способ получения биологически активного покрытия

Формула изобретения

1. Способ получения биологически активного покрытия на эндопротезах из титана и его сплавов, включающий порошок гидроксиапатита, который перемешивают до состояния гомогенизации, высушивают, отличающийся тем, 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.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что сополимер поливинилиденфторида и смесевой растворитель берут в соотношении, мас.%:

сополимер поливинилиденфторида	10-20
смесевой растворитель	80-90

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что ацетон и этилацетат берут в соотношении, мас.%:

ацетон	50-70
этилацетат	30-50

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что порошок гидроксиапатита и бутилацетат берут в соотношении, мас.%:

порошок гидроксиапатита	30-50
бутилацетат	50-70

5. Способ по п.1, отличающийся тем, что дисперсию порошка гидроксиапатита и раствор сополимера берут в соотношении, мас.%:

дисперсия порошка гидроксиапатита	30-70
раствор сополимера	30-70

Описание изобретения к патенту

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.

Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см³. 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.

Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см³. 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.

Качество подготовки поверхности определяют пробой на смачиваемость. Для этого на изделие, предварительно подготовленное по вышеописанной методике, наливают дистиллированную воду - 5-8 см³. 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. 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 1,5×10⁶ клеток/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	% жизнеспособ ности	Площадь прилипания к пластику (S), мм2	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*106 кг/м2
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