восстановления костных тканей человека являются пористые композиционные керамические материалы. Высокая пористость способствует более быстрой резорбции материалов и как следствие более быстрому восстановлению костной ткани. Наличие развитой поровой структуры способствует также формированию новых костных тканей по всему объему в порах и каналах пористых материалов. Повысить биактивность и резорбируемость возможно за счет использования пористых композитов, содержащих хитозан (хитозановых матриксов). Данный полимер обладает биоактивными и противовирусными свойствами. К преимуществам пористых композиционных материалов на основе хитозана по сравнению с пористой керамикой можно отнести также и их высокую эластичность и возможность их получения без использования высокотемпературного обжига. За счет эластичности и пористости хитозановые матриксы легко заполняют костные дефекты с минимальным зазором между костью и имплантатам.The most promising for the rapid restoration of human bone tissue are porous composite ceramic materials. High porosity promotes faster resorption of materials and, as a result, faster restoration of bone tissue. The presence of a developed pore structure also contributes to the formation of new bone tissues throughout the volume in the pores and channels of porous materials. It is possible to increase the bioactivity and resorbability through the use of porous composites containing chitosan (chitosan matrices). This polymer has bioactive and antiviral properties. The advantages of porous composite materials based on chitosan compared to porous ceramics include their high elasticity and the possibility of their production without the use of high-temperature firing. Due to the elasticity and porosity, chitosan matrices easily fill bone defects with a minimum gap between the bone and implants.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту являются матриксы на основе хитозана (ХГ), (Dominique J. GriVon, М. Reza Sedighi, David V. SchaeVer,b, Jo Ann Eurell, Ann L. Johnson, Chitosan scaffolds: Interconnective pore size and cartilage engineering // Acta Biomaterialia 2 (2006) 313-320). Матриксы получали при растворении хитазана в растворе уксусной кислоты. Затем из раствора удаляли избыток воды методом сушки - вымораживания. В процессе сушки происходит удаление замороженного растворителя путем сублимации. При замораживании из исходного раствора в виде частиц льда кристаллизуется водный раствор, который затем удаляют при сушке. В результате на месте удаленного льда образуются округлые поры размером до 100 мкм. Недостаток полученных матриксов является их недостаточная растворимость, что препятствует быстрому восстановлению костных тканей, а также низкая пористость. Низкая пористость (около 80%) губок затрудняет возможность деформации губок при заполнении костных дефектов и как следствие ведет к получению плотного прилегания губки к кости, что может приводить к образованию пустот при формировании костной ткани.The closest in technical solution and the achieved effect are matrices based on chitosan (CG), (Dominique J. GriVon, M. Reza Sedighi, David V. SchaeVer, b, Jo Ann Eurell, Ann L. Johnson, Chitosan scaffolds: Interconnective pore size and cartilage engineering // Acta Biomaterialia 2 (2006) 313-320). Matrices were prepared by dissolving chitazan in a solution of acetic acid. Then, excess water was removed from the solution by drying-freezing. In the drying process, the frozen solvent is removed by sublimation. During freezing, an aqueous solution crystallizes in the form of ice particles from the initial solution, which is then removed by drying. As a result, rounded pores of up to 100 microns in size are formed at the site of the removed ice. The disadvantage of the obtained matrices is their lack of solubility, which prevents the rapid restoration of bone tissue, as well as low porosity. The low porosity (about 80%) of the sponges makes it difficult to deform the sponges when filling bone defects and as a result leads to a tight fit of the sponge to the bone, which can lead to the formation of voids during the formation of bone tissue.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение пористых хитозан-желатиновых матриксов (ХЖМ), обладающих более высокой растворимостью и пористостью более 90%, с размером округлых пор от 20 до 400 мкм в диаметре и вытянутых пор от 20 до 3000 мкм в длину и от 10 до 200 мкм в диаметре.The technical result of the invention is the production of porous chitosan-gelatin matrices (CLC) with a higher solubility and porosity of more than 90%, with the size of round pores from 20 to 400 microns in diameter and elongated pores from 20 to 3000 microns in length and from 10 to 200 microns in diameter.

Технический результат достигается тем, что пористый композиционный хитозан-желатиновый матрикс для заполнения костных дефектов согласно изобретению содержит желатин в количестве до 60 мас.% и лаурилсульфат натрия 0,2-0,4 мас.% и имеет пористость более 90% с размерами округлых пор диаметром от 20 до 400 мкм и вытянутых пор от 20 до 3000 мкм в длину и от 10 до 200 мкм в диаметре.The technical result is achieved in that the porous composite chitosan-gelatin matrix for filling bone defects according to the invention contains gelatin in an amount of up to 60 wt.% And sodium lauryl sulfate 0.2-0.4 wt.% And has a porosity of more than 90% with round pore sizes diameter from 20 to 400 microns and elongated pores from 20 to 3000 microns in length and from 10 to 200 microns in diameter.

Указанный состав ХЖМ не известен. Для получения ХЖМ в растворе этановой кислоты растворяют хитозан и желатин при pH от 4 до 5. После полного растворения в раствор добавляют пенообразователь - добавку карбонат аммония и лаурилсульфат натрия.The indicated composition of the HGM is not known. To obtain CGM, chitosan and gelatin are dissolved in a solution of ethanoic acid at a pH of 4 to 5. After complete dissolution, a foaming agent is added to the solution — an additive of ammonium carbonate and sodium lauryl sulfate.

При взаимодействии с этановой кислотой карбоната аммония происходит выделение пузырьков углекислого газа с образованием пор округлых форм.When interacting with ethanoic acid of ammonium carbonate, carbon dioxide bubbles are released with the formation of round-shaped pores.

Полученный вспененный раствор замораживают и подвергают сублимационной сушке. В процессе замораживания и сублимационной сушки формируется окончательная равномерная структура матрикса, характеризующаяся высокой пористостью более 90% с размером округлых пор до 400 мкм в диаметре и канальных пор до 3000 мкм в длину и до 200 мкм в диаметре. Затем полученные матриксы промывали и сушили при температуре до 80°C, при этом оставшийся карбонат аммония полностью удаляется. В результате получают пористые композиционные матриксы с различным составом и пористостью с различным размером в зависимости от концентрации в растворе исходных компонентов.The resulting foamed solution is frozen and freeze-dried. In the process of freezing and freeze-drying, the final uniform matrix structure is formed, characterized by a high porosity of more than 90% with round pores up to 400 microns in diameter and channel pores up to 3000 microns in length and up to 200 microns in diameter. Then, the resulting matrices were washed and dried at a temperature of up to 80 ° C, while the remaining ammonium carbonate was completely removed. The result is porous composite matrices with different composition and porosity with different sizes depending on the concentration of the starting components in the solution.

При содержании более 60 мас.% желатина при выдержке в воде губки очень быстро растворяются с частичным или полным разрушением. При содержании лаурилсульфата натрия менее 0,2 мас.% структура получается с неравномерным распределением пор, бóльшее содержание не эффективно, т.к. структура практически не меняется и снижается эластичность и прочность матриксов.With a content of more than 60 wt.% Gelatin, when exposed to water, the sponges dissolve very quickly with partial or complete destruction. When the content of sodium lauryl sulfate is less than 0.2 wt.%, The structure is obtained with an uneven pore distribution, a higher content is not effective, because the structure remains practically unchanged and the elasticity and strength of the matrices decrease.

Пример. 1 Порошок хитозана 1 г и желатина 1 г растворили в 20 мл раствора этановой кислоты при pH=4-4,5. Затем в раствор при перемешивании добавили 1 г карбоната аммония и лаурилсульфата натрия 0,008 г. После замораживания при температуре ниже минус 18°C вспененную массу поместили в сублимационную сушилку. После сублимационной сушки, промывки и сушки на воздухе при 80°C получили пластичный композиционный матрикс с пористостью 95-98% и размером пор округлой формы - 20-300 мкм в диаметре. Растворимость через 7 суток составляла 11-13 мас.%.Example. 1 Chitosan powder 1 g and gelatin 1 g were dissolved in 20 ml of ethanoic acid solution at pH = 4-4.5. Then, 1 g of ammonium carbonate and sodium lauryl sulfate 0.008 g was added to the solution with stirring. After freezing at a temperature below minus 18 ° C, the foamed mass was placed in a freeze dryer. After freeze drying, washing and drying in air at 80 ° C, a plastic composite matrix with a porosity of 95-98% and a round pore size of 20-300 μm in diameter was obtained. The solubility after 7 days was 11-13 wt.%.

Растворимость определяли по потере массы при выдерживании ХЖМ в воде. Образцы массой 0,5 г выдерживали в 50 мл дистиллированной воды при 37°C в течение 7 суток, после чего их извлекали, сушили при 60-80°C до полного высыхания, когда масса образцов становилась неизменной. Расчет растворимости производили по формуле:Solubility was determined by weight loss while maintaining the MLC in water. Samples weighing 0.5 g were kept in 50 ml of distilled water at 37 ° C for 7 days, after which they were removed, dried at 60-80 ° C until completely dry, when the mass of the samples became unchanged. The solubility was calculated by the formula:

P=(m₁-m₂)/m₁×100%,P = (m ₁ -m ₂ ) / m ₁ × 100%,

где m₁ - масса ХЖМ до испытания на растворимость;where m ₁ is the mass of the liquid crystal before the solubility test;

m₂ - масса ХЖМ после испытания на растворимость.m ₂ is the mass of the CML after the solubility test.

В соответствии с примерами также были изготовлены образцы ХЖМ, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу.In accordance with the examples were also made samples of HZHM having compositions within the declared, and their properties were determined in comparison with the prototype. The results are summarized in table.

Claims

A porous composite chitosan-gelatin matrix for filling bone defects, characterized in that it contains gelatin in an amount of up to 60 wt.% And sodium lauryl sulfate 0.2-0.4 wt.% And has a porosity of more than 90% with round pore sizes of 20 or more in diameter up to 400 microns and elongated pores from 20 to 3000 microns in length and from 10 to 200 microns in diameter.