WO2014058342A1 - Calcium and magnesium biophosphate-based porous microspheres with controllable particle size for the regeneration of bone tissue - Google Patents

Calcium and magnesium biophosphate-based porous microspheres with controllable particle size for the regeneration of bone tissue Download PDF

Info

Publication number
WO2014058342A1
WO2014058342A1 PCT/RU2013/000071 RU2013000071W WO2014058342A1 WO 2014058342 A1 WO2014058342 A1 WO 2014058342A1 RU 2013000071 W RU2013000071 W RU 2013000071W WO 2014058342 A1 WO2014058342 A1 WO 2014058342A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
granules
calcium
magnesium
size
bone tissue
Prior art date
Application number
PCT/RU2013/000071
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Любовь Константиновна ПОЛЕЖАЕВА
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "СТАЛВЕК"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "СТАЛВЕК" filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "СТАЛВЕК"
Publication of WO2014058342A1 publication Critical patent/WO2014058342A1/en

Links

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/58Materials at least partially resorbable by the body
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/02Inorganic materials
    • A61L27/12Phosphorus-containing materials, e.g. apatite
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/50Materials characterised by their function or physical properties, e.g. injectable or lubricating compositions, shape-memory materials, surface modified materials
    • A61L27/56Porous materials, e.g. foams or sponges
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/02Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
    • A61L2430/00Materials or treatment for tissue regeneration
    • A61L2430/12Materials or treatment for tissue regeneration for dental implants or prostheses

Definitions

  • Porous microspheres based on calcium and magnesium biophosphates with adjustable particle size for bone tissue regeneration are provided.
  • the invention relates to the field of biophosphate ceramic materials for medicine, namely for traumatology, orthopedics, reconstructive surgery, cosmetology, dentistry and a drug delivery system.
  • Calcium phosphates are the main constituent elements of bone and are widely used as materials for bone tissue regeneration and the manufacture of durable bone implants used in orthopedics, maxillofacial surgery, etc.
  • Tricalcium phosphate - Ca 3 (P 4 ) are the most commonly used calcium phosphates in medicine. 2 (TCP) and hydroxyapatite - Ca 5 (P0 4 ) ZON (HA) or biphasic materials based on the TKF-HA system.
  • the biological and mechanical properties of calcium phosphate ceramics are determined by the phase composition and structure, which mainly depend on the firing temperature and the size of the initial particles of the ceramic powder.
  • One of the methods for increasing the mechanical characteristics and lowering the sintering temperature of ceramics is the use of ceramic ultrafine powders with a particle size of less than 1 ⁇ m.
  • Another calcium phosphate ceramic material is known from RU 2359708, June 27, 2009 for the manufacture of bone implants and / or the replacement of defects in various bone pathologies.
  • the material consists of tricalcium phosphate-hydroxyapatite ceramics with the addition of potassium carbonate and / or lithium carbonate or calcium carbonate in the following ratio of components in ceramics, mass%:
  • one of the above additives is 0.5-20.0
  • Known ceramic material has a particle size of not more than 10Onm and porosity (open) of less than 4% after firing up to 700 ° C.
  • the material does not possess the necessary osteoinductive and osteoconductive properties.
  • Magnesium phosphate is known to be part of bone tissue. Magnesium acts as a regulator of cell growth; it is necessary at all stages of the synthesis of protein molecules. Magnesium is an indispensable element of the triad Ca, P, Mg, the exchange of which is closely interconnected. He takes part in phosphorus metabolism, energy metabolism, ACE synthesis, carbohydrate metabolism, regulates glycolysis, participates in the construction of bone tissue, provides the functional ability of nervous and muscle tissues.
  • Enzymes which include the magnesium ion in the active catalytic center, play an important role in providing the body with energy, transporting various substances through cell membranes, and synthesizing proteins and nucleic acids.
  • Magnesium plays an important role in the processes of osteogenesis, can directly affect the function of bone cells.
  • a material for filling bony maxillofacial and dental defects is known.
  • the material is made on the basis of a reaction-hardening mixture of powders, it contains hydroxyapatite and tricalcium phosphate, a solution of magnesium phosphate and sodium phosphate in phosphoric acid is used as a mixing liquid at a certain quantitative content of them in the mixing liquid, and the amount of mixing liquid is equal to the amount of the reaction-hardening mixture is 0.25-0.65.
  • Inexpensive starting components and high strength make it possible to widely use this material for correlation of fragments of the alveolar ridge, closure of cavities in bone tissues and treatment of various cracks of traumatic origin.
  • the technical task of this invention is to obtain a material in the form of microspheres granules based on calcium and magnesium biophosphates with an adjustable particle size, having biocompatibility, biodegradation, osteoinductive and osteoconductive properties, which can be completely replaced by bone tissue.
  • porous microspheres with adjustable particle size for bone tissue regeneration and characterized in that they have a size in the range of 1-1000 ⁇ m, through pores with a size of 1-100 ⁇ m and a total porosity of 40-75%, granules by electrospinning, heat-treated and obtained from a mixture containing magnesium orthophosphate powder and biological hydroxyapatite powder from demineralized cattle bones at a ratio of 0.5-1.0, as well as f 1-3% solution of sodium alginate in distilled water to obtain a plastic mass, with a ratio of powder, liquid phase and hardener, a saturated solution of calcium chloride, as 0.5-1.5: 2-5: 5-20, respectively .
  • the heat treatment of the granules is carried out for 60 minutes at a temperature of 850 ° C.
  • Using the electrospinning method to obtain granules allows the manufacture of very small particles of biophosphates, changing the applied voltage. Electrospinning at the moment can be called the most advanced and fastest way to obtain granules. Electrospinning is a spray of liquid and the formation of granules from a viscous medium under the influence of an electric field. The process is quite simple and does not require the use of high temperatures, which makes it extremely attractive.
  • a high voltage of the order of 15-20 kV is applied to a drop of a viscous solution, in this case the liquid acquires a charge, the forces of electrostatic repulsion between the molecules begin to counteract the forces of surface tension, and the drop extends.
  • a certain ratio of sodium alginate and biophosphates based on calcium and magnesium is selected, as well as voltage, so that electrospray of the liquid occurs.
  • Drops are sprayed into a hardener bath containing a saturated solution of calcium chloride.
  • the resulting granules are calcined for 60 minutes at a temperature of 850 ° C and sifted through sieves to obtain fractions with a certain granule size.
  • the electrospinning installation consists of a nozzle (this is a needle from a syringe) connected to a high voltage source, a pump and a grounded collector. Liquid is placed in the syringe: a solution of sodium alginate and biophosphates based on calcium and magnesium; then the liquid is squeezed out using a pump at a rate of 1 drop per second onto the tip of the needle.
  • the powder of the biological hydroxyapatite used in the invention is prepared as follows. First, biological hydroxyapatite is obtained from cattle bones by demineralization of bone tissue in a 1M hydrochloric acid solution, followed by precipitation of hydroxyapatite with a precipitant, for example, a 5M sodium hydroxide solution, filtration, heat treatment, at a temperature of 830 ° C.
  • a precipitant for example, a 5M sodium hydroxide solution
  • the resulting hydroxyapatite is crushed to obtain powder particles with a size of not more than 40 microns.
  • This method allows to obtain a fine powder of hydroxyapatite with a microelement composition as close as possible to the composition of human bone tissue.
  • magnesium orthophosphate is introduced into their composition.
  • Magnesium orthophosphate powder is prepared by mixing magnesium oxide and 70% phosphoric acid in a ratio of 1: 1.18. The resulting magnesium orthophosphate was ground in a ball mill and sieved through sieves with a mesh size of not more than 40 ⁇ m. Magnesium orthophosphate prepared in this way gives the granules plastic properties.
  • particles with a size of more than 40 microns does not allow them to be injected through an insulin syringe under the skin or into small bone defects.
  • particles with sizes not exceeding 40 ⁇ m have a high specific surface area of about 80 m / g, which is one of the key factors in their bioactivity.
  • the obtained fractions of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite are mixed in a ratio of 0.5-1.0 and mixed in a ball mill for 30 minutes. Then prepare a plastic mass containing 1-3% solution of sodium alginate dissolved in distilled water and a mixture of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite, granules are formed using the electrospinning method. A saturated solution of calcium chloride is used as a hardener.
  • the ratio of the components is as follows: a mixture of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite 0.5: sodium alginate solution 2: calcium chloride solution 5.
  • the obtained fractions of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite are mixed in a ratio of 0.5-1.0 and mixed in a ball mill for 30 minutes. Then a plastic mass is prepared containing a 1-3% solution of sodium alginate dissolved in distilled water and a mixture of magnesium orthophosphate powders and biological hydroxyapatite, the granules are formed using the electrospinning method. A saturated solution of calcium chloride is used as a hardener. The ratio of the components is as follows: a mixture of powders of calcium and magnesium biophosphates 1.5: sodium alginate solution 5: calcium chloride solution 20.
  • the used method of electrospinning namely, the method of electrospraying a liquid at a voltage of about 15-20 kV, followed by their capture in a bath with hardener calcium chloride and heat treatment of granules at a temperature of 830 ° C.
  • the grinding of the obtained powders is carried out in a ball mill for 30 minutes to obtain particles no larger than 40 microns. This particle size of the powder is optimal for the subsequent process of obtaining microspheres.
  • the heat treatment of the granules is carried out for 60 minutes.
  • the microspheres contain through pores 1-100 microns in size, with a total porosity of 40-75%.
  • the heat treatment temperature used is sufficient to completely remove the organic component and complete crystallization of amorphous forms of calcium phosphate compounds and, in addition, is necessary and sufficient for the formation of pore space in microspheres.
  • the selected ratio of components is necessary for optimal fluid flow through the needle, as well as for the production of biophosphate microspheres containing through pores of a certain size.
  • Formed pore space in the microspheres provides tissue growth into the pore space.
  • biophosphates belong to the class of bioactive materials with surface-active properties and high biocompatibility.
  • the most convenient form for use in medicine are microspheres. So, for example, in cosmetology, when the material is introduced (since the injection is carried out with an insulin syringe, the microspheres should have a size of no more than 30-35 ⁇ m), fibroblasts are stimulated into the dermis of the biophosphate microspheres and the process of neocollagenesis is started. In the case of the introduction of microspheres under the periosteum, particles of biophosphates stimulate osteoblasts and the process of osteosynthesis starts.

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

The invention relates to biophosphate ceramic materials for medicine, more specifically for traumatology, orthopedics, reconstructive surgery, cosmetology and dentistry, and to a drug delivery system. The porous microspheres are granules based on calcium phosphate, obtained from biological hydroxyapatite, and magnesium orthophosphate. The mixture from which the granules are formed by electrospinning also contains 1-3% sodium alginate solution in distilled water, and a curing agent, namely a saturated solution of calcium chloride. The granules are heat treated. The granules have a size within the range of from 10 μm to 1000 μm and exhibit biocompatibility, biodegradability and osteoinductive and osteoconductive properties. The granules have through pores with a size of 1-100 μm and have a total porosity of 40-75%.

Description

Пористые микросферы на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани.  Porous microspheres based on calcium and magnesium biophosphates with adjustable particle size for bone tissue regeneration.
Изобретение относится к области биофосфатных керамических материалов для медицины, а именно для травматологии, ортопедии, реконструктивно-восстановительной хирургии, косметологии, стоматологии и к системе доставки лекарственных препаратов. The invention relates to the field of biophosphate ceramic materials for medicine, namely for traumatology, orthopedics, reconstructive surgery, cosmetology, dentistry and a drug delivery system.
Фосфаты кальция являются главными составляющими элементами кости и широко используются в качестве материалов для регенерации костной ткани и изготовления прочных костных имплантантов, применяемых в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и др. К наиболее применяемым в медицине фосфатам кальция относятся трикальцийфосфат - Са3(Р04)2 (TCP) и гидроксиапатит - Са5(Р04)зОН (ГА) или бифазные материалы основанные на системе ТКФ-ГА. Биологические и механические свойства кальцийфосфатной керамики, определяются фазовым составом и структурой, которые в основном зависят от температуры обжига и размера исходных частиц порошка керамики. Одним из методов повышения механических характеристик и снижения температуры спекания керамики является применение керамических ультрадисперсных порошков с размером частиц менее 1 мкм. Calcium phosphates are the main constituent elements of bone and are widely used as materials for bone tissue regeneration and the manufacture of durable bone implants used in orthopedics, maxillofacial surgery, etc. Tricalcium phosphate - Ca 3 (P 4 ) are the most commonly used calcium phosphates in medicine. 2 (TCP) and hydroxyapatite - Ca 5 (P0 4 ) ZON (HA) or biphasic materials based on the TKF-HA system. The biological and mechanical properties of calcium phosphate ceramics are determined by the phase composition and structure, which mainly depend on the firing temperature and the size of the initial particles of the ceramic powder. One of the methods for increasing the mechanical characteristics and lowering the sintering temperature of ceramics is the use of ceramic ultrafine powders with a particle size of less than 1 μm.
В работе (A.Tampieri, G.Celotti, F. Szontagh and Landi «Sistering and characterization of HA and TCP bioceramics with control of their strebght and phase purity». J.of Materials in Medicine 8 (1997 29-37) были получены кальцийфосфатные материалы на основе ТКФ и ГА из порошков со средним размером кристаллов 0,5 мкм. Полученные материалы характеризовались мелкокристаллической структурой со средним размером кристаллов 1-2 мкм, пористостью менее 7%. Недостатком данного материала являлась высокая температура обжига 1220-1300°С. Кроме того, при температуре выше 1250°С наблюдается снижение прочности и частичное разложение ГА с образование токсичного оксида кальция. (A. Tampieri, G. Celotti, F. Szontagh and Landi “Sistering and characterization of HA and TCP bioceramics with control of their strebght and phase purity.” J.of Materials in Medicine 8 (1997 29-37) calcium phosphate materials based on TCF and HA from powders with an average crystal size of 0.5 μm. The obtained materials were characterized by a fine-crystalline structure with an average crystal size of 1-2 μm, porosity of less than 7%. The disadvantage of this material was the high firing temperature of 1220-1300 ° C. In addition, at temperatures above 1250 ° C a decrease in strength and partial decomposition of HA with the formation of toxic calcium oxide are observed.
Известны также кальцийфосфатные материалы на основе системы трикальцийфосфат-гидроксиапатит (S. Raynaud, E.Champion, D. Bernache- Assollant «Calcium phosphate appatites with variable Ca/P atomic ratio 2. Calcination and sistering», Biomaterials 23(2002) 1073-1080), получаемые в результате спекания нанокристаллических порошков при температуре 1100- 1150°С. В данной работе снизить температуру спекания удалось за счет использования нанокристаллических порошков и применения метода горячего прессования. В результате были получены бифазные метериалы системы ТКФ-ГА, которые характеризовались мелкодисперсной структурой со средним кристаллом 200нм. Недостатком данной керамики является высокая температура обжига и применение метода горячего прессования, что приводит к значительному удорожанию готовой продукции.  Also known are calcium phosphate materials based on the tricalcium phosphate-hydroxyapatite system (S. Raynaud, E. Champion, D. Bernache-Assollant "Calcium phosphate appatites with variable Ca / P atomic ratio 2. Calcination and sistering", Biomaterials 23 (2002) 1073-1080 ) obtained by sintering nanocrystalline powders at a temperature of 1100-1150 ° C. In this work, we succeeded in lowering the sintering temperature by using nanocrystalline powders and using the hot pressing method. As a result, biphasic materials of the TKF-GA system were obtained, which were characterized by a finely dispersed structure with an average crystal of 200 nm. The disadvantage of this ceramic is the high firing temperature and the use of the hot pressing method, which leads to a significant increase in the cost of finished products.
Из RU 2359708, 27.06.2009 известен другой кальцийфосфатный керамический материал, предназначенный для изготовления костных имплантантов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях.  Another calcium phosphate ceramic material is known from RU 2359708, June 27, 2009 for the manufacture of bone implants and / or the replacement of defects in various bone pathologies.
Материал состоит из трикальцийфосфат-гидроксиапатитовой керамики с добавками карбоната калия, и/или карбоната лития, или карбоната кальция при следующем соотношении компонентов в керамике, масс %:  The material consists of tricalcium phosphate-hydroxyapatite ceramics with the addition of potassium carbonate and / or lithium carbonate or calcium carbonate in the following ratio of components in ceramics, mass%:
гидроксиапатит и/или трикальцийфосфат - 80-99,5  hydroxyapatite and / or tricalcium phosphate - 80-99.5
одна из вышеуказанных добавок - 0,5-20,0  one of the above additives is 0.5-20.0
Известный керамический материал имеет размер частиц не более ЮОнм и пористость (открытую) менее 4% после обжига до 700°С.  Known ceramic material has a particle size of not more than 10Onm and porosity (open) of less than 4% after firing up to 700 ° C.
Материал не обладает необходимыми остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами.  The material does not possess the necessary osteoinductive and osteoconductive properties.
Известно, что фосфат магния входит в состав костной ткани. Магний выступает в роли регулятора клеточного роста, необходим на всех этапах синтеза белковых молекул. Магний - незаменимый элемент триады Са, Р, Mg, обмен которых тесно взаимосвязан. Он принимает участие в обмене фосфора, энергетическом обмене, синтезе АПФ, обмене углеводов, регулирует гликолиз, участвует в построении костной ткани, обеспечивает функциональную способность нервной и мышечной тканей. Magnesium phosphate is known to be part of bone tissue. Magnesium acts as a regulator of cell growth; it is necessary at all stages of the synthesis of protein molecules. Magnesium is an indispensable element of the triad Ca, P, Mg, the exchange of which is closely interconnected. He takes part in phosphorus metabolism, energy metabolism, ACE synthesis, carbohydrate metabolism, regulates glycolysis, participates in the construction of bone tissue, provides the functional ability of nervous and muscle tissues.
Подобно кальцию он принимает участие во многих процессах обмена веществ. Ферменты, в состав активного каталитического центра которых входит ион магния, играет важную роль в обеспечении организма энергией, транспорте различных веществ через клеточные мембраны, синтезе белков и нуклеиновых кислот. Магний играет важную роль в процессах остеогенеза, может непосредственно влиять на функцию костных клеток.  Like calcium, it takes part in many metabolic processes. Enzymes, which include the magnesium ion in the active catalytic center, play an important role in providing the body with energy, transporting various substances through cell membranes, and synthesizing proteins and nucleic acids. Magnesium plays an important role in the processes of osteogenesis, can directly affect the function of bone cells.
Из RU2292868, 10.02.2007 известен материал для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов. Материал выполнен на основе реакционно-твердеющей смеси порошков, содержит гидроксиапатит и трикальций фосфат, в качестве затворяющей жидкости использован раствор фосфата магния и фосфата натрия в фосфорной кислоте при определенном количественном содержании их в затворяющей жидкости, при этом количество затворяющей жидкости к количеству реакционно-твердеющей смеси составляет 0,25-0,65. Недорогие исходные компоненты и высокая прочность позволяют широко использовать данный материал для корреляции фрагментов альвеолярного отростка, закрытия полостей в костных тканях и лечения различных трещин травматического генеза.  From RU2292868, 02/10/2007, a material for filling bony maxillofacial and dental defects is known. The material is made on the basis of a reaction-hardening mixture of powders, it contains hydroxyapatite and tricalcium phosphate, a solution of magnesium phosphate and sodium phosphate in phosphoric acid is used as a mixing liquid at a certain quantitative content of them in the mixing liquid, and the amount of mixing liquid is equal to the amount of the reaction-hardening mixture is 0.25-0.65. Inexpensive starting components and high strength make it possible to widely use this material for correlation of fragments of the alveolar ridge, closure of cavities in bone tissues and treatment of various cracks of traumatic origin.
Известный материал имеет ограниченное использование и также не обеспечивает всего необходимого комплекса свойств, а именно необходимой биосовместимостью, биодеградацией, необходимыми остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами.  Known material has limited use and also does not provide all the necessary set of properties, namely, the necessary biocompatibility, biodegradation, the necessary osteoinductive and osteoconductive properties.
Он может быть выбран в качестве наиболее близкого аналога по числу общих сходных признаков.  It can be selected as the closest analogue in terms of the number of common similar features.
Технической задачей данного изобретения является получение материала в виде микросфер-гранул на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц, обладающих биосовместимостью, биодеградацией, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами, способными полностью замещаться костной тканью. The technical task of this invention is to obtain a material in the form of microspheres granules based on calcium and magnesium biophosphates with an adjustable particle size, having biocompatibility, biodegradation, osteoinductive and osteoconductive properties, which can be completely replaced by bone tissue.
Поставленная техническая задача и достигаемый технический результат достигается пористыми гранулами-микросферами с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани и характеризующиеся тем, что имеют размер в диапазоне 1-1000 мкм, сквозные поры размером с 1-100 мкм и общую пористость 40-75%, гранулированные методом электроспининга, термообработанные и полученные из смеси, содержащей порошок ортофосфата магния и порошок биологического гидроксиапатита из деминерализованных костей крупного рогатого скота при соотношении 0,5- 1,0, а также 1-3%-ный раствор в дистиллированной воде альгината натрия для получения пластичной массы, при соотношении порошка, жидкой фазы и отвердителя, насыщенного раствора хлорида кальция, как 0,5-1,5:2-5:5-20, соответственно.  The stated technical problem and the technical result achieved are achieved by porous microspheres with adjustable particle size for bone tissue regeneration and characterized in that they have a size in the range of 1-1000 μm, through pores with a size of 1-100 μm and a total porosity of 40-75%, granules by electrospinning, heat-treated and obtained from a mixture containing magnesium orthophosphate powder and biological hydroxyapatite powder from demineralized cattle bones at a ratio of 0.5-1.0, as well as f 1-3% solution of sodium alginate in distilled water to obtain a plastic mass, with a ratio of powder, liquid phase and hardener, a saturated solution of calcium chloride, as 0.5-1.5: 2-5: 5-20, respectively .
Согласно уровню техники установлено, что взаимодействие кальция и магния будет оптимальным при соотношении в организме 1 :0,5-0,7 соответственно. В противном случае кальций будет мешать всасыванию магния. Поэтому мы выбрали соотношение порошка ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита 0,5-1,0. Эти соотношения являются оптимальными. Ниже этих значений полученная смесь из ортофосфата магния, гидроксиапатита при добавлении раствора альгината натрия становится очень жидкой и время ее истечения из иглы при приложенном напряжении настолько быстро, что гранулы не успевают формироваться. Выше этих значений полученная смесь настолько вязкая, что ее невозможно продавить через иглу.  According to the prior art it was found that the interaction of calcium and magnesium will be optimal when the ratio in the body is 1: 0.5-0.7, respectively. Otherwise, calcium will interfere with the absorption of magnesium. Therefore, we chose the ratio of magnesium orthophosphate powder and biological hydroxyapatite 0.5-1.0. These ratios are optimal. Below these values, the resulting mixture of magnesium orthophosphate, hydroxyapatite, when sodium alginate solution is added, becomes very liquid and the time of its outflow from the needle at the applied voltage is so fast that the granules do not have time to form. Above these values, the resulting mixture is so viscous that it cannot be forced through a needle.
Термообработку гранул проводят в течение 60 мин. при температуре 850°С. Использование метода электроспиннинга для получения гранул позволяет изготавливать очень мелкие частицы биофосфатов, меняя приложенное напряжение. Электроспиннинг на настоящий момент можно назвать самым передовым и быстрым способом получения гранул. Электроспиннинг представляет собой распыление жидкости и образование гранул из вязкой среды под действием электрического поля. Процесс довольно прост и не требует применения высоких температур, что делает его чрезвычайно привлекательным. The heat treatment of the granules is carried out for 60 minutes at a temperature of 850 ° C. Using the electrospinning method to obtain granules allows the manufacture of very small particles of biophosphates, changing the applied voltage. Electrospinning at the moment can be called the most advanced and fastest way to obtain granules. Electrospinning is a spray of liquid and the formation of granules from a viscous medium under the influence of an electric field. The process is quite simple and does not require the use of high temperatures, which makes it extremely attractive.
Суть метода состоит в следующем: The essence of the method is as follows:
К капле вязкого раствора прикладывается высокое напряжение порядка 15-20 кВ, в этом случае жидкость приобретает заряд, силы электростатического отталкивания между молекулами начинают противодействовать силам поверхностного натяжения, и капля вытягивается. В данном случае подобрано определенное соотношение альгината натрия и биофосфатов на основе кальция и магния, а также и напряжение, чтобы происходило электрораспыление жидкости. В зависимости от приложенного напряжения возможно получение гранул разного размера. При напряжении менее 15 кВ получаются гранулы более 1 мкм, а увеличение напряжения более 20 кВ нецелесообразно с точки зрения безопасности и экономичности. Капли распыляются в ванну с отвердителем, содержащим насыщенный раствор хлорида кальция. Полученные гранулы прокаливаются в течение 60 мин. при температуре 850°С и просеиваются через сита для получения фракций с определенным размером гранул.  A high voltage of the order of 15-20 kV is applied to a drop of a viscous solution, in this case the liquid acquires a charge, the forces of electrostatic repulsion between the molecules begin to counteract the forces of surface tension, and the drop extends. In this case, a certain ratio of sodium alginate and biophosphates based on calcium and magnesium is selected, as well as voltage, so that electrospray of the liquid occurs. Depending on the applied voltage, it is possible to obtain granules of different sizes. At a voltage of less than 15 kV, granules of more than 1 μm are obtained, and an increase in voltage of more than 20 kV is impractical from the point of view of safety and economy. Drops are sprayed into a hardener bath containing a saturated solution of calcium chloride. The resulting granules are calcined for 60 minutes at a temperature of 850 ° C and sifted through sieves to obtain fractions with a certain granule size.
Установка для электроспиннинга состоит из насадки (это игла от шприца), соединенная с источником высокого напряжения, насоса и заземленного коллектора. В шприц помещается жидкость: раствор альгината натрия и биофосфатов на основе кальция и магния; затем жидкость с помощью насоса выдавливается со скоростью 1 капля в секунду на кончик иглы.  The electrospinning installation consists of a nozzle (this is a needle from a syringe) connected to a high voltage source, a pump and a grounded collector. Liquid is placed in the syringe: a solution of sodium alginate and biophosphates based on calcium and magnesium; then the liquid is squeezed out using a pump at a rate of 1 drop per second onto the tip of the needle.
Порошок используемого в изобретении биологического гидроксиапатита получают следующим образом. Сначала получают биологический гидроксиапатит из костей крупного рогатого скота путем деминерализации костной ткани в 1М растворе соляной кислоты с последующим осаждением гидроксиапатита осадителем, например 5М раствором гидроксида натрия, фильтрование, термическую обработку, при температуре 830°С. The powder of the biological hydroxyapatite used in the invention is prepared as follows. First, biological hydroxyapatite is obtained from cattle bones by demineralization of bone tissue in a 1M hydrochloric acid solution, followed by precipitation of hydroxyapatite with a precipitant, for example, a 5M sodium hydroxide solution, filtration, heat treatment, at a temperature of 830 ° C.
Полученный гидроксиапатит измельчают до получения частиц порошка размером не более 40 мкм. Данный способ позволяет получать мелкодисперсный порошок гидроксиапатита с микроэлементным составом, максимально приближенным к составу костной ткани человека. Для повышения остеогенных свойств материала в их состав вводят ортофосфат магния.  The resulting hydroxyapatite is crushed to obtain powder particles with a size of not more than 40 microns. This method allows to obtain a fine powder of hydroxyapatite with a microelement composition as close as possible to the composition of human bone tissue. To increase the osteogenic properties of the material, magnesium orthophosphate is introduced into their composition.
Порошок ортофосфатного магния готовится смешиванием оксида магния и 70% ортофосфорной кислоты в соотношении 1 :1,18. Полученный ортофосфат магния измельчался в шаровой мельнице и просеивался через сита с размером ячеек не более 40 мкм. Приготовленный таким способом ортофосфат магния придает гранулам пластичные свойства.  Magnesium orthophosphate powder is prepared by mixing magnesium oxide and 70% phosphoric acid in a ratio of 1: 1.18. The resulting magnesium orthophosphate was ground in a ball mill and sieved through sieves with a mesh size of not more than 40 μm. Magnesium orthophosphate prepared in this way gives the granules plastic properties.
Экспериментально установлено, что получение частиц с размером более 40 мкм не позволяет вводить их через инсулиновый шприц под кожу или в мелкие костные дефекты. Кроме того, частицы с размерами не более 40 мкм, как известно из уровня техники, обладают высокой удельной поверхностью порядка 80 м /г, что являются одним из ключевых факторов их биоактивности.  It was experimentally established that obtaining particles with a size of more than 40 microns does not allow them to be injected through an insulin syringe under the skin or into small bone defects. In addition, particles with sizes not exceeding 40 μm, as is known from the prior art, have a high specific surface area of about 80 m / g, which is one of the key factors in their bioactivity.
Ниже представлен конкретный пример получения пористых микросфер-гранул биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани по изобретению. Данный пример иллюстрирует изобретение, но не ограничивает его.  The following is a specific example of the preparation of porous microspheres granules of calcium and magnesium biophosphates with an adjustable particle size for bone tissue regeneration according to the invention. This example illustrates the invention, but does not limit it.
Пример 1.  Example 1
Полученные фракции порошков ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита смешиваются в соотношении 0,5-1,0 и перемешиваются в шаровой мельнице в течение 30 минут. Затем готовят пластичную массу, содержащую 1-3% раствора альгината натрия, растворенного в дистиллированной воде и смесь ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита, гранулы формируются с помощью метода электроспиннинга. В качестве отвердителя используется насыщенный раствор хлорида кальция. Соотношения компонентов следующие: смесь порошков ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита 0,5 : раствор альгината натрия 2 : раствор хлорида кальция 5. The obtained fractions of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite are mixed in a ratio of 0.5-1.0 and mixed in a ball mill for 30 minutes. Then prepare a plastic mass containing 1-3% solution of sodium alginate dissolved in distilled water and a mixture of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite, granules are formed using the electrospinning method. A saturated solution of calcium chloride is used as a hardener. The ratio of the components is as follows: a mixture of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite 0.5: sodium alginate solution 2: calcium chloride solution 5.
Пример 2. Example 2
Полученные фракции порошков ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита смешиваются в соотношении 0,5-1,0 и перемешиваются в шаровой мельнице в течение 30 минут. Затем готовят пластичную массу, содержащую 1-3% раствора альгината натрия, растворенного в дистиллированной воде и смесь порошков ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита, гранулы формируются с помощью метода электроспиннинга. В качестве отвердителя используется насыщенный раствор хлорида кальция. Соотношения компонентов следующие: смесь порошков биофосфатов кальция и магния 1,5 : раствор альгината натрия 5 : раствор хлорида кальция 20.  The obtained fractions of powders of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite are mixed in a ratio of 0.5-1.0 and mixed in a ball mill for 30 minutes. Then a plastic mass is prepared containing a 1-3% solution of sodium alginate dissolved in distilled water and a mixture of magnesium orthophosphate powders and biological hydroxyapatite, the granules are formed using the electrospinning method. A saturated solution of calcium chloride is used as a hardener. The ratio of the components is as follows: a mixture of powders of calcium and magnesium biophosphates 1.5: sodium alginate solution 5: calcium chloride solution 20.
Итак, используемый метод электроспиннинга, а именно, метод электрораспыления жидкости при напряжении порядка 15-20кВ с последующим их улавливанием в ванне с отвердителем хлоридом кальция и термической обработкой гранул при температуре 830°С.  So, the used method of electrospinning, namely, the method of electrospraying a liquid at a voltage of about 15-20 kV, followed by their capture in a bath with hardener calcium chloride and heat treatment of granules at a temperature of 830 ° C.
Измельчение полученных порошков проводят в шаровой мельнице в течение 30 минут с получением частиц размером не более 40 мкм. Такой размер частиц порошка оптимален для последующего процесса получения микросфер.  The grinding of the obtained powders is carried out in a ball mill for 30 minutes to obtain particles no larger than 40 microns. This particle size of the powder is optimal for the subsequent process of obtaining microspheres.
Термообработку гранул проводят в течение 60 минут. Микросферы содержат сквозные поры размером 1-100 мкм, общая пористость 40-75%.  The heat treatment of the granules is carried out for 60 minutes. The microspheres contain through pores 1-100 microns in size, with a total porosity of 40-75%.
Используемая температура термообработки достаточна для полного удаления органической составляющей и полной кристаллизации аморфных форм кальцийфосфатных соединений и кроме того необходима и достаточна и для формирования порового пространства в микросферах. The heat treatment temperature used is sufficient to completely remove the organic component and complete crystallization of amorphous forms of calcium phosphate compounds and, in addition, is necessary and sufficient for the formation of pore space in microspheres.
Выбранное соотношение компонентов (между фосфатом кальция и фосфатом магния и другими компонентами) необходимо для оптимального истечения жидкости через иглу, а также получения биофосфатных микросфер, содержащих сквозные поры определенного размера.  The selected ratio of components (between calcium phosphate and magnesium phosphate and other components) is necessary for optimal fluid flow through the needle, as well as for the production of biophosphate microspheres containing through pores of a certain size.
Сформированное поровое пространство в микросферах обеспечивает прорастание тканей вглубь порового пространства.  Formed pore space in the microspheres provides tissue growth into the pore space.
На основании многочисленных исследований по применению в медицине керамических материалов установлено, что биофосфаты относятся к классу биоактивных материалов с поверхностно-активными свойствами и высокой биосовместимостью. Наиболее удобной формой для применения в медицине являются микросферы. Так, например, в косметологии при введении материала (поскольку введение проводится инсулиновым шприцом, то микросферы должны иметь размер не более 30-35 мкм) в дерму микросферы биофосфатов стимулируют фибробласты и запускается процесс неоколлагенеза. В случае введения микросфер под надкостницу, частицы биофосфатов стимулируют остеобласты и запускается процесс остеосинтеза.  Based on numerous studies on the use of ceramic materials in medicine, it has been established that biophosphates belong to the class of bioactive materials with surface-active properties and high biocompatibility. The most convenient form for use in medicine are microspheres. So, for example, in cosmetology, when the material is introduced (since the injection is carried out with an insulin syringe, the microspheres should have a size of no more than 30-35 μm), fibroblasts are stimulated into the dermis of the biophosphate microspheres and the process of neocollagenesis is started. In the case of the introduction of microspheres under the periosteum, particles of biophosphates stimulate osteoblasts and the process of osteosynthesis starts.
Производство гранул из синтезированного гидроксиапатита в настоящее время достаточно хорошо освоено в широких масштабах. Получение гранул из биофосфатов кальция и магния естественного происхождения предполагает повысить биосовместимость и остеогенные свойства.  The production of granules from synthesized hydroxyapatite is currently quite well mastered on a large scale. Obtaining granules from calcium and magnesium biophosphates of natural origin suggests increasing biocompatibility and osteogenic properties.
Для изучения свойств биосовместимости, биодеградации, а также способности к остеоиндукции и остеокондукции материала были проведены исследования на 20 крысах женского пола породы «Wistan> в возрасте 3-х месяцев. В целях выявления системных реакций организма на материал был проведен комплекс лабораторных исследований, в том числе определены необходимые биологические показатели, были выполнены рентгенологические исследования РКТ и также готовились и изучались гистологические препараты окружающих материал тканей. В ходе исследования было убедительно доказано, что материал обладает хорошо выраженными биосовместимыми, биодеградируемыми свойствами. Кроме того, материал проявил высокую остеоиндуктивную и остеокондуктивную способность, что подтверждено рентгенологическими, гистологическими и биохимическими методами исследования. To study the properties of biocompatibility, biodegradation, as well as the ability to osteoinduction and osteoconduction of the material, studies were conducted on 20 female rats of the Wistan breed at the age of 3 months. In order to identify the systemic reactions of the body to the material, a set of laboratory studies was carried out, including the determination of the necessary biological parameters, X-ray examinations of the RCT were performed, and preparations were also made and studied. histological preparations of tissues surrounding the material. During the study, it was convincingly proved that the material has well-defined biocompatible, biodegradable properties. In addition, the material showed high osteoinductive and osteoconductive ability, which is confirmed by X-ray, histological and biochemical research methods.
Кроме того, наблюдалась более высокая концентрация кальция в сыворотке крови, в сравнении с контрольной группой животных, что является важнейшим предиктором успешного остеогенеза.  In addition, there was a higher concentration of calcium in serum, compared with the control group of animals, which is the most important predictor of successful osteogenesis.

Claims

Формула изобретения Claim
1. Пористые гранулы-микросферы с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани и характеризующиеся тем, что имеют размер в диапазоне 1-1000 мкм, имеют сквозные поры с размером 1-100 мкм и общую пористость 40-75%, гранулированные методом электроспиннинга и термообработанные и при этом получены из смеси, содержащей порошок ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита из деминерализованных костей крупного рогатого скота при соотношении 0,5: 1,0, а также 1-3%-ный раствор альгината натрия в дистиллированной воде для получения пластичной массы, при соотношении порошка, жидкой фазы и отвердителя, насыщенного раствора хлорида кальция, как 0,5-1,5:2-5:5-20, соответственно. 1. Porous microspheres granules with adjustable particle size for bone tissue regeneration and characterized in that they have a size in the range of 1-1000 μm, have through pores with a size of 1-100 μm and a total porosity of 40-75%, granulated by electrospinning and heat-treated and at the same time obtained from a mixture containing magnesium orthophosphate powder and biological hydroxyapatite from demineralized bones of cattle at a ratio of 0.5: 1.0, as well as a 1-3% solution of sodium alginate in distilled water to obtain plastic mass, with a ratio of powder, liquid phase and hardener, a saturated solution of calcium chloride, as 0.5-1.5: 2-5: 5-20, respectively.
PCT/RU2013/000071 2012-10-10 2013-02-01 Calcium and magnesium biophosphate-based porous microspheres with controllable particle size for the regeneration of bone tissue WO2014058342A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2012143348/15A RU2497548C1 (en) 2012-10-10 2012-10-10 Porous microspheres of calcium and magnesium biophosphate with adjusted particle size for bone tissue regeneration
RU2012143348 2012-10-10

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2014058342A1 true WO2014058342A1 (en) 2014-04-17

Family

ID=49682964

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2013/000071 WO2014058342A1 (en) 2012-10-10 2013-02-01 Calcium and magnesium biophosphate-based porous microspheres with controllable particle size for the regeneration of bone tissue

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2497548C1 (en)
WO (1) WO2014058342A1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114478051A (en) * 2021-12-30 2022-05-13 西华师范大学 Porous ceramic particle with radial pore structure and preparation method and application thereof
CN115058109A (en) * 2022-08-20 2022-09-16 北京天星博迈迪医疗器械有限公司 Degradable composite material with mixed particle size and preparation method and application thereof

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2292868C1 (en) * 2005-05-06 2007-02-10 Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН Material for filling maxillofacial and dental bone defects
US20090220605A1 (en) * 2007-06-15 2009-09-03 Osteotech Bone matrix compositions having nanoscale textured surfaces
RU2373943C1 (en) * 2008-04-22 2009-11-27 Лариса Теодоровна Волова Material for bone neogenesis

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2292868C1 (en) * 2005-05-06 2007-02-10 Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН Material for filling maxillofacial and dental bone defects
US20090220605A1 (en) * 2007-06-15 2009-09-03 Osteotech Bone matrix compositions having nanoscale textured surfaces
RU2373943C1 (en) * 2008-04-22 2009-11-27 Лариса Теодоровна Волова Material for bone neogenesis

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114478051A (en) * 2021-12-30 2022-05-13 西华师范大学 Porous ceramic particle with radial pore structure and preparation method and application thereof
CN114478051B (en) * 2021-12-30 2022-10-04 西华师范大学 Porous ceramic particle with radial pore structure and preparation method and application thereof
CN115058109A (en) * 2022-08-20 2022-09-16 北京天星博迈迪医疗器械有限公司 Degradable composite material with mixed particle size and preparation method and application thereof

Also Published As

Publication number Publication date
RU2497548C1 (en) 2013-11-10

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Pokhrel Hydroxyapatite: preparation, properties and its biomedical applications
EP1624904B1 (en) Inorganic resorbable bone substitute material
EP0193588B1 (en) Material containing carbonate apatite and use of carbonate apatite for implants
DE60004710T2 (en) MINERAL-POLYMER HYBRID COMPOSITION
Lazić et al. The effect of temperature on the properties of hydroxyapatite precipitated from calcium hydroxide and phosphoric acid
EP2252338B1 (en) Bone graft material and uses thereof
JP4260880B2 (en) Bone substitute material and method for producing the same
JPS6343106B2 (en)
Li et al. Controllable synthesis of biomimetic hydroxyapatite nanorods with high osteogenic bioactivity
Khalid et al. Basics of hydroxyapatite—structure, synthesis, properties, and clinical applications
Batool et al. Bone whitlockite: synthesis, applications, and future prospects
WO2007025698A2 (en) Osteoinductive material and method for the production thereof
DE69836151T2 (en) SYNTHETIC BIOMATERIAL
Gorodzha et al. Investigation of the morphology and structure of porous hybrid 3D scaffolds based on polycaprolactone involving silicate-containing hydroxyapatite
Suruagy et al. Physico-chemical and histomorphometric evaluation of zinc-containing hydroxyapatite in rabbits calvaria
RU2497548C1 (en) Porous microspheres of calcium and magnesium biophosphate with adjusted particle size for bone tissue regeneration
Wan et al. Biomimetically precipitated nanocrystalline hydroxyapatite
RU2494721C1 (en) Biocompatible bone-substituting material and method of obtaining thereof
Korkusuz et al. Nanocrystalline apatite-based biomaterials and stem cells in orthopaedics
Murugan et al. Biodegradable coralline hydroxyapatite composite-gel using natural alginate
WO2017180019A1 (en) Biologically active composite material for repairing bone defects and preparation method thereof
Khoman et al. PMMA bone cement with L-arginine/nano fish bone nanocomplex for apatite formation
Gorshenev et al. New additive technologies for forming complex bone structures for medical and biological applications
Cahyaningrum et al. Use of Hydroxyapatite from Eggshell as Raw Material for Synthesis Bone Graft
CH664280A5 (en) INORGANIC IMPLANT MATERIAL AND METHOD FOR THE PRODUCTION THEREOF.

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 13845064

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

32PN Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established

Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 03/09/2015)

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 13845064

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1