SK1062010A3

SK1062010A3 - Method for preparing composite systems

Info

Publication number: SK1062010A3
Application number: SK106-2010A
Authority: SK
Inventors: Lubomir Medvecky
Original assignee: Ustav Materialoveho Vyskumu Slovenskej Akademie Vied
Priority date: 2010-09-22
Filing date: 2010-09-22
Publication date: 2012-04-03

Abstract

Spôsob prípravy kompozitných systémov založený na vyzrážaní polymérov zmiešaním chitosanu rozpusteného v zriedenej kyseline octovej a polyhydroxybutyrátu rozpusteného v propylénkarbonáte a prídavkom acetónu. Kompozitný systém s kalcium fosfátovou zložkou sa pripraví prí davkom kalcium fosfátovej fázy do rozpustených polymé rov a vyzrážaním vzájomným zmiešaním roztokov polymé rov. Finálny tvar kompozitov sa získa vložením vyzrážaných systémov do formy požadovaného tvaru a ich následným vysušením alebo zmrazením a lyofilizáciou.Method for the preparation of composite systems based on precipitation of polymers by mixing chitosan dissolved in dilute acetic acid and polyhydroxybutyrate dissolved in propylene carbonate and acetone. composite a system with a calcium phosphate component is prepared in e.g. by adding calcium phosphate phase to the dissolved polymer and precipitation by mixing the polymer solutions together Eq. The final shape of the composites is obtained by embedding the precipitates systems to form the desired shape and their subsequent drying or freezing and lyophilizing.

Description

Oblasť technikyTechnical field

Vynález sa týka oblasti anorganickej a farmaceutickej technológie orientovaných na procesy prípravy kompozitných systémov zložených z polymérnych zložiek alebo kombinovaných systémov typu polymér-anorganické plnivo.The invention relates to the field of inorganic and pharmaceutical technology oriented to the processes for the preparation of composite systems composed of polymeric components or combined polymer-inorganic filler systems.

Doterajší stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Kompozitné systémy našli široké uplatnenie pri náhrade a rekonštrukcii mäkkých a tvrdých tkanív v maxillofaciálnej, regeneratívnej a reparačnej chirurgii príp. zubného lekárstva, ale aj iných lekárskych odboroch. Základným predpokladom úspešnej aplikácie novovyvinutých systémov je ich biokompatibilita s nahradzovaných typom tkaniva, pokiaľ možno antimikrobiálna aktivita, stimulácia rastu nového tkaniva, v závislosti od aplikácie - osseoindukcia, osseokondukcia kompozitu ako aj vysoký stupeň finálnej intergrácie implantátu s okolitým tkanivom. Chitosan a polyhydroxybutyrát predstavujú prírodné biopolyméry, ktoré sú netoxické, biokompatibilné a biodegradovateľné. Polyhydroxybutyrátové filmy neaktivujú koagulačný systém a systém komplementu pri kontakte s krvou v organizme. Polyhydroxybutyrát má výrazne hydrofóbny charakter povrchu a zabezpečuje dostatočnú adhezivitu rôznych druhov buniek ako napr. osteoblastov a fibroblastov. Kompozitné systémy tvorené polyhydroxybutyrátom a kalcium fosfátom (napr. hydroxyapatitom) sa vyznačujú vynikajúcou adaptáciou kostného tkaniva bez nevhodnej zápalovej reakcie po implantácii. Kalcium fosfát používaný ako plnivo v kompozite zvyšuje osseoinduktívne a ossekonduktívne charakteristiky finálneho kompozitu. Chitosan je charakteristický svojou stimulačnou, induktívnou aktivitou na prestavbu spoj ivového tkaniva a má antimikrobiálnu aktivitu. Vo forme chitosanových vlákien urýchľuje hojenie rán adsorbciou polymorfhejadrových buniek. Podobne ako v prípade polyhydroxybutyrátu sa chitosan-kalcium fosfátové kompozity používajú na rekonštrukciu kostného tkaniva, pričom výhodou je možnosť ich prípravy priamym zrážaním kalcium fosfátu do gélovej chitosanovej matrice. Biodegradovateľnosť biopolymérov zvyšuje osteoindukčné vlastnosti kompozitov, postupným znižovaním množstva biopolyméru v kompozite, ktorý je nahradený novovytvoreným kostným tkanivom. Vzájomné spojenie chitosanu a polyhydroxybutyrátu umožňuje efektívne ovplyvňovať hydrofilnosť kompozitov a meniť ich biodegradačné vlastnosti. Okrem toho bázický charakter chitosanu znižuje možnosť vzniku zápalovej odozvy organizmu na kyslé produkty degradácie polyhydroxybutyrátu po implantácii.Composite systems have found wide application in replacement and reconstruction of soft and hard tissues in maxillofacial, regenerative and reparative surgery resp. dentistry, but also other medical disciplines. The basic prerequisite for the successful application of newly developed systems is their biocompatibility with the replaced tissue type, preferably antimicrobial activity, stimulation of new tissue growth, depending on application - osseoinduction, composite osseo-conduction as well as a high degree of final implant integration with surrounding tissue. Chitosan and polyhydroxybutyrate are natural biopolymers that are nontoxic, biocompatible and biodegradable. Polyhydroxybutyrate films do not activate the coagulation and complement systems in contact with blood in the body. Polyhydroxybutyrate has a distinctly hydrophobic character of the surface and provides sufficient adhesion of various cell types such as e.g. osteoblasts and fibroblasts. Composite systems consisting of polyhydroxybutyrate and calcium phosphate (e.g., hydroxyapatite) are characterized by excellent bone tissue adaptation without an inappropriate inflammatory response upon implantation. Calcium phosphate used as a filler in the composite enhances the osseoinductive and osseconductive characteristics of the final composite. Chitosan is characterized by its stimulatory, inductive activity in connective tissue remodeling and has antimicrobial activity. In the form of chitosan fibers, it accelerates wound healing by adsorption of polymorphic cells. Similar to polyhydroxybutyrate, chitosan calcium phosphate composites are used to reconstruct bone tissue, with the advantage of being able to prepare them by direct precipitation of calcium phosphate into a gel chitosan matrix. The biodegradability of biopolymers increases the osteoinductive properties of the composites, by gradually reducing the amount of biopolymer in the composite, which is replaced by newly formed bone tissue. The interconnection of chitosan and polyhydroxybutyrate makes it possible to efficiently influence the hydrophilicity of the composites and change their biodegradation properties. In addition, the basic nature of chitosan reduces the possibility of an inflammatory response of the organism to acidic products of polyhydroxybutyrate degradation upon implantation.

Pórovité polyméme systémy boli v patente W02008005035 pripravené zmiešaním navzájom miešateľných roztokov polyméru vo vhodnom rozpúšťadle následnou polymerizáciou jednej zo zložiek a precipitáciou do prekurzorovej matrice ďalších polymémych zložiek. V patente W02007067561 bol okrem kalcium fosfátovej a polymémej zložky do systému pridávaný porozifikátor produkujúci póry uvoľňovaním plynnej fázy počas prípravy. Do osteoimplantátov pripravených podľa W02004110308 z pretiahnutých kostných častíc prepojených polymémou zložkou boli ako plastistifikátory pridávané polyhydroxyalkoholy a v W00205750 boli pórovité osteoimplantáty získané lyofilizáciou predchádzajúcej kompozitnej zmesi obsahujúcej vodu. Uvedené metódy umožňujú získať pórovité preparáty so širokou distribúciou pórov veľkosti až do 1 mm. Okrem kostnej demineralizovanej matrice boli v patente W02004091435 do oseoinduktívneho kostného materiálu pridávané aj ďalšie kalcium fosfáty a bioaktívne látky. Rôzne tvarované kalcium fosfátové kompozitné materiály boli pripravené lisovaním pod tlakom pri zvýšenej teplote, pri ktorej dochádza k mäknutiu polyméru (napr. použitím rôznych typov polyetylénu, akrylátov) a tým k zabezpečeniu tekutosti kompozitného systému. Vláknité typy kompozitov boli získané aj vytláčaním polymémej suspenzie s práškovými kalcium fosfátmi cez úzku štrbinu (ihlu), pričom polymér rozpustený vnevodnom rozpúšťadle sa vyzrážal vo vodnom prostredí. Boli pripravené kompozitné systémy s kalcium fosfátovou matricou s náhodne orientovanými kryštalinitmi, ktorá bola spevnená s biopolymérmi v tvare spletených vlákien.Porous polymer systems were prepared in WO2008005035 by mixing mutually miscible polymer solutions in a suitable solvent by subsequent polymerization of one of the components and precipitation into the precursor matrix of the other polymer components. In WO2007067561, in addition to the calcium phosphate and polymeric components, a porosifier producing pores was added to the system by releasing the gas phase during preparation. Polyhydroxy alcohols were added as plasticisers to the osteoimplants prepared according to WO2004110308 from the elongated bone particles interconnected with the polymer component, and in WO0205750 porous osteoimplants obtained by lyophilization of a previous composite composition containing water. Said methods make it possible to obtain porous preparations with a wide pore distribution up to 1 mm. In addition to the bone demineralized matrix, other calcium phosphates and bioactive substances have been added to the oseoinductive bone material in WO2004091435. Various shaped calcium phosphate composite materials have been prepared by compression molding at elevated temperature at which the polymer softens (e.g., using different types of polyethylene, acrylates) and thereby ensures the flowability of the composite system. Fibrous types of composites were also obtained by extruding a polymer suspension with powdered calcium phosphates through a narrow slit (needle), whereby the polymer dissolved in a non-aqueous solvent precipitated in an aqueous medium. Composite systems were prepared with calcium phosphate matrix with randomly oriented crystallites, which was strengthened with biopolymers in the form of entangled fibers.

Dvojzložkové polyméme chitosan - polyhydroxybutyrátové systémy boli pripravené (napr. T. Ikejim a kol. Macromol. Chem. Phys. 200, 413-421 (1999)) rozpustením jednotlivých zložiek v spoločnom rozpúšťadle, ktoré reprezentujú alifatické halogénderiváty (napr. l,l,l,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol) alebo chitosan-polyesterové systémy (napr. V.M. Correlo a kol. Materials Science and Engineering A 403 (2005) 5768) extrudovaním po mechanickom miešaní pri teplote tavenia polyesteru. Problémom je použitie vysoko toxických rozpúšťadiel, ktoré je potrebné z hľadiska lekárskych aplikácii odstrániť z kompozitných systémov.Two-component polymer chitosan-polyhydroxybutyrate systems were prepared (e.g., T. Ikejim et al. Macromol. Chem. Phys. 200, 413-421 (1999)) by dissolving the individual components in a common solvent representing aliphatic halogen derivatives (e.g., 1,1, 1,3,3,3-Hexafluoro-2-propanol) or chitosan polyester systems (e.g. VM Correlo et al. Materials Science and Engineering A 403 (2005) 5768) by extrusion after mechanical stirring at the melting point of the polyester. The problem is the use of highly toxic solvents that need to be removed from composite systems for medical applications.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Podstatou vynálezu je spôsob prípravy dvojzložkových polymémych systémov zložených z chitosanu a polyhydroxybutyrátu, do ktorých môže byť pridávané ako plnivo kalcium fosfát v amorfnej alebo mikrokyštalickej forme alebo vo forme zmesi kalcium fosfátov. Kalcium fosfát predstavuje jednu z nasledujúcich zlúčenín hydroxyapatit (CasfPO^OH), trikalcium fosfát (Ca3(PO4)2), dikalcium fosfát (CaHPCU), dikalcium fosfát dihydrát (CaHPC>4.2H2O), tetrakalcium fosfát (Ca4(PC>4)20), pyrofosforečnan vápenatý (Ca₂P2O₇) a oktakalcium fosfát (CagfHPC^OPCb^). Kalcium fosfátové zmesi sú reprezentované rôznym podielovým zastúpením hore uvedených práškových chemicky čistých zložiek. Kompozitný chitosan-polyhydroxybutyrátový biopolymémy systém sa pripravuje rozpustením polymérov v obmedzene miešateFných rozpúšťadlách, ktoré predstavuje pre polyhydroxybutyrát propylénkarbonát a zriedená kyselina octová pre chitosan. Výhodou použitia uvedených typov rozpúšťadiel je ich nízka toxicita. Rozpustené biopolyméry sa zmiešajú v požadovanom pomere, pričom dochádza k postupnému vylučovaniu zmesi polymérov v dôsleku poklesu rozpustnosti jednotlivých polymérov v chemicky odlišných kvapalných prostrediach. Rozpustnosť polymérov je výrazne ovplyvnená hydrofilným resp. hydrofóbnym charakterom povrchov polymérov. Na dokonalé vyzrážanie najmä chitosanového hydrogélu sa použil acetón, ktorý sa mieša s oboma použitými druhmi rozpúšťadiel. Použitie nižších alkoholov a ich zmesí s vodou nie je vhodné nakoľko chitosanový hydrogél zostáva v silno napučanom stave, ktorý neumožňuje ďalšie spracovanie filtráciou alebo centrifugáciou vyzrážaného kompozitného systému. Prefiltrovaný polymémy kompozit sa môže premyť acetónom a nechá sa sušiť pri teplotách do 60 °C. Získaný kompozit sa vymodeluje do vhodného tvaru alebo vložením do formy a úplne sa odstránia zvyšky použitých rozpúšťadiel odparením pri teplotách do 100 °C alebo sa zmrazí pri teplotách do -50 °C počas niekoľkých hodín. Zmrazený kompozit sa použil na lyofílizáciu, ktorá umožnila získať vysokopórovitý systém s až 80% pórovitosťou a veľkosťou pórov až 100 pm, ktoré zabezpečujú dobré podmienky pre rast nového tkaniva. Pórovitosť a veľkosť pórov sa ovplyvňuje rôznym pomerom hydrofóbneho polyhydroxybutyrátu a hydrofilného chitosanu. Kompozity s prídavkom kalcim fosfátovej fázy sa pripravujú primiešaním tejto fázy v práškovej forme do rozpustených polymémych zložiek pred ich následným zmiešaním a vyzrážaním. Kalcium fosfátová fáza v tomto prípade predstavuje plnivo a osteoinduktívnu zložku kompozitu. Na druhej strane polymémy kompozit reprezentuje pojivo, ktoré zabezpečuje súdržnosť a kompaktnosť finálneho kompozitu. Kompozit môže obsahovať až 80 hm.% plniva. Zvyšovanie obsahu chitosanu v kompozite zvyšuje jeho tlakovú pevnosť, ktorá po lyfilizácii dosahuje hodnotu až 3 MPa v prípade vysokopórovitých kompozitov. Výhodou horeuvedeného postupu je pomerne jednoduchý spôsob prípravy kompozitov, ktorý umožňuje získať systémy, ktoré sú ľahko formovateľné do vhodného tvaru v závislosti od požiadaviek lekárskej praxe. Formovateľnosť kompozitov pred konečným spracovaním sušením alebo lyofílizáciou môže byť upravená podľa potreby prídavkom vody.The present invention provides a process for the preparation of two-component polymer systems composed of chitosan and polyhydroxybutyrate, to which calcium phosphate in amorphous or micro-crystalline form or as a mixture of calcium phosphates can be added as filler. Calcium phosphate represents one of the following compounds hydroxyapatite (CasfPO4OH), tricalcium phosphate (Ca3 (PO4) 2), dicalcium phosphate (CaHPCU), dicalcium phosphate dihydrate (CaHPC> 4.2H2O), tetrakalcium phosphate (Ca4 (PC> 4) 20 ), calcium pyrophosphate (Ca ₂ P ₂ O ₇ ) and octacalcium phosphate (CagfHPC 2 OPC 2). Calcium phosphate mixtures are represented by different proportions of the above-mentioned chemically pure powdered ingredients. The composite chitosan-polyhydroxybutyrate biopolymers system is prepared by dissolving the polymers in the limited miscible solvents represented by propylene carbonate and dilute acetic acid for chitosan for polyhydroxybutyrate. The advantage of using these types of solvents is their low toxicity. The dissolved biopolymers are mixed in the desired ratio, whereby the mixture of polymers gradually precipitates due to a decrease in the solubility of the individual polymers in chemically different liquid media. The solubility of the polymers is significantly influenced by the hydrophilic and resp. the hydrophobic nature of the polymer surfaces. Acetone, which is mixed with the two types of solvents used, was used to completely precipitate the chitosan hydrogel in particular. The use of lower alcohols and mixtures thereof with water is not suitable since the chitosan hydrogel remains in a strongly swollen state which does not allow further processing by filtration or centrifugation of the precipitated composite system. The filtered polymer composite can be washed with acetone and allowed to dry at temperatures up to 60 ° C. The obtained composite is molded into a suitable shape or placed in a mold and the residual solvents used are completely removed by evaporation at temperatures up to 100 ° C or frozen at temperatures up to -50 ° C for several hours. The frozen composite was used for lyophilization, which made it possible to obtain a high-porosity system with up to 80% porosity and a pore size of up to 100 µm, which provides good conditions for new tissue growth. The porosity and pore size are influenced by different ratios of hydrophobic polyhydroxybutyrate and hydrophilic chitosan. Phosphate-hardened composites are prepared by mixing this phase in powder form into the dissolved polymer components prior to their subsequent mixing and precipitation. The calcium phosphate phase in this case represents the filler and the osteoinductive component of the composite. On the other hand, the polymer composite represents a binder that ensures the consistency and compactness of the final composite. The composite may contain up to 80 wt% filler. Increasing the chitosan content of the composite increases its compressive strength, which after lyophilization reaches up to 3 MPa in the case of high porous composites. An advantage of the above process is the relatively simple method of preparing composites, which makes it possible to obtain systems that are easily formable in a suitable shape depending on the requirements of medical practice. The formability of the composites before final processing by drying or lyophilization may be adjusted by adding water as necessary.

Príklad uskutočnenia vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Príklad 1Example 1

Polymémy chitosan-polyhydroxybutyrátový systém bol pripravený zmiešaním 2% roztoku polyhydroxybutyrátu v propylénkarbonáte a 2% roztoku chitosanu v 1% kyseline octovej v pomere 1:1. Do suspenzie vyzrážaných biopolymérov sa po 15 minútovom miešaní pridal acetón, ktorý zabezpečil takmer úplné vyzrážanie zbytkov polymérov. Zmes bola následne filtrovaná a premytá acetónom. Prebytok rozpúšťadiel a zrážadla bol odstránený sušením pri teplote 50 °C a kompozitná zmes bola prenesená do kovovej formy valcovitého tvaru a zmrazená pri teplote -20 °C po dobu 2 hodín. Zmrazený systém bol lyofílizovaný 6 hodín. Výsledný kompozit mal približne 50 % podiel objemovej pórovitosti.The chitosan polyhydroxybutyrate system polymers were prepared by mixing a 2% solution of polyhydroxybutyrate in propylene carbonate and a 2% solution of chitosan in 1% acetic acid in a 1: 1 ratio. Acetone was added to the precipitated biopolymers suspension after stirring for 15 minutes to ensure almost complete precipitation of the polymer residues. The mixture was then filtered and washed with acetone. Excess solvents and precipitants were removed by drying at 50 ° C and the composite was transferred to a cylindrical metal form and frozen at -20 ° C for 2 hours. The frozen system was lyophilized for 6 hours. The resulting composite had approximately 50% by volume porosity.

Príklad 2Example 2

Kompozitný chitosan-polyhydroxybutyrát-hydroxyapatitový systém bol pripravený zmiešaním 2% roztoku polyhydroxybutyrátu v propylénkarbonáte, 2% roztoku chitosanu v 1% kyseline octovej a nanokryštalického hydroxyapatitu tak, že výsledný kompozit obsahoval 80 hm.% hydroxyapatitu a 20 hm.% polymémej zložky s pomerom chitosanu ku polyhydroxybutyrátu rovnom 1:1. Do vyzrážanej suspenzie sa po 15 minútovom miešaní pridal acetón, ktorý zabezpečil takmer úplné vyzrážanie zbytkov polymérov. Zmes bola následne filtrovaná a premytá acetónom. Prebytok rozpúšťadiel a zrážadla bol odstránený sušením pri teplote 50 °C a kompozitná zmes bola prenesená do kovovej formy valcovitého tvaru a zmrazená pri teplote -20 °C po dobu 2 hodín. Zmrazený systém bol po vytlačení z formy lyofílizovaný 6 hodín. Výsledný kompozit mal približne 75 % podiel objemovej pórovitosti a tlakovú pevnosť 2.5 MPa.A composite chitosan-polyhydroxybutyrate-hydroxyapatite system was prepared by mixing a 2% solution of polyhydroxybutyrate in propylene carbonate, a 2% solution of chitosan in 1% acetic acid and nanocrystalline hydroxyapatite such that the resulting composite contained 80 wt% hydroxyapatite and 20 wt% polymer blend. to polyhydroxybutyrate equal to 1: 1. Acetone was added to the precipitated suspension after stirring for 15 minutes to ensure almost complete precipitation of polymer residues. The mixture was then filtered and washed with acetone. Excess solvents and precipitants were removed by drying at 50 ° C and the composite was transferred to a cylindrical metal form and frozen at -20 ° C for 2 hours. The frozen system was lyophilized after extrusion from the mold for 6 hours. The resulting composite had approximately 75% by volume porosity and a compressive strength of 2.5 MPa.

Príklad 3Example 3

Kompozitný chitosan-polyhydroxybutyrát-hydroxyapatitový systém bol vyzrážaný podľa Príkladu 2. Následne bola zmes filtrovaná, premytá acetónom a sušená pri 50 °C. Kompozit bol prenesený do kovovej formy valcovitého tvaru, pričom jeho viskozita bola upravená prídavkom 1 ml destilovanej vody na 3 g kompozitnej zmesi. Systém bol po vytlačení z formy sušený pri teplote 80 °C počas 4 hodín.The composite chitosan-polyhydroxybutyrate-hydroxyapatite system was precipitated according to Example 2. Subsequently, the mixture was filtered, washed with acetone and dried at 50 ° C. The composite was transferred to a cylindrical metal mold, the viscosity of which was adjusted by adding 1 ml of distilled water per 3 g of the composite mixture. After extrusion from the mold, the system was dried at 80 ° C for 4 hours.

ľPCETP

Claims

Patent claims

A process for the preparation of polymer composite chitosan polyhydroxybutyrate systems, characterized in that the polymers of chitosan polyhydroxybutyrate composite system are prepared by precipitating a mixture by mixing together a solution of polyhydroxybutyrate dissolved in propylene carbonate and a solution of chitosan dissolved in dilute acetic acid, molded to the desired shape, dried at temperatures up to 100 ° C or frozen and subsequently lyophilized.

2. A process for the preparation of composite systems with a chitosan polyhydroxybutyrate polymer component, characterized in that calcium phosphate or a mixture of calcium phosphates is added to the dissolved polymers according to claim 1, wherein calcium phosphate is hydroxyapatite (CasPO4 OH) or tricalcium phosphate. (Ca 3 (PO ₄₎ 2) or dicalcium phosphate _(CaHPO4), or dicalcium phosphate dihydrate _(CaHPO4 .2H2O) or tetracalcium phosphate (Ca ^ O ^ O), calcium pyrophosphate (Ca2P2O ₇₎ or octacalcium phosphate (Ca ₈ (HPO ₄ ) ₂ (PO ₄ ) ₄ ), the resulting precipitated polymer composite mixture is dried at temperatures up to 100 ° C or frozen and subsequently lyophilized after addition of acetone, formed into the desired shape.