RU2744710C2 - Method of producing nanocomposite joint ligament implant - Google Patents
Method of producing nanocomposite joint ligament implant Download PDFInfo
- Publication number
- RU2744710C2 RU2744710C2 RU2019120833A RU2019120833A RU2744710C2 RU 2744710 C2 RU2744710 C2 RU 2744710C2 RU 2019120833 A RU2019120833 A RU 2019120833A RU 2019120833 A RU2019120833 A RU 2019120833A RU 2744710 C2 RU2744710 C2 RU 2744710C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- implant
- ligament
- carbon nanotubes
- water
- dispersion
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
-
- 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
-
- 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
- A61L27/34—Macromolecular materials
-
- 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
- A61L31/00—Materials for other surgical articles, e.g. stents, stent-grafts, shunts, surgical drapes, guide wires, materials for adhesion prevention, occluding devices, surgical gloves, tissue fixation devices
- A61L31/08—Materials for coatings
- A61L31/10—Macromolecular materials
-
- 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
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y5/00—Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Medical Informatics (AREA)
- Biotechnology (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Pharmacology & Pharmacy (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Biophysics (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Surgery (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области медицины и, конкретно, к травматологии. Оно предназначено для обработки хирургических имплантатов, используемых при реконструкции связок и сухожилий, излучением инфракрасного (ИК) диапазона.The invention relates to medicine and, in particular, to traumatology. It is intended for the treatment of surgical implants used in the reconstruction of ligaments and tendons with infrared (IR) radiation.
Хирургическая операция позволяет поврежденные связки коленного сустава заменить на искусственные имплантаты. Даже относительно инертные синтетические полимеры, являясь инородным телом в организме, часто поддерживают хроническую воспалительную реакцию и меняют свои физические свойства. Следовательно, длительное функционирование синтетических имплантатов нередко становиться невозможным. Следовательно, для избегания отторжения имплантата и снижения риска инфекции после трансплантации на поверхность имплантатов наносится специальное покрытие.Surgical operation allows the damaged ligaments of the knee to be replaced with artificial implants. Even relatively inert synthetic polymers, being a foreign body in the body, often maintain a chronic inflammatory response and change their physical properties. Consequently, long-term functioning of synthetic implants often becomes impossible. Therefore, to avoid rejection of the implant and reduce the risk of infection after transplantation, a special coating is applied to the surface of the implants.
Известен способ заселения имплантата связки коленного сустава фибробластами, с пропитыванием имплантата вспомогательным веществом - коллагеном [1]. Существенным недостатком такого способа покрытия имплантата связки коленного сустава является сложность работы с клеточным компонентом, требующей длительной подготовки материала: забора клеток у пациента, культивирования и засеивания имплантата клетками.A known method of populating the implant of the ligament of the knee with fibroblasts, with the impregnation of the implant with an auxiliary substance - collagen [1]. A significant disadvantage of this method of covering the knee ligament implant is the complexity of working with the cellular component, which requires long-term preparation of the material: collection of cells from the patient, cultivation and seeding of the implant with cells.
Известен способ закрепления имплантата связки коленного сустава в отверстиях берцовых костей человека или животного, с передачей энергии во вспомогательный затвердевающий плавкий материал, проникающий в костную ткань [2]. Недостатком такого способа закрепления имплантата связки коленного сустава является неполная физиологическую совместимость предлагаемого плавкого материала, что может иметь следствием разрушение или отторжение имплантата.The known method of fixing the implant of the ligament of the knee joint in the holes of the tibia of a person or an animal, with the transfer of energy to the auxiliary solidifying fusible material, penetrating into the bone tissue [2]. The disadvantage of this method of fixing the knee ligament implant is incomplete physiological compatibility of the proposed fusible material, which may result in the destruction or rejection of the implant.
Известен способ обработки искусственных связок суставов и сухожилий с использованием вспомогательных веществ - нановолокон, включающих графен, его производные и углеродные нанотрубки [3]. Недостаток этого способа изготовления и применения имплантатов связок заключается в отсутствии функциональной обработки применяемых углеродосодержащих материалов, которая только может придавать материалу имплантата связки остеиндуктивные свойства, определяющие устойчивую фиксацию имплантата в костном канале, но не обеспечивает биологическую совместимость имплантата с тканями организма.A known method of processing artificial ligaments of joints and tendons using auxiliary substances - nanofibers, including graphene, its derivatives and carbon nanotubes [3]. The disadvantage of this method of manufacturing and using ligament implants is the lack of functional treatment of the used carbon-containing materials, which can only impart osteinductive properties to the ligament implant material, which determine the stable fixation of the implant in the bone canal, but does not ensure the biological compatibility of the implant with the body tissues.
Наиболее близким техническим решением заявляемого способа обработки искусственных связок суставов и сухожилий является формирование нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава путем водоиспаряющего воздействия лазерным излучением [4]. Недостаток такого способа изготовления и применения имплантатов связок заключается в том, что трудно контролируется температура локального нагрева нанокомпозитного материала и возникает большой риск понижения его функциональных характеристик. Например, в нанокомпозитном материале из водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок в случае перегрева (температура более 80°С) белка альбумина начинается его денатурация. Действительно, лазерный луч локально, на площади несколько десятков квадратных микрометров, сильно нагревает материал, что может не отразиться на регистрируемой интегральной температуре покрытия. Вследствие этого на поверхности покрытия имплантата образуются локально денатурированные участки, наличие которых понижает возможность клеточной адгезии и пролиферации на поверхности покрытия. Это означает, что изначально высокая степень биосовместимости нанокомпозитного покрытия существенно понижается. Поэтому для такого имплантата связок суставов существует вероятность возникновения воспалительной реакции или иных осложнений.The closest technical solution to the proposed method of processing artificial ligaments of joints and tendons is the formation of a nanocomposite coating of the knee ligament implant by means of water vaporizing action of laser radiation [4]. The disadvantage of this method of manufacturing and using ligament implants is that it is difficult to control the temperature of local heating of the nanocomposite material and there is a high risk of lowering its functional characteristics. For example, in a nanocomposite material made of a water-protein dispersion of carbon nanotubes, in the case of overheating (temperature over 80 ° C) of the albumin protein, its denaturation begins. Indeed, the laser beam locally, over an area of several tens of square micrometers, heats up the material strongly, which may not affect the recorded integral temperature of the coating. As a result, locally denatured areas are formed on the surface of the implant coating, the presence of which reduces the possibility of cell adhesion and proliferation on the coating surface. This means that the initially high degree of biocompatibility of the nanocomposite coating is significantly reduced. Therefore, for such a joint ligament implant, there is a possibility of an inflammatory reaction or other complications.
Очевидно, что необходимо сохранить эффективность покрытия имплантата связок суставов и не допустить перегрева нанокомпозитного покрытия в процессе лазерной обработки.Obviously, it is necessary to preserve the effectiveness of the coating of the implant of the ligaments of the joints and to prevent overheating of the nanocomposite coating during the laser treatment.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении степени биосовместимости нанокомпозитного имплантата связки с покрытием из композитного биосовместимого наноматериала и его прочности на разрыв относительно имплантатов связок без покрытия.The objective of the present invention is to increase the degree of biocompatibility of a nanocomposite ligament implant coated with a composite biocompatible nanomaterial and its tensile strength relative to uncoated ligament implants.
Поставленная задача решается тем, что осуществляют нанесение на поверхность заготовки имплантата связки вспомогательное вещество - водно-белковую дисперсию углеродных нанотрубок (УНТ), а затем формируют нанокомпозитное покрытие путем водоиспаряющего воздействия ИК-излучения в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм, мощностью на единицу площади 0,1-0,5 Вт/см2. Концентрация белковой компоненты во вспомогательном веществе находится в пределах от 15 до 30 мас. %. Концентрация углеродных нанотрубок во вспомогательном веществе находится в пределах от 0,1 до 0,3 мас. %. В качестве белковой компоненты вспомогательного вещества используют альбумин и коллаген. ИК-облучение слоя вспомогательного вещества, нанесенного на заготовку имплантата связки коленного сустава, осуществляют при вращении заготовки имплантата.The problem is solved by applying a bundle of an auxiliary substance to the surface of the implant blank - a water-protein dispersion of carbon nanotubes (CNTs), and then forming a nanocomposite coating by water-evaporating action of IR radiation in the wavelength range of 0.7-1.2 μm, power per unit area 0.1-0.5 W / cm 2 . The concentration of the protein component in the auxiliary substance is in the range from 15 to 30 wt. %. The concentration of carbon nanotubes in the auxiliary substance is in the range from 0.1 to 0.3 wt. %. Albumin and collagen are used as the protein component of the excipient. IR irradiation of the auxiliary substance layer applied to the knee ligament ligament implant blank is carried out while the implant blank is rotated.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем. Приготавливаются вспомогательное вещество - водно-белковая дисперсия углеродных нанотрубок. Оно используется для формирования нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава. Для получения вспомогательного вещества осуществляются следующие шаги:The essence of the invention is as follows. An auxiliary substance is prepared - a water-protein dispersion of carbon nanotubes. It is used to form a nanocomposite coating on the knee ligament implant. To obtain an excipient, the following steps are carried out:
1. К дистиллированной воде добавляется одностенные УНТ (ОУНТ) или многостенные УНТ (МУНТ), и дисперсия перемешивается в магнитной мешалке в течение 60 мин, а потом диспергируется в ультразвуковом (УЗ) диспергаторе при температуре ≤ 30°С в течение 50 мин до получения однородной дисперсии черного цвета. Концентрация УНТ подбирается в области 1-2 мас. %.1. Single-walled CNTs (SWCNTs) or multi-walled CNTs (MWCNTs) are added to distilled water, and the dispersion is stirred in a magnetic stirrer for 60 min, and then dispersed in an ultrasonic (US) disperser at a temperature of ≤ 30 ° C for 50 min to obtain uniform dispersion of black color. The concentration of CNTs is selected in the range of 1–2 wt. %.
2. В водную дисперсию УНТ вводится порошок бычий сывороточный альбумин (БСА) в концентрации 15-30 мас. %. Затем к дисперсии добавляется бычий коллаген (БК) в концентрации 1-2 мас. %. Полученная дисперсия в составе УНТ, БСА и БК тщательно перемещается в магнитной мешалке в течение 60 мин, потом диспергируется в УЗ бане при температуре ≤ 40°С в течение 60 мин.2. Bovine serum albumin (BSA) powder at a concentration of 15-30 wt.% Is added to the aqueous CNT dispersion. %. Then bovine collagen (BC) is added to the dispersion at a concentration of 1-2 wt. %. The resulting dispersion in the composition of CNTs, BSA, and BA is carefully moved in a magnetic stirrer for 60 min, then dispersed in an ultrasonic bath at a temperature of ≤ 40 ° C for 60 min.
3. Дисперсия БСА/БК/УНТ декантируется в течение 24 ч, фильтруется и переливается в другой сосуд.3. Dispersion BSA / BA / CNT is decanted within 24 hours, filtered and poured into another vessel.
Состав нанокомпозита на основе БСА, БК и УНТ подбирается из следующих соображений.The composition of the nanocomposite based on BSA, BA, and CNT is selected based on the following considerations.
БСА - бычий сывороточный альбумин является биологическим полностью биосовместимым материалом и широко применяется в медицинской практике. Альбумин составляет около 60% белков плазмы крови, его средняя концентрация в плазме ~ 40 г/л. Транспортная функция альбумина состоит в переносе свободных жирных кислот, холестерина и других биологически активных веществ. Для альбумина типична конформация во вторичной или третичной структуре при незначительной загрузке белка токсическими продуктами. Картина высохшей капли свежеприготовленного водного раствора сывороточного альбумина характеризуется наличием значительного количества радиальных трещин, образующих арки по краю капли. Молекула альбумина хорошо изучена на атомарно-структурном уровне: имеет две модификации (изомера), представляющие собой эллипсоид вращения и неправильную треугольную призму. БСА служит биологической матрицей в используемом нами нанокомпозитном материале.BSA - bovine serum albumin is a biological completely biocompatible material and is widely used in medical practice. Albumin makes up about 60% of blood plasma proteins, its average concentration in plasma is ~ 40 g / l. The transport function of albumin is to transport free fatty acids, cholesterol and other biologically active substances. For albumin, a typical conformation in the secondary or tertiary structure with an insignificant loading of the protein with toxic products. The pattern of a dried drop of a freshly prepared aqueous solution of serum albumin is characterized by the presence of a significant number of radial cracks that form arches along the edge of the drop. The albumin molecule is well studied at the atomic-structural level: it has two modifications (isomers), which are an ellipsoid of revolution and an irregular triangular prism. BSA serves as a biological matrix in the nanocomposite material we use.
БК - бычий коллаген составляет более 30% общей массы белков организма и является главным компонентом соединительной ткани. Относительно молекулы БСА (~69 Да) молекула коллагена имеет гигантскую молекулярную массу 300 кДа. Основными достоинствами коллагена считаются: высокая механическая прочность, отсутствие токсических и канцерогенных свойств, слабая антигенность, способность образовывать комплексы с биологически активными веществами (гепарином, хондроитинсульфатом, антибиотиками и др.), способность к стимуляции регенерации собственных тканей организма, к набуханию, резорбции, к выполнению функции ионообменника: коллаген обеспечивает полупроницаемость мембран, стимуляцию репарации, гемостатический эффект. Одновременно, биополимер коллаген обладает положительными качествами синтетических полимеров и имплантатов, например, высокой механической прочностью на разрыв, низкой растяжимостью, ориентацией волокон, что обуславливает его применения в медицинских приложениях.BC - bovine collagen makes up more than 30% of the total mass of body proteins and is the main component of connective tissue. Compared to the BSA molecule (~ 69 Da), the collagen molecule has a gigantic molecular weight of 300 kDa. The main advantages of collagen are: high mechanical strength, absence of toxic and carcinogenic properties, weak antigenicity, the ability to form complexes with biologically active substances (heparin, chondroitin sulfate, antibiotics, etc.), the ability to stimulate the regeneration of the body's own tissues, to swelling, resorption, to performing the function of an ion exchanger: collagen ensures membrane semi-permeability, stimulation of reparation, and a hemostatic effect. At the same time, collagen biopolymer possesses the positive qualities of synthetic polymers and implants, for example, high mechanical tensile strength, low elongation, fiber orientation, which determines its use in medical applications.
УНТ - углеродные нанотрубки обладают экстремально высокими механическими, физическим, оптическими и другими параметрами и уникальными функциональными возможностями. В частности, высокие прочность на разрыв ~50 ГПа, модуль упругости ~1 ТПа и удельная электропроводность, приведенная на плотность нанотрубки, ≥20000 См × м2/кг, а также приемлемая степень безопасности не хуже относительно сажи, в особенности для очищенных и функционализированных нанотрубок. В нанокомпозитах широко распространено два типа УНТ: ОУНТ и МУНТ. Значительные высокие значения механических параметров в нанокомпозитах реализуется при наполнителях МУНТ или ОУНТ, но более высокая степень очистки реализуется в ОУНТ.CNTs - carbon nanotubes have extremely high mechanical, physical, optical and other parameters and unique functional capabilities. In particular, high tensile strength of ~ 50 GPa, elastic modulus about 1 TPa and conductivity, reduced density on the nanotube, ≥20000 See × m 2 / kg, as well as an acceptable degree of safety with respect to black is not worse, especially purified and functionalised nanotubes. In nanocomposites, two types of CNTs are widespread: SWCNTs and MWCNTs. Significant high values of mechanical parameters in nanocomposites are realized with MWCNT or SWCNT fillers, but a higher degree of purification is realized in SWCNTs.
Перечисленные положительные свойства составных композитов, позволяет на их основе реализовать нанокомпозитный материал БСА/БК/УНТ с требуемыми параметрами и функциональными свойствами и с возможностью медицинского применения.The listed positive properties of composite composites make it possible, on their basis, to realize a BSA / BK / CNT nanocomposite material with the required parameters and functional properties and with the possibility of medical use.
Стандартная искусственная связка из синтетического материала, в частности, из полиэтилентерефталата (ПЭТ) служит основой, на которую наносится дисперсия БСА/БК/УНТ для получения покрытия. В целом, конечный продукт, именуемый как «имплантат», представляет собой связку из ПЭТ с покрытием нанокомпозитного материала из БСА/БК/УНТ.A standard artificial binder made of synthetic material, in particular polyethylene terephthalate (PET), serves as the base on which the BSA / BA / CNT dispersion is applied to obtain a coating. In general, the final product, referred to as an "implant", is a PET bundle coated with a BSA / BA / CNT nanocomposite material.
На фиг. 1 показаны эскизы системы для предварительной очистки связки (фиг. 1а): 1 - УЗ баня, 2 - вода в УЗ бане, 3 - сосуд, в который помещается связка, 4 - этиловый спирт, 5 - связка; системы для очистки связки (фиг. 1 б): 6 - дистиллированная вода; системы для стерилизации связки в УФ камере (фиг. 1 в): 7 – УФ-камера.FIG. 1 shows sketches of the system for preliminary cleaning of the bundle (Fig. 1a): 1 - ultrasonic bath, 2 - water in the ultrasonic bath, 3 - vessel in which the bundle is placed, 4 - ethyl alcohol, 5 - bundle; systems for cleaning the bundle (Fig. 1 b): 6 - distilled water; systems for sterilizing the bundle in a UV chamber (Fig. 1 c): 7 - UV chamber.
На фиг. 2 представлен эскиз камеры для ИК-облучения: 8 - связка с нанесенным слоем дисперсии БСА/БК/УНТ, 9 - ИК-облучатель, 10 - отражатель ИК-излучения, 11 - система крепления и вращения связки, 12 - общий стол, где вмонтированы все части камеры.FIG. 2 shows a sketch of a camera for IR irradiation: 8 - a bundle with an applied layer of BSA / BK / CNT dispersion, 9 - an IR illuminator, 10 - an infrared radiation reflector, 11 - a system of fastening and rotation of the bundle, 12 - a common table where they are mounted all parts of the camera.
Для получения имплантата проводились следующие процедуры:To obtain an implant, the following procedures were performed:
предварительная очистка связки в УЗ бане в среде этилового спирта в течение 30 мин;preliminary cleaning of the binder in an ultrasonic bath in ethanol for 30 min;
очистка связки в УЗ бане в среде дистиллированной воды в течение 30 мин;cleaning the bundle in an ultrasonic bath in distilled water for 30 minutes;
антибактериальная обработка связки в ультрафиолетовой (УФ) камере в течение 50 мин;antibacterial treatment of the binder in an ultraviolet (UV) chamber for 50 minutes;
нанесение водной дисперсии БСА/БК/УНТ путем опускания в нее связку или распыления дисперсии с использованием дисперсионного распылителя;application of an aqueous dispersion of BSA / BK / CNT by lowering a binder into it or spraying the dispersion using a dispersion spray;
облучение ИК-излучением слои дисперсии на связку;irradiation with infrared radiation layers of dispersion on the binder;
тестирование механических параметров имплантата, т.е. связки с нанокомпозитным БСА/БК/УНТ покрытием.testing the mechanical parameters of the implant, i.e. bonds with nanocomposite BSA / BK / CNT coating.
После очистки и стерилизации концы связки закрепляются в специальном держателе и производится нанесение дисперсии БСА/БК/УНТ на поверхность связки с обеих сторон с использованием дисперсионного распылителя, или путем полного погружения связки в дисперсию.After cleaning and sterilization, the ends of the binder are fixed in a special holder and the BSA / BA / CNT dispersion is applied to the bond surface on both sides using a dispersion spray, or by completely immersing the binder in the dispersion.
Затем связка переносится в камеру для ИК-облучения, где происходит ее вращение, и этим достигается получение равномерного по толщине слоя нанокомпозитного покрытия. В процессе облучения дистанционно контролируется температура поверхности слоя на поверхности связки, и показания передаются электронному блоку, который управляет вращением связки 8. Также контролируется мощность излучения ИК-излучателя 9. Обратная связь между устройством контроля температуры и устройством контроля мощности позволяет легко удерживать температуру на поверхности связки около 50°С с точностью ±3°С. На фиг. 2 не отражены электронный блок управления, пирометрический регистратор температуры, а также электрические связи между ними и с другими частями камеры для ИК-облучения. В результате подбора технологических параметров, например: состава водной дисперсии БСА/БК/УНТ, скорости вращения связки, мощности ИК-излучателя и регистрируемой температуры на поверхности связки; обеспечивается формирование на поверхности связки высушенного слоя нанокомпозитного покрытия толщиной 0,2-1 мкм. Такая толщина достаточна для увеличения прочности имплантата связки, при этом она не оказывает негативного влияния на эластичность связки.Then the binder is transferred to the chamber for infrared irradiation, where it rotates, and this achieves the obtaining of a layer uniform in the thickness of the nanocomposite coating. In the process of irradiation, the temperature of the layer surface on the binder surface is remotely monitored, and the readings are transmitted to the electronic unit, which controls the rotation of the
В высушенном слое нанокомпозитного покрытия БСА/БК/УНТ, имеются составные части: матрица БСА - ≥ 90 мас. %, БК - ~ 6 мас. %, УНТ - ≤ 3 мас. %.The dried layer of the BSA / BA / CNT nanocomposite coating contains the following components: BSA matrix - ≥ 90 wt. %, BK - ~ 6 wt. %, CNT - ≤ 3 wt. %.
Пример.Example.
В дистиллированной воде размещается гель ОСУНТ95ТА (производство OCSiAl), представляющий собой водную дисперсию ОУНТ с концентрацией ОУНТ 2,5 мас. %. Перемешивание геля с дистиллированной водой производится в магнитной мешалке в течение 30 мин, затем осуществляется гомогенизация данного состава в УЗ гомогенизаторе в течение 30 мин. С учетом всех частей воды (дистиллированная и входящая в состав геля) полученный состав состоит приблизительно из 0,05 мас. % ОУНТ и 99,95 мас. % воды. Затем добавляется порошок БСА фирмы AMRESCO и нейтральная водная суспензия БК производства фирмы ООО «Макмеди». Полученная водная дисперсия в составе БСА, БК и ОУНТ перемешается в магнитной мешалке и в УЗ бане по 30 мин, соответственно. Следует отметить, что обработка дисперсии в УЗ гомогенизаторе и УЗ бане осуществлялась с контролем температуры, при котором не допускалось повышение температуры выше 30°С. Массовый состав подбирается таким образом, что конечная водная дисперсия содержит: 15-30 мас. % БСА, 1-2 мас. % БК и 0,2-1,0 мас. % ОУНТ, остальное - вода.Distilled water contains the OC CNT95TA gel (manufactured by OCSiAl), which is an aqueous dispersion of SWCNTs with a SWCNT concentration of 2.5 wt. %. The gel is mixed with distilled water in a magnetic stirrer for 30 minutes, then this composition is homogenized in an ultrasonic homogenizer for 30 minutes. Taking into account all parts of water (distilled and included in the gel), the resulting composition consists of approximately 0.05 wt. % SWCNT and 99.95 wt. % water. Then BSA powder from AMRESCO and neutral aqueous suspension of BC produced by OOO Makmedi are added. The resulting aqueous dispersion in the composition of BSA, BA, and SWCNT is mixed in a magnetic stirrer and in an ultrasonic bath for 30 minutes, respectively. It should be noted that the processing of the dispersion in an ultrasonic homogenizer and an ultrasonic bath was carried out with temperature control, at which the temperature was not allowed to rise above 30 ° C. The mass composition is selected in such a way that the final aqueous dispersion contains: 15-30 wt. % BSA, 1-2 wt. % BA and 0.2-1.0 wt. % SWCNT, the rest is water.
Полоски имплантата связки коленного сустава из ПЭТФ, с приблизительными размерами: длина 300 мм, ширина 10 мм, толщина 1,5 мм, служили тестовыми образцами, на которые наносились слои композитного наноматериала БСА/БК/ОУНТ, и которые затем испытывались на механическую прочность. На обеих краях полоски посередине делаются небольшие надрезы глубиной около 1 мм. Следовательно, в этом месте образуется сужение, ширина которого на 2 мм меньше относительно ширины полоски в других местах, и образец разрывается именно в этом месте при испытаниях на разрывной машине. Это позволяет определить прочность на разрыв с точностью несколько процентов.Knee ligament implant PET strips, with approximate dimensions: length 300 mm,
После очистки и стерилизации концы связки закрепляются в специальном держателе и производится нанесение дисперсии БСА/БК/УНТ на поверхность связки с обеих сторон с использованием дисперсионного распылителя. После окончания процесса нанесения дисперсии связка переносится в камеру для ИК-облучения (см. фиг. .2). Здесь производится облучение при следующем режиме: скорость вращения связки - 0,5 об/с; удельная мощность облучения - 0,5 Вт/см2, время облучения 60 с. В данном режиме на поверхности связки образуется слой нанокомпозитного материала БСА/БК/ОУНТ толщиной 0,5 мкм путем его нагрева приблизительно до 50°С. Этот температурный режим автоматически контролируется и поддерживается с помощью электронного блока управления. После завершения ИК-облучения образец высушивался в комнатных условиях в течение 60 мин и в дальнейшем проводились измерения его механических характеристик в разрывной машине. Напряжение определялось, как отношение нагруженной силы на площадь сечения в суженном месте образца, а относительное растяжение, как относительное изменение длины образца.After cleaning and sterilization, the ends of the bond are fixed in a special holder and the BSA / BA / CNT dispersion is applied to the bond surface on both sides using a dispersion spray. After the end of the process of applying the dispersion, the binder is transferred to the chamber for IR irradiation (see Fig. 2). Irradiation is performed here in the following mode: the speed of rotation of the bundle - 0.5 rev / s; specific power of irradiation - 0.5 W / cm 2 , irradiation time 60 s. In this mode, a layer of BSA / BA / SWCNT nanocomposite material with a thickness of 0.5 μm is formed on the bond surface by heating it to approximately 50 ° C. This temperature regime is automatically controlled and maintained by an electronic control unit. After the completion of IR irradiation, the sample was dried under room conditions for 60 min, and then its mechanical characteristics were measured in a tensile testing machine. The stress was defined as the ratio of the loaded force to the cross-sectional area at the narrowed area of the sample, and the relative tension as the relative change in the length of the sample.
Отметим, что контрольным считался образец связки коленного сустава из ПЭТФ, на который не нанесено покрытие, а тестовым - на который нанесено покрытие. При этом общая масса слои оценивалась как ≤3 мг, а масса ОУНТ в нем - ≤10 мкг. В организме покрытие имплантата может резорбироваться в течение длительного времени (более месяца), поэтому содержание свободных частиц ОУНТ в организме не превышает общего фонового содержания углеродсодержащих веществ, которые содержатся в городском воздухе и которыми ежедневно дышит человек.Note that the uncoated PET sample of the knee joint ligament was considered the control, but the test sample was coated. In this case, the total mass of the layers was estimated as ≤3 mg, and the mass of SWCNTs in it was ≤10 μg. In the body, the implant coating can be resorbed for a long time (more than a month), therefore, the content of free SWCNT particles in the body does not exceed the total background content of carbon-containing substances that are contained in the city air and which a person breathes every day.
На фиг. 3 представлены графики, на которых отражены зависимости напряжения на разрыв от относительного растяжения. Приведенные здесь графики 1 и 2 соответствуют образцам связок без покрытия и со слоем покрытия соответственно. Видно, что в последнем случае заметно увеличивается прочность на разрыв (~ 20%), а также модуль упругости (~ 30%).FIG. 3 shows graphs showing the dependence of the tensile stress on the relative tension. The
Отметим некоторые важные свойства предложенного способа нанесения покрытия:Let us note some important properties of the proposed coating method:
слой покрытия из композитного биосовместимого наноматериала в составе матрицы из биологических материалов (альбумин, коллаген) и наполнителя углеродных нанотрубок образуется на поверхности синтетического имплантата связки путем нанесения водной дисперсии на поверхности и действия ИК-излучения в диапазоне длин волн 0,7-1,2 мкм и небольшой мощностью на единицу площади поверхности 0,1-0,5 Вт/см2;a coating layer of a composite biocompatible nanomaterial in the composition of a matrix of biological materials (albumin, collagen) and a filler of carbon nanotubes is formed on the surface of a synthetic implant ligaments by applying an aqueous dispersion on the surface and the action of infrared radiation in the wavelength range of 0.7-1.2 μm and low power per unit surface area 0.1-0.5 W / cm 2 ;
небольшая мощность ИК-излучения не перегревает слой композитного биосовместимого наноматериала (температура ≤50°С), вследствие чего не нарушается и не понижается его высокая степень биосовместимости;low power of infrared radiation does not overheat the layer of composite biocompatible nanomaterial (temperature ≤50 ° C), as a result of which its high degree of biocompatibility is not disturbed or reduced;
небольшое количество (≤ 3 мас. %) одностенных углеродных нанотрубок в наноматериале позволяет значительно повысить прочность на разрыв (≥20%) и модуль упругости (≥30%) синтетического имплантата связки и практически не снижает высокую степень биосовместимости матрицы наноматериала.a small amount (≤ 3 wt%) of single-walled carbon nanotubes in the nanomaterial can significantly increase the tensile strength (≥20%) and elastic modulus (≥30%) of the synthetic ligament implant and practically does not reduce the high degree of biocompatibility of the nanomaterial matrix.
Таким образом, поставленная задача выполнена. Предложен способ изготовления имплантата связки сустава с нанокомпозитным покрытием, позволяющим повысить его механические свойства и степень биосовместимости. Данный способ является простым и доступным и перспективен для восстановления функции поврежденной связки коленного сустава, а также других суставов.Thus, the task has been completed. A method of manufacturing a joint ligament implant with a nanocomposite coating is proposed, which makes it possible to increase its mechanical properties and the degree of biocompatibility. This method is simple and affordable and promising for restoring the function of the damaged ligament of the knee joint, as well as other joints.
Источники информацииSources of information
1. Патент Франции 2.651.99.1. French patent 2.651.99.
2. Патент РФ 2567603.2. RF patent 2567603.
3. Патент США 8142501.3. US patent 8142501.
4. Патент РФ 2632114 - прототип.4. RF patent 2632114 - prototype.
Claims (5)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019120833A RU2744710C2 (en) | 2019-07-04 | 2019-07-04 | Method of producing nanocomposite joint ligament implant |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2019120833A RU2744710C2 (en) | 2019-07-04 | 2019-07-04 | Method of producing nanocomposite joint ligament implant |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2019120833A RU2019120833A (en) | 2021-01-11 |
RU2019120833A3 RU2019120833A3 (en) | 2021-01-11 |
RU2744710C2 true RU2744710C2 (en) | 2021-03-15 |
Family
ID=74185031
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2019120833A RU2744710C2 (en) | 2019-07-04 | 2019-07-04 | Method of producing nanocomposite joint ligament implant |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2744710C2 (en) |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101610797A (en) * | 2007-01-19 | 2009-12-23 | 金文申有限公司 | But the implant of part bio-absorbable |
RU2632114C1 (en) * | 2016-07-22 | 2017-10-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Method for laser treatment of nanocomposite coating of knee joint ligament implant |
-
2019
- 2019-07-04 RU RU2019120833A patent/RU2744710C2/en active
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN101610797A (en) * | 2007-01-19 | 2009-12-23 | 金文申有限公司 | But the implant of part bio-absorbable |
RU2632114C1 (en) * | 2016-07-22 | 2017-10-02 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" (МИЭТ) | Method for laser treatment of nanocomposite coating of knee joint ligament implant |
Non-Patent Citations (3)
Title |
---|
PODGAETSKII V. M. et.al. Laser-induced preparation of volume nanocompositions in aqueous albumin solutions. Quantum Electronics, 2007. 37(9), 801-803, см. с.801, 2 колонка. * |
PODGAETSKII V. M. et.al. Laser-induced preparation of volume nanocompositions in aqueous albumin solutions. Quantum Electronics, 2007. 37(9), 801-803, см. с.801, 2 колонка. ГЕРАСИМЕНКО А.Ю. и др. Перспективные наноматериалы с углеродными нанотрубками в биомедицинских приложениях. Медицинская техника, 2014, N6, с. 23-27. * |
ГЕРАСИМЕНКО А.Ю. и др. Перспективные наноматериалы с углеродными нанотрубками в биомедицинских приложениях. Медицинская техника, 2014, N6, с. 23-27. * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2019120833A (en) | 2021-01-11 |
RU2019120833A3 (en) | 2021-01-11 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR100395724B1 (en) | Hard Tissue Stimulating Agent | |
US8690957B2 (en) | Bone graft composition, method and implant | |
Li et al. | Biomimetic mineralization of woven bone-like nanocomposites: role of collagen cross-links | |
US9968711B2 (en) | Bone regeneration using biodegradable polymeric nanocomposite materials and applications of the same | |
CA2173546C (en) | Medical materials and manufacturing methods thereof | |
KR101053118B1 (en) | Method for preparing silk / hydroxyapatite composite nanofiber support for bone regeneration | |
RU2733387C2 (en) | Resorbable cross-linked shape-stable membrane | |
Kim et al. | Comparison of unprocessed silk cocoon and silk cocoon middle layer membranes for guided bone regeneration | |
KR20200016896A (en) | Absorbent Crosslinked Form Stable Membrane | |
Lu et al. | Electrospun egg white/polyvinyl alcohol fiber dressing to accelerate wound healing | |
CN111317867A (en) | Nerve conduit and preparation method thereof | |
JP2009516038A (en) | Molded body based on crosslinked gelatinous material, method for producing the molded body, and use of the molded body | |
Liu et al. | Development of a novel collagenous matrix based on Tissue-Mimicking advanced collagen aggregate synthetically Cross-Linked with biological Cross-Linkers, OCS, and β-ODAP for wound healing | |
JP6573990B2 (en) | Method for producing collagen film using ultraviolet rays, collagen film produced using the same, and biomaterial produced using the collagen film | |
De Lima et al. | Nanocellulose for peripheral nerve regeneration in rabbits using citric acid as crosslinker with chitosan and freeze/thawed PVA | |
RU2744710C2 (en) | Method of producing nanocomposite joint ligament implant | |
Cabral et al. | Reduced graphene oxide–reinforced tricalcium phosphate/gelatin/chitosan light-responsive scaffolds for application in bone regeneration | |
WO2011018520A2 (en) | Method for producing a biocompatible and biodegradable composite material, the composite material thereby obtained, and the use thereof as a medical product | |
Aronov et al. | Biological composites based on fluoropolymers with hydroxyapatite for intramedullary implants | |
JPH08266613A (en) | Medical material and manufacture thereof | |
US20140262006A1 (en) | Biodegradable polymeric nanocomposite materials and applications of the same | |
KR20200112256A (en) | Method for manufacturing bone-induction bilayer membrane containing electrospun polycaprolactone/gelatin/β-TCP mat and alginate/gelatin hydrogel | |
Xu et al. | Preparation, Characterization, and Implantation of Porous Fibroin/Hydroxyapatite Scaffolds for Bone Tissue Engineering | |
Jabeen et al. | Evaluation and In Vitro Study of an Electrospun Bone Tissue Membrane for Bone Regeneration: A Novel Perspective | |
Tsuda et al. | Photocrosslinkable chitosan hydrogel can prevent bone formation in both rat skull and fibula bone defects |