Биоактивная полимерная нить для осуществления послойной 3D-печати
BIOACTIVE POLYMER THREAD FOR IMPLEMENTING LAYER-BY-LAYER 3D PRINT

Изобретение относится к композиционному материалу, выполненному в форме нити, на основе термопластичного полимера с добавлением биоактивного керамического компонента и может быть использовано для осуществления 3D-печати методом наплавления нитей (Fused Filament Fabrication, FFF).
Известно изобретение (US 5110852 A «Filament material polylactide mixtures»), представляющее собой нить, полученную путем формования при комнатной температуре. В качестве основы используется L-лактид, ПЛМК и/или поли (DL-лактид) в концентрации в диапазоне 5-70% по массе в присутствии полиуретана.
Недостатком является то, что подобные нити не содержат биоактивного компонента - кальций-фосфатной керамики, который мог обладать бы способностью поставлять минеральные частицы для костных клеток.
Прототипом является изобретение (US 3797499 A «Polylactide fabric graphs for surgical implantation»), представляющее собой нить, которая может быть получена экструзией полилактида, в том числе сополимерами L-лактида с добавкой до 35 мольных процентов гликолида. Полимер характеризуется характеристической вязкостью по меньшей мере 1,0. Нити имеют прочность на разрыв от 25 000 p.s.i до 100 000 p.s.i.
В предлагаемом изобретении композиционный материал имеет в качестве полимерной матрицы биорезорбируемый полилактид (ПЛА, PLA), а в качестве биоактивного наполнителя - дисперсный гидроксиапатит со средним размером частиц от 10 до 1000 нм с увеличенной адгезией к полимерной матрице. Степень наполнения гидроксиапатитом - от 10 до 45 масс. %. Модуль Юнга на растяжение полученной таким способом биоактивной полимерной нити составляет более 3 ГПа. Температура плавления полимерной нити лежит в диапазоне 145-160°С. Расплав материала имеет повышенную вязкость при температуре выше температуры плавления ПЛА для обеспечения повышения точности послойного наплавления нити при формировании изделий из нее. Эксплуатация изделий, выполненных из указанной нити, возможна до температуры 60°С без изменения функциональных характеристик.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в создании биоактивной полимерной нити, которую можно использовать для формирования биорезорбируемых конструкций медицинского назначения с повышенной остеокондуктивностью методом послойной 3D-печати, обладающей
- увеличенной адгезией наполнителя к полимерной матрице за счет биоактивного наполнителя в количестве до 45% масс., обладающего составом и структурным сходством с костной тканью,
- увеличенной вязкостью расплава относительно чистого полилактида,
- повышенной биоактивностью относительно чистого полилактида,
- повышенной адгезией клеток к поверхности относительно чистого полилактида,
- более высокой гидрофильностью по сравнению с чистым полилактидом за счет использования частиц средним размером биоактивного наполнителя от 200 до 1000 нм,
- способностью к осуществлению регенерационного подхода при имплантировании конструкций, выполненных из такого материала,
- способностью поставлять минеральные частицы для костных клеток,
- температурой эксплуатации без изменения функциональных характеристик до 60°С,
- высокими механическими свойствами на растяжение: предел прочности более 55 МПа,
- модулем Юнга, близким к модулю упругости трабекулярной или губчатой кости: более 3 ГПа.
Технический результат достигается следующим образом: формируется биоактивная полимерная нить на основе биорезорбируемого полилактида и гидроксиапатита при следующем соотношении компонентов: полилактид - от 55 до 80% масс., гидроксиапатит - от 20 до 45% масс., и размере частиц гидроксиапатита от 200 до 1000 нм. В предлагаемом материале повышение указанных характеристик достигается за счет введения в полимерную матрицы ультрадисперсного порошка гидроксиапатита, обеспечивающего остеоинтегративные характеристики материалу при его использовании в качестве основы имплантата, созданного методом 3D-печати.
Возможность промышленной применимости предлагаемого материала и его использования для 3D-печати в медицине подтверждается следующим примером реализации.
2
5
Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан внешний вид биоактивной полимерной нити. На фиг. 2 показан пример микрофотографии поверхности скола нити полилактид/гидроксиапатит при содержании гидроксиапатита 25% масс. По микрофотографии можно судить о структуре без видимых пор и несплошностей. На фиг. 3 показан пример микрофотографии поверхности скола полимерной нити с диаметром 1.7 мм, пригодной для использования в 3D-печати. На фиг. 4 показан пример диаграммы деформации биоактивной полимерной нити с содержанием гидроксиапатита 10, 15, 25, 30% масс. Предел прочности биоактивной полимерной нити с гидроксиапатитом более 57 МПа. На фиг. 5 показан пример кривых ДСК для биоактивной полимерной нити с содержанием гидроксиапатита 25% масс. (1 нагрев, охлаждение, 2 нагрев). Первое фазовое превращение происходит при температуре стеклования материала - 62.8°С, т.е. эксплуатация нити без изменения функциональных характеристик возможна до 60°С. На фиг. 6 показан морфологический анализ гистологического препарата тканей мыши, прилегавших к образцу из биоактивной полимерной нити полилактид/гидроксиапатит, через 2 месяца после имплантации при увеличении ×200 и ×1000. Демонстрируется интеграция образца с тканями организма после имплантации и прорастание функциональных кровеносных сосудов. На фиг. 7 показана краевая адгезия и колонизация мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток (ММСК) мышей поверхности образцов из биоактивной полимерной нити полилактид/гидроксиапатит после коинкубации в течение 10 суток с клетками в лунках планшета, содержащих 5 мл суспензии ММСК при 37°С и 5% CO: А) прижизненная микроскопия ММСК, адгезированных к поверхности образца; Б) окраска по Романовскому, увеличение 200; В) окраска anti-mouse CD105-FITC, увеличение 100. Концентрация клеток в исходной суспензии - 5×10 клеток в 1 мл.
Результаты расчета индекса жизнеспособности и биологического отклика ММСК мышей свидетельствуют о пролиферации клеток на поверхности образцов из биоактивной полимерной нити полилактид/гидроксиапатит: в сравнении с интактным контролем в лунках с экспериментальными образцами наблюдали увеличение индекса жизнеспособности культуры на 11,8±4,8%. Биологический отклик оценивали по изменению индекса жизнеспособности клеточной культуры ММСК после длительного контакта с испытуемыми образцами (10 суток) в сравнении с интактным контролем (клетки инкубировали без образцов). Количественную оценку индекса жизнеспособности осуществляли с использованием МТТ-колориметрического цитотоксического теста, основанного на способности дегидрогеназ живых клеток восстанавливать 3-(4,5-Dimethyl-2-Thiazyl)-2,5-Diphenyl-2H-Tetrazolium Bromide (МТТ) до фиолетовых кристаллов формазана, растворимых в диметилсульфоксиде (ДМСО). Оптическое поглощение окрашенных растворов диметилсульфоксида измеряют на фотометре (планшетном ридере) при λ=540 нм.
Пример 1
В качестве исходных материалов использовался полилактид марки Ingeo 4032D (производства Natureworks LLC, USA), порошок гидроксиапатита ГАП 85-УД (производства НПО «Полистом») со средним размером частиц 1000 нм. Сформирована биоактивная полимерная нить диаметром 1.7 мм с содержанием гидроксиапатита 45% масс., равномерно распределенного по объему матрицы полилактида. Температура стеклования нити - 61°С, предел прочности на растяжение - 63 МПа, модуль Юнга при растяжении - 3.4 ГПа.
Биоактивная полимерная нить обладает биосовместимостью и не угнетает рост клеток, инкубированных на их поверхности, биологический отклик ММСК равен 11,8±4,8% и носит пролиферативный характер; обладает цитокодуктивностью, поскольку способствует активной адгезии ММСК мышей, обеспечивающей их последующую колонизацию.
Пример 2
В качестве исходных материалов использовался полилактид марки Ingeo 4032D (производства Natureworks LLC, USA), порошок гидроксиапатита НА Lot 72490 (производства Sigma-Aldrich) со средним размером частиц 200 нм. Сформирована биоактивная полимерная нить диаметром 1.7 мм с содержанием гидроксиапатита 20% масс., равномерно распределенного по объему матрицы полилактида. Температура стеклования нити - 62°С, предел прочности на растяжение - 66 МПа, модуль Юнга при растяжении - 4.1 ГПа.
Биоактивная полимерная нить обладает биосовместимостью и не угнетает рост клеток, инкубированных на их поверхности, биологический отклик ММСК равен 14,3±3,9% и носит пролиферативный характер; обладает цитокодуктивностью, поскольку способствует активной адгезии ММСК мышей, обеспечивающей их последующую колонизацию.