Способ нанесения биоактивных гидроксиапатитовых покрытий

(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт общей И неорганической химии Национальной академии наук Беларуси (ВУ)(72) Авторы Лесникович Лариса Александровна Цубер Валентина Константиновна Кулак Анатолий Иосифович Трофимова Ирина Валериановна Коваленко Юрий Дмитриевич Красильникова Виктория Леонидовна Сморыго Олег Львович Цедик Лариса Владимировна (ВУ)(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт общей и неорганической химии Националь ной академии наук Беларуси (ВУ)Способ нанесения биоактивных гидроксиапатитовых покрытий, включающий нанесение покрытия на инертную пористую керамику и сушку материала, отличающийся тем,что в качестве покрытий используют биологически активный гель нанокристаллического гидроксиапатита, который наносят путем центрифугирования при скорости вращения 600 3000 об/мин в течение 3-30 мин, а сущку осуществляют при температуре 20-150 С.Изобретение относится к способам нанесения биоактивных гидроксиапатитовых (ГА) покрытий и может быть использовано в медицине в качестве покрытий на инертных пористых керамических конструкциях или протезах (ортопедические, стоматологические и офтальмологические имплантаты).Широко известен способ газотермического нанесения ГА покрытий, в частности плазменного напыления биосовместимых покрытий на имплантаты для хирургии и стоматологии 1. Для улучщения адгезии ГА покрытия к поверхности титанового имплантата на подложку подслоя из порощка титана напыляют переходный слой из керамического материала с добавкой ГА и затем наружный слой из порощка чистого ГА. Перед напылением исходные порощки для наружного и переходного слоев выдерживают при температурах 1200-1300 С в течение 2-3 ч, а после нанесения покрытия проводят термообработку при 600-800 С в течение 1-2 ч.Недостатком способа являются высокая температура спекания порощков, вызывающая появление в покрытии неактивной фазы в виде продуктов разложения ГА, что приводит к снижению его биосовместимости и потере биоактивности.Известен способ нанесения ГА покрытий на поверхность эндопротезов 2, включающий смешивание порошка ГА с фосфатными связками, сушку, обжиг при температуре 250-600 С.Недостатками способа являются 1) используется порошок ГА с фосфатными связками,в то время как для биоимплантатов более приемлем чистый ГА без дополнительных компонентов 2) высокая температура обжига, которая приводит к снижению биоактивности.Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является способ нанесения ГА покрытий на инертную пористую алюмооксидную керамику с использованием процесса термического разложения органической фазы, включающего сушку на воздухе и обжиг при температуре 500-900 С 3 (прототип).Недостатками данного способа являются следующие 1) для нанесения покрытия используется ГА, получаемый при взаимодействии органических соединений кальций-2 этилгексаната с бис(2-этигексил)фосфитом в этаноле, что требует дополнительной операции по удалению органических соединений путем термообработки при 500 С и выше 2) высокая температура обжига порядка 500-900 С, что приводит к образованию кристаллического ГА и вследствие этого к существенному ухудшению биологической активности покрытия 3) ГА, получаемый способом, использованным в прототипе, не является чистым индивидуальным веществом, а имеет примесь карбонатгидроксиапатита.Задача, решаемая данным изобретением, - получение биоактивного покрытия нанокристаллического ГА на всей внутренней поверхности пор изделия из любой инертной пористой керамики со сквозной пористостью по всему объему, что позволяет ускорить его прорастание тканями живого организма и прикрепление к мышцам.Поставленная задача достигается тем, что биоактивный гель нанокристаллического ГА наносится на внутреннюю поверхность пор керамического имплантата путем центрифугирования при скорости вращения 600-3000 об/мин в течение 3-30 мин, сушке материала при температуре 20-150 С. Масса слоя ГА составляет 5-30 от массы пропитанного пористого керамического материала (имплантата).В отличие от прототипа, в предлагаемом способе используется наиболее биологически активная форма ГА - гель нанокристаллического гидроксиапатита без органических добавок и без посторонних примесей высокой степени чистоты. При этом нет необходимости готовить сложную смесь, состоящую из ГА и органических составляющих, а непосредственно наносится гель ГА на внутреннюю поверхность пор керамического материала, таким образом исключается одна операция.Экспериментально было установлено, что нанокристаллический ГА обладает большей биологической активностью по сравнению с кристаллическим. У нанокристаллического ГА, в отличие от кристаллического ГА, решетка не сформирована, межатомные связи являются подвижными. Наличие системы водородных связей в нанокристаллическом ГА делает подвижной кристаллогидратную воду и ОН-группы за счет чего облегчается взаимодействие и обменные процессы ГА с биологическим тканями, в результате чего легче происходит диффузия ионов кальция и фосфора в биологическую среду. Кроме того, гель ГА состоит из сферических наночастиц размером порядка 10-30 нм и их агломератов м 2-3 мкм. Это также способствует интенсификации диффузии ионов из слоя покрытия.Нанокристаллический ГА активно участвует в процессах регенерации костной ткани, в значительной степени стимулирует остеогенез, ускоряя процессы заживления костной раны, и не дает воспалительных осложнений. Его биологическая активность была подтверждена данными медико-биологического эксперимента на костных дефектах животных(крыс) методом остеосцинтиграфии с использованием остеотропного радиофармацевтического препарата медронат, меченого изотопом технеция 99 тТе, который избирательно накапливается в массе костного дефекта, где происходят усиленные обменные и восстановительные процессы. Были проведены рентгенологическое и макроскопическое исследования состояния преобразований костной ткани. Было установлено, что нанокристаллический ГАстимулирует образование костной МОЗОЛИ в более короткие сроки, после его введения дефект кости полностью исчезает через 3 мес. и при этом не наблюдаются воспалительные процессы. При введении в кость кристаллического ГА в месте дефекта через 3 мес. обнаруживают остатки частиц порошка ГА, не проросшие соединительной тканью, и процент воспалительных процессов составляет 20 , а в контрольной группе без ГА - 33 .Обработка имплантата центрифугированием в геле ГА позволяет достичь проникновения ГА в глубинные слои пористого материала. При времени центрифугирования меньше 3 мин и скорости вращения центрифуги менее 600 об/мин получаются имплантать 1 с недостаточным содержанием нанокристаллического ГА для прорастания тканей организма и стимуляции остеогенеза. При увеличении времени центрифугирования выше 30 мин и скорости вращения центрифуги выше 3000 об/мин получаются имплантать 1 с частично или полностью забившимися порами, что является нежелательным для прорастания тканей организма.Сушка материала при 20-150 С не уменьшает биологическую активность ГА покрытия.При увеличении температуры сушки выше 150 С биологическая активность покрытия уменьшается, так как нанокристаллический ГА, теряя кристаллогидратную воду, начинает переходить в кристаллическую форму, которая хуже приживается в живом организме и является менее биологически активной. Сушка ниже 20 С является недостаточной для полного высыхания имплантатов, так как она происходит в течение очень длительного промежутка времени, что является экономически нецелесообразным.Масса слоя нанокристаллического ГА менее 5 является недостаточной и не обеспечивает равномерное покрытие на всей внутренней поверхности пор материала, и, таким образом, не увеличивает биоактивность инертного пористого имплантата, из-за чего слабо идет процесс прорастания тканей организма и остеогенез. При увеличении массы слоя ГА выше 30 частично или полностью забиваются поры, что резко ограничивает свободный доступ в поры материала и ухудшает условия прорастания живых тканей внутрь имплантата.В гель ГА погружают пористый имплантат и центрифугируют в режиме 600 об/мин в течение 3 мин. Отделившуюся жидкость сливают, извлекают имплантат и удаляют избь 1 ток геля с его поверхности. Сушат образец до постоянной массы при 20 С. Масса слоя нанокристаллического ГА составляет 5 от массы имплантата, что является достаточным для прорастания тканей организма и стимуляции остеогенеза.В гель ГА погружают пористый имплантат и центрифугируют в режиме 1500 об/мин в течение 15 мин. Отделившуюся жидкость сливают, извлекают имплантат и удаляют избь 1 ток геля с его поверхности. Сушат образец до постоянной массы при 60 С. Масса слоя нанокристаллического ГА составляет 15 от массы имплантата, что является оптимальным для прорастания тканей организма и стимуляции остеогенеза.В гель ГА погружают пористый имплантат и центрифугируют в режиме 3000 об/мин в течение 30 мин. Отделившуюся жидкость сливают, извлекают имплантат и удаляют избь 1 ток геля с его поверхности. Сушат образец до постоянной массы при 150 С. Масса слоя нанокристаллического ГА составляет 30 от массы имплантата, что является достаточным для прорастания тканей организма и стимуляции остеогенеза.Полученный материал обладает следуюшими функциональными свойствами1) проявляются поверхностные свойства нанокристаллического ГА, которые заключаются в адсорбции им клеточных тканей и способности поддерживать фиброваскуляризационнь 1 е процессы в поровом пространстве имплантата2) биорезорбция нанокристаллического ГА в организме за счет участия его в обменных процессах.Способ Исходный Скорость время ЦеН Форма ГА Время прорасМ вращения СУШКа ОбЖИП по данным остеосцин- тания ГА тканянанесения материал центрифу трифугиро- ОС ОС Тиграфии И рентген в покры- Ми По Данным вания, мин тии ги, об/мин логии макроскопии 1 2 3 4 5 6 7 9 10 1 1 Предлагаемое изобретение 1 600 3 20 нет оптимальное для про- нанокри- За 3 месяца 2 1500 15 60 нет растания тканей сталличе- полностью 3 3000 30 150 нет и остеогенеза ский прорастает Запредельные значения 4 недостаточное, слабо нанокриидет прорастание тка- сталличе 5 ней и остеогенез ский 6 избыточное, забиваютнанокриНанесение ГА покры- Биоактивный СЯ ПОРЫ, ЗЗТРУДНЯСТСЯ сталличе 7 тий с помощью цен- гель ГА без 4000 НСТ 50 Прорасшние Тканей ский трифугирования примесей ВНУТРЬ ИМПЛаНТаТа Не ПОЛНОСТЬЮ 8 1500 нет 15 ухудшаются условия прорастает за 3 прорастания тканеи, нанокри- Месяца потому что покрытие сталличеполностью не высыха- ский ет 9 1500 замедляется прораста- становитние тканями, потому ся кричто уменьшается био- сталличес активность покрытия ким Прототип Нанесение ГА покры- Высоковяз- В течение З-х 10 тий с использованием кая смесь ГА 500900 кристал лет обнаружитермического разло- с органиче- лическии ваются остатки жения ской средой частиц ГА