RU2813693C1 - Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения - Google Patents

Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения Download PDF

Info

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
Application number
RU2023131122A
Other languages
English (en)
Inventor
Глеб Евгеньевич Дубиненко
Сергей Иванович Твердохлебов
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет" filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский политехнический университет"
Application granted granted Critical
Publication of RU2813693C1 publication Critical patent/RU2813693C1/ru

Links

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)

  1. 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.%:
  2. ε-поликапролактон 76-98 гидроксиапатит 1-21 полисорбат-20 1-3
RU2023131122A 2023-11-29 Полимерный композиционный материал для 3d печати изделий медицинского назначения RU2813693C1 (ru)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2813693C1 true RU2813693C1 (ru) 2024-02-15

Family

ID=

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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