Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини

Реферат: Винахід належить до медицини, а саме до препаратів, які використовують в ортопедії для заміщення ушкоджених ділянок кісткової тканини, у стоматології - для заповнення мікроканалів зубів. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит містить високомолекулярну сполуку у вигляді тривимірної просторової сітки (гідрогелевої матриці), що утворюється в процесі співполімеризації акрилових (акриламід, акрилонітрил) мономерів з біфункціональним зшиваючим мономером N,N'-метилен-бісакриламідом (МБА). В порах цієї матриці розміром 5100 нм містяться наночастинки гідпроксилапатиту і кальцієфосфатних сполук з високою реакційною здатністю. UA 98888 C2 (12) UA 98888 C2 UA 98888 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до медицини, а саме до композитних полімерних лікарських форм, призначених до використання в ортопедії - для заміщення ушкоджених чи видалених ділянок кісткової тканини, а також у стоматології - для заповнення мікроканалів зубів. Дефект кістки, викликаний видаленням пухлини, складним переломом, запаленням в навколопротезному просторі після імплантації протезу, повинен заповнюватися кістковим матеріалом для покращення регенерації. Якщо цього не відбувається, з'єднувальна тканина заміщує кістку. В світі роблять щорічно близько 500 000 кісткових імплантацій. Статистична оцінка хірургії нещасних випадків свідчить, що близько 8 % всіх операцій спрямовано на нарощування кісток. Тому пошук універсального матеріалу для відновлення цілісності кісткової чи зубної тканини є однією з найгостріших проблем сучасної медицини. Оскільки застосування того чи іншого матеріалу залежить як від медико-біологічних характеристик кісткового дефекту, так і від конкретного клінічного випадку, то бажано мати широкий спектр біоматеріалів для використання. Існує широкий ряд матеріалів для лікування кісткової тканини, причому всі вони не позбавлені недоліків. Ідеальним матеріалом-замінником, що відмінно приживається, є власна кістка ("аутогенний замінник кістки"). Недоліком є брак її кількості та необхідність вторинної операції. Альтернативою виступає алогенна кістка, тобто кістка від людини-донора. В цьому випадку до недоліків необхідно добавити можливі імунні реакції та розвиток інфекцій. Невичерпним за кількістю джерелом матеріалів для заміни кісток є донори тваринного походження, але при цьому існує великий ризик інфекцій та імунної реакції відторгнення. Щоб запобігти вказаним ускладненням, як замінники кісток найчастіше намагаються використовувати синтетичні матеріали. Основними вимогами до таких матеріалів є достатня механічна стабільність, висока біологічна сумісність та висока пористість для надання кістковій тканині можливості врости в матеріал та забезпечити механічну фіксацію. Наразі використовуються металічні, керамічні, а також полімерні матеріали. Використовують також композити на їх основі. Серед матеріалів, які заміщують кістку, особливе місце займають титан та його сплави. Недоліком їх є необхідність геометричної підгонки до форми дефекту та відсутність біодеградації. Першими металічними імплантантами, що біодеградують, були імплантати зі сплавів магнію. Але метали, як замінники кісток, мають скоріше вторинне значення. Навіть біосумісні метали та сплави на їх основі можуть піддаватися електрохімічному впливу біосередовища з небезпекою їх корозії та металозу оточуючих тканин. З указаних причин частіше використовують полімерні імплантанти, зокрема кісткові поліметилметакрилатні цементи та варіанти їх композицій з матеріалами, що біодеградують, наприклад з фосфатами кальцію, біосклом. Велику групу матеріалів для заміни кісткової тканини складають фосфати кальцію і, насамперед, гідроксилапатит Са10(РO4)6(ОН)2, що є основним неорганічним компонентом біогенної кісткової ткані, та посідає такі цінні властивості, як біосумісність, біоактивність, остеокондуктивність та відсутність запальних та токсичних ефектів [Т. Demirtas, A. Karakecili, M. Gumusderelioglu. Hydroxyapatite containing superporous hydrogel composites:synthesis and in-vitro characterization//J Mater Sci: Mater Med. - 2008. - 19, №5 - P. 729735]. Так, зокрема, описане застосування для протезування кісткової тканини насиченого міддю біогенного апатиту [патент № 11609, Україна, МПК A61L 27/00 / Івченко В.К., Івченко Д.В. (UA). Опубл. 16.01.2006], синтетичного гідроксилапатиту в композиції з хондроїтинсульфатом [патент № 39687 А, Україна, МПК A61L 27/00 / Корж М.О. (UA) та ін.-3. № 2000127383; Заяв.21.12.2000. Опубл. 15.06.2001.], керамічного матеріалу для пластики кісткових дефектів у вигляді пористого гідроксилапатиту, насиченого антибактеріальним засобом [патент № 37180, Україна, МПК A61L27/00 / Голка Г.Г. (UA). - 3. № 200804773; Заявл. 14.04.2008. Опубл. 25.11.2008], високопористого склокерамічного грануляту на основі гідроксилапатиту та діоксиду кремнію [патент № 2354408 С2, Росія, МПК A61L27/12 / Гербер Т.; 3.№ 20051140093/15. Заяв. 24.05.2004. Опубл. 5.10.2009], суміші порошків синтетичних фосфатів кальцію (40-84 % мас.) та натрійборосилікатної склофази (решта) [патент України № 43042 "Композиційний кальцієфосфатнний біоматеріал", МПК А61К33/42; А61Р 19/00 / Сич О.Е. (UA)/ - Опубл. 27/07/2009, бюл. №14, 2009]. Однак, відомо, що практичне застосування гідроксилапатиту при ендопротезуванні обмежене внаслідок притаманних йому твердості, крихкості та надмірної кристалічності [М. Matsusaki, К. Kadowaki, K.Tateishi. Scaffold-Free Tissue-Engineered ConstructHydroxyapatite Composites Generated by an Alternate Soaking Process: Potential for Repair of Bone Defects// Tissue Engineering: Part A. 2008.-14. № l-P. l-9]. Аналогічні недоліки обмежують використання при ендопротезуванні і інших кальцієфосфантів [Баринов С.М. Биокерамика на основе фосфатов кальция / Баринов С. М., Комлев B.C.// М.: Наука - 2005. - 202 с]. Вказане зумовлює перспективність використання для виготовлення ендопротезів кісткової тканини композитних матеріалів на основі полімерів та фосфатів кальцію. 1 UA 98888 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Відомий матеріал для заміщення кісткових дефектів, в основі якого лежить пористий політетрафторетилен (тефлон), що має тривимірну просторову сітку. Це термостійкий біологічно інертний імплантат [патент № 2270640 СІ, Россия, "Имплантант для замещения костных дефектов", МПК A61F 2/14, A61L 27/56 / Дьяков B.C. (RU).-3. № 2004119477/04. Заявл. 17.06.2004. Опубл.27.02.2006]. Недоліком даного матеріалу є його інертність, тобто нездатність матеріалу вступати в адекватну множину реакцій при специфічному його застосуванні, а також повна гідрофобність, що буде призводити до небажаних реакцій відторгнення його організмом та грубого капсулоутворення. Вказаних недоліків позбавлена композиція для кісткової пластики, створена на основі колагену та гідроксилапатиту [патент № 2274461 С2, Росія, А61К 35/32, A61L 27/00 /Литвинов С.Д. (RU).-3. № 2004105528/15. Заявл. 26.02.2004. Опубл. 20.04.2006.]. Вказана композиція найбільш близька до запропонованого нами технічного рішення та вибрана як прототип. Вона не містить гідрофобних компонентів та наближена за своєю будовою до нативної кісткової тканини, однак, використання у її складі колагену викликає ряд сумнівів. Незважаючи на безліч цінних властивостей цього природного полімеру, що підлягає біодеградації, йому притаманні і недоліки, що виявляються у цілому ряді робіт. Так, існують труднощі його ідентифікації, структура колагену, а також відповідно і його властивості, змінюються залежно від конкретного джерела його одержання (див., наприклад, ЕР 0681846). Серед інших недоліків матеріалів на основі колагену слід зазначити його високу вартість, складність виділення і обробки, схильність до заселення хвороботворними мікроорганізмами і неможливість парової стерилізації внаслідок денатурації при підвищених температурах, а також можливості імунних реакцій. Крім того, матеріали на основі колагену не посідають достатньої міцності, що є суттєвим недоліком особливо стосовно матеріалів для протезування кісткової тканини. В основу запропонованого нами винаходу поставлено задачу створити біосумісний з нативним оточенням гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини шляхом отримання просторово-зшитих синетичних співполімерних матриць на основі акрилових мономерів та іммобілізації в їх поровому просторі нанорозмірних частинок гідроксилапатиту та супутніх кальцієфосфатів, які стимулюють ріст нової кісткової тканини. Зшиті (спів)полімери (гідрогелі) на основі акрилових мономерів (насамперед, акриламіду) протягом значного проміжку часу широко використовуються для протезування м'яких тканин, перш за все, при мамопластиці [M. Gertsyuk, Y. Samchenko. Separation of Nonreacted Acrylamide from Polyacrylamide Gel for Endoprothesing//Ars Separatoria Acta.-2007. - № 5, P. 99-102]. Вказані імплантанти посідають високу біосумісність, еластичність, стабільність та стійкість форми, за консистенцією наближені до тканин людського організму, однак, їх міцність недостатня для протезуваня кісткової тканини. Значного збільшення міцності імплантантів на основі акриламіду вдається досягти шляхом їх співполімерізації з гідрофобними мономерами (наприклад, акрилонітрилом) та/або шляхом інкорпорації до їх порового простору твердих та міцних фосфатів кальцію, насамперед, гідроксилапатиту. Поставлене завдання вирішується шляхом отримання гідрогелевого кальцієфосфатнного нанокомпозиту для заміщення кісткової тканини, що містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатний (гідроксилапатитний) компонент при їх співвідношенні 1:0,10,6 та апірогенну воду і поєднує структурно-механічні та хімічні властивості, притаманні еластичній органічній матриці та твердій мінеральній компоненті, завдяки чому виявляється максимально наближеним до біогенної кісткової тканини. Гідрогелевий композит отримують шляхом радикальної (спів)полімерізації акрилових мономерів з одночасною інкорпорацією кальцієфосфатнних сполук. Саме такий метод синтезу забезпечує формування у порових нанокомірках гідрогелевих матриць стехіометричного нанорозмірного гідроксилапатиту, чи інших фосфатів кальцію (в залежності від концентрації кальцієфосфатнних прекурсорів). Синтез гідрогелевих композитів проводять в розчині або, при одержанні високодисперсних гідрогелевих порошків, в емульсії, шляхом радикальної (спів)полімеризації гідрофільних (акриламід, акрилова кислота, вінілпіролідон, тощо) та гідрофобних (акрилонітрил, метилакрилат, тощо) акрилових мономерів. Для проведення полімеризації застосовується хімічне ініціювання при кімнатній температурі з використанням окиснювально-відновної системи, наприклад, калію персульфат - натрію метабісульфіт. Утворення тривимірної сітки, що зумовлює механічні властивості гідрогелів, зумовлено співполімеризацією акрилових мономерів з біфункціональним зшиваючим мономером N, N'метилен-біс-акриламідом (МБА). Концентрація компонентів ініціюючої суміші підбирається таким чином, щоб термін протікання процесу гелеутворення не перевищував 1 години, а сам процес не супроводжувався надмірним розігрівом композиції. 2 UA 98888 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Одночасно з процесом гелеутворення проводять формування у міжпоровому просторі гідрогелевих матриць фосфатів кальцію, серед іншого, гідроксилапатиту. Вищесказане демонструється наступними прикладами виконання. Приклад 1 Для приготування гідрогелевого нанокомпозиту готують дві суміші реагентів (1 та 2), що включають: (1) акриламід - 0,8 г, акрилонітрил - 1,1 г; 0,7 мл 3 %-вого розчину N, N'-метилен-бісакриламіду (МБА); 0,8 мл 1 %-вого розчину персульфату калію (K2S2Og); 0,75 мл 3М розчину кальцій нітрату Ca(NO3)2; (2) 0,8 мл 2,5 %-вого розчину натрію метабісульфіту (Na2S2O5); 0,75 мл 1,8 М розчину амоній гідрофосфату [(NH4)2HPO4]. Суміш розчинів (2) додають до суміші (1) крапельним способом та перемішують. Для одержання пластин реакційну суміш заливають в простір між плоскопаралельними скляними пластинами з регульованою відстанню. Гелеутворення з одночасною мінералізацією проводять протягом 1 години. Після ретельного промивання дистильованою водою зразки витримують в 1 % розчині амоніаку протягом 1 години з наступним промиванням до зникнення лужної реакції. Отриманий гелевий нанокомпозит багаторазово (до 10 діб з двократною зміною води на добу) промивають апірогенною дистильованою водою при температурі 30-80 °C для забезпечення максимально повного відмивання непрореагованих залишків речовин. Ступінь відмивання контролюють з використанням УФ-спектроскопії або рідинної хроматографії. Отримані нанокомпозити упаковують та піддають паровій стерилізації. В результаті отримують нанокомпозит, що містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатний (гідроксилапатитний) компонент при їх співвідношенні 1:0,1 та апірогенну воду. Приклад 2 Для приготування гідрогелевого нанокомпозиту готують дві суміші реагентів (1 та 2), що включають: (1) акриламід - 1,5 г, акрилонітрил - 0,4 г; 0,7 мл 3 %-ого розчину N, N'-метилен-бісакриламіду (МБА); 0,8 мл 1 %-вого розчину персульфату калію (K2S2O8); 0,75 мл 8,35М розчину кальцій нітрату Ca(NO3)2; (2) 0,8 мл 2,5 %-вого розчину натрію метабісульфіту (Na2S2O5); 0,75 мл 5,0 М розчину амоній гідрофосфату [(NH4)2HPO4]. Суміш розчинів (2) додають до суміші (1) крапельним способом та перемішують. Для одержання пластин реакційну суміш заливають в простір між плоскопаралельними скляними пластинами з регульованою відстанню. Гелеутворення з одночасною мінералізацією проводять протягом 1 години. Після ретельного промивання дистильованою водою зразки витримують в 1 % розчині амоніаку протягом 1 години з наступним промиванням до зникнення лужної реакції. Отриманий гелевий нанокомпозит багаторазово (до 10 діб з двократною зміною води на добу) промивають апірогенною дистильованою водою при температурі 30-80 °C для забезпечення максимально повного відмивання непрореагованих залишків речовин. Ступінь відмивання контролюють з використанням УФ-спектроскопії або рідинної хроматографії. Отримані нанокомпозити упаковують та піддають паровій стерилізації. В результаті отримують нанокомпозит, що містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатнний (гідроксилапатитний) компонент при їх співвідношенні 1:0,33 та апірогенну воду. Приклад 3 Для приготування гідрогелевого нанокомпозиту готують дві суміші реагентів (1 та 2), що включають: (1) акриламід - 1,1 г, акрилонітрил - 0,8 г; 0,7 мл 3 %-ого розчину N, N'-метилен-бісакриламіду (МБА); 0,8 мл 1 %-вого розчину персульфату калію (K2S2O8); 1,35 мл ЗМ розчину кальцій нітрату Ca(NO3)2; (2) 0,8 мл 2,5 %-вого розчину натрію метабісульфіту (Na2S2O5); 1,35 мл 1,8 М розчину амонію гідрофосфату [(NH4)2HPO4]. Суміш розчинів (2) додають до суміші (1) крапельним способом та перемішують. Для одержання пластин реакційну суміш заливають в простір між плоскопаралельними скляними пластинами з регульованою відстанню. Гелеутворення з одночасною мінералізацією проводять протягом 1 години. Після ретельного промивання дистильованою водою зразки витримують в 1 % розчині амоніаку протягом 1 години з наступним промиванням до зникнення лужної реакції. Отриманий гелевий нанокомпозит багаторазово (до 10 діб з двократною зміною води на добу) промивають апірогенною дистильованою водою при температурі 30-80 °C для забезпечення максимально повного відмивання непрореагованих залишків речовин. Ступінь відмивання контролюють з використанням УФ-спектроскопії або рідинної хроматографії. Отримані нанокомпозити упаковують та піддають паровій стерилізації. 3 UA 98888 C2 5 10 15 20 25 В результаті отримують нанокомпозит, що містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатнний (гідроксилапатитний) компонент при їх співвідношенні 1:0,21 та апірогенну воду. Приклад 4 Для приготування гідрогелевого нанокомпозиту готують дві суміші реагентів (1 та 2), що включають: (1) акриламід - 1,1 г, акрилонітрил - 0.8 г; 0,7 мл 3 %-ого розчину N, N'-метилен-бісакриламіду (МБА); 0,2 мл 4 %-вого розчину персульфату калію (K2S2O8); 1,35 мл 8,35 М розчину кальцій нітрату Ca(NO3)2; (2) 0,2 мл 10 %-вого розчину натрію метабісульфіту (Na2S2O5); 1,35 мл 5,0 М розчину амонію гідрофосфату [(NH4)2HPO4]. Суміш розчинів (2) додають до суміші (1) крапельним способом та перемішують. Для одержання пластин реакційну суміш заливають в простір між плоскопаралельними скляними пластинами з регульованою відстанню. Гелеутворення з одночасною мінералізацією проводять протягом 1 години. Після ретельного промивання дистильованою водою зразки витримують в 1 % розчині амоніаку протягом 1 години з наступним промиванням до зникнення лужної реакції. Отриманий гелевий нанокомпозит багаторазово (до 10 діб з двократною зміною води на добу) промивають апірогенною дистильованою водою при температурі 30-80 °C для забезпечення максимально повного відмивання непрореагованих залишків речовин. Ступінь відмивання контролюють з використанням УФ-спектроскопії або рідинної хроматографії. Отримані нанокомпозити упаковують та піддають паровій стерилізації. В результаті отримують нанокомпозит, що містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатний (гідроксилапатитний) компонент при їх співвідношенні 1:0,6 та апірогенну воду. Таким чином, використання всіх істотних ознак, включаючи відмінні, дозволить здійснювати у порових нанокомірках гідрогелів формування нанокластерів фосфатів кальцію (гідроксилапатиту) зі стехіометрією та морфологією, наближеною до біогенного апатиту, з метою використання утвореного матеріалу, як біосумісного з кістковою тканиною біологічного об'єкта. 30 ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 35 40 45 50 55 1. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини, який відрізняється тим, що формування часток гідроксилапатиту та/або інших кальцієфосфатних сполук здійснюють у поровому просторі гідрогелевої матриці одночасно з її утворенням шляхом радикальної співполімеризації гідрофільних та гідрофобних акрилових мономерів, взятих при їх мольному співвідношенні 1:0,5-100, з біфункціональним зшиваючим мономером N,N'-метиленбісакриламідом (МБА), а вказаний нанокомпозит містить зшитий акриловий співполімер та кальцієфосфатний (гідроксилапатитний) нанокомпонент при їх співвідношенні від 1:0,1 до 1:0,6 та апірогенну воду. 2. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини за п. 1, який відрізняється тим, що він синтезований шляхом радикальної співполімеризації акриламіду та акрилонітрилу. 3. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини за п. 1, який відрізняється тим, що він синтезований у вигляді пластин з довільною геометрією з товщиною від 0,5 мм до 10 мм. 4. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит для заміщення кісткової тканини за п. 1, який відрізняється тим, що він синтезований у вигляді високодисперсного порошку з розміром частинок від 0,01 мм до 1,5 мм. 5. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит за п. 1, який відрізняється тим, що гідроксилапатит та кальцієфосфатні сполуки знаходяться у вигляді наночастинок з розміром до 100 нм з характерною високою реакційною здатністю, а полімерна матриця створює умови для їх стабілізації та фіксації в ураженій ділянці кістки. 6. Гідрогелевий кальцієфосфатний нанокомпозит за п. 1, який відрізняється тим, що не містить токсичних сполук та витримує парову стерилізацію. Комп’ютерна верстка Л. Ціхановська Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4