СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННОГО СКЭФФОЛДА ДЛЯ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ДЕФЕКТОВ КОСТНОЙ ТКАНИ
METHOD FOR OBTAINING OF COMPOSITE SCAFFOLD FOR BONE TISSUE DEFECTS RESTORATION

Изобретение относится к медицине, а именно к композиционным фосфоросодержащим материалам, диспергированным в матрицу высокомолекулярного материала, и может быть использовано в качестве остеозамещающего средства для восстановления дефектов костной ткани в челюстно-лицевой хирургии, ортопедии и травматологии.
Известен способ получения биорезорбируемой матрицы (скэффолда) [RU 2353397 С2, МПК A61L 27/24 (2006.01), опубл. 27.04.2009], состоящей из нативного нееконструированного коллагена I типа, полученной путем обработки кожи животного, водой, водно-щелочным раствором, содержащим гидроксид натрия, калий дигидрофосфат и водный или безводный тетраборнокислый натрий, при температуре от 1 до 10°С, водным раствором сульфата натрия и гидроксида натрия с последующей обработкой дермы животного водным раствором сульфата натрия и водным раствором борной кислоты, при этом на третьей, четвертой и пятой стадиях осуществляли при периодическом взбалтывании раствора и охлаждении до температуры от 1 до 10°С. После каждой из стадий со второй по пятую осуществляли промывку дермы водой до достижения нейтрального значения рН промывных вод.
Источником материала скэффолда служит кожа животного, что вызывает риск возникновения иммунного отторжения ксенографта организмом реципиента. При удалении антигенов, вызывающих иммунное отторжение, путем химической обработки происходит разрушение целостности внеклеточного матрикса ткани, повреждая структурную стабильность, тем самым делая материал непригодным ввиду низкой механической прочности скэффолда [A.J. Ruys. Biomimetic Biomaterials: Structure and Applications. Woodhead Publ. Ser. Biomater., 2013, p. 344].
Известен способ получения композиционных рассасывающихся материалов на основе хитозана и полилактида [RU 2540468 С2, МПК (2006.01) A61L 15/62, A61L 15/28, C08F 251/00, опубл. 10.02.2015], включающий приготовление разбавленного раствора хитозана в минеральной или органической кислоте и приготовление раствора полилактида в одном или нескольких органических растворителях, при этом в раствор хитозана добавляют от 10 до 50% раствора полилактида от массы хитозана при непрерывном перемешивании, полученную смесь подвергают ультразвуковой обработке до получения блок-сополимера хитозана с полилактидом.
Использование только смеси полимеров для формирования матрицы является недостаточным, так как требуется введение дополнительных маркеров, стимулирующих дифференцировку клеточных культур в сторону костной ткани.
Известен способ получения пористых гранул на основе карбоната кальция и гидроксиапатита и/или карбонатгидроксиапатита для заполнения костных дефектов при реконструктивно-пластических операциях [RU 2555348 С1, МПК (2006.01) A61L 27/02, A61L 27/12, A61L 27/14, С04В 35/447, опубл. 10.07.2015], заключающийся в том, что в порошок состава:
карбонат кальция от 20 до 80 мас. %,
гидроксиапатит и/или карбонатгидроксиапатит от 20 до 80 мас. %
вводят спекающую добавку на основе карбонатов щелочных металлов 3-7 мас. %, взятую сверх 100% по отношению к порошку. Полученный порошок с добавкой смешивают с полиакриламидом и водой с образованием суспензии в соотношении, мас.%:
полиакриламид
10-25
порошок с добавкой
10-40
вода
остальное
полученную суспензию диспергируют в среду растительного масла с температурой 80-180°С и интенсивно перемешивают с последующим промыванием, сушкой и спеканием гранул в среде углекислого газа при температуре 620-700°С.
Материал, в составе которого присутствует только кальций-фосфатная керамика, обладает низкой механической прочностью, что приводит к образованию трещин и разрушению скэффолда.
Известен способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани на основе термопластичного полиуретана с добавлением частиц гидроксиапатита методом электроформования. Скэффолд формируют при добавлении растворителя типа диметилформамида с добавлением 10 мас. % частиц чистого гидроксиапатита [H-Y. Mi et al., Thermoplastic polyurethane/hydroxyapatite electrospun scaffolds for bone tissue engineering: Effects of polymer properties and particle size. J. Biomed. Mater. Res. В Appl. Biomater., 2014, PP. 1434-1444].
Термопластичный полиуретан может оказывать канцерогенное действие на окружающие место дефекта ткани.
10
4
6-x
4
x
2-x
Известен способ получения биорезорбируемого высокомолекулярного скэффолда, моделирующего искусственную композицию костной ткани [US 7879093 В2, МПК A61F 2/02 (2006.01), опубл. 26.03.2008], выбранный в качестве прототипа. Синтез полимерного раствора ведут путем растворения поликапролактона в растворителе - диметилформамиде. К полученному полимерному раствору добавляют кремнийсодержащий гидроксиапатит Ca(PO)(SiO)(OH), формируют скэффолд методом электроформования.
В результате были получены скэффолды с диметром волокна от 50 нм до нескольких мкм со следующим размером частиц игольчатой формы: средняя ширина по меньшей мере 10 нм, средняя длина от 10 нм до 10 мкм.
Предлагаемое изобретение расширяет арсенал технических средств аналогичного назначения.
10
4
6-x
4
x
2-x
Предложенный способ получения композиционного скэффолда для восстановления дефектов костной ткани так же, как в прототипе, включает синтез полимерного раствора путем растворения поликапролактона в растворителе, добавление к полученному полимерному раствору частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита Са(РO)(SiO)(OH), формирование из полученной смеси скэффолда методом электроформования.
10
4
6-x
4
x
2-x
Согласно изобретению синтезируют полимерный раствор с концентрацией 9 мас. % путем растворения гранулированного порошка поликапролактона в хлороформе. К полученному полимерному раствору добавляют порошок кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca(PO)(SiO)(OH) при замещении х = 0,5 с концентрацией 5-15 мас. % в растворе. Смесь гомогенизируют не менее 2 ч. Затем формируют скэффолд методом электроформования при напряжении не менее 7 кВ и расстоянии не менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм.
Материалы на основе кремнийсодержащего гидроксиапатита характерны для состава неорганической составляющей костной ткани, проявляют высокую биоактивность, а также способствуют ускорению процессов биоминерализации и интеграции материала в области костных дефектов, имея преимущество в сравнении с чистым гидроксиапатитом, а также являются дополнительным маркером, который стимулирует дифференцировку клеточных культур в сторону костной ткани [N. Patel et al., In vivo assessment of hydroxyapatite and silicate-substituted hydroxyapatite granules using an ovine defect model. J. Mater. Sci. Mater. Med., 2005, PP. 429-440].
Синтетический полимер - поликапролактон характеризуется длительной скоростью резорбции, пригодной для замещения дефектов костных тканей, отсутствием токсичности продуктов распада и механической прочностью. Оптимальной концентрацией для получения полимерных волокон является 9 мас. % полимерный раствор поликапролактона в хлороформе.
10
4
6-x
4
x
2-x
Добавление в полимерный раствор порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита Ca(PO)(SiO)(OH) при замещении х = 0,5 концентрацией менее 5 мас. % не влияет на свойства получаемого композиционного скэффолда. Концентрация порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита в полимерном растворе более 15 мас. % приводит к низкой механической прочности композиционного скэффолда, что делает невозможным его использование для замещения дефектов костных тканей.
Электроформование при напряжении менее 7 кВ и расстоянии менее 50 мм между электродом-фильерой в виде иглы и осаждающим электродом в виде крутящегося диска не приводит к вытягиванию смеси в непрерывную струю.
Предложенный способ позволяет получить композиционный скэффолд для замещения дефектов костных тканей с диаметром волокна от 2,8 до 1,6 мкм. В составе композиционного скэффолда присутствуют элементы, входящие в состав костной ткани, что определяет биосовместимые свойства скэффолда. Увеличение концентрации частиц кремнийсодержащего гидроксипатита приводит к улучшению параметра смачиваемости.
На фиг. 1 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 10 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
На фиг. 2 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 5 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
На фиг. 3 приведена фотография морфологии поверхности композиционного скэффолда с 15 мас. %. концентрацией частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита.
В таблице 1 приведены параметры процесса получения композиционных скэффолдов.
В таблице 2 приведены результаты получения композиционных скэффолдов.
В таблице 3 приведены результаты исследования элементного состава композиционных скэффолдов.
10
4
6-x
4
x
2-x
Готовили полимерный раствор 9 мас. % поликапролактона. Для этого в пробирку добавили 1463 мг гранулированного порошка поликапролактона и 10 мл хлороформа. К полученному раствору добавили 10 мас. % порошка кремнийсодержащего гидроксиапатита (Ca(PO)(SiO)(OH), х = 0,5). Полученную смесь гомогенизировали в ультразвуковой ванне не менее 2 ч до однородного состояния.
На типовой установке, предназначенной для элeктpoфopмoвaния [http://www.ehuber.de/e-spintronic-flyer-englisch.pdf.], осуществили процесс создания композиционного скэффолда.
В шприц размером 10 мл поместили готовую смесь. Подавали напряжение не менее 7 кВ между электродом-фильерой в виде иглы с внутренним диаметром 0,55 мм и осаждающим электродом в виде крутящегося вала диаметром 60 мм. Расстояние между двумя электродами составляло 5 см. Скорость подачи полимерного раствора, равная 2 мл/ч, контролировали давящим устройством, воздействующим на поршень шприца. Электрическое поле, возникающее при приложении напряжения от высоковольтного блока между двумя электродами, приводило к вытягиванию смеси в непрерывную струю. При резком испарении растворителя струя отверждалась и оседала на осаждающий электрод, образуя композиционный скэффолд в виде пленки прямоугольной формы размером 40×60 мм. Примеры получения композиционных скэффолдов приведены в таблице 1.
Исследования морфологии поверхности скэффолдов и их элементного состава проводили на электронном микроскопе ESEM Quanta 400 FEG со встроенным EDX-анализатором (EDS analysis system Genesis 4000). Морфология поверхности 3-Д скэффолдов представлена на фиг. 1, фиг. 2, фиг. 3. Все композиционные скэффолды обладают развитой пористой поверхностью. Добавление частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита в раствор полимера изменяет структуру волокна, приводя к существенному колебанию диаметра волокна по всей площади образца. Чем больше количество частиц присутствует в образце, тем существенней изменение величины среднеквадратичного отклонения величины диаметра волокна, из которого состоит композиционный скэффолд (таблица 2). Элементный состав скэффолдов соответствует элементному составу материала поликапролактон и кремнийсодержащий гидроксиапатит, аналогичный составу неорганической составляющей костной ткани (таблица 3).
Результаты механических испытаний проводили методом испытания на растяжение на настольной одноколонной универсальной электромеханической испытательной машине Instron 3343. При увеличении количества частиц в структуре скэффолда происходит значительное снижение механической прочности, а именно значительно снижается предел прочности при растяжении (таблица 2), увеличивая хрупкость образцов.
Контроль смачиваемости поверхности полимерных скэффолдов осуществляли путем измерения водного краевого угла смачиваемости методом лежащей капли на тензиометре ОСА 50 (Dataphysics, Германия). Установлено влияние содержания частиц кремнийсодержащего гидроксиапатита в скэффолде на смачиваемость поверхности. При увеличении концентрации частиц происходит улучшение параметра смачиваемости поверхности (таблица 2).