Способ получения пористых сферических гранул на основе гидроксиапатита, волластонита и желатина
METHOD FOR PRODUCING POROUS SPHERICAL GRANULES BASED ON HYDROXYAPATITE, WOLLASTONITE AND GELATIN

Изобретение относится к способу получения новых материалов медицинского назначения, а именно пористых сферических гранул, содержащих в своем составе биосовместимые синтетические соли - гидроксиапатит и волластонит в определенных соотношениях, и органическое связующее - желатин. Данные композитные материалы могут быть использованы для замещения дефектов костной ткани в стоматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, травматологии.
de novo
о
10
4
6
2
Гранулированные остеоиндуктивные материалы являются одной из наиболее универсальных форм препаратов, которые позволяют заполнять костные дефекты любой сложной геометрии и объема. За счет сочетания частиц различных размеров возможно плотное или рыхлое заполнение полостей, тогда как химическим составом синтетического тела определяется скорость его растворения и условия формирования костной ткани . Большинство известных и применяемых в настоящее время в клинической практике гранул состоит из гидроксиапатита (Са(РО)(ОН), оснвного фосфата кальция, наиболее близкого к минеральному веществу костной ткани человека), полученного из костей животных, в сочетании с нативным коллагеном. Таковыми являются, например, материалы «КоллапАн» (ООО фирма «Интермедапатит»), «Остеопласт» (ООО «НПК Витаформ»), «Endobon Xenograft Granules» («Biomet 3i»).
Известны также препараты на основе синтетического гидроксиапатита и желатина, представляющего собой частично гидролизованный коллаген. Так, в патенте РФ № 2552756 описан способ получения сферических гранул из карбонатгидроксиапатита и желатина, основанный на том, что смешивают порошок карбонатгидроксилапатита с 5 масс.% водным раствором желатина при соотношении 1 г порошка к 7.5 мл раствора до однородной массы, полученную смесь диспергируют через капилляр диаметром 1 - 2 мм в растительное масло, охлажденное до температуры около 0 °C, затем полученные гранулы декантируют от масла и промывают смесью этилового спирта и ацетона в соотношении 2:1, после этого сушат при комнатной температуре на воздухе, в течение 5 - 7 часов. Полученные гранулы имеют сферическую форму и диаметры 1 - 2 мм.
К недостаткам данного технического решения относятся:
- невозможность получения описанным способом полидисперсных образцов, содержащих более крупные (чем 1 - 2 мм) и более мелкие гранулы,
- использование в качестве минеральной составляющей однофазного порошка (карбонат-)гидроксиапатита, имеющего низкую растворимость и малую скорость растворения.
-1
Способ, описанный в патенте РФ № 2753529, позволяет получать из гидрокси- или фторапатита и желатина гранулы разных фракций от 250 мкм до 10 мм и более. Согласно изобретению, слой порошка фосфата кальция, равномерно распределенный по поверхности чаши вибрационной установки, орошают 13 - 17%-ным водным раствором желатина при массовом соотношении порошка и раствора желатина, равном 3 - 5:1, и осуществляют обработку полученной смеси в условиях вибрации с частотой 200 - 300 с в течение 10 - 15 мин.
К недостаткам данного технического решения можно отнести:
- сложное аппаратурное оформление способа;
- исходные компоненты (фторапатит и гидроксиапатит) являются крайне малорастворимыми солями и очень медленно резорбируются в организме человека.
3
4
2
4
2
2
2
7
10
4
6
2
2
4
В патенте US 2004/0076685 A1 описан способ получения пористых кусочков или гранул, согласно которому кальцийфосфатный самозатвердевающий цемент на основе α- или β-Са(РО), СаНРО·2НО, СаРО или Са(РО)(ОН) смешивают с порошком желатина в массовом соотношении, например, 3:0.25 - 1, затем добавляют раствор NaHPO и замешивают пасту, которую формуют путем экструзии, например, с помощью шприца.  Получающиеся кусочки или гранулы помещают в дистиллированную воду с температурой 37 °С на несколько дней для растворения желатина и формирования взаимосвязанных пор, после чего прокаливают для удаления остатков органической добавки.
К недостаткам данного технического решения можно отнести:
- использование в качестве основы гранул минеральной вяжущей системы, за счет схватывания которой происходит формирование объемного материала;
- длительность операций синтеза гранул из-за необходимости выдерживания материала в растворителе;
- в алгоритм получения включена стадия термообработки, приводящая к полному удалению желатина.
Наиболее близким техническим решением, выбранным за прототип, является способ получения пористых сферических гранул с регулируемым размером, согласно которому 1 г порошка фосфата кальция с соотношением Са/Р = 1.5 - 1.67 смешивают с 0.5 - 3 мл 10 % раствора желатина при температуре 10 - 39 °С, полученную суспензию диспергируют в растительном масле лопастной мешалкой со скоростью вращения 100 - 1500 об/мин. Образовавшиеся под действием сил поверхностного натяжения гранулы отфильтровывают, отмывают от масла этиловым спиртом, сушат и далее прокаливают при 900 - 1250 °С.
К недостаткам данного технического решения можно отнести:
- получаемые гранулы состоят только из одного фосфата кальция, однофазны;
- в алгоритм получения включена стадия термообработки, приводящая к полному удалению желатина.
3
Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в разработке способа получения сферических гранул с варьируемым в широком диапазоне содержанием гидроксиапатита и биоактивного резорбируемого силиката кальция (волластонита, β-CaSiO), равномерно распределенных по объему материала и связанных между собой желатиновой пленкой.
Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения пористых сферических гранул на основе гидроксиапатита и волластонита, включающий получение суспензии из синтетического двухкомпонентного порошка, содержащего от 10 до 90 масс.% гидроксиапатита в смеси с волластонитом (90 - 10 масс.%, соответственно), и 15 % водного раствора желатина, взятых в пропорции 1:1.25 - 2, прикапывание данной суспензии в емкость с растительным маслом с температурой около 0 °С, перемешиваемым со скоростью 800 - 900 об/мин, последующее фильтрование сформировавшихся гранул, их отмывку от масла этиловым спиртом, высушивание на воздухе при комнатной температуре.
В качестве минеральной составляющей гранул выбраны синтетические порошки на основе гидроксиапатита и волластонита, получаемые по способу, описанному в патенте № 2657817, содержащие от 10 до 90 масс.% каждого из компонентов, которые в процессе их синтеза равномерно смешиваются, образуя микрокомпозиты.
Желатин выбран в качестве связующего полимера ввиду его доступности, невысокой стоимости и биосовместимости. 15 % водный раствор готовят для получения сметанообразной суспензии. При концентрации желатина в растворе менее 15 % суспензия керамического порошка в нем получается жидкой, в масле формируются мелкие трудно фильтруемые гранулы. С более концентрированным раствором желатина образуется густая, плохо текущая суспензия и единичные большие гранулы. Из этих же соображений используется пропорция порошка и раствора желатина 1:1.25 - 2 (прибавление более 2 мл 15 % раствора желатина к 1 г порошка приводит к жидкой суспензии и мелким трудно фильтруемым гранулам, тогда как с менее чем 1.25 мл раствора желатина образуется густая, плохо текущая суспензия и единичные крупные гранулы).
Использование холодного растительного масла в качестве дисперсионной среды обеспечивает формирование в ней сферических частиц из водно-желатиновой суспензии керамического порошка под действием сил поверхностного натяжения, а также застывание связующего полимера - желатина, за счет этого сохраняется сферическая форма частиц после их извлечения из масла и предотвращается слипание и/или слияние гранул.
Перемешивание системы со скоростью 800 - 900 об/мин дает возможность получать полидисперсные образцы гранул с диаметрами от 200 мкм до 5 мм и преобладающей фракцией 1 - 2 мм. При более высокой скорости перемешивания происходит формирование образцов, содержащих мелкие трудно фильтруемые гранулы. Меньшая скорость перемешивания не обеспечивает удовлетворительного диспергирования суспензии в масле и образуются либо гранулы в виде палочек, либо малое количество крупных гранул, либо суспензия разбивается на большие капли, которые не застывают и при окончании перемешивания сливаются в единую массу.
В результате высушивания гранул на воздухе при комнатной температуре удаляется остаточная влага и происходит обезвоживание желатина с формированием полимерной пленки, связывающей частицы керамических порошков, и системы взаимосвязанных пор.
Существенные отличительные признаки заявляемого технического решения заключаются в том, что:
- получают суспензию из синтетического двухкомпонентного порошка, содержащего от 10 до 90 масс.% гидроксиапатита в смеси с волластонитом (90 - 10 масс.%, соответственно), и 15 % водного раствора желатина,
- порошок и раствор желатина берут в пропорции 1:1.25 - 2,
- проводят прикапывание данной суспензии в емкость с растительным маслом с температурой около 0 °С, перемешиваемым со скоростью 800 - 900 об/мин,
- гранулы высушивают на воздухе при комнатной температуре.
Благодаря совокупности этих отличительных признаков заявляемым способом получают пористые сферические гранулы, содержащие от 10 до 90 масс.% гидроксиапатита в смеси с волластонитом (90 - 10 масс.%, соответственно) с размерами от 200 мкм до 5 мм, открытой пористостью порядка 50 %, микротвердостью не менее 17 HV, содержащее не более 20 масс.% желатина.
Заявляемый способ подтверждается следующими примерами.
Пример 1. Порошок, содержащий 60 масс.% гидроксиапатита и 40 масс.% волластонита, массой 1 г смешивают с 2 мл 15 % водного раствора желатина. Образовавшуюся суспензию прикапывают в емкость с растительным маслом с температурой около 0 °С и перемешивают магнитной мешалкой со скоростью 800 - 900 об/мин до образования сферических капель. После отстаивания, гранулы отфильтровывают, отмывают от масла этиловым спиртом и высушивают на воздухе до постоянной массы. В результате получают сферические гранулы с преобладающей фракцией с диаметрами от 1 до 2 мм (66.3 ± 1.2), открытой пористостью 52 ± 2 %, микротвердостью 22.2 ± 0.4 HV, содержащие 18.7 ± 0.5 масс.% желатина.
Пример 2. Порошок, содержащий 20 масс.% гидроксиапатита и 80 масс.% волластонита, массой 1 г смешивают с 1.25 мл 15 % водного раствора желатина. Образовавшуюся суспензию прикапывают в емкость с растительным маслом с температурой около 0 °С и перемешивают магнитной мешалкой со скоростью 800 - 900 об/мин до образования сферических капель. После отстаивания, гранулы отфильтровывают, отмывают от масла этиловым спиртом и высушивают на воздухе до постоянной массы. В результате получают сферические гранулы с преобладающей фракцией с диаметрами от 1 до 2 мм (62.9 ± 0.8 %), открытой пористостью 50 ± 4 %, микротвердостью 27.2 ± 0.4 HV, содержащие 14.2 ± 1.0 масс.% желатина.
Подобным образом изготовлены пористые сферические гранулы, содержащие от 10 до 90 масс.% гидроксиапатита в смеси с волластонитом.
оф
оф
жел
На Фиг. 1. Характеристики гранул различного состава, представлены диаметр основной фракции гранул (D), доля основной фракции гранул в образце (W), открытая пористость (П), микротвёрдость по Виккерсу (HV 0.02), массовая доля желатина (W) для образцов с различной пропорцией ГА/ВТ.
На Фиг. 2. Диаграмма распределения по размерам гранул различного состава, представлены доли фракций гранул различных размеров в образцах с варьируемой пропорцией ГА/ВТ.
На Фиг. 3. ИК-спектры гранул в сравнении со спектрами исходных компонентов, представлены ИК-спектры гранул с пропорцией ГА/ВТ 60/40 и 20/80 в сравнении со спектрами чистых гидроксиапатита, волластонита и желатина.
На Фиг. 4. Общий вид гранул, представлены фото гранул в чашке Петри (а) и микрофотография гранул, полученная на микроскопе «JCM-5700», JEOL (б)».
Таким образом,
предложен способ получения пористых сферических гранул, содержащих два различающихся по скорости растворения минеральных компонента (гидроксиапатит и волластонит), связанных желатиновой пленкой, подходящих для заполнения костных дефектов любых сложных форм и размеров и стимулирования процессов репаративной регенерации костной ткани.