СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИ АКТИВНОГО ПОКРЫТИЯ
METHOD OF PREPARING BIOLOGICALLY ACTIVE COATING

Изобретение относится к области медицины, конкретно к травматологии и ортопедии, а именно к способу получения биологически активного покрытия и может быть использовано в качестве покрытия на металлические протезы.
Известен способ получения биологически активного материала для медицинских применений описанных в Materials Research, vol.10, No.3,247-251, 2007.
Метод получения биологически активного покрытия заключается в следующем:
1. Получают раствор поливинилиденфторида в димитилацетамиде при температуре 100°С и постоянном помешивании.
2. К полученному раствору добавляют порошок гидроксиапатита и перемешивают смесь до полного растворения поливинилиденфторида без нагревания при постоянном перемешивании.
3. Полученную дисперсию выливают в стеклянную чашку Петри и высушивают в течении 4 часов при температуре 110°С для удаления остатков растворителя. Таким образом, получают гибкое, гомогенное покрытие, обладающее биологической активностью.
Недостатками описанного способа являются:
1. Малый размер пор: менее 10 мкм.
2. Малая поверхностная пористость - 45%.
3. Высокая токсичность применяемых растворителей.
Также известен способ получения гидроксиапатитовых покрытий путем нанесения суспензии на титан и его сплавы постоянным или импульсным током в условиях искрового разряда, сушки при температуре 80-120°С и обжига при температуре 600-800°С в течение 0,5-1 ч, отличающийся тем, что в качестве суспензии используют синтетический и биологический порошок гидроксиапатита при следующем соотношении компонентов, мас.%:
Синтетический порошок гидроксиапатита 10-90
Биологический порошок гидроксиапатита 10-90
(Патент №2287315).
Задачей предлагаемого изобретения является создание биологически активного покрытия на титане и его сплавах, удовлетворяющих следующим требованиям:
1. Размер пор не менее 80 мкм.
2. Высокая поверхностная пористость - 45%.
3. Высокие остеоиндуктивные свойства (70-75%).
4. Высокая адгезия к металлическому субстрату (не менее 10 МПа).
5. Высокая эластичность ИСО 1519-73 (не менее 4 мм).
Поставленная задача решается путем предлагаемого способа, заключающегося в том, что порошок гидроксиапатита перемешивают до состояния гомогенизации, высушивают. Новизна предлагаемого способа заключается в том, что используют сополимер поливинилиденфторида с тетрафторэтиленом, в качестве растворителя используют смесь ацетона с этилацетатом, порошок гидроксиапатита предварительно обрабатывают в шаровой мельнице, затем приготовленный раствор сополимера и дисперсию порошка гидроксиапатита с бутилацетатом перемешивают в шаровой мельнице, доводят полученную смесь до вязкости, при которой данную смесь наносят.
Соотношение сополимера поливинилиденфторида с тетрафторэтиленом составляет (10-20)% и (80-90)% соответственно.
Соотношение ацетона с этилацетатом составляет (50-70)% и (30-50)% соответственно. Порошок гидроксиапатита и бутилацетата берут в соотношениях: (30-50)% и (50-70)% соответственно. Дисперсию порошка гидроксиапатита и раствора сополимера берут в соотношениях: (30-70)% и (30-70)% соответственно.
Обоснования заявляемых параметров:
1. Меньшее содержание сополимера ведет к уменьшению вязкости получаемой смеси, а увеличение его содержания - к существенному увеличению вязкости, что, в свою очередь, ведет к дефектам на этапе нанесения покрытия на эндопротез (потеки, разнотолщинность, шагрень и т.п.).
2. Меньшее содержание ацетона в смесевом растворителе ведет к уменьшению растворяющей способности смесевого растворителя, а его увеличение ведет к дефектам на этапе нанесения покрытия на эндопротез (потеки, разнотолщинность, шагрень и т.п.).
3. Отклонение в большую или меньшую сторону от заявленных параметров пропорции порошка гидроксиапатита и бутилацетата ведет к дефектам на этапе нанесения покрытия на эндопротез (потеки, разнотолщинность, шагрень и т.п.).
4. Уменьшение от заявленных пропорций дисперсии порошка гидроксиапатита и раствор сополимера ведет к уменьшению биологических свойств (остеоиндуктивных, остеокондуктивных), а увеличение дисперсии порошка гидроксиапатита и сополимера ведет к снижению механических свойств покрытия (эластичность, адгезия и т.п.).
Сущность способа демонстрируется следующими примерами:
ПРИМЕР 1.
Пластины титана и его сплавов перед нанесением покрытия готовят следующим образом:
- подвергают пескоструйной обработке кондуктором с размером зерен 60-40 мкм до получения однородной матовой поверхности;
- обезжиривают в растворе моющего средства «Прогресс» или в растворе другого аналогичного по моющей способности средства;
- промывают водой при температуре 60°С, затем водой температурой 20°С;
- протравливают в водном растворе кислот, мас.%:
азотная кислота 10
плавиковая кислота 10
вода 80
при температуре 40°С в течение 1 минуты;
- промывают в воде с температурой 60°С, затем в воде с температурой 20°С;
- нейтрализуют в водном растворе едкого натра с массовой долей 5% в течение 1 минуты при комнатной температуре;
- промывают водопроводной водой, затем дистиллированной водой;
- высушивают при температуре 80°С в течение 15 минут.
3
Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см. Вода должна полностью смочить поверхность металла.
Смесевой растворитель готовят в стеклянной таре с притертой крышкой при следующем содержании компонентов, мас.%:
ацетон 70
этилацетат 30
Смесь выбалтывают и выдерживают при комнатной температуре не менее 4,5 часов.
Раствор готовят в стеклянной таре с притертой крышкой, добавляя к смесевому растворителю порошок сополимера татрафторэтилена с винилиденфторидом при следующем содержании компонентов, мас.%:
смесевой растворитель 80
порошок сополимера 20
Смесь плотно закрывают крышкой и нагревают до температуры 30°С, затем смесь постоянно перемешивают в течение 15 часов при помощи магнитной мешалки. После этого смесь охлаждают до температуры 20°С со скоростью 5 град/час. Получают однородную прозрачную жидкость с вязкостью по вязкозиметру Вз-3 в пределах 10 сек.
Порошок гидроксиапатита просеивают через сито с размером ячеек 90 мкм.
Порошок закладывают в шаровую мельницу и добавляют бутилацетат при следующем содержании компонентов, мас.%:
порошок гидроксиапатита 50
бутилацетат 50
Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 3 часов до получения однородной белой дисперсии.
В шаровую мельницу закладывают дисперсию порошка гидроксиапатита и раствор сополимера в следующих пропорциях, мас.%:
дисперсия порошка гидроксиапатита 70
раствор сополимера 30
Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 1 часа.
Нанесение покрытия осуществляют с помощью пневматических распылителей, обеспечивающих равномерное распыление. Диаметр распылительной головки 1 мм, давление воздуха при распылении 1,5 атм. Расстояние до покрываемого изделия должно составлять 30 см. Покрытие производят в один слой сверху вниз с перекрытием последующих полос таким образом, чтобы обеспечить одинаковую толщину покрытия 150 мкм.
На изделии не должно быть потеков, разнотолщений, просветов подложки и т.п.
Изделие с нанесенным композитом загружают в печь и формируют со следующими температурными режимами:
1. Сушка при температуре 30°С в течение 3 часов.
2. Подъем температуры до 100°С со скоростью 1°С в минуту.
3. Выдержка при температуре 100°С в течение 1,5 часов.
4. Подъем температуры до 250°С со скоростью 1,5°С в минуту.
5. Выдержка при температуре 250°С в течение 20 минут.
6. Закалка покрытия путем погружения изделия с нанесенным композитом в дистиллированную воду с температурой 10°С.
Полученное изделие с биологически активным покрытием упаковывают в крафт пакеты и стерилизуют перед применением в автоклаве при температуре 120°С в течение 30 минут.
ПРИМЕР 2.
Пластины титана и его сплавов перед нанесением покрытия готовят следующим образом:
- подвергают пескоструйной обработке кондуктором с размером зерен 60 мкм до получения однородной матовой поверхности;
- обезжиривают в растворе моющего средства «Прогресс» или в растворе другого аналогичного по моющей способности средства;
- промывают водой при температуре 60°С, затем водой температурой 20°С;
- протравливают в водном растворе кислот, мас.%:
азотная кислота 15
плавиковая кислота 10
вода 75
при температуре 45°С в течение 1 минуты;
- промывают в воде с температурой 60°С, затем в воде с температурой 20°С;
- нейтрализуют в водном растворе едкого натра с массовой долей 7% в течение 1 минуты при комнатной температуре;
- промывают водопроводной водой, затем дистиллированной водой;
- высушивают при температуре 90°С в течение 15 минут.
3
Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см. Вода должна полностью смочить поверхность металла.
Смесевой растворитель готовят в стеклянной таре с притертой крышкой при следующем содержании компонентов, мас.%:
ацетон 60
этилацетат 40
Смесь выбалтывают и выдерживают при комнатной температуре не менее 6 часов.
Раствор готовят в стеклянной таре с притертой крышкой, добавляя к смесевому растворителю порошок сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом при следующем содержании компонентов, мас.%:
смесевой растворитель 85
порошок сополимера 15
Смесь плотно закрывают крышкой и нагревают до температуры 40°С, затем смесь постоянно перемешивают в течение 10 часов при помощи магнитной мешалки. После этого смесь охлаждают до температуры 22°С со скоростью 5 град/час. Получают однородную прозрачную жидкость с вязкостью по вязкозиметру Вз-3 в пределах 9 сек.
Порошок гидроксиапатита просеивают через сито с размером ячеек 70 мкм.
Порошок закладывают в шаровую мельницу и добавляют бутилацетат при следующем содержании компонентов, мас.%:
порошок гидроксиапатита 40
бутилацетат 60
Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 4 часов до получения однородной белой дисперсии.
В шаровую мельницу закладывают дисперсию порошка гидроксиапатита и раствор сополимера в следующих пропорциях, мас.%:
дисперсия порошка гидроксиапатита 60
раствор сополимера 40
Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 2 часов.
Нанесение покрытия осуществляют с помощью пневматических распылителей, обеспечивающих равномерное распыление. Диаметр распылительной головки 1,5 мм, давление воздуха при распылении 2 атм. Расстояние до покрываемого изделия должно составлять 35 см. Нанесение производят в один слой сверху вниз с перекрытием последующих полос таким образом, чтобы обеспечить одинаковую толщину покрытия 200 мкм. На изделии не должно быть потеков, разнотолщений, просветов подложки и т.п.
Изделие с нанесенным композитом загружают в печь и формируют по следующими температурными режимами:
1. Сушка при температуре 40°С в течение 2 часов.
2. Подъем температуры до 110°С со скоростью 1°С в минуту.
3. Выдержка при температуре 110°С в течение 1 часа.
4. Подъем температуры до 260°С со скоростью 2°С в минуту.
5. Выдержка при температуре 260°С в течение 15 минут.
6. Закалка покрытия путем погружения изделия в дистиллированную воду с температурой 10°С.
Полученное изделие с биологически активным покрытием упаковывают в крафт-пакеты и стерилизуют перед применением в автоклаве при температуре 120°С в течение 30 минут.
ПРИМЕР 3
Пластины титана и его сплавов перед нанесением покрытия готовят
следующим образом:
- подвергают пескоструйной обработке кондуктором с размером зерен 50 мкм до получения однородной матовой поверхности;
- обезжиривают в растворе моющего средства «Прогресс» или в растворе другого аналогичного по моющей способности средства;
- промывают водой при температуре 60°С, затем водой температурой 20°С;
- протравливают в водном растворе кислот, мас.%:
азотная кислота 10
плавиковая кислота 15
вода 75
при температуре 35°С в течение 1 минуты;
- промывают в воде с температурой 60°С, затем в воде с температурой 20°С;
- нейтрализуют в водном растворе едкого натра с массовой долей 10% в течение 1 минуты при комнатной температуре;
- промывают водопроводной водой, затем дистиллированной водой;
- высушивают при температуре 100°С в течение 15 минут.
3
Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см. Вода должна полностью смочить поверхность металла.
Смесевой растворитель готовят в стеклянной таре с притертой крышкой при следующем содержании компонентов, мас.%:
ацетон 50
этилацетат 50
Смесь выбалтывают и выдерживают при комнатной температуре не менее 3 часов.
Раствор готовят в стеклянной таре с притертой крышкой, добавляя к смесевому растворителю порошок сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом при следующем содержании компонентов, мас.%:
смесевой растворитель 90
порошок сополимера 10
Смесь перемешивают при комнатной температуре в течение 2 часов.
Нанесение покрытия осуществляют с помощью пневматических распылителей, обеспечивающих равномерное распыление. Диаметр распылительной головки 2 мм, давление воздуха при распылении 2,5 атм. Расстояние до покрываемого изделия должно составлять 40 см. Нанесение производят в один слой сверху вниз с перекрытием последующих полос таким образом, чтобы обеспечить одинаковую толщину покрытия 250 мкм. На изделии, покрытом дисперсией, не должно быть потеков, разнотолщений, просветов подложки и т.п.
Изделие с нанесенным композитом загружают в печь и формируют со следующими температурными режимами:
1. Сушка, при температуре 35°С в течение 2,5 часов.
2. Подъем температуры до 90°С со скоростью 1°С в минуту.
3. Выдержка при температуре 90°С в течение 2 часов.
4. Подъем температуры до 240°С со скоростью 3°С в минуту.
5. Выдержка при температуре 240°С в течение 30 минут.
6. Закалка покрытия путем погружения изделия в дистиллированную воду с температурой 10°С.
Полученное изделие с биологически активным покрытием упаковывают в крафт пакеты и стерилизуют перед применением в автоклаве при температуре 120°С в течение 30 минут.
Механические и биологические характеристики биологически активного покрытия были исследованы следующими методами:
1. Поверхностная пористость и размер пор исследовали методом сканирующей электронной микроскопии на установке Philips SEM515.
2. Эластичность полученного биологически активного покрытия на приборе ИЗГИБ по ИСО 1519-73.
3. Прочность при нормальном отрыве полученного биологически активного покрытия на приборе Адгезиометр ОР по ИСО 4624.
4. Толщину покрытия определяли с помощью прибора Константа К5.
5. Токсичность образцов in vitro оценивали согласно ISO 10993-5 на 24-ч культуре клеток костного мозга мышей.
6
6. Биологическую совместимость и костеобразующую способность оценивали in vivo на 120 самцах мышей линии Balb/c с массой 18-21 г. Мышам подкожно имплантировали КФ диски с предварительно нанесенным столбиком костного мозга, который извлекали из бедренной кости животных (клеточность 1,5×10клеток/мл) в среде DI-MEM (ISN) с 10% эмбриональной телячьей сыворотки («Вектор», Новосибирск). Через 1,5 месяца животных умерщвляли эфирным наркозом, диски извлекали и подвергали гистологическому анализу. Результаты исследований биологических свойств представлены в таблице 1.
Результаты механических свойств приведены в таблице 2
Таблица №1.Результаты исследований биологических свойств.
Образец
% жизнеспособности
Площадь прилипания к пластику (S), мм<sup>2</sup>
Оптическая плотность (D), у.е.о.п.
Вероятность образования тканевой пластинки (Р1), %
Вероятность образования кости (Р2), %
P1×P2,%
Общий контроль (клетки без дисков)
In vitro
In vivo
60-80
288,73
31/18
-
-
-
n=4
n=6
1
64
290.98
36.18
100
75
75
n=2
n=3
Р1=0.0001
2
67
289.85
38.08
100
75
75
n=2
n=3
Р1=0.00003
3
58
332.55
34.89
75
75
56,25
n=2
n=3
Р1=0.0005
КФРам (контроль)
71,5
253.88
35.31
90
100
90
n=2
n=3
Р1=0.0003
Таблица №2.Результаты исследований механических свойств
Номер образца
Толщина материала мкм
Поверхностная пористость %
Размер пор мкм
Гибкость мм
Усилие отрыва*10<sup>6</sup> кг/м<sup>2</sup>
1
300
56,5
0,5-180
3
12
2
250
43,2
0,5-120
3
18
3
200
37,5
0,5-80
2
22