ПОСТ-ЗАГРУЗКА ПОКРЫТЫХ ЦЕОЛИТОМ ПЛАСТИКОВ АНТИМИКРОБНЫМИ ИОНАМИ МЕТАЛЛОВ
POST-LOADING OF ZEOLITE-COVERED PLASTICS WITH ANTIMICROBIAL METAL IONS

Настоящая заявка испрашивает приоритет временной заявки на патент США под серийным № 61/264289, поданной 25 ноября 2009 г., и временной заявки на патент США под серийным № 61/300631, поданной 2 февраля 2010 г., описания которых включены в настоящую заявку.
ПРЕДПОСЫЛКИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Имплантируемые медицинские устройства имплантируются в организм по различным причинам, включая ортопедические показания (например, протезирование тазобедренного сустава, процедуры на позвоночнике, протезирование коленного сустава, репарация костных переломов и т.д.). Ввиду требований структурной целостности таких устройств, материалы для их изготовления ограничены и обычно включают металл, пластик и композитные материалы.
Staphylococcus epidermidis
Staphylococcus aureus
Staphylococcus aureus
Выгоды, полученные при использовании указанных устройств, часто сводятся на нет инфекцией, которая может привести к сепсису и смерти. Самыми распространенными микроорганизмами, вызывающими инфекции, являются  и . Проблемы также вызывают другие грамположительные бактерии, грамотрицательные бактерии и грибковые микроорганизмы. Особое беспокойство вызывает устойчивый к метициллину  (MRSA), тип стафилококковых бактерий, которые устойчивы ко многим антибиотикам. В результате, инфекции MRSA труднее лечить, чем обычные стафилококковые инфекции, и они стали серьезной проблемой.
Многие патогенные бактерии могут образовывать на биоинженерных имплантатах многоклеточные покрытия, называемые биопленками. Биопленки могут содействовать пролиферации и передаче микроорганизмов обеспечением устойчивой защитной среды. Данные биопленки, при достаточном развитии, могут диссеминировать бактериальные планктонные потоки, которые могут привести к широкой системной инфекции.
Биоинженерные материалы действуют в качестве превосходных хозяев для образования бактериальных биопленок. Иногда (сам имплантат несет инфицирующий организм) на имплантатах развиваются очень цепкие биопленки, образованные обсеменением инфицирующими микроорганизмами. Когда это происходит, то обычно имплантат необходимо удалить, пациента необходимо лечить длительным курсом одного или более антибиотиков для излечения инфекции, и затем повторно имплантировать новый имплантат. Очевидно, что это подвергает пациента дополнительной травме и боли и является очень дорогостоящей процедурой.
Соответственно, много исследований было посвящено предотвращению колонизации бактериальных и грибковых организмов на поверхностях ортопедических имплантатов применением антимикробных средств, таких как антибиотики, связанные с поверхностью материалов, используемых в таких устройствах. Например, серебро представляет собой мощный, естественный антибиотик и профилактическим средством против инфекций. Действуя в качестве катализатора, оно инактивирует фермент, в котором одноклеточные бактерии, вирусы и грибы нуждаются для их кислородного метаболизма. Они задыхаются без соответствующего вреда, наносимого ферментам человека, или частям биохимической системы человеческого организма. В результате происходит разрушение болезнетворного организма в теле. Серебро разрушает бактериальные мембраны, межмембранные ферменты и транскрипцию ДНК.
Керамика, такая как цеолит, функционирует в качестве катионной клетки, способной загружаться серебром и другими катионами, обладающими антимикробными свойствами. Цеолиты, модифицированные катионами металлов, могут использоваться в качестве антимикробного агента, например, смешиванием со смолами, используемыми в качестве термопластичных материалов для изготовления имплантируемых устройств, или в качестве покрытий, подлежащих нанесению на устройства; см., например, патент США № 6582715, описание которого включено в настоящую патентную заявку путем ссылки. Антимикробные цеолиты металлов могут быть получены замещением всех или части ионообмениваемых ионов в цеолите ионами аммония и ионами антимикробных металлов. Предпочтительно, замещаются не все ионообмениваемые ионы.
Одной конкретной термопластичной смолой, которая, как было обнаружено, может использоваться в качестве имплантата, является полиэфирэфиркетон (PEEK). PEEK подходит, потому что его модуль близко соответствует модулю кости. В условиях высокой температуры и высокого усилия сдвига возможно включение цеолита, такого как цеолит, содержащий атомы серебра, в PEEK, например, смешиванием покрытых металлом цеолитов с расплавленным PEEK (точка плавления от 300 до 400°C), с последующей формовкой и обработкой композитной смеси. Чистый PEEK очень светло-коричневый, а серебряный цеолит белый. Однако нагретый расплав после обработки приобретает темно-коричневый цвет. Причины проявления цвета могут включать окисление некоторой части серебра в оксиды серебра, которые могут быть менее растворимыми и менее эффективными, чем катион чистого серебра, сцепленный с клеткой цеолита. Металлическое серебро может иметь каталитические свойства и может вызвать распад и частичное разрушение полимера PEEK. Сорта PEEK, утвержденные для имплантации, являются очень чистыми и инертными и должны пройти строгое тестирование цитотоксичности перед разрешением их имплантации млекопитающим.
Набор 10993 ISO (Международной организации стандартов) включает серию стандартов для оценки биосовместимости медицинского устройства перед клиническим исследованием. Данным документам предшествовало трехстороннее соглашение, и они являются частью унификации оценки безопасного использования медицинских устройств. Указанные стандарты включают:
- ISO 10993-1:2003 биологическая оценка медицинских устройств, часть 1: оценка и тестирование
- ISO 10993-2:2006 биологическая оценка медицинских устройств, часть 2: требования благополучия животных
- ISO 10993-3:2003 биологическая оценка медицинских устройств, часть 3: тесты на генотоксичность, канцерогенность и токсическое действие на репродуктивную функцию
- ISO 10993-4:2002/изменено 1:2006 биологическая оценка медицинских устройств, часть 4: выбор тестов на взаимодействие с кровью
- ISO 10993-5:2009 биологическая оценка медицинских устройств, часть 5: тесты на цитотоксичность in vitro
- ISO 10993-6:2007 биологическая оценка медицинских устройств, часть 6: тесты на местные эффекты после имплантации
- ISO 10993-7:1995 биологическая оценка медицинских устройств, часть 7: остатки патогенов после стерилизации этиленоксидом
- ISO 10993-8:2001 биологическая оценка медицинских устройств, часть 8: раздел контрольных материалов
- ISO 10993-9:1999 биологическая оценка медицинских устройств, часть 9: критерии для идентификации и корличественного определения возможных продуктов распада
- ISO 10993-10: 2002/изменено 1:2006 биологическая оценка медицинских устройств часть 10: тесты на раздражение и гиперчувствительности замедленного типа
- ISO 10993-11:2006 биологическая оценка медицинских устройств, часть 11: тесты на системную токсичность
- ISO 10993-12:2007 биологическая оценка медицинских устройств, часть 12: получение образца и контрольных материалов (доступно только на английском языке)
- ISO 10993-13:1998 биологическая оценка медицинских устройств, часть 13: идентификация и количественное определение продуктов распада из полимерных медицинских устройств
- ISO 10993-14:2001 биологическая оценка медицинских устройств, часть 14: идентификация и количественное определение продуктов распада из керамики
- ISO 10993-15:2000 биологическая оценка медицинских устройств, часть 15: идентификация и количественное определение продуктов распада из металлов и сплавов
- ISO 10993-16:1997 биологическая оценка медицинских устройств, часть 16: структура токсикокинетического исследования для выявления продуктов распада и выщелачиваемых веществ
- ISO 10993-17:2002 биологическая оценка медицинских устройств, часть 17: установление допустимых пределов выщелачиваемых веществ
- ISO 10993-18:2005 биологическая оценка медицинских устройств, часть 18: химическая характеристика материалов
- ISO/TS 10993-19:2006 биологическая оценка медицинских устройств, часть 19: физико-химическая, морфологическая и топографическая характеристика материалов
- ISO/TS 10993-20:2006 биологическая оценка медицинских устройств, часть 20: принципы и методы иммунотоксикологического тестирования медицинских устройств
Существует возможность того, что реакции, катализируемые серебром при включении серебряного цеолита в PEEK, при высокой температуре могут генерировать токсические материалы, которые могут вызвать неспособность продукта пройти указанные тесты. Кроме того, при указанных высоких температурах обработки, цеолит с введенным в него металлом может высвобождать влагу, если он не является крайне сухим. Эта влага может вызвать образование пустот в расплаве полимера и может способствовать разрушению полимера PEEK и окислению металлов, таких как серебро, медь и/или цинк, включенных в цеолитный антимикробный материал. Хотя присутствие пустот может быть не критичным, отсутствие пустот имеет решающее значение для видов применения, связанных с воздействием нагрузок, таких как репарация позвоночника.
Если процесс включения цеолита с введенным в него металлом проводится на воздухе, может происходить выраженное окисление по мере подъема температуры, и влага и кислород вступают в контакт с ионами металла. Серебро быстро потемнеет, приобретая темно-коричневый или черный цвет. Также, включение в полимер PEEK значительных количеств цеолитов с введенными в них металлами может воздействовать на вязкость и реологию композиции.
Соответственно, для снижения роста бактерий и риска инфекции, было бы желательно предоставить медицинские устройства с высокой антимикробной активностью, которые не имеют указанных выше недостатков.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩНОСТИ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Недостатки предшествующего уровня техники были преодолены описанными в настоящей заявке вариантами осуществления, которые относятся к устройствам, таким как хирургические имплантаты, обладающим антимикробными свойствами, обеспечиваемыми неорганическим антимикробным средством, и к способам пост-загрузки керамических частиц антимикробными катионами металлов после того как керамический материал включен в пластик, и ему предпочтительно предоставлена возможность охладиться и подвергнуться отверждению в его конечную форму, которая может быть достигнута инжекционной формовкой или резкой и станочной обработкой. В определенных вариантах осуществления, устройства представляют собой ортопедические имплантаты. В определенных вариантах осуществления, антимикробное средство представляет собой вид керамического материала, предпочтительно, цеолит с введенным в него металлом. В определенных вариантах осуществления, устройство включает полимер. В определенных вариантах осуществления, полимер представляет собой полиарилэфирэфиркетон (PEEK). В определенных вариантах осуществления, источник антимикробной активности включает ионообмениваемые катионы, содержащиеся в цеолите. В определенных вариантах осуществления, описаны способы придания антимикробной активности устройствам путем регулирования доставки определенных катионов посредством ионного обмена через цеолит, включенный в устройство, введенное в организм пациента. В определенных вариантах осуществления, катион металла присутствует на уровне ниже способности ионного обмена, по меньшей мере, в части частиц цеолита.
E. coli
Staphylococcus aureus
В определенных вариантах осуществления, цеолит включен в устройство, и цеолит с подвергаемой воздействию среды поверхностью заряжается ионами металла из одного или более водных растворов в качестве источника одного или более ионов металлов. Устройство вводится в тело хирургическим путем. Скорость высвобождения регулируется степенью загрузки PEEK цеолитом и степенью, в которой подвергающийся воздействию среды цеолит заряжен ионами металлов. Концентрация электролитов в крови и биологических жидкостях является относительно постоянной и вызывает обмен ионов, таких как серебро, медь и цинк и т.д. с поверхности имплантата, которые деактивируют или уничтожают грамположительные и грамотрицательные организмы, включая  и . Эффективная борьба с микробами (например, уменьшение содержания микроорганизмов на шесть логарифмов) достигается даже при низких концентрациях металла, равных 40 мг/тонну. При рентгеновском исследовании сохранялась рентгеноконтрастность.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
Варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, относятся к применению керамики, предпочтительно цеолитов, в качестве катионной клетки в комбинации с медицинскими имплантатами для доставки и дозирования одного или более антимикробных катионов. Подходящие катионы включают ионы серебра, меди, цинка, ртути, олова, свинца, золота, висмута, кадмия, хрома, и таллия, причем предпочтительны серебро, цинк и/или медь, и особенно предпочтительно серебро.
2/n
2
3
2
2
Или натуральные цеолиты, или синтетические цеолиты могут использоваться для получения цеолитов, используемых в вариантах осуществления, описанных в настоящей заявке. «Цеолит» представляет собой алюмосиликат, имеющий двумерную скелетную структуру, которая представлена формулой: ΧΜΟ·AlO·YSiO·ZHO, где M представляет ионообмениваемый ион, в целом ион одновалентного или двухвалентного металла, n представляет атомную валентность иона (металла), X и Y представляют коэффициенты соответственно оксида металла и диоксида кремния, и Z представляет число центров кристаллизации воды. Примеры таких цеолитов включают цеолиты типа A, цеолиты типа X, цеолиты типа Y, цеолиты типа T, цеолиты с высоким содержанием диоксида кремния, содалит, морденит, анальцит, клиноптилолит, хабазит и эрионит.
Цеолиты могут быть включены в основной компонент с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации диапазона полимеров. Для конечного включения в PEEK, основной компонент с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации должны быть получены включением обычно примерно 20% цеолита. При получении в данной форме, гранулы основного компонента с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации PEEK, содержащие частицы цеолита, могут далее восстанавливаться смешиванием с более необработанным PEEK при более высокой температуре и в условиях высокого усилия сдвига. Если бы металл присутствовал в цеолите, то это привело бы еще ко второму воздействию условий, которые могут вызвать порчу продукта.
Другие подходящие смолы включают полиэтилен низкой плотности, полипропилен или полистирол, поливинилхлорид, стирольные смолы АБС, силиконы, каучук и их смеси, и армированные смолы, такие как керамические или армированные углеродными волокнами смолы, в частности армированный углеродными волокнами PEEK. Последний может быть получен диспергированием армирующего материала или материалов (например, углеродных волокон) в полимерной матрице, например, компаундированием в двухчервячном экструдере имплантируемого полимера PEEK с углеродными волокнами. Полученный продукт, армированный углеродными волокнами, может использоваться для направления конечных устройств инжекционной формовки и почти чистых форм, или он может быть подвергнут экструзии в исходные формы для станочной обработки. Включение волокон или другого подходящего армирующего материала обеспечивает высокую устойчивость к сдвигу, модуль Юнга 12 ГПа (соответствующий модулю кортикальной кости) и обеспечивает достаточную прочность для возможности его использования в очень тонких конструкциях имплантатов, которые более эффективно распределяют напряжение на кость. Количество армирующего материала, такого как углеродное волокно, включенное в смолу, такую как PEEK, может варьироваться с тем, чтобы модифицировать модуль Юнга и прочность на изгиб. Одно подходящее количество составляет 30% масс. углеродных волокон. Смолы могут быть также получены пористыми, такими как пористые PEEK, PAEK (полиарилэфиркетон) и PEKK (полиэфиркетон), с подходящими величинами пористости, включающими величины пористости от 50% до 85% по объему. Средний размер пор в целом больше чем 180 мкм в диаметре, возможно, от примерно 300 до примерно 700 мкм. Пористость может быть придана с использованием образующего поры агента, такого как хлорид натрия, для создания пористого полимера, включающего множество взаимно соединенных пор, способами, известными в данной области. Каждая из указанных выше смол может составляться для содержания подходящих количеств частиц цеолита, обычно, примерно 20% масс. Для устройств имплантатов предпочтителен UHMWPE (полиэтилен сверхвысокой молекулярной массы).
Типичные количества частиц цеолита, включенных в смолу имплантата, находятся в диапазоне от 0,01 до 50% масс., предпочтительнее, от 0,01 до 8,0% масс., наиболее предпочтительно, от 0,1 до 5,0% масс. Если имплантат покрыт покрытием или смолой, которая загружена цеолитом, покрытие должно наноситься и сушиться или подвергаться отверждению перед проведением настаивания. Способ, используемый для покрытия имплантата, конкретно не ограничивается и может включать напыление, окрашивание или погружение. При компаундировании, например, в основной компонент с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации, представляющий собой PEEK, PEEK должен быть защищен от источников влаги и загрязнения перед восстановлением необработанной смолы. Компаундирование может проводиться смешиванием расплавленного основного компонента с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации и разбавленной смолы в условиях высокой температуры и высокого усилия сдвига.
Основной компонент с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации представляет собой концентрированную инкапсулированную во время процесса нагревания в смолу-носитель смесь пигментов и/или добавок (например, порошка цеолита), которая затем охлаждается и разрезается в гранулярную форму. Использование основного компонента с компаундирующими ингредиентами повышенной концентрации позволяет переработчику экономично и просто вводить добавки к необработанному полимеру (разбавленной смоле) во время процесса изготовления пластиков.
В соответствии с определенными вариантами осуществления, более чистый и более устойчивый продукт может быть получен загрузкой полимера чистым цеолитом (например, цеолитом, который еще не загружен антимикробными ионами металла или который лишь частично загружен), таким как цеолит типа X, выпускаемый компанией W.R. Grace & Co.-Conn., который способен нести такой груз катионного иона металла, как Ag+, Cu++, Cu+ или Zn+, и в последующем загружать (например, охлажденную до температуры примерно от 0 до 100°C, предпочтительно, примерно до комнатной температуры) поверхность содержащего цеолит ионами металла из источника ионов металла, такого как водный раствор ионов металла, такой как нитрат серебра, нитрат меди и нитрат цинка, отдельно или в комбинации. Охлаждение до более низких температур обеспечивает более медленные скорости загрузки, но более высокую устойчивость. Загрузка даже при более высоких температурах может проводиться с более высокой скоростью поддержанием системы под давлением, например, в скороварке или автоклаве. Содержание ионов можно контролировать регулировкой концентрации каждого вида ионов (или соли) в растворе.
Путем включения катиона металла в цеолит после включения цеолита в полимерную смолу, окисление ионов металлов снижается или устраняется. Специалистам в данной области понятно, что вместо или в дополнение к нитратам, могут использоваться солевые растворы других ионов металлов, такие как ацетаты, бензоаты, карбонаты, оксиды и т.д. Добавление азотной кислоты к раствору для настаивания также может быть выгодным тем, что она может протравливать поверхность имплантата, обеспечивая дополнительную площадь поверхности для ионного обмена.
Поскольку PEEK восприимчив к растворению сильными окисляющими кислотами, следует предпринимать меры предосторожности во избежание использования слишком высокой концентрации кислоты, что может привести к высвобождению металла с частицами цеолита с поверхности. PEEK очень устойчив и непроницаем для воды и биологических жидкостей. В результате, ожидается, что диспергированные в PEEK ионы металлов, которые включены в клетку цеолита, элюируются только, когда клетка подвергается воздействию окружающей среды на поверхности полимера. По данной причине, возможно поствключение, по меньшей мере, такого количества доступных ионов металла постобработкой из раствора, которое было бы доступно из металла в цеолите, включенного в горячую смесь. Действительно, ожидается, что доступность ионов металла из поствключенной системы будет значительно выше, поскольку ионы металлов будут чистыми и не подвергавшимися термическому окислению или реакциям с полимером при высокой температуре.
Количество ионов металла в цеолите должно быть достаточным с тем, чтобы они присутствовали в антимикробном эффективном количестве. Например, подходящие количества могут находиться в диапазоне от примерно 0,1 до примерно 20 или 30% открытого для воздействия окружающей среды цеолита (масс./масс. %). Данные уровни могут быть определены полной экстракцией и определением концентрации ионов металла в экстракционном растворе атомной абсорбцией.
Предпочтительно, полученные обменом ионов антимикробные катионы металлов присутствует на уровне, меньшем чем емкость ионного обмена керамических частиц. Количество ионов аммония является предпочтительно ограниченным для образования от примерно 0,5 до примерно 15% масс., предпочтительнее, от 1,5 до 5% масс. Для видов применения, где прочность не имеет решающего значения, может быть принята загрузка цеолита, достигающая 50%. При таких загрузках, ионы металла могут достаточно проникать под поверхностный слой вследствие контакта между частицами, и возможны гораздо большие загрузки ионов металла.
Количество цеолита, включенное в смолу, должно также представлять собой количество, эффективное для содействия антимикробной активности; например, достаточное количество для того, чтобы предотвратить или ингибировать рост бактериальных и/или грибковых организмов или, предпочтительно, для их уничтожения. Подходящие количества цеолита в смоле находятся в диапазоне примерно от 0,01 до 50,0% масс., предпочтительнее, примерно от 0,01 до 8,0% масс., наиболее предпочтительно, от примерно 0,1 до примерно 5,0% масс.
Абсорбция ионов металла в синтетические цеолиты или натуральные цеолиты в водной дисперсии или загруженные в полимер, может проводиться из растворов солей металлов. Скорости абсорбции пропорциональны доступной площади поверхности, концентрации ионов металла в растворе и температуре. По мере увеличения концентрации металла, абсорбированного цеолитом, скорость будет снижаться. Когда скорость абсорбции достигает скорости высвобождения, то достигается равновесие при данной концентрации раствора. Более высокая концентрация в растворе может стимулировать более высокую загрузку. Загруженный цеолит может промываться деионизированной водой для полного удаления сцепленного с цеолитом раствора ионов металла. Целью является наличие только подвергнутых обмену ионов катионов металла, прикрепленных к клетке, и они могут быть удалены только ионным обменом, а не деионизированной водой.
Самыми полезными ионами для включения с целью высвобождения в ортопедические имплантаты являются ионы серебра, меди и цинка. Все три иона обладают антимикробными свойствами, причем самым активным является серебро. Могут также быть синергии между металлами с точки зрения антимикробной активности. Например, если у микроорганизма развивается устойчивость к одному виду металла, он все же вполне может быть уничтожен одним из других ионов металлов. Ионы меди и цинка также выполняют другие функции при заживлении ран и репарации и росте костей.
Например, композит цеолита PEEK может загружаться обеспечением контакта материала с водным смешанным раствором, содержащим ионы аммония и антимикробные ионы металлов, таких как серебро, медь, цинк и т.д. Наиболее подходящими температурами, при которых может проводиться настаивание, находятся в диапазоне от 5°C до 75°C, но могут также использоваться более высокие температуры, даже выше 100°C, если реакционный сосуды удерживается под давлением. Более высокие температуры проявляют увеличенные скорости настаивания, но более низкие температуры могут в конечном счете создавать более однородные и более высокие загрузки. pH раствора для настаивания может находиться в диапазоне от примерно 2 до примерно 11, но, предпочтительно, составляет от примерно 4 до примерно 7.
Подходящие источники ионов аммония включают нитрат аммония, сульфат аммония и ацетат аммония. Подходящие источники антимикробных ионов металлов включают: источник ионов серебра, такой как нитрат серебра, сульфат серебра, перхлорат серебра, ацетат серебра, диамин нитрат серебра; источник ионов меди, такой как нитрат меди(II), сульфат меди, перхлорат меди, ацетат меди, тетрациано-медь-калий; источник иона цинка, такой как нитрат цинка(II), сульфат цинка, перхлорат цинка, ацетат цинка и тиоцианат цинка.
Ниже приводятся иллюстративные примеры растворов для настаивания, но эффективен широкий диапазон концентраций и соотношений.
<b>Раствор для настаивания A</b>
Компонент
Композиция (масс./масс.)
Гидроксид аммония
2,0
Нитрат серебра
1,2
Очищенная вода
96,8
pH может доводиться кислотой, такой как лимонная кислота или азотная кислота
Всего
100
<b>Раствор для настаивания B</b>
Компонент
Композиция (масс./масс.)
Гидроксид аммония
2,0
Нитрат меди
5,0
Очищенная вода
93,0
pH может доводиться кислотой, такой как лимонная кислота или азотная кислота
Всего
100
<b>Раствор для настаивания C</b>
Компонент
Композиция (масс./масс.)
Гидроксид аммония
2,0
Нитрат цинка
7,0
Очищенная вода
91,0
pH может доводиться кислотой, такой как лимонная кислота или азотная кислота
Всего
100
<b>Раствор для настаивания D</b>
Компонент
Композиция (масс./масс.)
Гидроксид аммония
2,0
Нитрат серебра
0,5
Нитрат меди
2,0
Нитрат цинка
2,5
Очищенная вода
93,0
pH может доводиться кислотой, такой как лимонная кислота или азотная кислота
Всего
100
Поскольку имеется хрупкое равновесие между концентрациями серебра, цинка и меди при метаболизме для оптимального заживления, то преимущество настоящего способа состоит в том, что он обеспечивает легкий способ точного регулирования относительных концентраций ионов отдельных металлов. Оптимальные соотношения могут быть достигнуты путем варьирования концентраций солей ионов различных металлов для загрузки в соответствующих соотношениях и последующего высвобождения в соответствующих соотношениях и скоростях.
Величины скорости высвобождения ионов металлов в солевой раствор с фосфатным буфером или, например, 0,8% раствор нитрата натрия могут быть количественно определены спектроскопией с индуктивно связанной плазмой ICP, или спектроскопией методом атомной абсорбции в графитовой печи.
При «лестничном» исследовании указанные результаты могут быть использованы для оптимизации скоростей элюирования. Поскольку ионы металлов никогда не подвергаются воздействию высокой температуры, ионы, сцепленные с цеолитом и элюируемые из него, будут представлять собой чистые катионы металлов.
Другое преимущество настоящего способа заключается в том, что количество металла, включенного в имплантат, будет ограничено именно тем, что включено в поверхностный слой. С точки зрения затрат и безопасности, это лучшее решение.
Способ будет эффективен независимо от того, получены ли имплантаты инжекционной формовкой или обработкой на станке для достижения конечных размеров имплантата.
Хотя способ больше всего применим к полимерам с высокой точкой плавления, таких как PEEK, его можно также эффективно использовать для полимеров с более низкими точками плавления, которые используются при широком диапазоне видов применения в ортопедии. Например, HDPE (полиэтилен высокой плотности) используется в определенных элементах трансплантатов тазобедренного и коленного суставов.
Способ постзагрузки также целесообразен для термоотвержденных смол, таких как полиэфиры, эпоксиды и уретаны и т.д.
Данный подход избегает контакта ионов серебра с реагентами, реактивными промежуточными соединениями и катализаторами, которые образуют готовый полимер.
Варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, применимы для получения самостерилизующихся пластиковых тканей и пленки. Такие материалы могут использоваться для производства раневых перевязочных материалов для широкой сферы видов применения.
m

Лицевые маски, которые элюируют серебро, медь и цинк, используются для обеспечения длительной борьбы с микроорганизмами, которые могут вдыхаться в медицинском учреждении или все чаще в случае возможной пандемии. Подходящие подложки для таких устройств включают полиэтилен (PE), полипропилен (PP), полиэтилентерефталат (PET), PCT, PETG (PET, типа G), сополимер PET и сополиэфиры в целом, стирол, политриметилентерфталат (PTT)3GT, Halar, полиамид 6 или 6,6, и т.д., см. патенты США №№ 6946196 и 6723428, выданные компании Foss manufacturing, описания которых включены в настоящую заявку путем ссылки.
Другие виды применения, где используются самостерилизующиеся ткани, входят в объем вариантов осуществления, описанных в настоящей заявке.
Когда материал подвергается воздействию внешней среды или погружается в жидкие среды, то истощенный цеолит можно снова загрузить антимикробными ионами металлов.
Возможна загрузка полимера чистым цеолитом, подвергнуть полимер экструзии в волокна и провести постзагрузку материала антимикробными ионами металлов таким же образом, как описано для хирургических имплантатов.
Хотя варианты осуществления, описанные в настоящей заявке, сосредоточены на ортопедических имплантатах, специалистам в данной области понятно, что изобретение может применяться в гораздо более широком диапазоне видов применения, таких как зубные щетки, дверные ручки, компоненты компьютерной мыши и клавиатуры, ручки ножей и доски для резки, хирургические инструменты, компоненты поверхностей телефонов, сосуды для литья воды, контейнеры для хранения пищевых продуктов и полимеры для получения самостерилизующейся одежды и самостерилизующихся лицевых масок.
Пример 1
Ионообменный цеолит, натуральный или синтетический, такой как цеолит типа A или типа X, имеющиеся в продаже от компании W.R. Grace & Co.-Conn., или эквивалент, включен в PEEK. Обычные количества частиц цеолита, включенных в смолу имплантата, находятся в диапазоне от 0,01 до 10% масс., предпочтительнее, от 0,01 до 8,0% масс., наиболее предпочтительно, от 0,1 до 5,0% масс. Способ, используемый для покрытия имплантата, конкретно не ограничивается и может включать напыление, окрашивание или погружение. Например, при компаундировании в PEEK, композит PEEK должен быть защищен от источников влаги и загрязнения. Компаундирование может проводиться смешиванием.
Примерно 5% масс. порошка цеолита тщательно смешивают с порошкообразным или гранулированным PEEK. Смесь нагревают и перерабатывают при 400°C, используя высокий сдвиг. Цеолит и PEEK должны быть сухими перед переработкой для минимизации разрушения и образования пустот в продукте.
Данная система, содержащая цеолит без добавленных ионов серебра, не проявляет прогрессирующее появление цвета и потемнение, которое наблюдается в системах, содержащих серебро.
Считают, что проявление темного цвета в системах содержащего серебро цеолита вызвано образованием оксида серебра и разрушением полимера.
Материал перерабатывают, как описано выше, и он может формироваться в гранулы для дальнейшей переработки, отливаться в блоки, подвергаться экструзии в стержни или инжекционной формовке в конечные желательные профили.
Материалы в виде блоков и стержней могут подвергаться станочной переработке в профили, которые подходят для использования в качестве ортопедических имплантатов или других конструкций, где находит применение антимикробный PEEK. Имплантаты могут быть сконструированы для обеспечения увеличенной площади поверхности наличием пазов, вырезанных в поверхностях, или получением продуктов с отверстиями в корпусе деталей. Площадь поверхности может, кроме того, быть увеличена текстурированием песком или пескоструйной обработкой поверхностей.
Пример 2
Загрузка готовых деталей антимикробными ионами металлов
Готовые детали, полученные как описано в примере 1, погружают в раствор для настаивания с целью загрузки деталей антимикробными ионами металлов.
Типичный раствор для настаивания получают добавлением 2% нитрата серебра, 5% тринитрогидрата меди и 1% азотной кислоты к очищенной воде.
Компонент
Композиция (масс./масс.)
Нитрат серебра
2
Тринитрогидрат меди
5
Азотная кислота
1
Очищенная вода
92
Всего
100
Готовые детали поддерживают или дают возможность свободно перемещаться в растворе для настаивания. Раствор следует перемешивать для усиления диффузии ионов к поверхности композита и от нее. Желательно проводить процесс настаивания в темноте для минимизации фотоокисления серебра в растворе. Это может осуществляться в лабораторном масштабе помещением непрозрачной крышки, такой как консервная банка, на химический стакан, в котором настаиваются детали.
Скорость настаивания зависит от нескольких переменных величин. При нормальных температурах, 90 минут являются достаточным временем для эффективной загрузки поверхностей ионами металлов. Процессу настаивания может быть предоставлена возможность протекать в течение 24 часов или более для максимизации загрузки антимикробным металлом. Скорость и степень загрузки зависит от нескольких переменных величин, включая концентрацию раствора, композицию раствора (соотношения ионов металлов), температуры раствора и скорости перемешивания.
Должна быть возможна загрузка ионами металлов подверженного воздействию окружающей среды цеолита до уровня 40% масс.
Когда настаивание завершено или проводится до желательных уровней, то детали удаляют из раствора для настаивания и трижды промывают очищенной водой. Они могут затем сушиться в потоке горячего воздуха или в печи или эксикаторе и т.д.
Мерой антимикробной активности изделия является высвобождение антимикробного металла (например, серебра) из наружной поверхности изделия. Высвобождение металла может быть измерено как количество антимикробного металла, высвобождаемое из наружной поверхности образца размером 2 дюйма на 2 дюйма (0,05×0,05 м или 5×5 см). Обеспечивается контакт подлежащей тестированию наружной поверхности образца с раствором нитрата натрия (40 мл 0,8% нитрата натрия) в течение 24 часов при комнатной температуре (т.е. 25°C) для образования тестового раствора. Затем тестовый раствор анализируют для измерения количества антимикробного металла в тестовом растворе в частях на миллиард и, таким образом, воздействия неорганического антимикробного агента на поверхности изделия. Количество антимикробного металла в тестовом растворе может затем измеряться с использованием спектрофотометра для определения атомной абсорбции в графитовой печи или ICP. Для изделия, включающего 2,0 процента по массе (% масс.) неорганического антимикробного агента на основании массы изделия или слоя многослойного изделия, и где неорганический антимикробный агент содержит 2,0% масс. антимикробного металла на основании общей массы неорганического антимикробного агента, наружная поверхность имеет высвобождение антимикробного металла более чем или равное примерно 10 частям на миллиард (ч. млрд), предпочтительно, более чем или равное примерно 20 ч. млрд, предпочтительнее, более чем или равное примерно 30 ч. млрд, и наиболее предпочтительно, более чем или равное примерно 40 ч. млрд.