RU2813693C1 - Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения - Google Patents
Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения Download PDFInfo
- Publication number
- RU2813693C1 RU2813693C1 RU2023131122A RU2023131122A RU2813693C1 RU 2813693 C1 RU2813693 C1 RU 2813693C1 RU 2023131122 A RU2023131122 A RU 2023131122A RU 2023131122 A RU2023131122 A RU 2023131122A RU 2813693 C1 RU2813693 C1 RU 2813693C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- printing
- hydroxyapatite
- composite material
- flask
- polymer composite
- Prior art date
Links
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 22
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 title claims abstract description 15
- 229940127554 medical product Drugs 0.000 title claims abstract description 12
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 claims abstract description 21
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 19
- 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 18
- 229920001610 polycaprolactone Polymers 0.000 claims abstract description 14
- 239000004632 polycaprolactone Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 11
- 229920001213 Polysorbate 20 Polymers 0.000 claims abstract description 10
- 239000000256 polyoxyethylene sorbitan monolaurate Substances 0.000 claims abstract description 10
- 235000010486 polyoxyethylene sorbitan monolaurate Nutrition 0.000 claims abstract description 10
- 229940068977 polysorbate 20 Drugs 0.000 claims abstract description 10
- 229920003232 aliphatic polyester Polymers 0.000 claims description 4
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 abstract description 5
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N Isopropanol Chemical compound CC(C)O KFZMGEQAYNKOFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 239000008187 granular material Substances 0.000 description 8
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 description 7
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 6
- 235000011187 glycerol Nutrition 0.000 description 4
- 229920000747 poly(lactic acid) Polymers 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 238000001125 extrusion Methods 0.000 description 3
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 3
- 238000010992 reflux Methods 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- 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 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N D-Glucitol Natural products OC[C@H](O)[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-FSIIMWSLSA-N 0.000 description 2
- 239000002202 Polyethylene glycol Substances 0.000 description 2
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 2
- 238000010382 chemical cross-linking Methods 0.000 description 2
- 239000003431 cross linking reagent Substances 0.000 description 2
- 229920001223 polyethylene glycol Polymers 0.000 description 2
- 239000000600 sorbitol Substances 0.000 description 2
- KOMNUTZXSVSERR-UHFFFAOYSA-N 1,3,5-tris(prop-2-enyl)-1,3,5-triazinane-2,4,6-trione Chemical group C=CCN1C(=O)N(CC=C)C(=O)N(CC=C)C1=O KOMNUTZXSVSERR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 2-(2-phenylpropan-2-ylperoxy)propan-2-ylbenzene Chemical compound C=1C=CC=CC=1C(C)(C)OOC(C)(C)C1=CC=CC=C1 XMNIXWIUMCBBBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- FBPFZTCFMRRESA-JGWLITMVSA-N D-glucitol Chemical compound OC[C@H](O)[C@@H](O)[C@H](O)[C@H](O)CO FBPFZTCFMRRESA-JGWLITMVSA-N 0.000 description 1
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 1
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 229920000249 biocompatible polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002988 biodegradable polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000006378 damage Effects 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000005489 elastic deformation Effects 0.000 description 1
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 230000002138 osteoinductive effect Effects 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000004014 plasticizer Substances 0.000 description 1
- 238000005728 strengthening Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 238000001291 vacuum drying Methods 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к композициям высокомолекулярных соединений, а именно к биоразрушаемым композициям высокомолекулярных соединений с использованием фосфорсодержащих соединений в качестве компонентов, и может быть использовано для 3D- печати изделий медицинского назначения. Полимерный композиционный материал для 3D- печати изделий медицинского назначения содержит ε-поликапролактон со среднечисловой молекулярной массой 70000-90000 г/моль, гидроксиапатит с размером частиц 100-20000 нм и полисорбат 20 при следующем соотношении компонентов, мас.%: ε-поликапролактон 76-98, гидроксиапатит 1-21, полисорбат 20 1-3. Технический результат: получение полимерного композиционного материала для 3D-печати изделий медицинского назначения с упругими свойствами. 2 ил.
Description
Изобретение относится к композициям высокомолекулярных соединений, а именно к биоразрушаемым композициям высокомолекулярных соединений с использованием фосфорсодержащих соединений в качестве компонентов, и может быть использовано для 3D печати изделий медицинского назначения.
Известен полимерный композиционный материал с памятью формы для 3D-печати медицинских изделий [RU 2631890 C1, МПК (2006.01) A61L 27/12, 61L 27/14, A61L 27/46, опубл. 28.09.2017], состоящий из «жесткой» и «мягкой» фаз на основе биоразлагаемых и биосовместимых полимерных композиций. «Жесткая» фаза представлена кристаллической фазой полимерной матрицы, химическими и физическими сшивками и биоактивным компонентом в виде гидроксиапатита с размером частиц от 100 до 1000 нм, а «мягкая» фаза представлена аморфной фазой полимерной матрицы и пластификатором в виде полиэтиленгликоля при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полилактид | 47-80 |
гидроксиапатит | 15-35 |
полиэтиленгликоль | 4,6-15 |
химический агент для сшивки | 0,4-3 |
Химическим агентом для сшивки является триаллилизоцианурат или дикумилпероксид.
Недостатком полимерного композиционного материала является формирование химически сшитой структуры полимерной матрицы, что в значительной степени влияет на физико-химические свойства, скорость и механизм биоразложения.
Известен композиционный материал для 3D печати медицинских изделий [RU 2679632 C1, МПК (2006.01) A61L 27/12, опубл. 12.02.2019], содержащий гидроксиапатит с размером частиц 20-100 нм, глицерин и сорбит при следующем соотношении, мас.%:
полилактид | 12,5-98,8 |
гидроксиапатит | 1-75 |
глицерин | 0,1-6,25 |
сорбит | 0,1-6,25 |
Известен, выбранный в качестве прототипа, полимерный композиционный материал для 3D-печати медицинских изделий [RU 2679127 C1, МПК (2006.01) A61L 27/46, A61L 27/48, опубл. 06.02.2019], содержащий полилактид, гидроксиапатит с размером частиц 20-100 нм и дополнительно глицерин при следующем соотношении компонентов, мас.%:
полилактид | 12,5-98,9 |
гидроксиапатит | 1-75 |
глицерин | 0,1-12,5 |
Недостатком двух вышеупомянутых полимерных композиционных материалов является жесткость и хрупкость материала, являющаяся следствием большого массового содержания гидроксиапатита.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение полимерного композиционного материала для 3D печати изделий медицинского назначения.
Полимерный композиционный материал для 3D печати изделий медицинского назначения, так же как в прототипе, содержит гидроксиапатит с размером частиц 100 нм и биоразлагаемый алифатический полиэфир.
Согласно изобретению в качестве алифатического полиэфира полимерный композиционный материал содержит ε-поликапролактон со среднечисловой молекулярной массой 70000-90000 г/моль, содержит -гидроксиапатит с размером частиц 101-20000 нм и дополнительно - полисорбат 20 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
ε-поликапролактон | 76-98 |
гидроксиапатит | 1-21 |
полисорбат 20 | 1-3 |
Использование ε-поликапролактона со среднечисловой молекулярной массой от 70000 до 90000 г/моль влияет на упругое восстановление формы медицинского изделия, изготовленного методом 3D печати из предложенного полимерного композиционного материала, после снятия нагрузки с сохранением его исходных геометрических размеров. Такие упругие свойства важны для медицинского изделия как с точки зрения его биомеханического поведения в условиях организма, так и для обеспечения удобства работы врача с изделием в процессе хирургического вмешательства - медицинское изделие может быть упруго деформировано при имплантации без риска разрушения и потери исходных формы и размеров. Гидроксиапатит в качестве наполнителя обеспечивает биоактивные остеоиндуктивные свойства композиционного материала. Добавление гидроксиапатита с размером частиц 100-20000 нм в ε-поликапролактон в концентрации от 1 до 21 мас.% приводит к упрочнению композиционного материала, обеспечивая его предел прочности при сжатии 13 - 17,4 МПа. Предел текучести при сжатии предложенного композиционного материала составляет 3 - 4,2 МПа. Возвращаемая упругая деформация при содержании гидроксиапатита от 1 до 21 мас.% обеспечивается на уровне 5 - 10 % от исходных размеров испытуемого образца (фиг. 1). Добавление полисорбата 20 в концентрации от 1 до 3 мас.% обеспечивает высокую сыпучесть и позволяет предотвратить агломерацию гранул композиционного материала на стадиях осаждения из раствора, вакуумного фильтрования и сушки (фиг. 2).
На фиг. 1 показаны участки диаграмм сжатия пористых образцов, изготовленных методом 3D печати из композиционных материалов полученных согласно примерам 1, 2 и 3, отображающие регион перехода от упругой к пластической деформации.
На фиг. 2 показаны фотографии сыпучих гранул композиционных материалов с содержанием гидроксиапатита от 1 до 21 мас.%, полученных: а) - согласно примеру 1, б) - согласно примеру 2, в) - согласно примеру 3.
Пример 1
В двугорлую круглодонную колбу объемом 250 мл с обратным холодильником и якорем верхнеприводной мешалки внесли 140 грамм ацетона и 8,97 грамм (98 мас.%) ε-поликапролактона со среднечисловой молекулярной массой 70000 г/моль. Колбу поместили на водяную баню и перемешивали содержимое колбы при скорости вращения верхнеприводной мешалки 200 об/мин и нагреве до 40 °С в течение 25 минут. По истечение 25 минут в колбе образовался гомогенный 6 мас.% раствор ε-поликапролактона в ацетоне. В колбу с раствором внесли 0,09 грамм (1 мас.%) полисорбата 20 и 0,09 грамм (1 мас.%) порошка гидроксиапатита с размером частиц от 100 до 2000 нм и продолжили перемешивание при скорости вращения верхнеприводной мешалки 200 об/мин и температуре 40 °С в течение 20 минут. Через 20 минут колбу перенесли на ледяную баню и охлаждали без перемешивания до -20 °С. После достижения температуры в колбе -20 °С, выдерживали содержимое колбы при этой температуре в течение 20 минут до осаждения гранул. Суспензию осажденных гранул интенсивно перемешивали при скорости вращения верхнеприводной мешалки 400 об/мин в течение 5 минут. Содержимое колбы перенесли на воронку Шотта с размером пор 3-10 мкм и выполнили вакуумное фильтрование для отделения ацетона. Влажный композиционный порошок промыли на воронке Шотта изопропиловым спиртом в течение 5 минут и выполнили вакуумное фильтрование для отделения изопропилового спирта. Промытый влажный порошок сушили в вакуумной камере при давлении 10 мбар до постоянной массы в течение 6 часов при температуре 30 °С.
Сухой порошок загрузили в бункер одношнекового экструдера и экструдировали в виде филамента для 3D печати необходимого диаметра. Филамент использовали для 3D печати пористых образцов путем послойной экструзии расплава. Предел текучести при сжатии изготовленного методом 3D печати пористого образца в виде цилиндра диаметром 10 мм и высотой 10 мм с размером пор 1 мм составил 3 МПа, предел прочности при сжатии - 13 МПа.
Пример 2
В двугорлую круглодонную колбу объемом 250 мл с обратным холодильником и якорем верхнеприводной мешалки внесли 150 грамм ацетона и 7,96 грамм (87 мас.%) ε-поликапролактона со среднечисловой молекулярной массой 80000 г/моль. Колбу поместили на водяную баню и перемешивали содержимое колбы при скорости вращения верхнеприводной мешалки 235 об/мин и нагреве до 45 °С в течение 32 минут. По истечение 32 минут в колбе образовался гомогенный 5 мас.% раствор ε-поликапролактона в ацетоне. В колбу с раствором внесли 0,18 грамм (2 мас.%) полисорбата 20 и 1,01 грамм (11 мас.%) порошка гидроксиапатита с размером частиц от 2000 до 10000 нм и продолжили перемешивание при скорости вращения верхнеприводной мешалки 235 об/мин и температуре 45 °С в течение 27 минут. Через 27 минут колбу перенесли на ледяную баню и охлаждали без перемешивания до -10 °С. После достижения температуры в колбе -10 °С, выдерживали содержимое колбы при этой температуре в течение 30 минут до осаждения гранул. Суспензию осажденных гранул интенсивно перемешивали при скорости вращения верхнеприводной мешалки 500 об/мин в течение 7 минут. Содержимое колбы перенесли на воронку Шотта с размером пор 3-10 мкм и выполнили вакуумное фильтрование для отделения ацетона. Влажный композиционный порошок промыли на воронке Шотта изопропиловым спиртом в течение 5 минут и выполнили вакуумное фильтрование для отделения изопропилового спирта. Промытый влажный порошок сушили в вакуумной камере при давлении 10 мбар до постоянной массы в течение 6 часов при температуре 30 °С.
Сухой порошок загрузили в бункер одношнекового экструдера и экструдировали в виде филамента для 3D печати необходимого диаметра. Филамент использовали для 3D печати пористых образцов путем послойной экструзии расплава. Предел текучести при сжатии изготовленного методом 3D печати пористого образца, аналогичного образцу в примере 1, составил 4,2 МПа, предел прочности при сжатии - 17 МПа.
Пример 3
В двугорлую круглодонную колбу объемом 250 мл с обратным холодильником и якорем верхнеприводной мешалки внесли 160 грамм ацетона и 6,95 грамм (76 мас.%) ε-поликапролактона со среднечисловой молекулярной массой 90000 г/моль. Колбу поместили на водяную баню и перемешивали содержимое колбы при скорости вращения верхнеприводной мешалки 270 об/мин и нагреве до 50 °С в течение 40 минут. По истечение 40 минут в колбе образовался гомогенный 4 мас.% раствор ε-поликапролактона в ацетоне. В колбу с раствором внесли 0,27 грамм (3 мас.%) полисорбата 20 и 1,92 грамм (21 мас.%) порошка гидроксиапатита с размером частиц от 10000 до 20000 нм и и продолжили перемешивание при скорости вращения верхнеприводной мешалки 270 об/мин и температуре 50 °С в течение 35 минут. Через 35 минут колбу перенесли на ледяную баню и охлаждали без перемешивания до 0 °С. После достижения температуры в колбе 0 °С, выдерживали содержимое колбы при этой температуре в течение 40 минут до осаждения гранул. Суспензию осажденных гранул интенсивно перемешивали при скорости вращения верхнеприводной мешалки 600 об/мин в течение 12 минут. Содержимое колбы перенесли на воронку Шотта с размером пор 3-10 мкм и выполнили вакуумное фильтрование для отделения ацетона. Влажный композиционный порошок промыли на воронке Шотта изопропиловым спиртом в течение 5 минут и выполнили вакуумное фильтрование для отделения изопропилового спирта. Промытый влажный порошок сушили в вакуумной камере при давлении 10 мбар до постоянной массы в течение 6 часов при температуре 30 °С.
Сухой порошок загрузили в бункер одношнекового экструдера и экструдировали в виде филамента для 3D печати необходимого диаметра. Филамент использовали для 3D печати пористых образцов путем послойной экструзии расплава. Предел текучести при сжатии изготовленного методом 3D печати пористого образца, аналогичного образцу в примере 1, составил 4,2 МПа, предел прочности при сжатии - 17,4 МПа.
Claims (2)
- Полимерный композиционный материал для 3D-печати изделий медицинского назначения, содержащий алифатический полиэфир и гидроксиапатит, отличающийся тем, что в качестве алифатического полиэфира содержит ε-поликапролактон со среднечисловой молекулярной массой от 70000 до 90000 г/моль, содержит гидроксиапатит с размером частиц 101-20000 нм и дополнительно полисорбат 20 при следующем соотношении компонентов, мас.%:
-
ε-поликапролактон 76-98 гидроксиапатит 1-21 полисорбат-20 1-3
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2813693C1 true RU2813693C1 (ru) | 2024-02-15 |
Family
ID=
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2567937A1 (en) * | 2007-01-12 | 2013-03-13 | Rutgers, The State University of New Jersey | Biommetic hadroxyapatite composite materials and methods for the preparation thereof |
RU2679127C1 (ru) * | 2018-06-14 | 2019-02-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Композит для 3d-печати медицинских изделий |
CN109395171A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-01 | 广州润虹医药科技股份有限公司 | 一种负载药物的骨修复材料及其制备方法 |
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2567937A1 (en) * | 2007-01-12 | 2013-03-13 | Rutgers, The State University of New Jersey | Biommetic hadroxyapatite composite materials and methods for the preparation thereof |
RU2679127C1 (ru) * | 2018-06-14 | 2019-02-06 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" | Композит для 3d-печати медицинских изделий |
CN109395171A (zh) * | 2018-11-29 | 2019-03-01 | 广州润虹医药科技股份有限公司 | 一种负载药物的骨修复材料及其制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
АКИМЧЕНКО И.О. и др. Композит на основе поликапролактона и гидроксиапатита как материал для 3D печати персонализированных костных имплантатов. Химия и химическая технология в XXI веке: материалы XXI Международной научно-практической конференции студентов и молодых ученых имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А.Г. Стромберга, 21-24 сентября 2020 г., г. Томск. — Томск: Изд-во ТПУ, 2020. - Стр.554-555. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
EP2099847B1 (fr) | Hydrogel et ses applications biomédicales | |
EP2349203B1 (fr) | Composition injectable a base d'acide hyaluronique ou l'un de ses sels, de polyols et de lidocaïne, sterilisee a la chaleur | |
US6326018B1 (en) | Flexible sheet of demineralized bone | |
US9492590B2 (en) | Biomaterial | |
Neumann et al. | Biodegradable poly (L-lactic acid)(PLLA) and PLLA-3-arm blend membranes: The use of PLLA-3-arm as a plasticizer | |
RU2813693C1 (ru) | Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения | |
Liu et al. | Tunable tissue scaffolds fabricated by in situ crosslink in phase separation system | |
CA2513628C (fr) | Implants injectables a base de ceramique pour le comblement de tissus mous | |
Abramowska et al. | The influence of ionizing radiation on the properties of starch-PVA films | |
JP6739455B2 (ja) | 無水生体適合性複合材料 | |
Zhang et al. | Synthesis and characterization of partially biodegradable and thermosensitive hydrogel | |
JP3451417B2 (ja) | バイオセラミックス含有セル構造体とその製造方法 | |
Chen et al. | Fabrication and characterisation of poly (vinyl alcohol)/chitosan scaffolds for tissue engineering applications | |
EP2983689A1 (en) | Novel peptide complexes | |
Prabhakar et al. | Interpenetrating polymer network hydrogel membranes of PLA and SA for control release of penicillamine drug | |
KR102193951B1 (ko) | 필러용 생분해성 고분자 미세입자의 제조 방법, 및 이를 포함하는 주사제의 제조 방법 | |
KR101443673B1 (ko) | 히알루론산 유도체 스펀지의 제조방법 및 그에 의하여 제조된 히알루론산 유도체 스펀지 | |
JP5980319B2 (ja) | 医療用途のためのハイブリッドポリマーおよびその製造 | |
Lee et al. | Carboxymethyl cellulose/polyethylene glycol superabsorbent hydrogel cross-linked with citric acid | |
CN114225105A (zh) | 微孔结构聚己内酯/聚乙二醇-聚消旋乳酸复合微球、可注射软组织填充剂的制备方法 | |
RU2815644C1 (ru) | Способ получения полимерного композиционного материала для изготовления изделий медицинского назначения | |
Mallikarjuna et al. | pH-sensitive biodegradable hydrogel membrane for controlled release of anti HIV drug | |
AhmadAbad et al. | Effect of gelatin concentration on pores and swelling behaviour of a composite bone scaffold | |
US11944726B2 (en) | Method for fabrication of additively manufactured, self-gelling structures and their use | |
EP1872803B1 (en) | Semi-crystalline absorbable microspheres |