RU2662326C2 - Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал - Google Patents
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал Download PDFInfo
- Publication number
- RU2662326C2 RU2662326C2 RU2016105556A RU2016105556A RU2662326C2 RU 2662326 C2 RU2662326 C2 RU 2662326C2 RU 2016105556 A RU2016105556 A RU 2016105556A RU 2016105556 A RU2016105556 A RU 2016105556A RU 2662326 C2 RU2662326 C2 RU 2662326C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- collagen
- bone
- hydroxyapatite
- composite material
- biomimetic
- Prior art date
Links
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 126
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 48
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 title claims abstract description 36
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 claims abstract description 158
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 claims abstract description 158
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 claims abstract description 158
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims abstract description 98
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 claims abstract description 92
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 claims abstract description 77
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 56
- 239000002159 nanocrystal Substances 0.000 claims abstract description 23
- 229910052500 inorganic mineral Inorganic materials 0.000 claims abstract description 21
- 239000011707 mineral Substances 0.000 claims abstract description 21
- 239000007943 implant Substances 0.000 claims abstract description 16
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims abstract description 11
- 230000011164 ossification Effects 0.000 claims abstract description 10
- 230000008929 regeneration Effects 0.000 claims abstract description 9
- 238000011069 regeneration method Methods 0.000 claims abstract description 9
- 230000010478 bone regeneration Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000000978 circular dichroism spectroscopy Methods 0.000 claims abstract description 8
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 claims abstract description 7
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 25
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 23
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 23
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 18
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 claims description 12
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 11
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 claims description 11
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 claims description 11
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- 102000012422 Collagen Type I Human genes 0.000 claims description 6
- 108010022452 Collagen Type I Proteins 0.000 claims description 6
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 claims description 6
- 210000000845 cartilage Anatomy 0.000 claims description 5
- RBLGLDWTCZMLRW-UHFFFAOYSA-K dicalcium;phosphate;dihydrate Chemical compound O.O.[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O RBLGLDWTCZMLRW-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 4
- 102000000503 Collagen Type II Human genes 0.000 claims description 3
- 108010041390 Collagen Type II Proteins 0.000 claims description 3
- 235000019739 Dicalciumphosphate Nutrition 0.000 claims description 3
- 238000002983 circular dichroism Methods 0.000 claims description 3
- NEFBYIFKOOEVPA-UHFFFAOYSA-K dicalcium phosphate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O NEFBYIFKOOEVPA-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 229910000390 dicalcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229940038472 dicalcium phosphate Drugs 0.000 claims description 3
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims description 3
- 239000011343 solid material Substances 0.000 claims description 3
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 3
- 230000001954 sterilising effect Effects 0.000 claims description 3
- 102000001187 Collagen Type III Human genes 0.000 claims description 2
- 108010069502 Collagen Type III Proteins 0.000 claims description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 claims description 2
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 238000007654 immersion Methods 0.000 claims description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 claims description 2
- KXLZIIWFTPMYKT-UHFFFAOYSA-N phosphoric acid;pentahydrate Chemical compound O.O.O.O.O.OP(O)(O)=O KXLZIIWFTPMYKT-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- GBNXLQPMFAUCOI-UHFFFAOYSA-H tetracalcium;oxygen(2-);diphosphate Chemical compound [O-2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O GBNXLQPMFAUCOI-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims 1
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 claims 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 claims 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract description 6
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000008439 repair process Effects 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 25
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 24
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 24
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 23
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 20
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 20
- RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N Diethyl ether Chemical compound CCOCC RTZKZFJDLAIYFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 14
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 14
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 11
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 11
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 10
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 9
- LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I dipotassium trisodium dihydrogen phosphate hydrogen phosphate dichloride Chemical compound P(=O)(O)(O)[O-].[K+].P(=O)(O)([O-])[O-].[Na+].[Na+].[Cl-].[K+].[Cl-].[Na+] LOKCTEFSRHRXRJ-UHFFFAOYSA-I 0.000 description 9
- 239000002953 phosphate buffered saline Substances 0.000 description 9
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 8
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 8
- AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 1-[6-[4-(5-chloro-6-methyl-1H-indazol-4-yl)-5-methyl-3-(1-methylindazol-5-yl)pyrazol-1-yl]-2-azaspiro[3.3]heptan-2-yl]prop-2-en-1-one Chemical compound ClC=1C(=C2C=NNC2=CC=1C)C=1C(=NN(C=1C)C1CC2(CN(C2)C(C=C)=O)C1)C=1C=C2C=NN(C2=CC=1)C AZUYLZMQTIKGSC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 7
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 7
- 239000000047 product Substances 0.000 description 7
- 108010009565 Bio-Gide Proteins 0.000 description 6
- DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N Glycine Chemical compound NCC(O)=O DHMQDGOQFOQNFH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 6
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 6
- 238000001338 self-assembly Methods 0.000 description 6
- ONIBWKKTOPOVIA-BYPYZUCNSA-N L-Proline Chemical compound OC(=O)[C@@H]1CCCN1 ONIBWKKTOPOVIA-BYPYZUCNSA-N 0.000 description 5
- ONIBWKKTOPOVIA-UHFFFAOYSA-N Proline Natural products OC(=O)C1CCCN1 ONIBWKKTOPOVIA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 5
- FPQQSJJWHUJYPU-UHFFFAOYSA-N 3-(dimethylamino)propyliminomethylidene-ethylazanium;chloride Chemical compound Cl.CCN=C=NCCCN(C)C FPQQSJJWHUJYPU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000004809 Teflon Substances 0.000 description 4
- 229920006362 Teflon® Polymers 0.000 description 4
- 150000001413 amino acids Chemical group 0.000 description 4
- 238000010908 decantation Methods 0.000 description 4
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 239000003517 fume Substances 0.000 description 4
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 4
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 4
- 239000004471 Glycine Substances 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 3
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 3
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 3
- 239000010419 fine particle Substances 0.000 description 3
- 239000005445 natural material Substances 0.000 description 3
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 3
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000008055 phosphate buffer solution Substances 0.000 description 3
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 3
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 3
- 229920002994 synthetic fiber Polymers 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L Calcium carbonate Chemical compound [Ca+2].[O-]C([O-])=O VTYYLEPIZMXCLO-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007983 Tris buffer Substances 0.000 description 2
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008468 bone growth Effects 0.000 description 2
- 239000000316 bone substitute Substances 0.000 description 2
- 238000001354 calcination Methods 0.000 description 2
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 2
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 2
- 239000000515 collagen sponge Substances 0.000 description 2
- 230000003013 cytotoxicity Effects 0.000 description 2
- 231100000135 cytotoxicity Toxicity 0.000 description 2
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 2
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 2
- -1 for example Chemical compound 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N mercury Chemical compound [Hg] QSHDDOUJBYECFT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052753 mercury Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000001089 mineralizing effect Effects 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- 238000002459 porosimetry Methods 0.000 description 2
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 2
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000002054 transplantation Methods 0.000 description 2
- LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K tripotassium phosphate Chemical compound [K+].[K+].[K+].[O-]P([O-])([O-])=O LWIHDJKSTIGBAC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 2
- LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N tris Chemical compound OCC(N)(CO)CO LENZDBCJOHFCAS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- MISZALMBODQYFT-URVXVIKDSA-N 125-69-9 Chemical compound Br.C([C@@H]12)CCC[C@]11CCN(C)[C@H]2CC2=CC=C(OC)C=C21 MISZALMBODQYFT-URVXVIKDSA-N 0.000 description 1
- MBEVSMZJMIQVBG-UHFFFAOYSA-N 2-(hydroxymethyl)guanidine Chemical compound NC(N)=NCO MBEVSMZJMIQVBG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003775 Density Functional Theory Methods 0.000 description 1
- 102000010834 Extracellular Matrix Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010037362 Extracellular Matrix Proteins Proteins 0.000 description 1
- PMMYEEVYMWASQN-DMTCNVIQSA-N Hydroxyproline Chemical compound O[C@H]1CN[C@H](C(O)=O)C1 PMMYEEVYMWASQN-DMTCNVIQSA-N 0.000 description 1
- 241000282887 Suidae Species 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- ZRIUUUJAJJNDSS-UHFFFAOYSA-N ammonium phosphates Chemical class [NH4+].[NH4+].[NH4+].[O-]P([O-])([O-])=O ZRIUUUJAJJNDSS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002473 artificial blood Substances 0.000 description 1
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000005312 bioglass Substances 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 229960000074 biopharmaceutical Drugs 0.000 description 1
- 230000036760 body temperature Effects 0.000 description 1
- 230000037118 bone strength Effects 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000019 calcium carbonate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 1
- 238000003889 chemical engineering Methods 0.000 description 1
- 239000000512 collagen gel Substances 0.000 description 1
- 230000037319 collagen production Effects 0.000 description 1
- 229940096422 collagen type i Drugs 0.000 description 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 1
- 238000012669 compression test Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 238000005238 degreasing Methods 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 201000010099 disease Diseases 0.000 description 1
- 208000037265 diseases, disorders, signs and symptoms Diseases 0.000 description 1
- PMMYEEVYMWASQN-UHFFFAOYSA-N dl-hydroxyproline Natural products OC1C[NH2+]C(C([O-])=O)C1 PMMYEEVYMWASQN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000005553 drilling Methods 0.000 description 1
- 238000001523 electrospinning Methods 0.000 description 1
- 210000002744 extracellular matrix Anatomy 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 210000002436 femur neck Anatomy 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 229960002591 hydroxyproline Drugs 0.000 description 1
- 230000001900 immune effect Effects 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 1
- 229910010272 inorganic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011147 inorganic material Substances 0.000 description 1
- 238000000329 molecular dynamics simulation Methods 0.000 description 1
- 230000000278 osteoconductive effect Effects 0.000 description 1
- VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;fluoride;triphosphate Chemical compound [F-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 1
- 230000003239 periodontal effect Effects 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 229910052585 phosphate mineral Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000002381 plasma Anatomy 0.000 description 1
- 229910000160 potassium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011009 potassium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 238000000634 powder X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000002243 precursor Substances 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 239000011541 reaction mixture Substances 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
- 239000013049 sediment Substances 0.000 description 1
- 238000005029 sieve analysis Methods 0.000 description 1
- 210000003625 skull Anatomy 0.000 description 1
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 description 1
- 210000002784 stomach Anatomy 0.000 description 1
- 125000003508 trans-4-hydroxy-L-proline group Chemical group 0.000 description 1
- FGMPLJWBKKVCDB-UHFFFAOYSA-N trans-L-hydroxy-proline Natural products ON1CCCC1C(O)=O FGMPLJWBKKVCDB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 1
- 239000012808 vapor phase Substances 0.000 description 1
- ZTWTYVWXUKTLCP-UHFFFAOYSA-N vinylphosphonic acid Chemical compound OP(O)(=O)C=C ZTWTYVWXUKTLCP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000004580 weight loss Effects 0.000 description 1
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
- A61L27/28—Materials for coating prostheses
- A61L27/30—Inorganic materials
- A61L27/32—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
- A61L27/22—Polypeptides or derivatives thereof, e.g. degradation products
- A61L27/24—Collagen
-
- 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
- A61L27/46—Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix with phosphorus-containing inorganic fillers
-
- 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
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/54—Biologically active materials, e.g. therapeutic substances
-
- 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
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/56—Porous materials, e.g. foams or sponges
-
- 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
- A61L27/50—Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
- A61L27/58—Materials at least partially resorbable by the body
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- 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
- A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
- A61L2300/10—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices containing or releasing inorganic materials
- A61L2300/112—Phosphorus-containing compounds, e.g. phosphates, phosphonates
-
- 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
- A61L2300/00—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices
- A61L2300/40—Biologically active materials used in bandages, wound dressings, absorbent pads or medical devices characterised by a specific therapeutic activity or mode of action
- A61L2300/412—Tissue-regenerating or healing or proliferative agents
-
- 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
- A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
- A61L2400/12—Nanosized materials, e.g. nanofibres, nanoparticles, nanowires, nanotubes; Nanostructured surfaces
-
- 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
- A61L2400/00—Materials characterised by their function or physical properties
- A61L2400/18—Modification of implant surfaces in order to improve biocompatibility, cell growth, fixation of biomolecules, e.g. plasma treatment
-
- 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
- A61L2420/00—Materials or methods for coatings medical devices
- A61L2420/02—Methods for coating medical devices
-
- 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
- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
- A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
-
- 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
- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
- A61L2430/06—Materials or treatment for tissue regeneration for cartilage reconstruction, e.g. meniscus
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Dispersion Chemistry (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
Abstract
Изобретение относится к медицине. Описан биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал, включающий частично волоконный коллагеновый каркас, включающий зрелые природные коллагеновые волокна, которые характеризуются тройной спиральностью по данным спектроскопии кругового дихроизма, причем эти зрелые природные волокна коллагена по крайней мере частично покрыты эпитаксиально выращенными кристаллами нанокристаллического гидроксиапатита и при этом эпитаксиально выращенные нанокристаллы характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минералу человека, то есть длина составляет от 30 до 50 нм, а ширина от 14 до 25 нм. Описан способ получения композитного материала. Композитный материал используют в качестве имплантата или протеза для формирования кости, регенерации кости, восстановления и/или замещения кости в дефектном участке кости у человека или животного, или в качестве имплантата для комбинированной регенерации костной и хрящевой костной ткани. Композитный материал стабилен к механическим нагрузкам. 5 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.
Description
Настоящее изобретение относится к новому коллаген-гидроксиапатитному композитному материалу, включающему по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас и гидроксиапатит, причем волокна коллагена по крайней мере частично покрыты эпитаксиально выращенными кристаллами нанокристаллического гидроксиапатита, к способу получения этого материала и к его применению в качествен имплантата для поддержки костеобразования, регенерации костной ткани, восстановления кости и/или замещению кости в дефектном участке у человека или животного, или в качестве имплантата для комбинированной регенерации костной и хрящевой ткани.
Дефекты в структуре костной ткани возникают в ряде случае, таких как травма, заболевание и хирургическая операция, и таким образом все еще существует необходимость в эффективной регенерации костных дефектов в различных областях хирургии. Для стимуляции заживления в участке дефекта костной ткани используют множество природных и синтетических материалов и композиций.
Хорошо известный природный остеокондуктивный материал для заменителя костной ткани, который ускоряет рост кости в участках пародонтальных и челюстно-лицевых костных дефектов или костных дефектов в области ортопедии, представляет собой продукты Geistlich Bio-Oss® или Geistlich Orthoss, соответственно, выпускаемые фирмой Geistlich Pharma AG. Этот костный минеральный материал на основе гидроксиапатита получают из природных костей способом, описанным в патенте US №5167961, который позволяет сохранить трабекулярную архитектуру и нанокристаллическую структуру природной кости.
Однако материалы на основе гидроксиапатита не всегда являются пригодными для регенерации крупных дефектов костей, прежде всего в ортопедии, так как они характеризуются ломкостью и недостаточной стабильностью к механическим нагрузкам при винтовом соединении, например, с костной частью тела.
Таким образом, существует необходимость в синтетических или частично синтетических материалах для пересадки кости, наиболее сходных с природной костной тканью, прежде всего в отношении их стабильности к механическим нагрузкам. Такой биомиметический синтетический или частично синтетический материал для пересадки кости можно использовать в определенных областях применения, прежде всего для регенерации крупных дефектов костей и для замены костных трансплантатов, полученных из природных костей.
Природная костная ткань представляет собой композитный материал, состоящий из воды и коллагеновой матрицы, состоящей в основном из коллагена типа I, который равномерно объединен с неорганическими кристаллами, в основном кристаллами гидроксиапатита. Содержание коллагена типа I и гидроксиапатита составляет приблизительно от 25 до 30 мас.% и от 65 до 70 мас.% в расчете на сухую массу природной кости, соответственно. Коллагеновая матрица придает кости гибкость и эластичность, в то время как неорганический материал придает кости прочность и жесткость, при этом комбинированная структура двух фаз обеспечивает высокую степень эластичности и прочности композита. Подробный обзор структуры костной ткани от ангстремного размера минерального кристалла до микрометрового размера тонких слоев, соответственно, представлен в статье Weiner S. и др., FASEB, 6: 879-885 (1992).
Одной из важных характеристик природной костной ткани является морфология и чрезвычайно малый размер кристаллов гидроксиапатита со следующими параметрами минерал костной ткани человека: гексагональная группа симметрии Р63/m, длина от приблизительно 30 до 50 нм (ось с: [0,0,1] и от 14 до 25 нм (оси а и b: [1,0,0] и [0,1,0]) (см. статью Weiner S. и др., цитированную выше).
В статьях N.A. Barrios и др. "Density Functional Study of Binding of Glycine, Proline and Hydroxyproline to the Hydroxyapatite (0001) and 
Surfaces", Langmuir 25(9), 5018-5025 (2009) и "Molecular Dynamics Simulation of the Early Stages of Nucleation of Hydroxyapatite at a Collagen Template", Crystal Growth Design, 12, 756-763 (2012) указано, что при температуре тела образование зародышей кристаллизации и связывание гидроксиапатита с волокнами коллагена происходят на различных участках аминокислотной структуры коллагена, включающих остатки глицина, пролина и гироксипролина, а именно на поверхности кристалла (0001) и 
, причем связывание на поверхности кристалла 
является предпочтительным. Эти данные подтверждают, структура коллагенового волокна и его аминокислотных фрагментов в организме человека представляют собой субстрат, точно соответствующий кристаллической структуре гидроксиапатита, следовательно, формирование костной ткани происходит по эпитаксиальному механизму роста кристаллов, по которому кристаллы гидроксиапатита связываются с коллагеновыми волокнами. Эпитаксиальный механизм роста кристаллов является термодинамически выгодным, обеспечивая самую низкую конфигурацию энергии.
В предшествующем уровне техники осуществлялись попытки получить композитные коллаген-гидроксиапатитные материалы, сходные с природной костной тканью.
В патенте US 5231169 описан способ минерализации коллагена кальций-фосфатным минералом, который заключается в получении указанного кальций-фосфатного минерала в присутствии дисперсии диспергированных волокон коллагена в щелочном водном растворе, значение рН которого составляет 10-13, в добавлении в указанную дисперсию в течение по крайней мере 1 ч источника растворимого кальция и растворимого фосфата в надлежащем соотношении, при этом получают указанный фосфатный минерал и собирают минерализованный коллаген. Отмечается, что при этом получают минерализованный коллаген со стабильно распределенным фосфатом кальция в коллагеновой матрице.
В патенте US 5739286 описан способ получения материала для наращивания кости, сходного с природной костью, с помощью минерализации коллагеновых волокон в течение 7 сут в двойной диффузионной камере, включающей первый резервуар, содержащий 0,05 М трис и 0,1 М хлорид кальция, и второй резервуар, содержащий 0,05 М трис и 0,1 М фосфат калия. Отмечается, что на коллагеновых волокнах образуется осадок фосфата кальция и что по данным сканирующей электронной микроскопии волокна минерализованного коллагена являются морфологически сходными с пластинчатыми агрегатами гидроксиапатита, обнаруженными в виде осадка на материалах из биостекла, пропитанных искусственной плазмой крови.
В патентах US №6395036 и №6589590 описан способ получения искусственной кости при расположении коллагеновой мембраны между раствором кальциевых ионов и раствором фосфатных ионов с противоположных сторон мембраны, при этом ионы диффундируют через мембрану, встречаются друг с другом и образуется осадок гидроксиапатитного материала внутри коллагеновой мембраны.
В патентах US №7514249 и №7547449 описан способ получения биомиметического губчатого коллагена, минерализованного фосфатом кальция, где фосфат кальция включен в промежуточное пространство коллагеновых волокон с использованием растворов 6 мМ хлорида кальция и 200 мкг/мл обоих компонентов - поли(α,β-DL-аспарагиновой кислоты) и поли(винилфосфоновой кислоты, с последующей диффузией из паровой фазы двузамещенного фосфата аммония.
В статье Ficai А. и др., Chemical Engineering 160, 794-800 (2010) описан способ получения коллаген-апатитного композитного материала, начиная с коллагенового геля и предшественников гидроксиапатита, где рН доводят до приблизительно 9 с использованием раствора гидроксида натрия для обеспечения образования осадка гидроксиапатита и фибрилл. Таким образом образуются кристаллы гидроксиапатита размером «в нанометровом диапазоне от нескольких нанометров вплоть до 40 нм». Так как образование зародышей кристаллов гидроксиапатита происходит в процессе образования фибрилл, в ходе самосборки молекул коллагена изменяются положения на аминокислотных фрагментах коллагена (и которые, следовательно, точно не совпадают с кристаллической структурой гидроксиапатита), то при этом невозможен никакой эпитаксиальный рост кристаллов гидроксиапатита: и как указано в этой публикации - такие кристаллы выпадают в осадок.
В опубликованной заявке US №2009/0232875 описана многослойная структура, включающая первый верхний слой, состоящий из органической матрицы, содержащей коллаген и по крайней мере нижний слой композитной матрицы, содержащей гидроксиапатит и коллаген (абзац [0001]). Композит получают способом прямого формирования зародышей кристаллов гидроксиапатита на волокнах коллагена, образующихся в процессе самосборки, при рН 9-11 и температуре от 35 до 40°С, при этом образуются кристаллы размером 12-15 нм вдоль оси волокна (абзацы [0082] и [0089]. Так как согласно статье Ficai А. и др.., цитированной выше, образование зародышей кристаллов гидроксиапатита происходит в процессе самосборки молекул коллагена (при этом изменяются положения на аминокислотных фрагментах коллагена) и более того такое образование зародышей кристаллов «включает карбонизацию неорганической фазы, то есть включение групп СО3 2- на кристаллической решетке гидроксиапатита" (см. абзац [0077], строки 25-28), причем карбонизированный гидроксиапатит характеризуется различной кристаллической структурой (моноклинная кристаллическая структура с пространственной группой Pb или P21/b: см. статью Elliot J.С., Structure and Chemistry of the Apatites and Other Calcium Phosphates. Studies in inorganic Chemistry 18. Elsevier Science, ISBN 0-444-81582-1) (1994), то при этом невозможен никакой эпитаксиальный рост кристаллов гидроксиапатита. Следовательно, такие кристаллы растут в процессе формирования осадка на «нанозародышах, формирующихся внутри волокон коллагена… параллельно волокнам» (см. абзац [0090]).
В заявке US-2010/0021552 описан имплантат из биоматериала, включающий минерализованный волоконный каркас, в котором «пустоты нанометрового размера внутри природного коллагенового волокна, образующегося после самосборки, ограничивают размер, до которого могут беспрепятственно расти минеральные материалы, и удерживают минеральные материалы таким образом, что они не могут диффундировать из волокон коллагена», при этом только указанные апатитные минеральные материалы характеризуются размером по крайней мере приблизительно 1 × 10 × 10 нм ([0044], [0045], [0105], [0113]).
В коллаген-гидроксиапатитных композитных материалах, описанных в предшествующем уровне техники, гидроксиапатит осаждается на коллагеновом каркасе или внутри него, причем связь с последним представляет собой лишь слабую физическую связь, например, адсорбционную связь. Такая слабая физическая связь не способна придавать материалу эластичность, устойчивость к скручивающей нагрузке и прочность, свойственные природной кости, в которой кристаллы гидроксиапатита являются выращенными эпитаксиально на волокнах коллагена.
Таким образом, одна цель настоящего изобретения заключается в получении биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композита, где между коллагеновым каркасом и кристаллами гидроксиапатита образуется сильная связь.
В коллаген-гидроксиапатитных композитных материалах, описанных в предшествующем уровне техники, морфология и размеры кристаллов гидроксиапатита отличаются от морфологии (соотношение граней кристалла и параметры кристаллической решетки) и чрезвычайно малых размеров, которые характерны для природного костного минерала, прежде всего костного минерала человека.
Таким образом, другая цель настоящего изобретения заключается в получении биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала, в котором кристаллы коллагена характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минералу человека.
В патенте ЕР №2445543 описаны условия, в которых нанокристаллы гидроксиапатита выращивают эпитаксиально на полученном после прокаливания ядре альфа-трикальций фосфата (альфа-ТКФ), при этом получают нанокристаллы с морфологией и размером, аналогичными костному минералу человека.
Было установлено, что указанные выше цели достигаются при модификации условий, описанных в патенте ЕР №2445543 для эпитаксиального выращивания нанокристаллов гидроксиапатита на волокнах коллагена, при этом полученные нанокристаллы характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минеральному материалу человека.
Таким образом получают биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал с исключительными механическими свойствами, а именно высокой устойчивостью к механическим нагрузкам, прежде всего высокой устойчивостью к скручивающей нагрузке (по крайней мере 30 Н-см, в основном приблизительно 60 Н-см), благодаря сильной эпитаксиальной связи между коллагеновым каркасом и кристаллами гидроксиапатита. Этот материал после имплантации в организм человека быстро колонизируется костеобразующими клетками и характеризуется чрезвычайно высокими остеокондуктивностью и контактным остеогенезом в основном за счет того, что кристаллы гидроксиапатита характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минералу человека.
Указанные выше цели достигаются согласно настоящему изобретению, как определено в прилагаемой формуле изобретения.
Таким образом настоящее изобретение относится к новому биомиметическому коллаген-гидроксиапатитному композитному материалу, включающему по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас, включая зрелые природные коллагеновые волокна, которые характеризуются тройной спиральностью, как определено по данным спектроскопии кругового дихроизма, причем эти зрелые природные волокна коллагена по крайней мере частично покрыты эпитаксиально выращенными кристаллами нанокристаллического гидроксиапатита, и при этом эпитаксиально выращенные нанокристаллы характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минералу человека, то есть длина составляет от 30 до 50 нм, а ширина от 14 до 25 нм.
Термин «морфология, аналогичная костному минералу человека» означает, что размерное соотношение граней кристаллов (которое определяет внешнюю форму кристаллов) является аналогичным соотношению граней кристаллов в костном минерале человека. В последнем кристаллы в основном представляют собой гексагональные пластины.
Эпитаксиальный рост гидроксиапатита на коллагене может происходить только на волокнах коллагена, как описано в публикациях N.A. Barrios и др., цитированных выше. Такими волокнами должны являться зрелые природные волокна коллагена, то есть когда (а) фибриллы формируются в ходе самосборки коллагеновых блоков, (б) образуются α1 и α2 цепи, и (в) образуется тройная спираль в ходе природной сшивки двух α1 цепей и одной α2 цепи. Такие зрелые природные волокна коллагена характеризуются тройной спиральностью, как показано методом спектрометрии кругового дихроизма. На зрелых природных волокнах коллагена зафиксированы соответствующие положения фрагментов коллагенового каркаса, включающих остатки глицина, пролина и гидроксипролина, точно соответствующие структуре гидроксиапатита, тем самым обеспечивая эпитаксиальное образование связей между гидроксиапатитом и зрелыми природными волокнами коллагена. Волокна, образующиеся после сборки, то есть после самосборки фибрилл, образования α1 и α2 спиралей или образования тройной спирали, не соответствуют эпитаксиальному росту гидроксиапатита. Действительно, в таких образующихся после сборки волокнах положения каркасных блоков коллагена изменяются и таким образом точно не соответствуют кристаллической структуре гидроксиапатита.
Следовательно, необходимо, чтобы коллагеновый каркас представлял собой по крайней мере частично волоконную структуру на его внешней поверхности и включал зрелые природные волокна коллагена с тройной спиральностью по данным спектроскопии кругового дихроизма.
По крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас в основном включает на своей внешней поверхности по крайней мере 2% зрелых природных волокон коллагена, предпочтительно по крайней мере 5% зрелых природных волокон коллагена, более предпочтительно по крайней мере 10% зрелых природных волокон коллагена, как определено по данным сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и спектроскопии кругового дихроизма.
По крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас в основном состоит из коллагена типа I, но может также включать другие типы коллагена, прежде всего коллаген типа II и типа III.
По крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас в основном представляет собой коллагеновую матрицу, полученную из природного материала или полу-искусственной или искусственной коллагеновой матрицы, например, при электропрядении из суспензии частиц коллагена или раствора растворимого коллагена, при этом коллаген получают из природного материала или рекомбинантного коллагена.
Эпитаксиально выращенные кристаллы нанокристаллического гидроксиапатита обычно образуют слой толщиной по крайней мере 30±15 нм по данным рентгеноструктурного анализа. Толщина по крайней мере 30±15 нм соответствует одному слою нанокристаллов гидроксиапатита в эпитаксиальной ориентации.
Эпитаксиально выращенные кристаллы нанокристаллического гидроксиапатита могут включать один или множество слоев нанокристаллов гидроксиапатита в эпитаксиальной ориентации по отношению к субстрату -коллагеновым волокнам. Толщину слоя эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита, которая соответствует числу таких слоев нанокристаллов гидроксиапатита в эпитаксиальной ориентации, можно выбрать в зависимости от назначения материала для заменителя костной ткани в качестве имплантата в организме человека.
Толщина слоя эпитаксиально выращенного нанокристаллического гидроксиапатита относится к массовому соотношению волоконного коллагенового каркаса и эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита, причем указанное соотношение в основном находится в интервале от 5:95 до 95:5, предпочтительно от 10:90 до 90:10, более предпочтительно от 20:80 до 60:40, прежде всего от 30:70 до 70:30.
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал может представлять собой материал в виде частиц или гранул требуемых размера и формы. В основном частицы или гранулы имеют приблизительно сферическую форму диаметром от 20 до 5000 мкм.
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал может также представлять собой формованное изделие любой формы, например, такое как блок в форме куба или параллелепипеда, пластина, цилиндр, коническая шпонка, гвоздь, винт, стержень или структура с профилем костного элемента в организме, прежде всего, такого как шейка бедра, ключица, ребро, челюсть или элемент черепа. Такое формованное изделие может проявлять достаточную устойчивость к скручивающему усилию, например, чтобы его можно было привинчивать в костный элемент организма, например, устойчивость к скручивающему усилию может составлять по крайней мере 30 Н-см в сухом состоянии, предпочтительно устойчивость к скручивающему усилию может составлять по крайней мере 50 Н-см в сухом состоянии.
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал может также представлять собой мембранное формованное изделие.
Пригодный коллагеновый каркас для мембранного формованного изделия может представлять собой мембрану Bio-Gide® (фирмы Geistlich Pharma A.G., Швейцария), которую получают способом, описанным в патенте ЕР-В1-1676592, и которая имеет волоконную сторону, обеспечивающую прорастание в ней костеобразующих клеток, и гладкую сторону, действующую в качестве барьера против прорастания не-костеобразующих клеток. На такую мембрану можно наносить покрытие эпитаксиально выращенных нанокристаллов гидроксиапатита в основном только на ее волоконную сторону, тем самым обеспечивая чрезвычайно благоприятные условия для формирования костной ткани на этой стороне мембраны.
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по настоящему изобретению можно также использовать в качестве имплантата или протеза для формирования кости, регенерации кости, восстановления и/или замещения кости в дефектном участке кости, прежде всего в большом дефектном участке кости у человека или животного.
Настоящее изобретение также относится к следующим объектам:
- применение указанного биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала в качестве имплантата или протеза для формирования кости, регенерации кости, восстановления и/или замещения кости в дефектном участке кости у человека или животного,
- способ ускорения формирования кости, регенерации кости, восстановления и/или замещения кости в дефектном участке кости у человека или животного путем имплантации биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала.
Мембранное формованное изделие из биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по настоящему изобретению, в котором только одна сторона покрыта эпитаксиально выращенными нанокристаллами гидроксиапатита, можно использовать в качестве имплантата для комбинированной регенерации костной и хрящевой ткани, при этом сторона с покрытием ориентирована таким образом, что она контактирует с дефектным участком кости, а сторона без покрытия - с дефектным участком хрящевой ткани.
Настоящее изобретение относится к применению мембранного формованного изделия из биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала в качестве имплантата для комбинированной регенерации костной и хрящевой ткани.
Кроме того, настоящее изобретение относится к способу получения указанного выше биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала, включающему следующие стадии:
а) погружение по крайней мере частично волоконного коллагенового каркаса, включающего зрелые природные волокна коллагена с тройной спиральностью по данным спектроскопии кругового дихроизма, в насыщенный водный раствор насыщенный Са2+/HxPO4 (3-x) для осуществления процесса формирования композитного материала имплантата, при этом эпитаксиально выращенные нанокристаллы гидроксиапатита формируются на указанных зрелых природных волокнах коллагена, и эпитаксиально выращенные нанокристаллы характеризуются морфологией, сходной с костным минералом человека,
б) остановка процесса формирования композитного материала имплантата путем извлечения твердого материала из водного раствора, промывка водой и высушивание, и
в) необязательно стерилизация извлеченного высушенного материала, полученного на стадии б).
По крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас представляет собой в основном коллагеновую матрицу, полученную из природного материала, или полученную из полу-искусственной или искусственной коллагеновой матрицы с предварительно приданной формой, которая сопоставима с требуемой конечной формой для биомиметического композитного материала, и со степенью сшивки, достаточной для требуемых механических свойств биомиметического композитного материала. При необходимости получение указанного коллагенового каркаса включает стадию для придания материалу требуемой предварительной формы и стадию сшивки для придания достаточных когезионной прочности и жесткости.
Перед осуществлением стадии а) по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас в основном очищают в спирте, таком как, например, этанол и изопропанол, и в простом эфире, таком как, например, диэтиловый эфир.
Насыщенный водный раствор насыщенный Са2+/HxPO4 (3-x) может представлять собой фосфатный буферный раствор (ФБР), содержащий тонко диспергированные альфа-трикальций фосфат (альфа-ТКФ), бета-ТКФ, тетракальций фосфат (ТТКФ), пентагидрат октакальций фосфата, дикальций фосфат или дигидрат дикальций фосфата. Такая дисперсия кальций фосфата в ФБР позволяет получить раствор, в котором ионы Са2+/HxPO4 (3-x) остаются в насыщенном состоянии, когда ионы Са2+/HxPO4 (3-x) потребляются с образованием гидроксиапатита.
Насыщенный водный раствор насыщенный Са2+/HxPO4 (3-x) может также представлять собой фосфатный буферный раствор, в который добавляют ионы Са2+/HxPO4 (3-x) для компенсации потребленных ионов при образовании гидроксиапатита, например, при прикапывании раствора, содержащего такие ионы, в реакционную смесь.
Концентрация фосфатного буферного раствора в основном составляет от 0,1 до 1,0 М, прежде всего от 0,2 до 0,8 М.
Величина рН насыщенного водного раствора насыщенного Са2+/HxPO4 (3-x) в ходе осуществления стадии а), обычно остается в интервале от 5,5 до 9,0, предпочтительно от 6,5 до 8,0.
Стадию а) обычно проводят при температуре от 25 до 45°С, предпочтительно от 35 до 42°С.
Стадию а) осуществляют в течение периода времени, достаточного для эпитаксиального роста значительных количеств кристаллов гидроксиапатита на зрелых природных волокнах коллагена. Эпитаксиальный рост действительно является термодинамически благоприятным процессом с самой низкой конфигурацией энергии, но этот процесс занимает некоторое время. В основном достаточный период времени составляет по крайней мере приблизительно 12 ч, предпочтительно по крайней мере приблизительно 24 ч.
Эти условия стадии а), сходные с условиями формирования костной ткани в организме человека, обеспечивают эпитаксиальный рост на волокнах коллагена нанокристаллов гидроксиапатита с морфологией и размером, идентичными минералу костной ткани человека.
Стадию а) в основном проводят в течение периода времени, по крайней мере достаточного для образования замкнутого покрытия по крайней мере из одного нанокристаллического слоя гидроксиапатита на зрелых природных волокнах коллагена. Этот период времени выбирают в соответствии со свойствами, требуемыми для биомиметического коллаген-гидроксиапатитного материала, прежде всего в соответствии с требуемым числом слоев нанокристаллов и массовым соотношением коллагенового каркаса и эпитаксиально выращенных слоев нанокристаллов гидроксиапатита.
На стадии б) формирование эпитаксиально выращенных нанокристаллов гидроксиапатита останавливают при извлечении твердого материала из водного раствора, промывке водой и высушивании.
Дополнительную необязательную стадию в) проводят при стерилизации извлеченного высушенного материала, полученного на стадии б).
Преимущества биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по настоящему изобретению
Благодаря сильным эпитаксиальным связям, аналогичным связям в природной костной ткани, между коллагеновым каркасом и нанокристаллами гидроксиапатита, искусственный или частично искусственный биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по настоящему изобретению обладает отличными механическими свойствами, прежде всего высокой стабильностью к механическим нагрузкам, прежде всего высокой стабильностью к скручивающим нагрузкам (по крайней мере 30 Н-см, в основном приблизительно 60 Н-см), высокой прочностью на сжатие и высокой эластичностью. Благодаря таким высоким механическим свойствам, формованные изделия из биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по настоящему изобретению являются вкручиваемыми, прежде всего в элементы костной ткани организма, а также сохраняют объем в условиях механических нагрузок в течение длительных периодов времени: таким образом, они идеально подходят для регенерации крупных дефектов костной ткани.
Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по настоящему изобретению быстро колонизируется костеобразующими клетками с низким уровнем цитотоксичности (см. пример 4 г ниже) и проявляет отличные остеокондуктивность и контактный остеогенез в организме человека, прежде всего благодаря тому факту, что нанокристаллы гидроксиапатита характеризуются морфологией и размером, идентичными костному минералу человека, как показано в следующей табл. 1.
Следующие примеры иллюстрируют настоящее изобретение и не ограничивают его объем. Следующие фигуры представлены для лучшего понимания настоящего описания.
На фиг. 1 представлена микрофотография, полученная методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), волоконной стороны мембранного формованного коллагенового каркаса, полученного в примере 1в), с покрытием, описанном в примере 36), причем концентрация ФБР составляет 0,2 М время реакции нанесения покрытия составляет 12 ч.
На фиг. 2 представлена микрофотография, полученная методом СЭМ, волоконной стороны мембранного формованного коллагенового каркаса, полученного в примере 1в), с покрытием, описанном в примере 3б), причем концентрация ФБР составляет 0,8 М время реакции нанесения покрытия составляет 24 ч.
На фиг. 3 представлена микрофотография, полученная методом СЭМ, волоконной стороны мембранного формованного коллагенового каркаса, полученного в примере 1в), с покрытием, описанном в примере 3б), которая колонизирована остеобласт-подобными клетками MG63.
Пример 1
Получение по крайней мере частично волоконного коллагенового каркаса
а) Получение цилиндрического волоконного коллагенового каркаса, полученного из мембраны Bio-Gide®
Получение цилиндрических образцов сухого уплотненного коллагена Мембрану Bio-Gide® (выпускаемую фирмой Geistlich Pharma A.G., Швейцария) тонко измельчали с использованием центробежной мельницы и просеивали на сите с размером ячеек 2,0 мм. 0,2 г Просеянного коллагена высыпали в 5 мл 99,9% этанола, затем коллагеновую массу помещали в лунку 24-луночного планшета с помощью пинцета, уплотняли тефлоновым цилиндром диаметром 2,0 мм, извлекали из лунки обжимным инструментом диаметром 2,0 мм и высушивали в химическом вытяжном шкафу в течение 4 ч. Эту операцию повторяли параллельно 6 раз и получали 6 цилиндрических образцов сухого уплотненного коллагена.
Сшивка цилиндрических образцов сухого уплотненного коллагена
3,571 мл Раствора ЭДК (гидрохлорид 1-этил-3-[3-диметиламинопропил]карбодиимида) в этаноле добавляли пипеткой в мерную колбу объемом 100 мл и объем доводили до 100 мл 99,9% этанолом. Затем раствор выливали в экстракционную колбу объемом 200 мл, в которую помещали 6 образцов сухого коллагена, полученных, как описано выше. Этанол упаривали в вакууме в эксикаторе в течение 1 мин, затем давление в эксикаторе повышали до атмосферного, и проводили сшивку смеси при перемешивании при 110 об/мин в течение 10 мин на горизонтальной качалке. Раствор ЭДК удаляли декантацией и коллагеновые цилиндры помещали в стакан объемом 200 мл, в который добавляли 100 мл ФБР (фосфатный буферный раствор), и раствор удаляли в вакууме в течение 1 мин. Коллагеновые цилиндры промывали 100 мл ФБР при перемешивании при 50 об/мин в течение 5 мин, ФБР удаляли декантацией без упаривания в вакууме. Этот процесс повторяли 2 раза. Коллагеновые цилиндры промывали 100 мл 99,9% этанола при перемешивании при 50 об/мин в течение 5 мин и этанол удаляли декантацией без упаривания в вакууме, при этом процесс повторяли 2 раза. Коллагеновые цилиндры промывали 100 мл диэтилового эфира без перемешивания и высушивали в вытяжном шкафу в течение 14 ч.
Другие эксперименты проводили, изменяя время реакции сшивки (вплоть до 240 мин).
Процентное содержание зрелых природных волокон коллагена, обладающих тройной спиральностью (по данным спектроскопии кругового дихроизма), в цилиндрическом коллагеновом каркасе по данным анализа микрофотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) при увеличении 5000 раз с использованием программного обеспечения Phenom Pro (FEI Phenom Pro Tabletop SEM S/N: 0342; Phenom Pro Suite V. 1.1.0.920; Phenom Application System PW-220-001; Phenom Fribremetric PW-210-001, выпускаемой фирмой Phenom World, Dillenburgstraat 9E, 5652 AM Eindhoven, Нидерланды), составило приблизительно 90%.
б) Получение цилиндрического частично волоконного губчатого коллагенового каркаса, изготовленного из губчатого коллагена типа I и типа II
Получение губчатого коллагена
Рассасывающуюся внеклеточную матрицу из губчатого коллагена получали из замороженных хрящей свежезабитых свиней с помощью обезжиривания с последующими щелочной и кислотной обработками, как описано в патенте ЕР-В1-810888, пример 1. По данным иммунологических методов было установлено, что эта матрица содержит смесь коллагенов типа I и типа II.
Получение цилиндрических образцов сухого уплотненного губчатого коллагена
Губчатую матрицу тонко измельчали с использованием центробежной мельницы и просеивали на сите с размером ячеек 2,0 мм. 0,2 г Просеянного коллагена высыпали в 5 мл 99,9% этанола, затем коллагеновую массу помещали в лунку 24-луночного планшета с помощью пинцета, уплотняли тефлоновым цилиндром диаметром 2,0 мм, извлекали из лунки обжимным инструментом диаметром 2,0 мм и высушивали в химическом вытяжном шкафу в течение 4 ч.
Сшивка цилиндрических образцов сухого уплотненного губчатого коллагена
Цилиндрические образцы сухого уплотненного губчатого коллагена, полученные, как описано выше, сшивали в присутствии ЭДК, промывали ФБР, этанолом и диэтиловым эфиром, как описано выше в разделе а) для волоконного цилиндрического коллагенового каркаса. Процентное содержание зрелых природных волокон коллагена, обладающих тройной спиральностью, в цилиндрическом частично волоконном губчатом коллагеновом каркасе по данным анализа микрофотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) при увеличении 5000 раз с использованием программного обеспечения Phenom Pro, составило приблизительно 5%.
в) Получение мембранного формованного волоконного коллагенового каркаса, изготовленного из мембраны Bio-Gide®
Мембрану Bio-Gide® (фирмы Geistlich Pharma A.G., Швейцария) промывали 100 мл 99,9% этанола при перемешивании при 50 об/мин в течение 5 мин и этанол удаляли декантацией без упаривания в вакууме. Процесс повторяли два раза. Затем коллагеновую мембрану промывали 100 мл диэтилового эфира без перемешивания и высушивали в вытяжном шкафу в течение 14 ч.
Процентное содержание зрелых природных волокон коллагена, обладающих тройной спиральностью, в волоконном слое по данным анализа микрофотографий, полученных на сканирующем электронном микроскопе (СЭМ) при увеличении 5000 раз с использованием программного обеспечения Phenom Pro, составило приблизительно 100%.
Пример 2
Получение насыпного прокаленного материала α-ТКФ
Для получения 500 г смеси (сухая масса), смешивали 360 г безводного порошкообразного дикальций фосфата, 144 г порошкообразного карбоната кальция и 220 мл деионизированной воды на лабораторной мешалке при 500 об/мин в течение 7 мин. Полученную после перемешивания взвесь немедленно переносили в термостокий при высоких температурах платиновый тигель. Заполненный платиновый тигель помещали в холодную печь. Печь нагревали до 1400°С при скорости нагревания 60°С в час. Процесс нагревания останавливали через 72 ч при выключении печи. Образец охлаждали до комнатной температуры внутри печи. Насыпной прокаленный материал (чистая фаза α-Са3(PO4)2) извлекали из печи и из платинового тигля. Масса насыпного продукта после процесса прокаливания составляла 420 г (потеря массы 16,7%).
Контроль чистоты фазы проводили методом порошковой рентгеновской дифракции.
Пример 3
Нанесение покрытия из эпитаксиально выращенных нанокристаллов гидроксиапатита на волоконный коллагеновый каркас в растворе ФБР в присутствии дисперсии тонкодисперсных частиц α-ТКФ
а) Нанесение покрытия на цилиндрические образцы волоконного коллагена, полученные, как описано в примере 1а)
Получение раствора 0,5 М ФБР
100 мл 0,5 М Раствора NaH2PO4 Н2О (раствор А) получали при растворении 6,9 г NaH2PO4 Н2О в стерильной деионизированной воде при комнатной температуре при перемешивании при 250 об/мин в течение 30 мин и при 600 об/мин в течение 4 ч. 100 мл Раствора 0,5 М Na2HPO4 2Н2О (раствор Б) получали при растворении 8,9 г Na2HPO4 2Н2О в стерильной деионизированной воде при комнатной температуре при перемешивании при 250 об/мин в течение 30 мин и при 600 об/мин в течение 4 ч.
Смешивали 19 мл раствора А с 81 мл раствора Б и получали 0,5 М раствор ФБР, величина рН которого составляла от 7,3 до 7,4.
Измельчение α-ТКФ и получение тонкодисперсных частиц
Насыпной продукт, полученный, как описано в примере 2, измельчали с использованием щековой дробилки (размер щели 4 мм). Гранулы грубого помола просеивали в установке для ситового анализа с использованием сит с размером ячеек 2 мм и 0,25 мм. Затем просеянные гранулы измельчали на планетарной мельнице до конечного размера менее 10 мкм.
Нанесение покрытия из эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита на волоконные коллагеновые цилиндры, полученные, как описано в примере 1а),
5 г Тонкодисперсных частиц α-ТКФ и 100 мл раствора 0,5 М ФБР, полученного, как описано выше, и цилиндры волоконного коллагена, полученные, как описано в примере 1а), помещали в стеклянный бюкс, который помещали в эксикатор и высушивали в вакууме в течение 5 мин, затем давление повышали до атмосферного. Реакцию нанесения покрытия проводили при перемешивании при 37°С в течение 3 сут, при этом перемешивание осуществляли в горизонтальной качалке при 5-50 об/мин в термостатированном отделении.
При визуальном осмотре было установлено, что коллагеновый каркас сохранял свою цилиндрическую форму, но был покрыт белым кристаллическим веществом.
Другие эксперименты по нанесению покрытия на волоконные коллагеновые цилиндры, полученные в примере 1а)
Другие эксперименты по нанесению покрытия на волоконные коллагеновые цилиндры, полученные в примере 1а), проводили при изменении условий реакции нанесения покрытия в конце стадии а): концентрацию раствора 0,2 М ФБР изменяли на 0,8 М и время нанесения покрытия в течение 12 ч изменяли на 4 сут.
При визуальном осмотре было установлено, что коллагеновый каркас сохранял свою цилиндрическую форму, но был покрыт белым кристаллическим веществом.
Анализ микрофотографий, полученных методом СЭМ, свидетельствовал о том, что рост кристаллов, а также размер, морфологию и внешний вид кристаллических образований гидроксиапатита можно контролировать при изменении концентрации раствора ФБР и времени реакции нанесения покрытия.
В описанных выше экспериментах массовое соотношение волоконного коллагенового каркаса и эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита в волоконных коллагеновых цилиндрах с покрытием составляло от 90:10 до 30:70.
б) Нанесение покрытия эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита на цилиндрический частично волоконный губчатый коллагеновый каркас, полученный, как описано в примере 1б), и на мембранно-формованный волоконный коллагеновый каркас, полученный, как описано в примере 1в)
Эксперименты по нанесению покрытия на цилиндрический частично волоконный губчатый коллагеновый каркас, полученный, как описано в примере 1б), или на волоконную сторону мембранно-формованного волоконного коллагенового каркаса, полученного, как описано в примере 1в), и изменяли концентрацию раствора 0,2 М ФБР на 0,8 М и время реакции нанесения покрытия в течение 12 ч изменяли на 4 сут.
При визуальном осмотре было установлено, что коллагеновый каркас сохранял свою цилиндрическую форму, но был покрыт белым кристаллическим веществом.
Анализ микрофотографий, полученных методом СЭМ, свидетельствовал о том, что рост кристаллов, а также размер, морфологию и внешний вид кристаллических образований гидроксиапатита можно контролировать при изменении концентрации раствора ФБР и времени реакции нанесения покрытия.
В описанных выше экспериментах массовое соотношение волоконного коллагенового каркаса и эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита составляло от 90:10 до 30:70 для частично волоконных губчатых коллагеновых цилиндров с покрытием, полученных, как описано в примере 1б), и составляло от 90:10 до 50:50 для мембранно-формованного коллагенового каркаса с покрытием.
Пример 4
Свойства по крайней мере частично волоконного коллагенового каркаса с покрытием эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита
а) Физико-химические свойства
Измеренная пористость (объем пор) составляла 96 об.% для цилиндрических образцов волоконного коллагена, полученных, как описано в примере 1а) (изменение условий реакции сшивки), и составляла от 85 до 95 об.% для цилиндрических образцов с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примере 3а).
Удельная поверхность, измеренная методом ртутной порометрии, составляла от 1,5 до 2,5 м2/г для цилиндрических образцов волоконного коллагена, полученных, как описано в примере 1а) (изменение условий реакции сшивки), и составляла от 20 до 60 м2/г для цилиндрических образцов с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примере 3а).
Измеренная пористость (объем пор) составляла приблизительно 96 об.% для губчатого коллагенового цилиндрического каркаса, полученного, как описано в примере 1б), и составляла от 88 до 92 об.% для коллагеновых губчатых цилиндров с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примере 3б).
Удельная поверхность, измеренная методом ртутной порометрии, составляла 2 м2/г для губчатого коллагенового цилиндрического каркаса, полученного, как описано в примере 1б), и составляла от 25 до 50 м2/г для коллагеновых губчатых цилиндров с покрытием, полученных, как описано в примере 3б).
б) Механические свойства
б1) Предел прочности при сжатии
Предел прочности при сжатии (сопротивление сжатию), то есть максимальное давление, необходимое для сжатия цилиндров на 50% от их исходной высоты, измеряли с использованием машины для испытания на механическое сжатие (Proline Z010 фирмы Zwick/Roell).
Измеренный предел прочности при сжатии во влажном состоянии составлял от 0,3 до 0,7 МПа для цилиндрических образцов волоконного коллагена, полученных, как описано в примере 1а) (изменение условий реакции сшивки), и от 1,1 до 3,5 МПа для цилиндрических образцов с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примере 3а), и было установлено, что предел прочности при сжатии увеличивается в присутствии покрытия гидроксиапатита в цилиндрических образцах с покрытием гидроксиапатита.
б2) Эластичность
Эластичность, то есть долю исходной высоты в процентах, восстановленную после сжатия на 50% от исходной высоты, измеряли с использованием машины для испытания на механическое сжатие (Proline Z010 фирмы Zwick/Roell).
Измеренная эластичность во влажном состоянии составляла от 95 до 99% для цилиндрических образцов волоконного коллагена, полученных, как описано в примере 1а) (изменение условий реакции сшивки), и от 92 до 100% для цилиндрических образцов с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примере 3а), и было установлено, что процентное содержание гидроксиапатита, присутствующего в образцах с покрытием гидроксиапатита, не влияет на эластичность.
б3) Стабильность к скручивающим нагрузкам
Для испытаний использовали методику, аналогичную протоколу фирмы Штрауманн (см. http://www.straumann.ch/ch-index/products/products-biologics/products-bone-block-fixation.htm).
Краткое описание методики: с использованием сверлильного станка просверливали отверстие размером 0,9 мм в тефлоновом цилиндре (с механическими свойствами, сопоставимыми с костной тканью верхней челюсти свиньи) и в некоторых сухих цилиндрических образцах волоконного коллагена, полученных, как описано в примере 1а) (изменение условий реакции сшивки), и в некоторых сухих цилиндрических образцах с покрытием гидроксиапатита, полученных, как описано в примерах 3а), 2, и с использованием магнитного винтоверта (Klinge fTi Mikro Schr Kreuzschl, Ref. 75.23.19 фирмы Medicon), включающего винт 1,5×12 мм, измеряли максимальную скручивающую нагрузку, при которой можно ввинтить цилиндрические образцы в тефлоновый цилиндр без разрыва.
Все исследованные цилиндрические образцы волоконного коллагена без покрытия, полученные, как описано в примере 1а), характеризовались стабильностью к скручивающим нагрузкам приблизительно 20 Н-см, в то время как все исследованные цилиндрические образцы с покрытием гидроксиапатита, полученные, как описано в примере 3а), характеризовались стабильностью к скручивающей нагрузке приблизительно 60 Н-см, и было установлено, что процентное содержание гидроксиапатита, присутствующего в образцах с покрытием гидроксиапатита, не влияет на стабильность к скручивающим нагрузкам. В предшествующем уровне техники считается, что стабильность к скручивающим нагрузкам на уровне приблизительно 30 Н-см в основном является достаточной для ввинчивания образца в костную часть организма.
Значительное увеличение стабильности к скручивающим нагрузкам связано с образованием сильных эпитаксиальных связей между гидроксиапатитом и коллагеновым каркасом.
Действительно, в сравнительных экспериментах, проведенных с использованием таких сшитых коллагеновых каркасов в условиях согласно предшествующему уровню техники, было установлено, что гидроксиапатит осаждается на коллагеновом каркасе или внутри него и, таким образом, образуются слабые связи за счет адсорбции на каркасе и стабильность к скручивающим нагрузкам повышается незначительно.
в) Морфология кристаллических образований гидроксиапатита по данным СЭМ
На фиг. 1 и фиг. 2 представлены микрофотографии, полученные методом СЭМ, волоконной стороны мембранного формованного коллагенового каркаса, полученного в примере 1в), с покрытием, описанном в примере 36), причем концентрация ФСБ составляла 0,2 М для нанесение покрытия в течение 12 ч и 0,8 М для нанесения покрытия в течение 24 ч.
На фиг. 1 можно видеть небольшие кристаллические образования гидрокиапатита в виде тонко распределенных наноразмерных кристаллических пластин с гексагональной симметрией вплотную соединенных с коллагеновыми фибриллами, а на фиг. 2 показаны небольшие микронного размера розетковидные агрегаты гексагональных кристаллических образований гидроксиапатита, которые полностью покрывают волоконную структуру коллагена.
г) Анализ колонизации костеобразующими клетками
Было установлено, что остеобласт-подобные клетки MG63 человека колонизируют с высокой скоростью пролиферации все участки мебранно-формованного коллагенового каркаса с покрытием, полученного, как описано в примере 3б). См. фиг. 3.
По данным анализа на цитотоксичность было установлено, что мембранно-формованный коллагеновый каркас с покрытием, полученный, как описано в примере 3б), характеризуется сопоставимыми свойствами с образцом, полученным из мембраны Bio-Gide®.
Claims (19)
1. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал для ускорения формирования кости, регенерации кости и/или восстановления кости в дефектном участке кости у человека или животного, включающий по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас, который в основном состоит из коллагена типа I, и, необязательно, включает коллаген типа II и типа III, включающий зрелые природные коллагеновые волокна, которые характеризуются тройной спиральностью по данным спектроскопии кругового дихроизма, причем эти зрелые природные волокна коллагена по крайней мере частично покрыты эпитаксиально выращенными кристаллами нанокристаллического гидроксиапатита и при этом эпитаксиально выращенные нанокристаллы характеризуются морфологией и размерами, аналогичными костному минералу человека, то есть длина составляет от 30 до 50 нм, а ширина от 14 до 25 нм, причем эпитаксиально выращенные кристаллы нанокристаллического гидроксиапатита образуют слой толщиной по крайней мере 30±15 нм по данным рентгеноструктурного анализа.
2. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по п. 1, где по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас включает на своей внешней поверхности по крайней мере 2% зрелых природных коллагеновых волокон, как определено по данным анализа микрофотографий, полученных методом сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) и по данным спектроскопии кругового дихроизма.
3. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по п. 1, где по крайней мере частично волоконный коллагеновый каркас включает на своей внешней поверхности по крайней мере 10% зрелых природных коллагеновых волокон, как определено по данным анализа микрофотографий, полученных методом СЭМ и по данным спектроскопии кругового дихроизма.
4. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по любому из пп. 1-3, где массовое соотношение волоконного коллагенового каркаса и эпитаксиально выращенных кристаллов нанокристаллического гидроксиапатита находится в интервале от 5:95 до 95:5, предпочтительно от 10:90 до 90:10.
5. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по любому из пп. 1-3, который представляет собой формованное изделие.
6. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по п.5, который представляет собой материал для замещения кости, структура которого характеризуется профилем костной части организма.
7. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по п.5, стабильность к скручивающим нагрузкам которого составляет по крайней мере 30 Н-см в сухом состоянии.
8. Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал по любому из пп. 1-3, который представляет собой мембранное формованное изделие.
9. Способ получения биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по любому из пп. 1-8, который включает следующие стадии:
а) погружение по крайней мере частично волоконного коллагенового каркаса, включающего зрелые природные волокна коллагена с тройной спиральностью по данным спектроскопии кругового дихроизма, в насыщенный водный раствор - насыщенный Са2+/HxPO4 (3-x), который представляет собой фосфатно-солевой буферный раствор (ФСБ), содержащий тонко диспергированные альфа-трикальций фосфат (альфа-ТКФ), бета-ТКФ, тетракальций фосфат (ТТКФ), пентагидрат октакальций фосфата, дикальций фосфат или дигидрат дикальций фосфата, для осуществления формирования композитного материала имплантата, при этом эпитаксиально выращенные нанокристаллы гидроксиапатита формируются на указанных зрелых природных волокнах коллагена, и эпитаксиально выращенные нанокристаллы гидроксиапатита характеризуются морфологией и размером, аналогичными костному минералу человека,
б) остановка процесса формирования композитного материала имплантата путем извлечения твердого материала из водного раствора, промывка водой и высушивание, и
в) необязательно стерилизация извлеченного материала, полученного на стадии б).
10. Способ по п. 9, где на стадии б) величина рН водного раствора остается в интервале от 5,5 до 9,0.
11. Способ по п. 9, где на стадии б) величина рН водного раствора остается в интервале от 6,5 до 8,0.
12. Способ по п. 9 или 10, где на стадии б) температура находится в интервале от 25 до 45°С.
13. Способ по п. 9 или 10, где на стадии б) температура находится в интервале от 35 до 42°С.
14. Применение биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по любому из пп. 1-7 в качестве имплантата или протеза для формирования кости, регенерации кости, восстановления и/или замещения кости в дефектном участке кости у человека или животного.
15. Применение биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по п. 8 в качестве имплантата для комбинированной регенерации костной и хрящевой ткани.
16. Способ ускорения формирования кости, регенерации кости и/или восстановления кости в дефектном участке кости у человека или животного путем имплантации биомиметического коллаген-гидроксиапатитного композитного материала по любому из пп. 1-7.
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| EP13003647.8A EP2826495A1 (en) | 2013-07-19 | 2013-07-19 | Biomimetic collagen-hydroxyapatite composite material |
| EP13003647.8 | 2013-07-19 | ||
| PCT/EP2014/001966 WO2015007393A1 (en) | 2013-07-19 | 2014-07-18 | Biomimetic collagen-hydroxyapatite composite material |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2016105556A RU2016105556A (ru) | 2017-08-24 |
| RU2662326C2 true RU2662326C2 (ru) | 2018-07-25 |
Family
ID=48856485
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016105556A RU2662326C2 (ru) | 2013-07-19 | 2014-07-18 | Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал |
Country Status (17)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US10029028B2 (ru) |
| EP (2) | EP2826495A1 (ru) |
| JP (1) | JP6478993B2 (ru) |
| KR (1) | KR101944163B1 (ru) |
| CN (1) | CN105358189B (ru) |
| AU (1) | AU2014292503B2 (ru) |
| BR (1) | BR112016001093B1 (ru) |
| CA (1) | CA2917997C (ru) |
| DK (1) | DK3021883T3 (ru) |
| ES (1) | ES2611202T3 (ru) |
| HK (1) | HK1218083A1 (ru) |
| HU (1) | HUE031178T2 (ru) |
| PL (1) | PL3021883T3 (ru) |
| PT (1) | PT3021883T (ru) |
| RU (1) | RU2662326C2 (ru) |
| SG (1) | SG11201600364VA (ru) |
| WO (1) | WO2015007393A1 (ru) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2808448C1 (ru) * | 2019-12-04 | 2023-11-28 | Датум Дентал Лтд. | Устройство на основе коллагена-гидроксиапатита для нехирургического лечения пародонта |
Families Citing this family (15)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US10238507B2 (en) | 2015-01-12 | 2019-03-26 | Surgentec, Llc | Bone graft delivery system and method for using same |
| DE202016103296U1 (de) | 2016-06-09 | 2017-09-18 | Michael Gahlert | Knochenersatzmaterial aus Zirkondioxidkeramik |
| DE102016110622A1 (de) | 2016-06-09 | 2017-12-14 | Michael Gahlert | Knochenersatzmaterial aus Zirkondioxidkeramik |
| WO2019115700A1 (en) * | 2017-12-14 | 2019-06-20 | Geistlich Pharma Ag | Bone substitute material |
| CN111465418B (zh) | 2017-12-14 | 2021-07-09 | 盖斯特里希医药公司 | 骨替代材料 |
| KR102274968B1 (ko) * | 2017-12-14 | 2021-07-09 | 가이스틀리히 파마 아게 | 건조 임플란트 조성물 및 주사가능한 수성 임플란트 제형 |
| US11116647B2 (en) | 2018-04-13 | 2021-09-14 | Surgentec, Llc | Bone graft delivery system and method for using same |
| US10687828B2 (en) | 2018-04-13 | 2020-06-23 | Surgentec, Llc | Bone graft delivery system and method for using same |
| EP3695856A1 (en) * | 2019-02-13 | 2020-08-19 | Institut National De La Sante Et De La Recherche Medicale (Inserm) | Biomaterials comprising a scaffold containing a mineral compound, and uses thereof as bone substitutes |
| CA3140519A1 (en) * | 2019-06-14 | 2020-12-17 | Geistlich Pharma Ag | Collagen matrix or granulate blend of bone substitute material |
| US11357891B2 (en) | 2019-06-14 | 2022-06-14 | Geistlich Pharma Ag | Collagen matrix or granulate blend of bone substitute material |
| FR3101773B1 (fr) | 2019-10-10 | 2023-04-21 | Regeska | Procede de mineralisation d’une membrane de biopolymere |
| CN114209880B (zh) * | 2021-11-25 | 2022-11-08 | 浙江大学 | 一种有序矿化多肽的生物复合材料的制备方法及其产品和应用 |
| CN114732957B (zh) * | 2022-03-16 | 2022-12-23 | 武汉理工大学 | 一种具有预应力的矿化肌腱复合材料及其制备方法与应用 |
| CN114890400B (zh) * | 2022-06-15 | 2023-12-01 | 杭州彗搏科技有限公司 | 纳米晶体羟基磷灰石骨修复颗粒、制备方法及应用 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6201039B1 (en) * | 1993-09-21 | 2001-03-13 | The Penn State Research Foundation | Bone substitute composition comprising hydroxyapatite and a method of production therefor |
| US20090216336A1 (en) * | 2004-11-23 | 2009-08-27 | Marco Springer | Bioresorbable, mineralised material for filling osseous defects |
| US20100021520A1 (en) * | 2006-04-13 | 2010-01-28 | Jonathan Baskin | Biomaterial implants |
Family Cites Families (14)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB8813033D0 (en) | 1988-06-02 | 1988-07-06 | Geistlich Soehne Ag | Chemical compound |
| US5231169A (en) | 1990-10-17 | 1993-07-27 | Norian Corporation | Mineralized collagen |
| US5532217A (en) | 1992-04-24 | 1996-07-02 | Silver; Frederick H. | Process for the mineralization of collagen fibers, product produced thereby and use thereof to repair bone |
| GB9400163D0 (en) | 1994-01-06 | 1994-03-02 | Geistlich Soehne Ag | Membrane |
| JP2754348B2 (ja) * | 1994-10-20 | 1998-05-20 | バイオマップ有限会社 | アパタイト被覆基材とその製造法 |
| GB9503492D0 (en) | 1995-02-22 | 1995-04-12 | Ed Geistlich S Hne A G F R Che | Chemical product |
| US6395036B1 (en) | 1998-04-06 | 2002-05-28 | Isis Innovation Limited | Composite material and methods of making the same |
| US7514249B2 (en) | 2002-04-18 | 2009-04-07 | The University Of Florida Research Foundation, Inc. | Biomimetic organic/inorganic composites |
| ITMI20050343A1 (it) * | 2005-03-04 | 2006-09-05 | Fin Ceramica Faenza S R L | Sostituto cartilagineo e osteocindrale comprendente una struttura multistrato e relativo impiego |
| US8691273B2 (en) * | 2005-07-21 | 2014-04-08 | Lisopharm Ag | Method for producing hydroxyapatite particles |
| FR2933303B1 (fr) | 2008-06-30 | 2010-12-03 | Univ Paris Curie | Substitut osseux,et procede pour sa preparation. |
| US8734524B2 (en) | 2009-06-23 | 2014-05-27 | Geistlich Pharma Ag | Bone substitute material |
| DE102011052416A1 (de) * | 2010-08-04 | 2012-02-09 | Technische Universität Dresden | Wachstumsinhibierter Hydroxylapatit, Verfahren zu dessen Herstellung und Verwendung |
| DK2654816T3 (en) * | 2010-12-22 | 2015-03-23 | Geistlich Pharma Ag | BONE SUBSTITUTE MATERIAL |
-
2013
- 2013-07-19 EP EP13003647.8A patent/EP2826495A1/en not_active Withdrawn
-
2014
- 2014-07-18 EP EP14741205.0A patent/EP3021883B1/en active Active
- 2014-07-18 RU RU2016105556A patent/RU2662326C2/ru active
- 2014-07-18 AU AU2014292503A patent/AU2014292503B2/en not_active Ceased
- 2014-07-18 KR KR1020167001407A patent/KR101944163B1/ko active IP Right Grant
- 2014-07-18 WO PCT/EP2014/001966 patent/WO2015007393A1/en active Application Filing
- 2014-07-18 HU HUE14741205A patent/HUE031178T2/en unknown
- 2014-07-18 CA CA2917997A patent/CA2917997C/en active Active
- 2014-07-18 SG SG11201600364VA patent/SG11201600364VA/en unknown
- 2014-07-18 DK DK14741205.0T patent/DK3021883T3/en active
- 2014-07-18 CN CN201480039113.0A patent/CN105358189B/zh not_active Expired - Fee Related
- 2014-07-18 BR BR112016001093-0A patent/BR112016001093B1/pt not_active IP Right Cessation
- 2014-07-18 PL PL14741205T patent/PL3021883T3/pl unknown
- 2014-07-18 PT PT147412050T patent/PT3021883T/pt unknown
- 2014-07-18 US US14/903,394 patent/US10029028B2/en active Active
- 2014-07-18 ES ES14741205.0T patent/ES2611202T3/es active Active
- 2014-07-18 JP JP2016526468A patent/JP6478993B2/ja not_active Expired - Fee Related
-
2016
- 2016-05-26 HK HK16106022.1A patent/HK1218083A1/zh not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6201039B1 (en) * | 1993-09-21 | 2001-03-13 | The Penn State Research Foundation | Bone substitute composition comprising hydroxyapatite and a method of production therefor |
| US20090216336A1 (en) * | 2004-11-23 | 2009-08-27 | Marco Springer | Bioresorbable, mineralised material for filling osseous defects |
| US20100021520A1 (en) * | 2006-04-13 | 2010-01-28 | Jonathan Baskin | Biomaterial implants |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2822395C2 (ru) * | 2019-06-14 | 2024-07-04 | Гайстлих Фарма Аг | Коллагеновый матрикс или гранулированная смесь костнозамещающего материала |
| RU2808448C1 (ru) * | 2019-12-04 | 2023-11-28 | Датум Дентал Лтд. | Устройство на основе коллагена-гидроксиапатита для нехирургического лечения пародонта |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CA2917997C (en) | 2019-08-20 |
| CN105358189A (zh) | 2016-02-24 |
| AU2014292503A1 (en) | 2016-02-11 |
| KR20160032116A (ko) | 2016-03-23 |
| DK3021883T3 (en) | 2017-01-16 |
| PL3021883T3 (pl) | 2017-03-31 |
| KR101944163B1 (ko) | 2019-01-30 |
| CA2917997A1 (en) | 2015-01-22 |
| US10029028B2 (en) | 2018-07-24 |
| RU2016105556A (ru) | 2017-08-24 |
| US20160144071A1 (en) | 2016-05-26 |
| HK1218083A1 (zh) | 2017-02-03 |
| EP3021883A1 (en) | 2016-05-25 |
| SG11201600364VA (en) | 2016-02-26 |
| ES2611202T3 (es) | 2017-05-05 |
| EP3021883B1 (en) | 2016-11-09 |
| EP2826495A1 (en) | 2015-01-21 |
| BR112016001093B1 (pt) | 2020-07-28 |
| JP2016524964A (ja) | 2016-08-22 |
| WO2015007393A1 (en) | 2015-01-22 |
| PT3021883T (pt) | 2016-12-23 |
| HUE031178T2 (en) | 2017-06-28 |
| AU2014292503B2 (en) | 2017-06-15 |
| JP6478993B2 (ja) | 2019-03-06 |
| CN105358189B (zh) | 2018-03-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| RU2662326C2 (ru) | Биомиметический коллаген-гидроксиапатитный композитный материал | |
| US9066995B2 (en) | Bone substitute material | |
| US20080152723A9 (en) | Inorganic resorbable bone substitute material | |
| US8734524B2 (en) | Bone substitute material | |
| KR20200076754A (ko) | 골 대체 물질 | |
| JP7476240B2 (ja) | 骨代用材のコラーゲンマトリクス又は顆粒状ブレンド | |
| Sano et al. | The In Vitro and In Vivo Biodegradable Behavior of Hydroxyapatite Granules in the Presence of Different Crystals |