RU2624854C1 - Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани - Google Patents

Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани Download PDF

Info

Publication number
RU2624854C1
RU2624854C1 RU2016140948A RU2016140948A RU2624854C1 RU 2624854 C1 RU2624854 C1 RU 2624854C1 RU 2016140948 A RU2016140948 A RU 2016140948A RU 2016140948 A RU2016140948 A RU 2016140948A RU 2624854 C1 RU2624854 C1 RU 2624854C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
scaffold
polymer solution
concentration
composite scaffold
solution
Prior art date
Application number
RU2016140948A
Other languages
English (en)
Inventor
Светлана Николаевна Городжа
Роман Анатольевич Сурменев
Мария Александровна Сурменева
Дина Сергеевна Сыромотина
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Priority to RU2016140948A priority Critical patent/RU2624854C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2624854C1 publication Critical patent/RU2624854C1/ru

Links

Images

Classifications

    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/40—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L27/44—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02—Inorganic materials
    • A61L27/12—Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • A—HUMAN NECESSITIES
    • A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/14—Macromolecular materials

Abstract

Изобретение относится к медицине. Описан способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани, который заключается в том, что синтезируют полимерный раствор с концентрацией 9 мас. % путем растворения гранулированного порошка поликапролактона в хлороформе. К полученному полимерному раствору добавляют порошок кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x при замещении х = 0,5 с концентрацией 5-15 мас. % в растворе. Смесь гомогенизируют не менее 2 ч, затем формируют скэффолд методом электроформования при напряжении не менее 7 кВ и расстоянии не менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм. Способ позволяет улучшить параметр смачиваемости поверхности скэффолдов. 3 ил., 3 табл.

Description

Изобретение относится к медицине, а именно к композиционным фосфоросодержащим материалам, диспергированным в матрицу высокомолекулярного материала, и может быть использовано в качестве остеозамещающего средства для восстановления дефектов костной ткани в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и травматологии.
Известен способ получения биорезорбируемой матрицы (скэффолда) [RU 2353397 С2, МПК A61L 27/24 (2006.01), опубл. 27.04.2009], состоящей из нативного нееконструированного коллагена I типа, полученной путем обработки кожи животного, водой, водно-щелочным раствором, содержащим гидроксид натрия, калий дигидрофосфат и водный или безводный тетраборнокислый натрий, при температуре от 1 до 10°С, водным раствором сульфата натрия и гидроксида натрия с последующей обработкой дермы животного водным раствором сульфата натрия и водным раствором борной кислоты, при этом на третьей, четвертой и пятой стадиях осуществляли при периодическом взбалтывании раствора и охлаждении до температуры от 1 до 10°С. После каждой из стадий со второй по пятую осуществляли промывку дермы водой до достижения нейтрального значения рН промывных вод.
Источником материала скэффолда служит кожа животного, что вызывает риск возникновения иммунного отторжения ксенографта организмом реципиента. При удалении антигенов, вызывающих иммунное отторжение, путем химической обработки происходит разрушение целостности внеклеточного матрикса ткани, повреждая структурную стабильность, тем самым делая материал непригодным ввиду низкой механической прочности скэффолда [A.J. Ruys. Biomimetic Biomaterials: Structure and Applications. Woodhead Publ. Ser. Biomater., 2013, p. 344].
Известен способ получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида [RU 2540468 С2, МПК (2006.01) A61L 15/62, A61L 15/28, C08F 251/00, опубл. 10.02.2015], включающий приготовление разбавленного раствора хитозана в минеральной или органической кислоте и приготовление раствора полилактида в одном или нескольких органических растворителях, при этом в раствор хитозана добавляют от 10 до 50% раствора полилактида от массы хитозана при непрерывном перемешивании, полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке до получения блок-сополимера хитозана с полилактидом.
Использование только смеси полимеров для формирования матрицы является недостаточным, так как требуется введение дополнительных маркеров, стимулирующих дифференцировку клеточных культур в сторону костной ткани.
Известен способ получения пористых гранул на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях [RU 2555348 С1, МПК (2006.01) A61L 27/02, A61L 27/12, A61L 27/14, С04В 35/447, опубл. 10.07.2015], заключающийся в том, что в порошок состава:
карбонат кальция от 20 до 80 мас. %,
гидроксиапатит и/или карбонатгидроксиапатит от 20 до 80 мас. %
вводят спекающую добавку на основе карбонатов щелочных металлов 3-7 мас. %, взятую сверх 100% по отношению к порошку. Полученный порошок с добавкой смешивают с полиакриламидом и водой с образованием суспензии в соотношении, мас.%:
полиакриламид 10-25
порошок с добавкой 10-40
вода остальное
полученную суспензию диспергируют в среду растительного масла с температурой 80-180°С и интенсивно перемешивают с последующим промыванием, сушкой и спеканием гранул в среде углекислого газа при температуре 620-700°С.
Материал, в составе которого присутствует только кальций-фосфатная керамика, обладает низкой механической прочностью, что приводит к образованию трещин и разрушению скэффолда.
Известен способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани на основе термопластичного полиуретана с добавлением частиц гидроксиапатита методом электроформования. Скэффолд формируют при добавлении растворителя типа диметилформамида с добавлением 10 мас. % частиц чистого гидроксиапатита [H-Y. Mi et al., Thermoplastic polyurethane/hydroxyapatite electrospun scaffolds for bone tissue engineering: Effects of polymer properties and particle size. J. Biomed. Mater. Res. В Appl. Biomater., 2014, PP. 1434-1444].
Термопластичный полиуретан может оказывать канцерогенное действие на окружающие место дефекта ткани.
Известен способ получения биорезорбируемого высокомолекулярного скэффолда, моделирующего искусственную композицию костной ткани [US 7879093 В2, МПК A61F 2/02 (2006.01), опубл. 26.03.2008], выбранный в качестве прототипа. Синтез полимерного раствора ведут путем растворения поликапролактона в растворителе - диметилформамиде. К полученному полимерному раствору добавляют кремнийсодержащий гидроксиапатит Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, формируют скэффолд методом электроформования.
В результате были получены скэффолды с диметром волокна от 50 нм до нескольких мкм со следующим размером частиц игольчатой формы: средняя ширина по меньшей мере 10 нм, средняя длина от 10 нм до 10 мкм.
Предлагаемое изобретение расширяет арсенал технических средств аналогичного назначения.
Предложенный способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани так же, как в прототипе, включает синтез полимерного раствора путем растворения поликапролактона в растворителе, добавление к полученному полимерному раствору частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита Са10(РO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, формирование из полученной смеси скэффолда методом электроформования.
Согласно изобретению синтезируют полимерный раствор с концентрацией 9 мас. % путем растворения гранулированного порошка поликапролактона в хлороформе. К полученному полимерному раствору добавляют порошок кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x при замещении х = 0,5 с концентрацией 5-15 мас. % в растворе. Смесь гомогенизируют не менее 2 ч. Затем формируют скэффолд методом электроформования при напряжении не менее 7 кВ и расстоянии не менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм.
Материалы на основе кремнийсодержащего гидроксиапатита характерны для состава неорганической составляющей костной ткани, проявляют высокую биоактивность, а также способствуют ускорению процессов биоминерализации и интеграции материала в области костных дефектов, имея преимущество в сравнении с чистым гидроксиапатитом, а также являются дополнительным маркером, который стимулирует дифференцировку клеточных культур в сторону костной ткани [N. Patel et al., In vivo assessment of hydroxyapatite and silicate-substituted hydroxyapatite granules using an ovine defect model. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2005, PP. 429-440].
Синтетический полимер - поликапролактон характеризуется длительной скоростью резорбции, пригодной для замещения дефектов костных тканей, отсутствием токсичности продуктов распада и механической прочностью. Оптимальной концентрацией для получения полимерных волокон является 9 мас. % полимерный раствор поликапролактона в хлороформе.
Добавление в полимерный раствор порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x при замещении х = 0,5 концентрацией менее 5 мас. % не влияет на свойства получаемого композиционного скэффолда. Концентрация порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита в полимерном растворе более 15 мас. % приводит к низкой механической прочности композиционного скэффолда, что делает невозможным его использование для замещения дефектов костных тканей.
Электроформование при напряжении менее 7 кВ и расстоянии менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы и осаждающим электродом в виде крутящегося диска не приводит к вытягиванию смеси в непрерывную струю.
Предложенный способ позволяет получить композиционный скэффолд для замещения дефектов костных тканей с диаметром волокна от 2,8 до 1,6 мкм. В составе композиционного скэффолда присутствуют элементы, входящие в состав костной ткани, что определяет биосовместимые свойства скэффолда. Увеличение концентрации частиц кремнийсодержащего гидроксипатита приводит к улучшению параметра смачиваемости.
На фиг. 1 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 10 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
На фиг. 2 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 5 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
На фиг. 3 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 15 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
В таблице 1 приведены параметры процесса получения композиционных скэффолдов.
В таблице 2 приведены результаты получения композиционных скэффолдов.
В таблице 3 приведены результаты исследования элементного состава композиционных скэффолдов.
Готовили полимерный раствор 9 мас. % поликапролактона. Для этого в пробирку добавили 1463 мг гранулированного порошка поликапролактона и 10 мл хлороформа. К полученному раствору добавили 10 мас. % порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита (Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, х = 0,5). Полученную смесь гомогенизировали в ультразвуковой ванне не менее 2 ч до однородного состояния.
На типовой установке, предназначенной для элeктpoфopмoвaния [http://www.ehuber.de/e-spintronic-flyer-englisch.pdf.], осуществили процесс создания композиционного скэффолда.
В шприц размером 10 мл поместили готовую смесь. Подавали напряжение не менее 7 кВ между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм. Расстояние между двумя электродами составляло 5 см. Скорость подачи полимерного раствора, равная 2 мл/ч, контролировали давящим устройством, воздействующим на поршень шприца. Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения от высоковольтного блока между двумя электродами, приводило к вытягиванию смеси в непрерывную струю. При резком испарении растворителя струя отверждалась и оседала на осаждающий электрод, образуя композиционный скэффолд в виде пленки прямоугольной формы размером 40×60 мм. Примеры получения композиционных скэффолдов приведены в таблице 1.
Исследования морфологии поверхности скэффолдов и их элементного состава проводили на электронном микроскопе ESEM Quanta 400 FEG со встроенным EDX-анализатором (EDS analysis system Genesis 4000). Морфология поверхности 3-Д скэффолдов представлена на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3. Все композиционные скэффолды обладают развитой пористой поверхностью. Добавление частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита в раствор полимера изменяет структуру волокна, приводя к существенному колебанию диаметра волокна по всей площади образца. Чем больше количество частиц присутствует в образце, тем существенней изменение величины среднеквадратичного отклонения величины диаметра волокна, из которого состоит композиционный скэффолд (таблица 2). Элементный состав скэффолдов соответствует элементному составу материала поликапролактон и кремнийсодержащий гидроксиапатит, аналогичный составу неорганической составляющей костной ткани (таблица 3).
Результаты механических испытаний проводили методом испытания на растяжение на настольной одноколонной универсальной электромеханической испытательной машине Instron 3343. При увеличении количества частиц в структуре скэффолда происходит значительное снижение механической прочности, а именно значительно снижается предел прочности при растяжении (таблица 2), увеличивая хрупкость образцов.
Контроль смачиваемости поверхности полимерных скэффолдов осуществляли путем измерения водного краевого угла смачиваемости методом лежащей капли на тензиометре ОСА 50 (Dataphysics, Германия). Установлено влияние содержания частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита в скэффолде на смачиваемость поверхности. При увеличении концентрации частиц происходит улучшение параметра смачиваемости поверхности (таблица 2).
Figure 00000001
Figure 00000002
Figure 00000003

Claims (1)

  1. Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани, включающий синтез полимерного раствора путем растворения поликапролактона в растворителе, добавление к полученной смеси частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x, формирование композиционного скэффолда методом электроформования, отличающийся тем, что синтезируют полимерный раствор с концентрацией 9 мас. % путем растворения гранулированного порошка поликапролактона в хлороформе, к полученному полимерному раствору добавляют порошок кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x при замещении х=0,5 с концентрацией 5-15 мас. % в растворе, смесь гомогенизируют не менее 2 ч, затем формируют скэффолд методом электроформования при напряжении не менее 7 кВ и расстоянии не менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм.
RU2016140948A 2016-10-18 2016-10-18 Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани RU2624854C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140948A RU2624854C1 (ru) 2016-10-18 2016-10-18 Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2016140948A RU2624854C1 (ru) 2016-10-18 2016-10-18 Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2624854C1 true RU2624854C1 (ru) 2017-07-07

Family

ID=59312499

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2016140948A RU2624854C1 (ru) 2016-10-18 2016-10-18 Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2624854C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762511C1 (ru) * 2021-04-29 2021-12-21 Общество с ограниченной ответственностью «Северо-Кавказский медицинский учебно-методический центр» Композиция биорезорбируемого 3d-матрикса для восстановления дефектов костной ткани

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080292839A1 (en) * 2007-03-26 2008-11-27 Mei Wei Electrospun Apatite/Polymer Nano-Composite Scaffolds
RU2540468C2 (ru) * 2012-11-06 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"Российская Федерация Способ получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида
RU2555348C1 (ru) * 2014-07-16 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения пористых керамических гранул на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20080292839A1 (en) * 2007-03-26 2008-11-27 Mei Wei Electrospun Apatite/Polymer Nano-Composite Scaffolds
RU2540468C2 (ru) * 2012-11-06 2015-02-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского"Российская Федерация Способ получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида
RU2555348C1 (ru) * 2014-07-16 2015-07-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук (ИМЕТ РАН) Способ получения пористых керамических гранул на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2762511C1 (ru) * 2021-04-29 2021-12-21 Общество с ограниченной ответственностью «Северо-Кавказский медицинский учебно-методический центр» Композиция биорезорбируемого 3d-матрикса для восстановления дефектов костной ткани

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Zuo et al. Incorporation of biodegradable electrospun fibers into calcium phosphate cement for bone regeneration
DE69916839T2 (de) Mischung von bioresorbierbaren polymeren enthaltend ein pga-haltiges blockcopolymer und ein zweites makrophasengetrenntes polymer
Zhang et al. Preparation of chitosan/hydroxyapatite guided membrane used for periodontal tissue regeneration
Govindasamy et al. Synthesis and characterisation of electrospun chitosan membranes reinforced by halloysite nanotubes
Zhu et al. Ultrafast bone-like apatite formation on highly porous poly (l-lactic acid)-hydroxyapatite fibres
CN111386133B (zh) 制备骨传导性纤维制品的方法和包含此类骨传导性纤维制品的医用植入物
DE102018129658A1 (de) Medizinisches Implantat umfassend Magnesium und Fibroin
Rez et al. Tubular poly (ε-caprolactone)/chitosan nanofibrous scaffold prepared by electrospinning for vascular tissue engineering applications
RU2624854C1 (ru) Способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани
Castro et al. Electrospun fibrous membranes of poly (lactic-co-glycolic acid) with β-tricalcium phosphate for guided bone regeneration application
Do Amaral et al. In vitro and in vivo response of composites based on chitosan, hydroxyapatite and collagen
KR20090112760A (ko) 복합 재료의 제조 방법, 얻어지는 재료 및 그의 용도
BR102013000771B1 (pt) enchimento de fibras para preenchimento de defeitos ósseos
CN115105630A (zh) 一种内嵌有壳聚糖/明胶复合水凝胶的3d打印材料及其制备方法
Hesaraki et al. Investigation of an effervescent additive as porogenic agent for bone cement macroporosity
Park et al. In vivo mimicking injectable self-setting composite bio-cement: Scanning acoustic diagnosis and biological property evaluation for tissue engineering applications
Buitrago-Vásquez et al. Degradation, mater uptake, injectability and mechanical strength of injectable bone substitutes composed of silk fibroin and hydroxyapatite nanorods
Borhan et al. Injectable bone paste biocomposite based on melt-derived bioactive glass and sodium alginate natural polymer
Balgová et al. Preparation, characterization and in vitro bioactivity of polyvinyl alcohol-hydroxyapatite biphasique membranes
CN110787323A (zh) 一种HAp-CSA-SF复合凝胶材料及其制备方法和应用
Heo et al. Evaluation of poly (lactide-co-glycolide)/hydroxyapatite nanofibres for reconstruction of critical-sized segmental bone defects in a canine model.
Sheikh et al. Nanobiotechnology approach to fabricate polycaprolactone nanofibers containing solid titanium nanoparticles as future implant materials
Florkiewicz et al. Acrylic composite materials modified with bee pollen for biomedical application
Dahlan et al. FTIR, SEM and Micro-CT Scan results of biocomposite scaffold characteristics
Perera et al. Effect of chitosan concentration on gelation of chitosan/nanohydroxyapatite/Na2CO3 composite

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20191019