RU2711544C1 - Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial - Google Patents

Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial Download PDF

Info

Publication number
RU2711544C1
RU2711544C1 RU2018147465A RU2018147465A RU2711544C1 RU 2711544 C1 RU2711544 C1 RU 2711544C1 RU 2018147465 A RU2018147465 A RU 2018147465A RU 2018147465 A RU2018147465 A RU 2018147465A RU 2711544 C1 RU2711544 C1 RU 2711544C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
nanodiamonds
biomaterial
suspension
hours
nanodiamond
Prior art date
Application number
RU2018147465A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Мария Григорьевна Чернышева
Геннадий Александрович Бадун
Артем Вадимович Синолиц
Иван Сергеевич Чащин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
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 бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ)
Priority to RU2018147465A priority Critical patent/RU2711544C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2711544C1 publication Critical patent/RU2711544C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/28Materials for coating prostheses
    • A61L27/30Inorganic materials
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Prostheses (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention refers to medicine and discloses a biomaterial for the manufacture of heart valve prostheses and a method for preparing it. Biomaterial includes bovine pericardium coated with nanodiamonds of detonation synthesis, having positive electrokinetic potential in water, with content of nanodiamonds of 1.5 to 4 mg per gram of biological tissue, with average size of aggregates from 17 to 28 nm on surface of biomaterial.
EFFECT: biomaterial is characterized by high strength and wear resistance and is intended for improving mechanical properties of materials for making artificial heart valves.
7 cl, 4 dwg, 2 ex

Description

Область техникиTechnical field

Изобретение относится к медицине, а именно к производству биологических протезов клапанов сердца, предпочтительно на основе бычьего перикарда для сердечнососудистой хирургии с улучшенными механическими свойствами.The invention relates to medicine, namely to the production of biological prostheses of heart valves, preferably based on bovine pericardium for cardiovascular surgery with improved mechanical properties.

Уровень техникиState of the art

Ксеногенные биологические протезы клапанов сердца на основе бычьего перикарда широко используются в мировой кардиохирургии (Zilla, P., Brink, J., Human, P., & Bezuidenhout, D. (2008). Prosthetic heart valves: Catering for the few. Biomaterials, 29(4), 385-406). Для предотвращения выраженного иммунного ответа и увеличения механической прочности биоткани, коллагеновую матрицу биопротеза стабилизируют глутаровым альдегидом (Manji, R.A., Zhu, L.F., Nijjar, N.К., Rayner, D.С, Korbutt, G.S., Churchill, T.A., Ross, D.B. (2006). Glutaraldehyde-Fixed Bioprosthetic Heart Valve Conduits Calcify and Fail From Xenograft Rejection. Circulation, 114(4), 318-327), но именно свободные альдегидные группы глутарового альдегида, не связавшиеся с белковой структурой коллагеновой матрицы, являются центрами инициации кальциноза (Sinha, P., Zurakowski, D., Susheel Kumar, Т.К., Не, D., Rossi, С, & Jonas, R.А. (2012). Effects of glutaraldehyde concentration, pretreatment time, and type of tissue (porcine versus bovine) on postimplantation calcification. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 143(1), 224-227). Для связывания свободных альдегидных групп предложено использовать хитозановые покрытия (Gallyamov, М.О., Chaschin, I.S., Khokhlova, М.A., Grigorev, Т.Е., Bakuleva, N.P., Lyutova, I G., Khokhlov, A.R. (2014). Collagen tissue treated with chitosan solutions in carbonic acid for improved biological prosthetic heart valves. Materials Science and Engineering: C, 37(1), 127-140).Xenogenic biological bovine pericardial heart valve prostheses are widely used in world cardiac surgery (Zilla, P., Brink, J., Human, P., & Bezuidenhout, D. (2008). Prosthetic heart valves: Catering for the few. Biomaterials, 29 (4), 385-406). To prevent a pronounced immune response and increase the mechanical strength of the biological tissue, the collagen matrix of the bioprosthesis is stabilized with glutaraldehyde (Manji, RA, Zhu, LF, Nijjar, N.K., Rayner, D.C., Korbutt, GS, Churchill, TA, Ross, DB (2006) Glutaraldehyde-Fixed Bioprosthetic Heart Valve Conduits Calcify and Fail From Xenograft Rejection. Circulation, 114 (4), 318-327), but it is the free aldehyde groups of glutaraldehyde that are not bound to the protein structure of the collagen matrix that are the centers of initiation of calcification (Sinha, P., Zurakowski, D., Susheel Kumar, T.K., Ne, D., Rossi, C, & Jonas, R.A. (2012). Effects of glutaraldehyde concentration, pretreatment time, and type of tissue (porcine versus bovine) on postimplantation calcification. The Journal of Thoracic and Cardiovascular Surgery, 143 (1), 224-227). It was proposed to use chitosan coatings to bind free aldehyde groups (Gallyamov, M.O., Chaschin, IS, Khokhlova, M.A., Grigorev, T.E., Bakuleva, NP, Lyutova, I G., Khokhlov, AR (2014 ). Collagen tissue treated with chitosan solutions in carbonic acid for improved biological prosthetic heart valves. Materials Science and Engineering: C, 37 (1), 127-140).

В частности, из уровня техники известен способ модифицирования поверхности бычьего перикарда хитозаном из воды, насыщенной углекислым газом при высоком давлении (Патент RU 2519219). Способ позволяет повысить эффективность и сроки функционирования в организме биологического протеза клапана сердца за счет исключения возможности образования на его поверхности осадка кальция, улучшить эластичность, усилить антимикробные свойства. Однако, материал, описанный в прототипе характеризуется низкой прочностью.In particular, a prior art method for modifying the surface of a bovine pericardium with chitosan from water saturated with carbon dioxide at high pressure is known (Patent RU 2519219). The method allows to increase the efficiency and duration of functioning of the biological prosthesis of the heart valve in the body by eliminating the possibility of the formation of calcium precipitate on its surface, to improve elasticity, to strengthen antimicrobial properties. However, the material described in the prototype is characterized by low strength.

Проблема создания биологических протезов нового поколения с существенно увеличенным сроком службы (порядка нескольких десятков лет) является нетривиальной задачей, решение которой позволит устанавливать протезы клапанов сердца, которые, с одной стороны, наилучшим образом будут воспроизводить работу собственного человеческого клапана и не будут требовать пожизненной антикоагулянтной терапии, в отличие от механических протезов, а с другой стороны, позволят снизить риск необходимости повторных операций по их замене, что важно для пациентов всех возрастных групп, а особенно, для лиц пожилого возраста, для которых существует высокий риск осложнений при повторных операциях.The problem of creating a new generation of biological prostheses with a significantly increased service life (of the order of several tens of years) is a non-trivial task, the solution of which will allow the installation of prosthetic heart valves, which, on the one hand, will best reproduce the work of their own human valve and will not require lifelong anticoagulant therapy , unlike mechanical prostheses, and on the other hand, will reduce the risk of the need for repeated operations to replace them, which is important for patients ntov all age groups, but especially for the elderly, for whom there is a high risk of complications in revision surgeries.

Из уровня техники известны биологическая ткань из бычьего перикарда для изготовления биологических клапанов сердца и способ обработки бычьего перикарда, обеспечивающий увеличение биосовместимости биологической ткани и продолжительности ее срока службы (RU 2456023), при этом упомянутые преимущества обеспечиваются за счет физической плазменной обработки ткани с помощью плазменного газового метода, в котором в качестве ионизированного газа применяют азот, водород, аргон или, предпочтительно, кислород. Перед обработкой плазменным газовым методом ткань сушат, на ткань, подвергнутую плазменной обработке, наносят биосовместимое металлсодержащее покрытие, после плазменной обработки высушенный имплантат подвергают действию влаги. Металлсодержащее покрытие наносят посредством химического осаждения паров или газов в плазменной среде. Металлсодержащее покрытие выбирают из группы, состоящей из Ti, Та, Nb, Zr, Hf, Ir, Au, Pd, Pt, Ag и Cu.Biological tissue from a bovine pericardium for manufacturing biological heart valves and a method for treating bovine pericardium, which increase the biocompatibility of biological tissue and its service life (RU 2456023), are known in the prior art, while the abovementioned advantages are provided due to the physical plasma treatment of the tissue using plasma gas a method in which nitrogen, hydrogen, argon or, preferably, oxygen is used as the ionized gas. Before the plasma gas treatment, the fabric is dried, a biocompatible metal-containing coating is applied to the plasma-treated fabric, and after the plasma treatment, the dried implant is exposed to moisture. The metal-containing coating is applied by chemical vapor deposition or gas deposition in a plasma medium. The metal-containing coating is selected from the group consisting of Ti, Ta, Nb, Zr, Hf, Ir, Au, Pd, Pt, Ag and Cu.

Нанесение металлических покрытий на биологические ткани с помощью импульсного лазерного напыления описано в US 2012/0221099 Аl (прототип). Там же описана возможность нанесения покрытий из аморфного и алмазоподобного углерода на биологическую ткань при использовании соответствующей среды. При использовании данного подхода биологическая ткань помещается в специальную вакуумную камеру для импульсного лазерного напыления, где находится металлическая мишень, которую облучают лазерным пучком. В случае нанесения углеродных покрытий процесс двухстадийный и включает дополнительную стадию нанесения углеводородного слоя с использованием плазменного процесса. По мере продолжения процесса содержание водорода в плазменном полимере снижается до тех пор, пока углерод не будет присутствовать в форме алмаза. Данный способ нанесения металлических покрытий на биологические ткани достаточно сложный и требует специального оборудования. В тексте заявки отсутствуют данные о толщине наносимого покрытия, которые имеют значения при определении механических свойств материала и устойчивости покрытия на поверхности биоткани.The application of metal coatings to biological tissues using pulsed laser spraying is described in US 2012/0221099 Al (prototype). The possibility of coating amorphous and diamond-like carbon on biological tissue using an appropriate medium is also described there. Using this approach, biological tissue is placed in a special vacuum chamber for pulsed laser spraying, where there is a metal target that is irradiated with a laser beam. In the case of applying carbon coatings, the process is two-stage and includes an additional stage of applying a hydrocarbon layer using a plasma process. As the process continues, the hydrogen content in the plasma polymer decreases until carbon is present in the form of diamond. This method of applying metal coatings to biological tissues is quite complex and requires special equipment. The application text does not contain data on the thickness of the applied coating, which are important in determining the mechanical properties of the material and the stability of the coating on the surface of the biological tissue.

Раскрытие изобретенияDisclosure of Invention

Технической проблемой, решаемой изобретением, является создание биоматериала для изготовления протезов клапанов сердца на основе бычьего перикарда и способа получения биоматериала, лишенного недостатков перечисленных выше аналогов, и характеризующегося высокой прочностью и износостойкостью.The technical problem solved by the invention is the creation of biomaterial for the manufacture of prosthetic heart valves based on bovine pericardium and a method for producing biomaterial devoid of the disadvantages of the above analogues, and characterized by high strength and wear resistance.

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является получение биоматериала с контролируемыми механическими свойствами с сохранением эластичности, биосовместимости и антимикробных свойств при упрощении способа его получения.The technical result, to which the claimed invention is directed, is to obtain biomaterial with controlled mechanical properties while maintaining elasticity, biocompatibility and antimicrobial properties while simplifying the method for its preparation.

Технический результат достигается нанесением на поверхность бычьего перикарда (перикарда биологического протеза клапана сердца) наноалмазного покрытия (пленки) от 1.5 до 4 мг наноалмазов на грамм ткани бычьего перикарда, со средним размером агрегатов наноалмазов от 17 до 28 нм, тем самым приводя к увеличению прочности материала, по сравнению с немодифицированным образцом. Нанесение наноалмазной пленки проводят из водной суспензии с концентрацией наноалмазов 1-1,5 г/л и размером наноалмазных агрегатов от 50 до 100 нм на поверхность перикарда биологического протеза клапана сердца. Используют наноалмазы детонационного синтеза (см. например, Ultrananocrystalline Diamond. Synthesis, Properties, and Applications. 2006. Ed. O.A. Shenderova, D.M. Gruen), обладающие положительным значением электрокинетического потенциала в воде. Полученный, таким образом материал обладает прочностью на разрыв 9-10 МПа, начальным модулем Юнга около 1 МПа и конечным модулем Юнга около 30 Мпа.The technical result is achieved by applying to the surface of the bovine pericardium (pericardium of the biological prosthesis of the heart valve) a nanodiamond coating (film) from 1.5 to 4 mg of nanodiamonds per gram of bovine pericardium tissue, with an average aggregate size of nanodiamonds from 17 to 28 nm, thereby increasing the strength of the material , compared to an unmodified sample. The application of the nanodiamond film is carried out from an aqueous suspension with a concentration of nanodiamonds of 1-1.5 g / l and the size of nanodiamond aggregates from 50 to 100 nm on the pericardial surface of the biological prosthesis of the heart valve. Detonation synthesis nanodiamonds are used (see, for example, Ultrananocrystalline Diamond. Synthesis, Properties, and Applications. 2006. Ed. O.A. Shenderova, D.M. Gruen), which have a positive value of the electrokinetic potential in water. Thus obtained material has a tensile strength of 9-10 MPa, an initial Young's modulus of about 1 MPa and a final Young's modulus of about 30 MPa.

В одном из вариантов осуществления изобретения на поверхность наноалмаза может быть нанесен слой хитозана в количестве 20 мг/г.In one embodiment, a layer of chitosan in an amount of 20 mg / g may be applied to the surface of the nanodiamond.

Технический результат достигается также посредством реализации способа получения биометериала, включающего:The technical result is also achieved through the implementation of a method for producing biometrics, including:

- приготовление водной суспензии наноалмазов детонационного синтеза с концентрацией наноалмазов 1-1,5 г/л из порошка наноалмазов посредством ее ультразвуковой обработки, с последующим испарением суспензии до сухого остатка и повторным ресуспендированием в воде с концентрацией наноалмазов 1-1.5 г/л с помощью ультразвуковой обработки;- preparation of an aqueous suspension of detonation synthesis nanodiamonds with a nanodiamonds concentration of 1-1.5 g / l from nanodiamonds powder by ultrasonic treatment, followed by evaporation of the suspension to a dry residue and resuspension in water with a nanodiamonds concentration of 1-1.5 g / l using ultrasonic processing;

- размещение бычьего перикарда в суспензии, перемешивание в течение 7-8 часов, выдерживание при 4°С в течение 10-12 часов;- placement of bovine pericardium in suspension, stirring for 7-8 hours, keeping at 4 ° C for 10-12 hours;

- извлечение бычьего перикарда из суспензии, промывка его физиологическим раствором;- extraction of bovine pericardium from suspension, washing with physiological saline;

- хранение в физиологическом растворе при 4°С.- storage in physiological saline at 4 ° C.

Ультразвуковую обработку осуществляют в течение 2-3 часов при мощности ультразвука 110 Вт и рабочей частоте 35 кГц. Перемешивание суспензии наноалмазов с размещенным в нем бычьим перикардом проводят на орбитальном шейкере со скоростью 190 оборотов/мин при комнатной температуре 20-25°С. При необходимости получения биоматериала с хитозановым покрытием, последний наносят на наноалмаз из раствора 1 г/л в 0,01 н соляной кислоте, для чего суспензию наноалмазов смешивают с раствором хитозана, полученную суспензию инкубируют в течение 48 часов при комнатной температуре (20-25°С), затем центрифугируют 30 минут при 13400 об/мин, декантируют осадок, промывают его водой и суспензируют в воде до концентрации 1-1,5 г/л.Ultrasonic processing is carried out for 2-3 hours at an ultrasonic power of 110 W and an operating frequency of 35 kHz. Mixing a suspension of nanodiamonds with a bovine pericardium placed in it is carried out on an orbital shaker at a speed of 190 rpm at room temperature of 20-25 ° C. If it is necessary to obtain biomaterial with a chitosan coating, the latter is applied to a nanodiamond from a solution of 1 g / l in 0.01 N hydrochloric acid, for which a suspension of nanodiamonds is mixed with a solution of chitosan, the resulting suspension is incubated for 48 hours at room temperature (20-25 ° C), then centrifuged for 30 minutes at 13400 rpm, the precipitate is decanted, washed with water and suspended in water to a concentration of 1-1.5 g / L.

Толщина нанесенной пленки наноалмаза определялась с помощью метода радиоактивных индикаторов. Полученная величина является оптимальной для получения заявленных механических свойств поскольку обеспечивается полное равномерное устойчивое покрытие поверхности биоткани.The thickness of the deposited nanodiamond film was determined using the method of radioactive indicators. The obtained value is optimal for obtaining the claimed mechanical properties because it provides a complete uniform stable coating of the surface of the biological tissue.

Указанные в заявляемом способе точечные значения параметров при реализации изобретения могут иметь допустимое отклонение на величину не более 10%.Specified in the claimed method, the point values of the parameters during the implementation of the invention may have an allowable deviation of no more than 10%.

Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлены микрофотографии поверхности матрицы, покрытой наноалмазом: гладкая сторона (слева), шероховатая сторона (справа); на фиг. 2 - зависимость деформации от напряжения матрицы, модифицированной наноалмазом и контрольного образца; на фиг. 3 - микрофотографии поверхности матрицы, покрытой наноалмазом, модифицированным хитозаном: гладкая сторона (слева), шероховатая сторона (справа); на фиг. 4 - зависимость деформации от напряжения матрицы, модифицированной наноалмазом с адсорбированным хитозаном и контрольного образца.The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows micrographs of the surface of a matrix coated with nanodiamonds: smooth side (left), rough side (right); in FIG. 2 - dependence of the strain on the stress of the matrix modified by nanodiamonds and the control sample; in FIG. 3 - micrographs of the surface of the matrix coated with chitosan-modified nanodiamonds: smooth side (left), rough side (right); in FIG. 4 - dependence of the strain on the stress of the matrix modified by a nanodiamond with adsorbed chitosan and a control sample.

Осуществление изобретенияThe implementation of the invention

Настоящее изобретение поясняется примерами выполнения, которые не ограничивают сущность заявляемого решения, при этом наглядно демонстрируют возможность достижения заявляемого технического результата. В частности, возможность реализации изобретения продемонстрирована при использовании в качестве коллагеновой матрицы бычьего перикарда, при этом также возможно применение и тканей других животных, используемых для изготовления клапанов.The present invention is illustrated by examples that do not limit the essence of the proposed solution, while clearly demonstrate the possibility of achieving the claimed technical result. In particular, the possibility of implementing the invention has been demonstrated when using a bovine pericardium as a collagen matrix, and it is also possible to use tissues of other animals used to make valves.

Подготовку наноалмазов проводят следующим образом. Готовят суспензию наноалмазов, для чего порошок наноалмазов суспендируют в воде (концентрация наноалмазов суспензии 5 г/л для достижения наилучшего разбиения агрегатов) с помощью ультразвуковой обработки, в течение 2-3 часов при мощности ультразвука 110 Вт (рабочая частота 35 кГц). Затем суспензию выдерживают при 4°С в течение 12-24 часов для осаждения крупных агрегатов. После этого надосадочную суспензию отбирают, высушивают с помощью роторного испарителя, определяют гравиметрически количество твердой фазы и повторно суспендируют в деионизированной воде до конечной концентрации 1-1,5 г/л с помощью ультразвуковой обработки при аналогичных режимах (в течение 2-3 часов, мощности ультразвука 110 Вт, рабочей частоте 35 кГц). Полученная суспензия характеризуется средним размером агрегатов, не превышающим 100 нм, по данным динамического рассеивания света и электрокинетическим потенциалом от +20 до 40 мВ. Двухстадийная ультразвуковая обработка позволяет получить суспензию наноалмазов воде с приведенными выше характеристиками без использования погружного источника ультразвука, который, во-первых, портится при контакте с наноалмазом и, во-вторых, его частички загрязняют получаемую суспензию.The preparation of nanodiamonds is carried out as follows. A suspension of nanodiamonds is prepared, for which a powder of nanodiamonds is suspended in water (a concentration of suspension nanodiamonds of 5 g / l to achieve the best separation of aggregates) using ultrasonic treatment for 2-3 hours at an ultrasonic power of 110 W (operating frequency 35 kHz). Then the suspension is kept at 4 ° C for 12-24 hours to precipitate large aggregates. After that, the supernatant suspension is removed, dried using a rotary evaporator, the amount of solid phase is determined gravimetrically and resuspended in deionized water to a final concentration of 1-1.5 g / l using ultrasonic treatment under similar conditions (for 2-3 hours, power ultrasound 110 W, operating frequency 35 kHz). The resulting suspension is characterized by an average aggregate size not exceeding 100 nm, according to the data of dynamic light scattering and electrokinetic potential from +20 to 40 mV. Two-stage ultrasonic treatment allows one to obtain a suspension of nanodiamonds with water with the above characteristics without using an immersion ultrasound source, which, firstly, deteriorates upon contact with the nanodiamonds and, secondly, its particles contaminate the resulting suspension.

Для дополнительного улучшения механических свойств полученного биоматериала на наноалмаз наносят слой хитозана из раствора 1 г/л в 0,01 н соляной кислоте. Суспензию наноалмазов смешивают с раствором хитозана. Полученную таким образом суспензию инкубируют в течение 48-72 часов при комнатной температуре (20-25°С), затем центрифугируют до полного осаждения наноалмазной фазы (30 минут при 13400 об/мин), декантируют осадок, промывают его водой и суспендируют в воде до концентрации твердой фазы 1-1,5 г/л. Полученная суспензия характеризуется средним размером агрегатов, не превышающим 100 нм, по данным динамического рассеивания света и электрокинетическим потенциалом от +35 до +45 мВ.To further improve the mechanical properties of the obtained biomaterial, a layer of chitosan is applied to the nanodiamond from a solution of 1 g / l in 0.01 n hydrochloric acid. A suspension of nanodiamonds is mixed with a solution of chitosan. The suspension thus obtained is incubated for 48-72 hours at room temperature (20-25 ° C), then centrifuged until the nanodiamond phase is completely precipitated (30 minutes at 13,400 rpm), the precipitate is decanted, washed with water and suspended in water until the concentration of the solid phase is 1-1.5 g / l. The resulting suspension is characterized by an average aggregate size not exceeding 100 nm, according to the data of dynamic light scattering and electrokinetic potential from +35 to +45 mV.

В водную суспензию наноалмазов или наноалмазов с хитозановым покрытием помещают перикард биологического протеза клапана сердца, перемешивают на орбитальном шейкере со скоростью 190 об./мин при комнатной температуре (20-25°С) в течение 7-8 часов, после этого выдерживают при 4°С в течение 10-12 часов. Затем биоматериал изымают из суспензии и промывают физиологическим раствором. Полученный продукт хранят в физиологическом растворе. Поскольку наноалмаз и наноалмаз с хитозановым покрытием обладает положительным электрокинетическим потенциалом, то полученная пленка равномерно покрывает и гладкую, и шероховатую поверхности перикарда биологического протеза клапана сердца и удерживается на его поверхности за счет электростатического взаимодействия. Полученный биоматериал характеризуется начальным модулем Юнга около 1 МПа и конечным модулем Юнга около 30 МПа, как и исходный материал, при этом прочность на разрыв увеличивается до 9-10 МПа по сравнению с 6 для исходного материала.The pericardium of the biological prosthesis of the heart valve is placed in an aqueous suspension of nanodiamonds or nanodiamonds with a chitosan coating, mixed on an orbital shaker at a speed of 190 rpm at room temperature (20-25 ° C) for 7-8 hours, then kept at 4 ° C for 10-12 hours. Then the biomaterial is removed from the suspension and washed with saline. The resulting product is stored in physiological saline. Since a nanodiamond and a nanodiamond with a chitosan coating have a positive electrokinetic potential, the resulting film uniformly covers both the smooth and rough surfaces of the pericardium of the biological prosthesis of the heart valve and is retained on its surface due to electrostatic interaction. The obtained biomaterial is characterized by an initial Young's modulus of about 1 MPa and a final Young's modulus of about 30 MPa, as well as the starting material, while the tensile strength increases to 9-10 MPa compared to 6 for the starting material.

Пример 1. Перикард биологического протеза клапана сердца в виде матрицы площадью 30 см2 и толщиной 0,4-0,5 мм, предварительно обработанной 0,625% раствором глутарового альдегида и несколько раз тщательно промытой стерильным физиологическим раствором с 6-кратной сменой раствора из расчета 500-550 мл на 100 г перикарда, поместили в водную суспензию наноалмазов с концентрацией 1 мг/мл. Для определения количества наноалмаза на поверхности использовали меченный тритием наноалмаз. Суспензии перемешивали на орбитальном шейкере при комнатной температуре (20-25°С) в течение 7 часов, затем выдерживали суспензию с матрицей при 4°С в течение 12 часов. Затем матрицы изымали из суспензии и промывали физиологическим раствором. Полученный продукт хранили в физиологическом растворе. На фиг. 1 приведена микрофотография матрицы с нанесенным наноалмазом.Example 1. The pericardium of a biological prosthesis of the heart valve in the form of a matrix with an area of 30 cm 2 and a thickness of 0.4-0.5 mm, pre-treated with 0.625% glutaraldehyde solution and several times thoroughly washed with sterile physiological saline with a 6-fold change of solution at a rate of 500 -550 ml per 100 g of pericardium was placed in an aqueous suspension of nanodiamonds with a concentration of 1 mg / ml. To determine the amount of nanodiamond on the surface, tritium-labeled nanodiamonds were used. The suspensions were mixed on an orbital shaker at room temperature (20-25 ° C) for 7 hours, then the suspension with the matrix was kept at 4 ° C for 12 hours. Then the matrix was removed from the suspension and washed with saline. The resulting product was stored in physiological saline. In FIG. 1 shows a micrograph of a matrix with a deposited nanodiamond.

Размер агрегатов на поверхности матрицы составлял в среднем 17 нм. Для определения количества наноалмазов на поверхности матрицы ее разлагали азотной кислотой и измеряли радиоактивность. Получено, что общее количество наноаноалмазов на поверхности матрицы составляет 4 мг на грамм матрицы.The size of aggregates on the matrix surface averaged 17 nm. To determine the number of nanodiamonds on the matrix surface, it was decomposed with nitric acid and the radioactivity was measured. It was found that the total number of nanodiamonds on the matrix surface is 4 mg per gram matrix.

На фиг. 2 приведена зависимость деформации от напряжения для материала, модифицированного наноалмазом по сравнению с контрольным образцом - коллагеновой матрицей, модифицированной глутаровым альдегидом.In FIG. Figure 2 shows the strain dependence of stress for a material modified with a nanodiamond as compared to a control sample — a collagen matrix modified with glutaraldehyde.

Как следует из фиг. 2 наноалмазное покрытие придает коллагеновой матрице дополнительную прочность. Если значения начального и конечного модуля Юнга одинаковы для обоих образцов и составляют 1 МПа и 20 МПа, соответственно, то прочность на разрыв образца с наноамалзным покрытием увеличивается до 9 МПа по сравнению с 6 МПа для необработанного образца.As follows from FIG. 2 nanodiamond coating gives the collagen matrix extra strength. If the values of the initial and final Young's moduli are the same for both samples and are 1 MPa and 20 MPa, respectively, then the tensile strength of the nanoamalc coated sample increases to 9 MPa compared to 6 MPa for the untreated sample.

Пример 2. В водную суспензию наноалмазов с нанесенным хитозановым покрытием с концентрацией наночастиц 1 мг/мл поместили коллагеновые матрицы, обработанные как описано в примере 1. Для определения количества наноалмаза на поверхности использовали меченный тритием наноалмаз. Суспензии перемешивали на орбитальном шейкере при комнатной температуре (20-25°С) в течение 7 часов, затем выдерживают суспензию с матрицей при 4°С в течение 12 часов. Затем матрицы изымали из суспензии и промывали физиологическим раствором. Полученный продукт хранили в физиологическом растворе. На фиг. 3 приведена микрофотография матрицы с нанесенным наноалмазом.Example 2. In an aqueous suspension of chitosan-coated nanodiamonds with a nanoparticle concentration of 1 mg / ml, collagen matrices processed as described in Example 1 were placed. Tritium-labeled nanodiamonds were used to determine the amount of nanodiamonds on the surface. The suspensions were mixed on an orbital shaker at room temperature (20-25 ° C) for 7 hours, then the suspension with the matrix was kept at 4 ° C for 12 hours. Then the matrix was removed from the suspension and washed with saline. The resulting product was stored in physiological saline. In FIG. Figure 3 shows a micrograph of a matrix with a deposited nanodiamond.

Размер агрегатов на поверхности матриц составлял в среднем 28 нм. Для определения количества наноалмазов на поверхности матрицы ее разлагали азотной кислотой и измеряли радиоактивность. Получено, что общее количество наноаноалмазов на поверхности матрицы составляет 1.5 мг на грамм матрицы.The size of aggregates on the surface of the matrices averaged 28 nm. To determine the number of nanodiamonds on the matrix surface, it was decomposed with nitric acid and the radioactivity was measured. It was found that the total number of nanodiamonds on the matrix surface is 1.5 mg per gram matrix.

На фиг. 4 приведена зависимость деформации от напряжения для материала, модифицированного наноалмазом, модифицированным хитозаном, по сравнению с контрольным образцом - коллагеновой матрицей, модифицированной глутаровым альдегидом.In FIG. Figure 4 shows the strain dependence of stress for a material modified with a nanodiamond modified with chitosan, compared with a control sample — a collagen matrix modified with glutaraldehyde.

Как следует из фиг. 4 наноалмазное покрытие придает коллагеновой матрице дополнительную прочность. Если значения начального и конечного модуля Юнга одинаковы для обоих образцов и составляют 1 МПа и 20 МПа соответственно, то прочность на разрыв образца с наноамалзным покрытием увеличивается до 10 МПа по сравнению с 6 МПа для необработанного образца.As follows from FIG. 4 nanodiamond coating gives the collagen matrix extra strength. If the values of the initial and final Young's moduli are the same for both samples and are 1 MPa and 20 MPa, respectively, then the tensile strength of the nanoamalz coated sample increases to 10 MPa compared to 6 MPa for the untreated sample.

Варьирование времени перемешивания суспензии наноалмазов и бычьего перикарда и инкубирования суспензии при 4°С в диапазоне параметров, приведенных в части «Осуществление изобретения», приводит к получению аналогичных результатов с точки зрения механических свойств продукта.Varying the mixing time of the suspension of nanodiamonds and bovine pericardium and incubation of the suspension at 4 ° C in the range of parameters given in the part "Implementation of the invention" leads to similar results in terms of the mechanical properties of the product.

Claims (10)

1. Биоматериал для изготовления протезов клапанов сердца, включающий бычий перикард, покрытый наноалмазами детонационного синтеза, обладающими положительным электрокинетическим потенциалом в воде, с содержанием наноалмаза от 1,5 до 4 мг на грамм биологической ткани, со средним размером агрегатов от 17 до 28 нм на поверхности биоматериала.1. Biomaterial for the manufacture of prosthetic heart valves, including bovine pericardium coated with detonation synthesis nanodiamonds with positive electrokinetic potential in water, with a nanodiamond content of 1.5 to 4 mg per gram of biological tissue, with an average aggregate size of 17 to 28 nm per biomaterial surface. 2. Биоматериал по п. 1, характеризующийся тем, что он обладает прочностью на разрыв 9-10 МПа, начальным модулем Юнга около 1 МПа и конечным модулем Юнга около 30 МПа.2. The biomaterial according to claim 1, characterized in that it has a tensile strength of 9-10 MPa, an initial Young's modulus of about 1 MPa, and a final Young's modulus of about 30 MPa. 3. Биоматериал по п. 1, характеризующийся тем, что на поверхность наноалмаза нанесен слой хитозана в количестве 20 мг/г.3. The biomaterial according to claim 1, characterized in that a layer of chitosan in an amount of 20 mg / g is deposited on the surface of the nanodiamond. 4. Способ получения биоматериала по п. 1, включающий4. The method of obtaining biomaterial according to claim 1, including - приготовление водной суспензии наноалмазов детонационного синтеза с концентрацией наноалмазов 1-1,5 г/л из порошка наноалмазов посредством ее ультразвуковой обработки, с последующим испарением суспензии до сухого остатка и повторным ресуспендированием в воде с концентрацией наноалмазов 1-1,5 г/л с помощью ультразвуковой обработки;- preparation of an aqueous suspension of detonation synthesis nanodiamonds with a nanodiamonds concentration of 1-1.5 g / l from nanodiamonds powder by ultrasonic treatment, followed by evaporation of the suspension to a dry residue and repeated resuspension in water with a nanodiamonds concentration of 1-1.5 g / l s using ultrasonic treatment; - размещение бычьего перикарда в суспензии, перемешивание в течение 7-8 часов, выдерживание при 4°С в течение 10-12 часов;- placement of bovine pericardium in suspension, stirring for 7-8 hours, keeping at 4 ° C for 10-12 hours; - извлечение бычьего перикарда из суспензии, промывка его физиологическим раствором с последующим хранением в физиологическом растворе.- extraction of bovine pericardium from suspension, washing it with physiological saline, followed by storage in physiological saline. 5. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что ультразвуковую обработку осуществляют в течение 2-3 часов при мощности ультразвука 110 Вт и рабочей частоте 35 кГц.5. The method according to p. 4, characterized in that the ultrasonic treatment is carried out for 2-3 hours at an ultrasonic power of 110 W and an operating frequency of 35 kHz. 6. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что перемешивание суспензии наноалмазов с размещенным в нем бычьим перикардом проводят на орбитальном шейкере со скоростью 190 оборотов/мин при комнатной температуре 20-25°С.6. The method according to p. 4, characterized in that the mixing of the suspension of nanodiamonds with the bovine pericardium placed in it is carried out on an orbital shaker at a speed of 190 revolutions / min at room temperature of 20-25 ° C. 7. Способ по п. 4, характеризующийся тем, что на наноалмаз наносят хитозан из раствора 1 г/л в 0,01 н соляной кислоте для чего суспензию наноалмазов смешивают с раствором хитозана, полученную суспензию инкубируют в течение 48 часов при комнатной температуре (20-25°С), затем центрифугируют 30 минут при 13400 об/мин, декантируют осадок, промывают его водой и суспензируют в воде до концентрации 1-1,5 г/л.7. The method according to claim 4, characterized in that chitosan is applied to the nanodiamond from a solution of 1 g / l in 0.01 N hydrochloric acid, for which a suspension of nanodiamonds is mixed with a solution of chitosan, the resulting suspension is incubated for 48 hours at room temperature (20 -25 ° C), then centrifuged for 30 minutes at 13400 rpm, the precipitate is decanted, washed with water and suspended in water to a concentration of 1-1.5 g / L.
RU2018147465A 2018-12-29 2018-12-29 Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial RU2711544C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147465A RU2711544C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018147465A RU2711544C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2711544C1 true RU2711544C1 (en) 2020-01-17

Family

ID=69171337

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018147465A RU2711544C1 (en) 2018-12-29 2018-12-29 Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2711544C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120221099A1 (en) * 2011-02-24 2012-08-30 Alexander Borck Coated biological material having improved properties
RU2519219C1 (en) * 2012-12-25 2014-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Biological chitosan coated pericardial valve prosthesis and method for making it
US9248015B2 (en) * 2005-03-11 2016-02-02 Wake Forest University Health Services Production of tissue engineered heart valves

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9248015B2 (en) * 2005-03-11 2016-02-02 Wake Forest University Health Services Production of tissue engineered heart valves
US20120221099A1 (en) * 2011-02-24 2012-08-30 Alexander Borck Coated biological material having improved properties
RU2519219C1 (en) * 2012-12-25 2014-06-10 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова" (МГУ) Biological chitosan coated pericardial valve prosthesis and method for making it

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
КАРПУХИН А.В. Наноалмаз детонационного синтеза: химическое модифицирование, свойства и возможные применения. Авто диссертации на соскание ученой сепени кандидата химических наук, 2012, Москва, 26 с. *
КАРПУХИН А.В. Наноалмаз детонационного синтеза: химическое модифицирование, свойства и возможные применения. Автореферат диссертации на соскание ученой сепени кандидата химических наук, 2012, Москва, 26 с. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shen et al. Alendronate-loaded hydroxyapatite-TiO 2 nanotubes for improved bone formation in osteoporotic rabbits
JP5100023B2 (en) Biomaterial, artificial joint using the same, and manufacturing method thereof
WO2018196088A1 (en) Method for preparing chitosan/heparinized graphene oxide composite multilayer film on medical magnesium alloy surface
WO1996007444A1 (en) Method of making fibrin coated substrates
RU2456023C2 (en) Method of processing animal or human biological tissue, eg swine or bovine pericardium or human cadaver mitral valves and properly processed biological tissue
Zigterman et al. Titanium surface modifications and their soft-tissue interface on nonkeratinized soft tissues—A systematic review
CN104434539B (en) The preparation method on the surface layer of the device in implantable human or animal's body
JP2023033082A (en) Porous biological implant with excellent osseointegration property and method for manufacturing the same
KR101972122B1 (en) Method for Preparing Dental Implants with Improved Surface Morphology and Osseointegration
RU2711544C1 (en) Biomaterial for making prostheses of heart valves and method of producing biomaterial
Zhou et al. Nitric oxide generation and endothelial progenitor cells recruitment for improving hemocompatibility and accelerating endothelialization of tissue engineering heart valve
CN109045351A (en) A kind of magnesium alloy based on surface treatment and fibroin albumen connection method
WO2016059024A1 (en) Method of growing carbon nanowalls on a substrate
CN116236614A (en) TiO for catalyzing and releasing CO 2 Nanotube material, preparation method and application thereof
Junkar et al. Could titanium dioxide nanotubes represent a viable support system for appropriate cells in vascular implants?
KR20110006822A (en) Method for producing surface hydrophilized metal implant and metal implant produced thereby
WO2021145008A1 (en) Endosseous implant material substrate, endosseous implant material, and method for producing endosseous implant material substrate
Doi et al. The development of novel bioactive porous titanium as a bone reconstruction material
Focsaneanu et al. Experimental study on the influence of zirconia surface preparation on deposition of hydroxyapatite
Zheng et al. In Situ Cross-Linked Collagen-Based Biological Patch Integrating Anti-Infection and Anti-Calcification Properties
JP2005013261A (en) Artificial biomaterial and its production method
US11280006B2 (en) Method for preparing titanium-containing implant by using environmentally-friendly etching composition
RU2738307C1 (en) Method for producing thromboresistant medical products
RU2779364C1 (en) Titanium implant with a surface modified to enhance cell adhesion and the method for its manufacture
RU2759548C1 (en) Method for obtaining a bioresorbable porous magnesium-based material with a polymer coating