Рентгеноконтрастное биоактивное стекло и способ его получения

Изобретение относится к медицине, а именно к композиции рентгеноконтрастного биостекла и способу ее получения, и может быть использовано в ортопедии и челюстно-лицевой хирургии для создания на имплантатах биоактивного покрытия или в стоматологии в качестве добавки в пломбировочный материал, и позволит визуально контролировать позиционирование имплантата или пломбы как на стадии размещения, так и с течением времени. Технический результат изобретения заключается в упрощении способа получения биостекла, содержащего рентгеноконтрастную добавку - оксид вольфрама, обладающий меньшей растворимостью, и менее токсичный. Рентгеноконтрастное биоактивное стекло содержит следующие компоненты, мас.%: SiO₂ 40,5-44,5, Na₂О 22,0-24,3, CaO 22,0-24,3, Р₂О₅ 5,5-5,9, WO₃ 1,0-10,0. Его получают смешением олеата кальция, олеата натрия, трибутилфосфата и тетраэтоксисилана в скипидаре, добавлением экстракта вольфрама, полученного экстракцией три-н-октиламина из солянокислого раствора вольфрама, нагреванием для удаления растворителя при 150-200°С, и проведением пиролиза при температуре 1250-1300°С в течение 30 мин. 3 пр.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к композиции рентгеноконтрастного биостекла и может быть использовано в ортопедии и челюстно-лицевой хирургии для создания на имплантатах биоактивного покрытия или в стоматологии в качестве добавки в пломбировочный материал, и позволит визуально контролировать позиционирование имплантата или пломбы как на стадии размещения, так и с течением времени.

Биоактивные стекла относятся к классу керамики, способной взаимодействовать с тканями организма (предпочтительно костными тканями). Они состоят в основном из диоксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и оксида фосфора, причем известно что оптимальные биологические свойства проявляются при содержании (в мас. %) 45% SiO₂ - 24,5%, Na₂O - 24,5%, CaO - 6% Р₂О₅ (Hench L.L. // J.Mater Sci: Mater Med, V. 17, P. 967-978, 2006). Биостекло запускает реакции организма, отвечающие за восстановление костного дефекта. Это происходит за счет медленного растворения компонентов биостекла под воздействием среды организма. С одной стороны, в ходе растворения на поверхности формируется биологически активный слой нанокристаллического гидроксиапатита, что обеспечивает прочное связывание с костными тканями организма. С другой стороны, продукты растворения (ионы кальция и кремния) стимулируют пролиферацию остеогенных клеток для воспроизводства новых тканей. Вследствие низких механических характеристик, таких как прочность на излом и хрупкость, биостекла редко используются сами по себе. Например, для структурных элементов в ортопедии предпочитают использовать металлические сплавы или синтетические полимеры. Покрытие имплантатов слоем биостекла решает проблему биосовместимости чужеродных материалов, так как защищая поверхность сплава от коррозии или деструкции, биостекло препятствует выходу потенциально токсичных веществ в среду организма. Покрытие имплантантов слоем биостекла проводят способами окунания или термическим напылением.

В стоматологии в клиническую практику активно внедряются новые эндогерметики на основе биостекол из гидроксида кальция и фосфата кальция.

Препараты хорошо себя зарекомендовали в силу низкой водорастворимости, так как образуют пробку верхушечного отверстия корня, а также выраженного бактериостатического эффекта. Помимо этого, за счет окклюзии корневого канала они индуцируют образование твердых тканей зуба, апикальной пробки, что в дальнейшем служит биологическим барьером от тканей периодонта.

Для визуализации процессов введения имплантата и последующего контроля за восстановлением костной ткани в ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, стоматологии применяют контрастирование материалов. Для этого широко используют соли йода, бария, оксиды тантала, висмута, никеля, стронция.

Известно рентгеноконтрастное стекло для наполнителей композиционных стоматологических материалов (пат. РФ №2028980, опубл. 20.02.1995, бюл. №5), имеющее следующий состав, мас. %: Al₂O₃ 12-30; ВаО 7-27,5; B₂O₃ 1-9; СоО 0,0001-0,0003; NiO 0,001-0,003; Nd₂O₃ 0,003-0,03; Er₂O₃ 0,0004-0,007; SiO₂ остальное. Недостатком таких рентгеноконтрастных стекол является то, что они имеют сложный дорогостоящий состав, включают токсичные оксиды кобальта, бария, никеля, а главное, не содержат гидроксиапатит и поэтому проигрывают в биологических свойствах, а также уступают в водорастворимости. Помимо этого, данный материал не подходит для применения в ортопедии.

Описан состав стоматологического рентгеноконтрастного стекла (пат. ЕР №0634373, опубл. 18.01.1995), содержащий (мас. %): SiO₂ 45-65; Al₂O₃ 5-20; SrO 15-35; В₂О₃ 5-20; F₂O 0-2. Недостатком состава является высокое содержание рентгеноконтрастных добавок. Отсутствие гидроксиапатита приводит к худшим показателям водорастворимости и биосовместимости, чем у кальций-фосфатных стекол. Помимо этого, способ изготовления включает тщательное измельчение и просеивание компонентов, что требует специального оборудования.

Известны состав и способ получения рентгеноконтрастного стекла (пат. BY №13965, опубл. 28.02.2011), содержащий (мас. %) 20-45% SiO₂, 5-35% Al₂O₃, 10-30% SrO, 1-10% В₂О₃, 2-20% F, 1-10% WO₃. Для получения стекла указанного состава шихту со всеми компонентами перемешивают в шаровой мельнице и плавят в муфельной печи при температуре 1300-1500°C.

К недостаткам этого состава относятся присутствие в качестве рентгеноконтрастной добавки токсичного оксида бора, и отсутствие оксидов кальция и фосфора, необходимых для придания биоактивных свойств. Также к недостаткам способа получения относятся необходимость измельчения шихты в шаровой мельнице и высокая температура плавления.

В качестве прототипа выбрано рентгеноконтрастное биостекло (з. US №20120148646, опубл. 14.06.2012), в котором рентгеноконтрастное вещество распределено в/на частицах стекла в виде частиц меньшего размера. В качестве рентгеноконтрастных веществ могут быть использованы Bi₂O₃, ТаО, Ta₂O₅, WO₃, ВаО. В частном случае исполнения материал получают следующим образом. Смесь гексаметилдисилоксана, 2-этилгексаноата натрия, 2-этилгексаноата кальция, трибутилфосфата и 2-этилгексаноата висмута гомогенизируют и растворяют в ксилоле. Полученный раствор фильтруют, инжектируют через капилляр, диспергируют пропусканием кислорода и подвергают пиролизу, воспламеняя в кислородно-метановом пламени. Продукты сгорания собирают на волоконном фильтре над пламенем с помощью вакуумного насоса.

К недостаткам известного биостекла можно отнести то, что заявленный материал, строго говоря, является не стеклом, а стеклокерамикой, состоящей из стеклофазы (матрицы) содержащей кристаллическую фазу наночастиц рентгеноконтрастной добавки. Композиция образуется при быстром сжигании органического раствора, содержащего исходные компоненты, что не позволяет получить стекло в аморфном состоянии. Растворение компонентов биокерамики в физиологической среде организма приводит к изменению состава среды, что может влиять на клеточную активность. В случае прототипа при растворении матрицы будет высвобождаться и попадать в организм оксид вольфрама в виде наночастиц. Про оксид вольфрама известно, что он избирательно убивает некоторые раковые клетки, но и для здоровых клеток оксид вольфрама тоже может представлять опасность.

Другим недостатком является то, что известный способ имеет высокую энергоемкость и пожароопасность, так как температура горения кислородно-метановой смеси составляет 3000°C, также к недостаткам прототипа относится использование вакуумного оборудования для улавливания частиц стекла из продуктов горения, а также необходимость вводить высокие концентрации

рентгеноконтрастного вещества в стекло для обеспечения приемлемой рентгеноконтрастности. Так, например, при концентрации оксида висмута 50 мас. % достигается рентгеноконтрастность равная ступени алюминиевого клина толщиной 4,7 мм.

Задачей предлагаемого изобретения является получение рентгеноконтрастного стекла, с низкой токсичностью и высокой рентгеноконтрастностью, простого и менее пожароопасного в приготовлении.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается во включении оксида вольфрама в сетку биостекла, что обеспечивает меньшую растворимость, и, следовательно, меньшую токсичность, и в применении для его получения более простого способа. Указанный технический результат достигают введением в композицию экстракта оксида вольфрама (WO₃), а также проведением отгонки органического растворителя, что обеспечивает снижение пожароопасности процесса, и получением стекломассы пиролизом при температуре 1250-1300°C. При этом осуществление процесса не требует сложного специального оборудования.

Поставленная задача решается следующим образом. Биоактивное стекло включает в себя оксиды кремния, натрия, кальция, фосфора и вольфрама. Для получения стекла используют раствор, содержащий тетраэтоксисилан, трибутилфосфат, олеат натрия в скипидаре, олеат кальция в скипидаре и экстракт вольфрама в бензольном растворе три-н-октиламина. Экстракцию вольфрама проводят следующим образом. В качестве исходной водной фазы используют раствор, содержащий 20 г/л W и 3,2 г/л HCl. Экстрагент - 20% бензольный раствор три-н-октиламина, предварительно обработанный водным раствором HCl, имеющим концентрацию 3,2 г/л. Органическую и водную фазы смешивают в равных объемах, и они контактируют в течение 0,5 часа при интенсивном перемешивании. После разделения фаз получают экстракт, содержащий 14 г/л вольфрама. После смешения компонентов биостекла выполняют отгонку растворителя при температуре 150-200°C. Затем проводят обжиг (пиролиз) в муфельной печи при температуре до достижения температуры 1250-1300°C.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,394 г олеата кальция и добавляют 0,297 мл трибутилфосфата. Отдельно в 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,101 г олеата натрия и добавляют 2,154 мл тетраэтоксисилана. Растворы смешивают и добавляют 5,030 мл экстракта вольфрама. Полученный раствор нагревают при температуре 150-200°C для удаления избытка органики. Затем пастообразную массу подвергают пиролизу, нагревая до 1250°C и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. В результате получают кальций-фосфатное стекло со следующим содержанием компонентов, мас. %:

Рентгеноконтрастность, определенная по стандарту ИСО 4049, соответствует ступени алюминиевого клина толщиной 4,7 мм.

Пример 2. В 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,257 г олеата кальция и добавляют 0,285 мл трибутилфосфата. Отдельно в 15 мл скипидара при нагревании растворяют 2,975 г олеата натрия и добавляют 2,067 мл тетраэтоксисилана. Растворы смешивают и добавляют 25,150 мл экстракта вольфрама. Полученный раствор нагревают при температуре 150-200°C для удаления избытка органики. Затем пастообразную массу подвергают пиролизу, нагревая до 1300°C и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. В результате получают кальций-фосфатное стекло со следующим содержанием компонентов, мас. %:

Рентгеноконтрастность по стандарту ИСО 4049 соответствует ступени алюминиевого клина толщиной 5 мм.

Пример 3. В 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,085 г олеата кальция и добавляют 0,270 мл трибутилфосфата. Отдельно в 15 мл скипидара при нагревании растворяют 2,819 г олеата натрия и добавляют 1,959 мл тетраэтоксисилана. Растворы смешивают и добавляют 50,300 мл экстракта вольфрама. Полученный раствор нагревают при температуре 150-200°C для удаления избытка органики. Затем пастообразную массу подвергают пиролизу, нагревая до 1300°C и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут.

В результате получают кальций-фосфатное стекло со следующим содержанием компонентов, мас. %:

Рентгеноконтрастность по стандарту ИСО 4049 соответствует ступени алюминиевого клина толщиной 5,6 мм.

Рентгеноконтрастное биоактивное стекло, получаемое смешением олеата кальция, олеата натрия, трибутилфосфата и тетраэтоксисилана в скипидаре, добавлением экстракта вольфрама, полученного экстракцией три-н-октиламина из солянокислого раствора вольфрама, нагреванием для удаления растворителя при 150-200°С и проведением пиролиза при температуре 1250-1300°С в течение 30 минут, содержащее оксиды кремния, натрия, кальция, фосфора и рентгеноконтрастную добавку в виде оксида вольфрама при следующем соотношении компонентов, мас.%:

SiO2	40,5-44,5
Na2O	22,0-24,3
CaO	22,0-24,3
Р2О5	5,5-5,9
WO3	1,0-10,0