композиция для биомедицинского материала, способ его получения и материал биомедицинского назначения

Формула изобретения

1. Композиция для получения материала биомедицинского назначения, содержащая полимерное связующее, инициатор - перекись бензоила и биосовместимый порошкообразный наполнитель - гидроксиапатит, отличающаяся тем, что в качестве связующего она содержит смесь полиметилметакрилата или сополимера метилметакрилата с метилакрилатом и мономер - метилметакрилат в соотношении полимерной части к мономеру от 1:0,3 мас.ч. до 1:0,5 мас.ч. и пероксидный инициатор, дополнительно содержит углеродный волокнистый наполнитель, в качестве которого используют графитированные непрерывные нити по 200-1000 филамент из гидратцеллюлозного волокна или полиакрилонитрильного волокна при следующем соотношении компонентов, мас.ч.:

Связующее	50-72
Гидроксиапатит	25-40
Углеродные нити	2-10
Перекись бензоила	0,05-0,5

2. Способ получения полимерного материала из композиции по п.1, заключающийся в том, что порошкообразный сополимер метилметакрилата смешивают с гидроксиапатитом с дальнейшим введением в полученную порошкообразную массу жидкого мономера - метилметакрилата и инициатора с последующей укладкой непрерывных углеродных нитей в набухшую полимерную массу в необходимом для изделия направлении с расстоянием между нитями 1-4 мм и последующей термообработкой композиции в закрытой форме при температурах 80-120°С в течение 45-120 мин.

3. Полимерный материал, полученный способом по п.2 и представляющий собой частично взаимопроникающую сетку полимерного связующего с содержанием нерастворимой части в связующем в количестве 18-35 мас.%, наполненный порошкообразным наполнителем - гидроксиапатитом и армированный непрерывными углеродными графитированными нитями из природного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна, имеющий показатель ударной вязкости по Динстату 3,2-4,8 кДж/м².

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области композиционных полимерных материалов биомедицинского назначения, содержащих полимерное связующее, биосовместимый наполнитель и углеродный армирующий наполнитель. Эти композиции предназначены для изготовления полимерных армированных материалов для имплантатов, используемых в хирургии для эндопротезирования.

Известна полимерная композиция биомедицинского назначения (патент RU 2197509 С1; заявка 200111591/04 Краснов А.П., Афоничева О.В., Попова А.Б., Казаков М.Е., Рашкован И.А., Воложин А.И., Попов В.К., Ульянов С.А. "Полимерная композиция биомедицинского назначения"), состоящая из полимерного связующего, в качестве которого используют полиамид-12, в качестве биосовместимого наполнителя - гидроксиапатит и углеродное волокно в виде тонкодисперсного порошка.

Основным недостатком материала, получаемого из этой композиции, является невозможность получения из нее имплантатов сложного профиля, как, например, челюстных имплантатов, так как переработка композиции - аналога возможна только через расплав методом литья под давлением либо литьевого прессования при температуре 240°С и давлении.

Другими недостатками композиции являются снижение прочности в тонкостенных имлантатах и невысокая (˜100-120 МПа) твердость поверхностных слоев, значительно уступающая показателю натуральной кости.

Известен композиционный материал для хирургических имплантатов, полученный из полимерной композиции, состоящей из полимерного связующего (полиэтилена), наполнителя (гидроксиапатита) и дискретных ориентированных высокомодульных полиэтиленовых волокон (Ward, Ian Macmilean, Ladizesky, Noe Huqo) (Compacted biomaterials) Pat G.B. 96 - 800960115.

Недостаток данного армированного биостабильного материала заключается в невозможности получения из него изделий сложного профиля простым технологическим методом заливки в гипсовую форму, полученную путем "выплавления" восковой модели. Помимо этого, низкая твердость полиэтилена (˜20 МПа) снижает его конструкционные возможности при использовании для замены костей челюстно-лицевого скелета.

Известна композиция (N.H.Ladizesky, E.M.Pirhonen, D.B.Appleyarol, I.M.Ward, W.Bonfield) (Fibre reinforcement of ceramic/polymer composites for a major load - bearing bone Substitute materials. Composites Seience and Technology 58 (1998), 419-434), состоящая из слоев ориентированных непрерывных полиэтиленовых волокон, гидроксиапатита и полиэтилена.

Этот материал - аналог перерабатывают либо экструзией, либо литьевым прессованием с изготовлением заготовок для дальнейшего получения изделий путем механической обработки. Его недостаток заключается в невозможности переработки простой "заливочной" технологией по методике "выплавляемой модели". Это делает недоступным получение из него в процессе переработки изделий сложного профиля, которыми являются практически все костные имплантаты.

Изделия, полученные из последних материалов-аналогов, имеют низкую твердость (около 20 МПа) и высокий краевой угол смачивания, что заметно отличается от показателей натуральной кости.

Известна композиция, выбранная в качестве прототипа, включающая метакриловый сополимер и метилметакрилат (Т.Т.Бирюкбаев, А.И.Воложин, Ю.И.Чергештов, А.А.Докторов, А.П.Краснов, В.К.Попов, В.В.Рогинский // Исследование остеоинтегративных свойств полиметилметакрилата, химически связанного с синтетическим гидроксиапатитом. Сб. "Биомедицинские технологии" РАМН, "ВИЛАР", 2002 г., с.54-62), представляющая собой смесь порошкообразного полиметилметакрилата, мономера - метилакрилата в соотношении 3:1 и инициатора перекиси бензоила в количестве 0,2% от полимерного связующего. К полученной смеси добавляют гидроксиапатит - порошкообразный наполнитель. Из композиции путем ее заливки при комнатной температуре в формы сложного профиля с последующей полимеризацией при температуре 100°С получают заготовки имплантатов сложной конфигурации. Имплантаты из данного материала используются в настоящее время в хирургической практике для эндопротезирования.

Материал, полученный из композиции-прототипа, является биостабильным, нетоксичным, однако значительным препятствием для его более широкого использования является недостаточная ударная прочность (˜2,4 кДж/м ²), особенно при изготовлении имплантатов в челюстно-лицевой хирургии, когда применяется финишная механическая доводка заготовок с получением на их поверхности сквозных отверстий для прорастания костной ткани, что значительно снижает ударопрочность целевого изделия с ˜2,4 кДж/м² до значения ˜1,5 кДж/м ².

Задачей данного изобретения является получение полимерной композиции биомедицинского назначения, способной перерабатываться путем заливки полимер-мономерной массы с наполнителями в форму сложной конфигурации, для получения полимерного материала, обладающего биосовместимостью, биостабильностью, твердостью, повышенной ударной вязкостью как в исходном литьевом изделии, так и после сверления сквозных отверстий, то есть для получения комплекса свойств, приближающихся к показателям натуральной кости.

Композиция для изготовления материала биомедицинского назначения, содержащая полимерное связующее и биосовместимый порошкообразный наполнитель - гидроксиапатит, отличается тем, что в качестве связующего содержит смесь порошкообразного полиметилметакрилата или сополимера метилметакрилата с метилакрилатом и мономер - метилметакрилат в соотношении полимерной части к мономеру от 1:0,3 до 1:0,5, пероксидный инициатор, композиция дополнительно содержит углеродный волокнистый наполнитель в виде углеродных непрерывных нитей по 200-1000 филамент из гидратцеллюлозного волокна или полиакрилонитрильного волокна при следующем соотношении компонентов в массовых частях:

Связующее	50-72
Гидроксиапатит	25-40
Углеродные нити	2-10
Пероксидный инициатор	0,05-0,5

Способ получения полимерного материала из композиции заключается в том, что порошкообразный метакриловый полимер либо сополимер смешивают с гидроксиапатитом с дальнейшим введением в полученную порошкообразную массу жидкого мономера - метилметакрилата, инициатора, в массовом соотношении: связующее 50-72 мас.ч., гидроксиапатит 25-40 мас.ч., инициатор 0,05-0,5 мас.ч. и с последующей укладкой непрерывных углеродных нитей в массовом соотношении 2-10 мас.ч. в набухшую полимерную массу в необходимом для изделия направлении с расстоянием между нитями 1-4 мм и последующей термообработкой композиции в закрытой форме при температуре 80-120°С в течение 45-120 минут.

Полимерный материал представляет собой частично взаимопроникающую сетку полимерного связующего (50-72 мас.ч.) с содержанием нерастворимой части в связующем в количестве 18-35% масс., наполненный порошкообразным наполнителем - гидроксиапатитом в количестве 25-40 мас.ч. и армированный непрерывными углеродными нитями из природного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна в количестве 2-10 мас.ч., имеющий показатель ударной вязкости по Динстату 3,2-4,8 кДж/м².

В качестве полимерного связующего предлагается смесь, состоящая из порошкообразного метакрилового полимера либо метакрилового сополимера в смеси с метилметакрилатом, взятых в масс. соотношении полимер - мономер от 1:0,3 до 1:0,5 и при содержании инициатора полимеризации (перекись бензоила) от 0,05 до 0,5 масс.ч. в композиции.

Наполнители представляют собой порошкообразный гидроксиапатит (1-10 мкм) и непрерывные биосовместимые углеродные нити, содержащие 200-1000 филамент, полученные из природного гидратцеллюлозного или полиакрилонитрильного волокна с расстоянием между нитями 1-4 мм.

После смешения связующего со смесью наполнителей проводится термообработка при 80-120°С, в процессе которой проходит полимеризация мономерной составляющей связующего с созданием структуры взаимопроникающей сетки.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что предлагаемую полимерную композицию биомедицинского назначения получают путем смешения полимерного связующего, представляющего собой вязкую массу набухшего порошкообразного акрилового полимера в мономере (метилметакрилате), в которую вводят порошок гидроксиапатита. Затем в вязкую полимер-мономерную массу укладывают армирующие непрерывные углеродные нити. Для получения полимерного материала, из которого получают готовое изделие (заготовки имплантатов), проводят темообработку композиции при температуре 80-120°С в течение 40-120 минут, в процессе которой проходит полимеризация мономерной части связующего в присутствии наполнителей. Полученную таким образом заготовку подвергают необходимой финишной механической обработке.

Оказалось, что в отличие от композиции-прототипа и материала на ее основе существенным преимуществом предлагаемой композиции является резкое повышение ударной вязкости за счет армированной анизотропной структуры получаемого материала, не смотря на малое количество углеродного волокнистого наполнителя. В заявляемой композиции волокна используются в виде непрерывных нитей, содержащих 200-1000 индивидуальных волокон (филамент), которые располагаются на расстоянии друг от друга 1-4 мм, что определяет анизотропность полученного материала и резкое (на 40% и более по сравнению с неармированным аналогом) возрастание ударной вязкости, не смотря на относительно невысокое количество вводимого углеродного волокна (2-10 масс.%). Особенностью введения углеродных нитей является различный характер их расположения: вдоль наиболее длинной стороны либо поперечная, комбинированная, кольцевая укладка и др. Во всех случаях отличительной особенностью материала является расстояние между нитями, которое должно быть в интервале 1-4 мм.

В качестве связующих применены:

полиметилметакрилат -(СН ₂-(СН₃)-СН(СООСН₃))-_n, плотность 1,19 г/см³, в смеси с мономером метилметакрилатом, перекись бензоила или перекись дикумила, сополимер метилметакрилата с метилакрилатом, плотность 1,14 г/см³.

Все эти полимеры исследованы на биосовместимость и применяются в качестве связующих материалов, используемых в настоящее время в качестве имплантатов челюстно-лицевой хирургии. Преимуществом выбранных связующих по сравнению с полимерами-аналогами является то, что они в смеси с мономером представляют собой набухшую вязкую массу, в которой при добавлении малых количеств (0,05-0,5 м.ч.) стандартных инициаторов, которыми, как правило, являются перекиси (перекись бензоила, перекись дикумила), происходит процесс полимеризации при сравнительно низких температурах без применения давления, что позволяет осуществлять этот процесс в закрытых формах весьма сложного профиля, изготовленных из таких материалов, как гипс, каучуки, полимеры и др. Это обстоятельство является решающим преимуществом для использования выбранных связующих для создания наполненных армированных материалов, используемых в хирургии. В качестве наполнителя для получения заявляемой полимерной композиции используется порошкообразный стандартный гидроксиапатит, представляющий собой порошок с размером частиц от 1 до 10 мкм с соотношением С/F 1,67.

Гидроксиапатит [Са₁₀(PO₄ )₆(ОН)₂] - широко применяемый в хирургии и стоматологии продукт в качестве биосовместимого наполнителя.

В качестве армирующего наполнителя заявляемой композиции применяют углеродные волокна, чем достигается резкое повышение ударной вязкости разработанного материала. Используется волокно двух типов: полученное из полиакрилонитрильного волокна (УКН) и гидратцеллюлозного волокна (УВИС). Использованные волокнистые наполнители наряду с биосовместимостью имеют высокие физико-механические показатели. Углеродные волокна из гидратцеллюлозного волокна - модуль упругости 100-120 ГПа, плотность 1,6 г/см³, прочность 1000-1500 МПа, 4,9-5 мкм; углеродные волокна из полиакрилонитрильного волокна - модуль упругости - 200-250 ГПа, плотность 1,72-1,76 г/см³, прочность 2500-4000 МПа, 7-7,5 мкм.

Конкретный пример получения материала приводится ниже.

Компоненты материала: порошкообразный метакриловый полимер в количестве 50 мас.ч. смешивают с 30 мас.ч. гидроксиапатита, расчетным количеством инициатора - перекисью бензоила 0,15 мас.ч. и добавляют 20 мас.ч. мономера - метилметакрилата. В полученную вязкую массу укладывают нити, содержащие по 800 филамент углеродного волокна УКН, полученного из полиакрилонитрила, в количестве 8 мас.ч., при расположении в 1,5 мм между нитями.

Массу отверждают в форме из гипса без давления при температуре 100°С в течение 1-го часа.

Результаты испытаний: прочность на изгиб 60,0 МПа; ударная вязкость 4,1 кДж/м²; твердость 210 МПа.

Преимущества предлагаемой полимерной композиции биомедицинского назначения заключаются в простоте технологического процесса изготовления. Заготовки могут быть получены в процессе термообработки непосредственно в необходимой форме, в том числе в виде детали, соответствующей имплантату сложной конфигурации, либо в блоках, листах, цилиндрах, которые легко поддаются механической обработке. Кроме того, преимуществом заявляемой композиции является возможность изменения расположения армирующих нитей в любом направлении. Помимо этого, ударная вязкость полимерного материала, получаемого из предлагаемой композиции, более близка к показателям натуральной кости, чем у материала, полученного из композиции-прототипа.

К дополнительному достоинству предлагаемой композиции следует отнести доступность компонентов, из которых она состоит.

Заявляемый материал значительно превосходит прототип по ударной вязкости (3,2-4,8 вместо 2,4 кДж/м²) и прочности на изгиб (60 вместо 50 МПа) и становится ближе к показателям натуральной кости.

При увеличении количества армирующих нитей и порошкообразного наполнителя материал ухудшает технологичность, а при снижении количества гидроксиапатита ухудшается биосовместимость, при снижении армирующего волокна снижается ударная вязкость материала, что подтверждается данными таблицы примеров.

Таким образом, по ряду определяющих свойств для создания необходимых для хирургии имплантатов с требуемыми показателями заявляемая композиция превосходит свойства композиции-прототипа, в первую очередь, по показателю ударной вязкости материала.

Сочетание в полимерном материале, получаемом из заявляемой композиции, высокой технологичности, обусловливающей возможность получения изделий сложного профиля с высокими прочностными свойствами, приближающимися по показателям к натуральной кости, обеспечивает его успешное использование, в первую очередь, в области челюстно-лицевой хирургии, особенно для создания имплантатов челюсти, испытывающих наряду со статическими и ударные нагрузки.

Таблица конкретных примеров состава заявляемой композиции и свойства получаемого материала
КОМПОЗИЦИЯ, состав в масс. част.				Полимерный материал и заготовки
Ингред.	Полимерное	Гидрокси	Углеродные	Ударная вязкость	Ударная вязкость	Расстояние
№ п/п	связующее	апатит	нити	монолитного образца	образца с отверстиями 1,5 мм	между нитями
1	72	26	2	3,2	1,7	4
2	50	40	10	3,4	2,0	1
3	55	37	8	3,4	2,4	1,2
4	50	30	8	4,4	2,8	1,5
5	60	35	5	3,6	2,7	2,8
6	64	30	6	4,8	3,5	1,4
7	72	25	3	3,3	1,8	3,2
8	42	45	13	1,0	0,6	0,6
9	65	20	15	2,5	1,2	5
10	70	30	-	2,4	1,3	-