Композиционный материал, содержащий альгинат натрия и смеси фосфатов кальция, способ получения композиционного материала

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, и может использоваться для изготовления композиционных материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов. Предложен композиционный материал, содержащий альгинат натрия и смеси фосфатов кальция, отличающийся следующим соотношением компонентов, мас.%: альгинат натрия - 90÷80, смеси фосфатов кальция - 10÷20. Альгинат натрия представляет 2%-ную водную суспензию, а в общей массе смеси фосфатов кальция содержится: гидроксиапатит (ГА) - 20%, брушит - 30%, октакальцийфосфат (ОКФ) - 50%. Способ получения указанного композиционного материала включает предварительное приготовление 2%-ной водной суспензии альгината натрия, введение в полученную суспензию порошковой смеси фосфатов кальция в составе ГА - 20%, брушит - 30%, ОКФ - 50% в количестве 10÷20 мас.% от общей массы композиционного материала, перемешивание в течение времени T₁=10÷15 мин с помощью магнитной мешалки и вспенивание. Затем пену помещают в тигель и высушивают при температуре 200°С в течение времени Т₂=20÷30 мин. Технический результат - получение более биорезорбируемого и пористого материала. 2 н.п. ф-лы, 1 табл., 4 ил.

 

Изобретение относится к области получения новых композиционных материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии, и может использоваться для изготовления композиционных материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.

Костная ткань является композиционным материалом, содержащим фосфаты кальция (ФК) и органические компоненты (коллаген, коллагеновые и неколлагеновые белки), такой состав позволяет выдерживать механические нагрузки. Поэтому перспективным является получение композиционных материалов, содержащих как неорганические (фосфаты кальция), так и органические компоненты. Известно, что помимо коллагена и желатина в качестве органического компонента может использоваться полисахариды, например альгинат натрия. Материалы на основе фосфатов могут быть использованы: для цементных масс и лечебных паст для травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, для регенерации поврежденных костных тканей посредством постепенного замещения материала новообразующейся костной тканью. Широкое применение в этой сфере получили ортофосфаты кальция, однако они не отвечают ряду требованиям, предъявляемым к остеопластическим материалам: хорошая переносимость тканями; пористость, для обеспечения прорастания кости; биодеградация, соотносимая со скоростью остеорегенерации; возможность стерилизации без изменения качеств, доступность и низкая цена.

С другой стороны, высокий потенциал применения в медицине имеют биополимеры. В частности, материалы на основе альгината - полисахарида, который обладает широким спектром полезных для человека свойств и может выполнять функцию эластичного каркаса. В настоящее время актуальным является сравнительно новый подход создания композиционных материалов на основе фосфатов кальция и биополимеров.

Известен композиционный материал (патент US №8697107) для внесения в дефект костной ткани, включающий матрицу-носитель из биоразлагаемого полисахарида, содержащего альгинат натрия, и материал, расположенный внутри носителя-матрицы, содержащий: β-ТКФ, двухфазный ФК, фосфат магния, ГА или их смеси.

Известен гидрогель (патент RU №2632431), содержащий масс. %: альгинат натрия - 40-90 и кальцийфосфатные наполнители - 10-60: трикальцийфосфат, брушит, монетит, октакальцийфосфат, тетракальцийфосфат, гидроксиапатит, карбонатгидроксиапатит, фторгидроксиапатит или их смеси в виде порошков или гранул, отличающийся тем, что размеры частиц порошка или гранул составляют от 20 до 100 мкм, далее полученный гидрогель охлаждают до t +37°С и при непрерывном перемешивании от 500 до 1000 оборотах в минуту добавляют порошок ванкомицина в концентрациях 30, 50 и 70 масс. % по отношению к общей массе образца, далее методом 3D печати из композиционных материалов получают образцы, обладающие антибактериальной активностью.

Недостатком данного материала является низкая био+резорбция и пористость.

Технической задачей заявляемого решения является получения более биорезорбируемого и пористого материала.

Техническим результатом заявляемого решения является получение композиционного материала содержащего альгинат натрия и смесь фосфатов кальция и способ получения данного материала.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен: композиционный материал для заполнения костных дефектов, содержащий: альгинат натрия и смеси фосфатов кальция, отличающийся следующим соотношением компонент, масс. %

альгинат натрия	90÷80
смеси фосфатов кальция	10÷20

при этом, альгинат натрия представляет 2% водную суспензию, а в общей массы смеси фосфатов кальция содержится: гидроксилапатит (ГА) - 20%, брушит - 30%, октакальцийфосфат (ОКФ) - 50%., предложен способ получения композиционного материала по п. 1., включающий предварительно приготовление 2% водной суспензии альгината натрия, введение в полученную суспензию порошковую смесь фосфатов кальция в составе гидроксилапатит (ГА)-20%, брушит - 30%, октакальцийфосфат (ОКФ)-50% в количестве 10÷20 масс. % общей массы композиционного материала, подвергают перемешиванию в течение времени T₁=10-15 минут, с помощью магнитной мешалки проводят вспенивание, затем пену помещают в тигель и высушивали при температуре 200°С. в течение времени Т₂=20-30 минут.

Возможность достижения технического результата обусловлена тем, что порошковую смесь ортофосфатов кальция (ГА-20%, брушит - 30%, ОКФ-50%) получали, путем осаждения из водного раствора. Осаждение проводилось при температуре 40°С, рН=6.5, τ=48 ч и введении добавки ионов магния в концентрации 12.5 ммоль/л. В основе данного способа лежит следующая химическая реакция (1):

Смешивание растворов проводилось при охлаждении (0-5°С).

После вызревания осадка под маточным раствором, в течение 48 ч, твердую фазу отделяли от раствора фильтрованием, высушивали при температуре ~ 80°С до постоянной массы и полного удаления химически несвязанной воды, взвешивали и исследовали с применением группы физико-химических методов.

Готовили 2% водную суспензию полимера с использованием альгинат натрия (Е-401). В суспензию вводили порошковый материал в количестве 10, 20, 50 масс. % и подвергали интенсивному перемешиванию. Вспенивание осуществляли используя магнитную мешалку. Пену помещали в тигель и высушивали при температурах: 200°С (композит 1) и 400°С (композит 2).

На фиг. 1 представлена дифрактограмма смеси ортофосфатов кальция

На фиг. 2.представлен дифрактограмма композиционного материала (t_сушки=200°С, содержание смеси фосфатов кальция 20%)

На фиг. 3. представлены: фотографии композиционного материала на основе альгината натрия с содержанием наполнителя 20%, ув. х10

А) Т_сушки=200°С, Б) Т_сушки=400°С

На фиг. 4. представлены кинетические кривые растворения композиционного материала(композит) 1 при Т_сушки=200°С, композиционного материала(композит) 2 при Т_сушки=400°С с содержанием наполнителя:20%.

А- в 0,1 М растворе HCl;

Б- в ацетатном буферном растворе;

В- в 0.9% растворе NaCl.

Фазовый состав полученных образцов исследован с помощью РФ А (ДРОН-3). Дифрактограммы получали «методом порошка». Съемка дифрактограмм проводилась в интервале 10-60° бреговских углов отражения по 20. Идентификация пиков на дифрактограммах проводилась с помощью картотеки JCPDS и программных пакетов DifWin4.0 и Crystallographica Search-Match. Содержание присутствующих фаз в образцах определяли по методу корундовых чисел (метод Чанга, программа Crystallographica Search-Match).

Исследование резорбции полученных образцов проводилось путем их динамического растворения при постоянном перемешивании в растворе 0.9%-ного хлорида натрия (рН≈7), в ацетатном буфере (рН=4.75) и в растворе соляной кислоты (рН=1) при температуре 22°С. Через определенные промежутки времени (τ=0-90 мин) с помощью прямой потенциометрии фиксировали значение кислотности среды и показателя концентрации ионов кальция в растворе.

При синтезе смеси ортофосфатов кальция методам РФА установлено, что полученный осадок представлен фазами ОКФ, брушита и ГА, основным интенсивным линиям которых соответствуют углы 20 (фиг. 1): ОКФ- - 4.8; 11.4, 22.8; ГА - 25.9, 29.6, 31.8; брушита - 20.4, 47.3, 35.2. С размерами кристаллитов ОКФ - 2.96 нм, брушита -2.45 нм, ГА-2.15 нм.

По результатам РФА получено, что внедрение порошкового материала в матрицу альгината натрия не изменяет его состав, вне зависимости от соотношения наполнитель/матрица.

Поверхность полученных композитов выглядит как пористый матрикс, в котором равномерно распределена твердая фаза (фиг. 3).

Методом БЭТ установлено, что удельная поверхность композиционного материала, характеризующегося соотношением смеси фосфатов кальция/альгинат натрия - 20/80, возрастает по сравнению с порошковым материалом от 23 м²/г до 37 м²/г, а увеличение температуры сушки образца уменьшает удельную поверхность до 33 м²/г.

Для изучения биорезорбируемости образцов было проведено их растворение в 0.1 М растворе HCl, ацетатном буферном растворе и 0.9% растворе NaCl. Экспоненциальная зависимость (фиг. 4) соответствует кинетике реакции первого порядка, поэтому в качестве количественной меры растворения можно рассматривать начальную скорость растворения, определенную, как тангенс угла наклона линейного участка прямой, построенной в координатах pCa=f(τ).

В таблице 1 представлены данные при заданных: среде, соотношении смеси фосфатов кальция к альгинату натрия - соответствующие им начальная скорость растворения, удельная поверхность, получаемых композитных материалов.

Из полученных данных таблицы 1 следует, что резорбируемость полученных композитов тем выше, чем меньше соотношение смесь фосфатов кальция/альгинт натрия при увеличении соотношения смесь фосфатов кальция/альгинт натрия и увеличении температуры сушки композита с 200°С до 400°С резорбируемость снижается. Поэтому для композиционного материала выбрано следующее соотношением компонент, масс. %

альгинат натрия (2% водная суспензия)	90÷80
смеси фосфатов кальция (ГА-20%, брушит - 30%, ОКФ-50%)	10÷20

Для способа получения композиционного материала была выбрана температура сушки 200°С.

Поскольку у прототипа соотношением компонент, масс. %

альгинат натрия -	90÷40
кальцийфосфатные наполнители -	10÷60

следовательно исходя из таблицы 1 следует, что резорбируемость и удельная поверхность в заявляемом решении примерно на 20-25% выше, чем в прототипе в области, где у прототипа содержится следующее соотношение компонент масс %

альгинат натрия -	80÷40
кальцийфосфатные наполнители -	20÷60

Таким образом, решается задача заявляемого решения: повышение резорбируемости и пористости композиционного материала, создаваемого для костной трансплантации.

1. Композиционный материал для заполнения костных дефектов, содержащий альгинат натрия и смеси фосфатов кальция, отличающийся следующим соотношением компонентов, мас.%:

альгинат натрия	90÷80
смеси фосфатов кальция	10÷20,

при этом альгинат натрия представляет 2%-ную водную суспензию, а в общей массе смеси фосфатов кальция содержится: гидроксиапатит (ГА) - 20%, брушит - 30%, октакальцийфосфат (ОКФ) - 50%.

2. Способ получения композиционного материала по п. 1, включающий предварительное приготовление 2%-ной водной суспензии альгината натрия, введение в полученную суспензию порошковой смеси фосфатов кальция в составе гидроксиапатит (ГА) - 20%, брушит - 30%, октакальцийфосфат (ОКФ) - 50% в количестве 10÷20 мас.% от общей массы композиционного материала, подвергают перемешиванию в течение времени T₁=10-15 мин, с помощью магнитной мешалки проводят вспенивание, затем пену помещают в тигель и высушивают при температуре 200°С в течение времени Т₂=20-30 мин.