RU2494076C1

RU2494076C1 - Method of reinforcing porous calcium phosphate ceramic

Info

Publication number: RU2494076C1
Application number: RU2012107585/03A
Authority: RU
Inventors: Сергей Миронович Баринов; Владимир Сергеевич Комлев; Александр Юрьевич Федотов; Инна Вилоровна Фадеева
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2013-09-27
Also published as: RU2012107585A

Abstract

FIELD: chemistry.

SUBSTANCE: invention relates to composite materials based on calcium phosphate ceramic with improved strength properties and can be used in filling bone defects in traumatology and orthopaedics, maxillofacial surgery and dental surgery. To obtain reinforced porous composite materials based on hydroxyapatite and tricalcium phosphate, a porous ceramic matrix of a calcium phosphate ceramic with the ratio Ca/P ranging from 1.5 to 1.67 is saturated with 1-5% solution of average molecular or high molecular chitosan in 8% acetic acid at residual pressure of 0.1 to 0.3 Pa and holding for 10 to 30 minutes, followed by drying at room temperature for 24 hours.

EFFECT: invention increases strength of the composite material 8-9-fold.

3 ex, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, а именно травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии и может использоваться для изготовления материалов, предназначенных для заполнения костных дефектов.The invention relates to the field of ceramic materials for medicine, namely traumatology and orthopedics, oral and maxillofacial surgery and surgical dentistry and can be used for the manufacture of materials designed to fill bone defects.

Применение кальцийфосфатной керамики в качестве материала для имплантатов, несущих механические нагрузки, часто невозможно из-за недостаточных прочностных характеристик и трещиностойкости. Поскольку естественная костная ткань является композиционным материалом, состоящим из гидроксиапатита, коллагена и других белков, то значительные перспективы для повышения механических свойств кальцийфосфатной керамики, предназначенной для изготовления костных имплантатов, имеет принцип формирования композиционных структур.The use of calcium phosphate ceramics as a material for implants bearing mechanical loads is often impossible due to insufficient strength characteristics and crack resistance. Since natural bone tissue is a composite material consisting of hydroxyapatite, collagen and other proteins, the principle of formation of composite structures has significant prospects for improving the mechanical properties of calcium phosphate ceramics intended for the manufacture of bone implants.

Известна работа [Komlev V.S., Barinov S.M., Rustichelli F. Strength enhancement of porous hydroxyapatite ceramics by polymer impregnation. // J. Mat. Sci. 2003. V.22. P.1215-1217.], в которой получали композиционные материалы, пропитывая пористый керамический матрикс на основе гидроксиапатита растворами полимеров - желатина и поливинилового спирта (ПВС). Показано, что при пропитке матриксов с пористостью 50% растворами желатина или ПВС концентрации 10% прочность при растяжении увеличивалась в 5 и в 3 раза, соответственно. Недостатками данного способа являются использование ПВС, который не проявляет биологической активности, не подвергается биодеградации. Желатин получают из костей животных, поэтому он может содержать опасные для человека факторы-возбудители различных заболеваний.Known work [Komlev V.S., Barinov S.M., Rustichelli F. Strength enhancement of porous hydroxyapatite ceramics by polymer impregnation. // J. Mat. Sci. 2003. V.22. P.1215-1217.], In which composite materials were prepared by impregnating a porous ceramic matrix based on hydroxyapatite with polymer solutions - gelatin and polyvinyl alcohol (PVA). It was shown that when matrices with porosity were impregnated with 50% solutions of gelatin or PVA at a concentration of 10%, tensile strength increased by 5 and 3 times, respectively. The disadvantages of this method are the use of PVA, which does not exhibit biological activity, is not subjected to biodegradation. Gelatin is obtained from animal bones, so it may contain pathogens of various diseases that are dangerous to humans.

Известно [Nakahira A., Tamai М., Miki S. Fracture behavior and biocompatibility evaluation of nylon-infiltrated porous hydroxyapatite // J. Mat. Sci. 2002. V.37. P.4425-2230] влияние пропитки нейлоном ГА каркаса с пористостью 54%: после пропитки коэффициент трещиностойкости увеличивается от 0,4 до 1,65 МПа·м^1/2. Однако нейлон, как и ПВС не подвергается биодеградации в организме.Known [Nakahira A., Tamai M., Miki S. Fracture behavior and biocompatibility evaluation of nylon-infiltrated porous hydroxyapatite // J. Mat. Sci. 2002. V.37. P.4425-2230] the effect of impregnation of HA framework with nylon with a porosity of 54%: after impregnation, the coefficient of crack resistance increases from 0.4 to 1.65 MPa · m ^1/2 . However, nylon, like PVA, does not undergo biodegradation in the body.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ [С1 2297249 RU A61L 27/10. Способ получения композиционного материала для заполнения костных дефектов. Комлев B.C., Баринов С.М. (Институт физико-химических проблем керамических материалов РАН (RU)). - патент РФ №2297249], сущность которого состоит в пропитке пористой керамической матрицы из кальцийфосфатной керамики с соотношением Ca/Р от 1,5 до 1,67 растворами коллагена, желатина и поливинилового спирта концентрацией от 4 до 10% под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин. при температуре раствора от 10 до 75°С с последующей сушкой композиции в течение до 24 ч, при этом прочность материала возрастает в 5-6 раз. Недостатком данного способа является относительно низкая прочность полученных композиционных материалов, а также использование материалов (желатина и коллагена), полученных из костей и шкур млекопитающих, которые могут содержать опасные для человека факторы различных заболеваний.Closest to the proposed invention is the method [C1 2297249 RU A61L 27/10. A method of obtaining a composite material for filling bone defects. Komlev B.C., Barinov S.M. (Institute of Physical and Chemical Problems of Ceramic Materials RAS (RU)). - RF patent No. 2297249], the essence of which is the impregnation of a porous ceramic matrix of calcium phosphate ceramics with a Ca / P ratio of from 1.5 to 1.67 solutions of collagen, gelatin and polyvinyl alcohol with a concentration of 4 to 10% under vacuum from 0.1 up to 3.0 Pa with a shutter speed of 10 to 30 minutes. at a temperature of the solution from 10 to 75 ° C, followed by drying of the composition for up to 24 hours, while the strength of the material increases by 5-6 times. The disadvantage of this method is the relatively low strength of the obtained composite materials, as well as the use of materials (gelatin and collagen) obtained from the bones and skins of mammals, which may contain dangerous factors for humans of various diseases.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании способа упрочнения пористой керамики растворами хитозана.The problem to which the present invention is directed is to provide a method for hardening porous ceramics with chitosan solutions.

Техническим результатом изобретения является повышение прочности композиционных материалов в 8-9 раз, а также снижение риска заражения опасными для человека инфекциями в результате использования среднемолекулярного и низкомолекулярного хитозана.The technical result of the invention is to increase the strength of composite materials by 8–9 times, as well as to reduce the risk of infection with infections dangerous to humans as a result of the use of medium and low molecular weight chitosan.

Технический результат достигается тем, что в способе упрочнения пористой кальцийфосфатной керамики пропиткой полимерами, заключающемся в пропитке пористой керамической матрицы из кальцийфосфатной керамики с соотношением Ca/Р от 1,5 до 1,67 растворами полимеров под вакуумом от 0,1 до 3,0 Па с выдержкой от 10 до 30 мин с последующей сушкой композиции в течение 24 часов, согласно изобретению, в качестве растворов полимеров используют 1-5% растворы среднемолекулярного и 0,5-2,5% растворы высокомолекулярного хитозана в 8% уксусной кислоте.The technical result is achieved in that in the method of hardening a porous calcium phosphate ceramic by impregnation with polymers, which consists in impregnating a porous ceramic matrix of calcium phosphate ceramic with a Ca / P ratio of from 1.5 to 1.67 polymer solutions under vacuum from 0.1 to 3.0 Pa with exposure from 10 to 30 minutes, followed by drying of the composition for 24 hours, according to the invention, 1-5% solutions of medium molecular weight and 0.5-2.5% solutions of high molecular weight chitosan in 8% acetic acid are used as polymer solutions.

Сущность изобретения состоит в повышении прочности кальцийфосфатного материала в результате пропитки его растворами хитозанов в 8-9 раз. Повышение прочности связано с более эффективным залечиванием микродефектов керамики растворами хитозанов по сравнению с растворами коллагена и желатина.The invention consists in increasing the strength of calcium phosphate material as a result of impregnation with chitosan solutions of 8-9 times. The increase in strength is associated with a more effective healing of ceramic microdefects with chitosan solutions compared to collagen and gelatin solutions.

Пример 1. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/Р=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах среднемолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 50°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 8,5 МПа.Example 1. Samples of porous ceramics from hydroxyapatite (Ca / P = 1.67) were infiltrated in 1, 2.5 and 5% solutions of medium molecular chitosan in an 8% solution of acetic acid under vacuum at a residual pressure of 1.33 Pa for 10 and 30 minutes The temperature of the solution was 50 ° C. Then, the obtained samples were removed from the vacuum vessel, excess liquid was removed from their surface with a moist cotton cloth, and dried in air for 20 hours at room temperature. The strength of the obtained samples is 8.5 MPa.

Пример 2. Образцы пористой керамики из трехкальциевого фосфата (Ca/Р=1,5) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах среднемолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 70°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 8,9 МПа.Example 2. Samples of porous ceramics from tricalcium phosphate (Ca / P = 1.5) were infiltrated in 1, 2.5 and 5% solutions of medium molecular chitosan in an 8% solution of acetic acid under vacuum at a residual pressure of 1.33 Pa in for 10 and 30 minutes The temperature of the solution was 70 ° C. Then, the obtained samples were removed from the vacuum vessel, excess liquid was removed from their surface with a moist cotton cloth, and dried in air for 20 hours at room temperature. The strength of the obtained samples is 8.9 MPa.

Пример 3. Образцы пористой керамики из гидроксиапатита (Ca/Р=1,67) подвергали инфильтрации в 1, 2,5 и 5%-ных растворах высокомолекулярного хитозана в 8% растворе уксусной кислоты под вакуумом при остаточном давлении 1,33 Па в течение 10 и 30 мин. Температура раствора составляла 60°С. Затем полученные образцы извлекали из вакуум-сосуда, удаляли с их поверхности избыточную жидкость влажной хлопчатобумажной тканью и сушили на воздухе 20 часов при комнатной температуре. Прочность полученных образцов - 9,2-9,5 МПа.Example 3. Samples of porous ceramics from hydroxyapatite (Ca / P = 1.67) were infiltrated in 1, 2.5 and 5% solutions of high molecular weight chitosan in an 8% solution of acetic acid under vacuum at a residual pressure of 1.33 Pa for 10 and 30 minutes The temperature of the solution was 60 ° C. Then, the obtained samples were removed from the vacuum vessel, excess liquid was removed from their surface with a damp cotton cloth and dried in air for 20 hours at room temperature. The strength of the obtained samples is 9.2-9.5 MPa.

В таблице 1 приведены свойства композиционных материалов, полученных при различных режимах процесса. Пропитка керамики полимером приводит к повышению прочности до 9 раз. Эффект повышения прочности зависит от вида хитозана, а также от технологических условий эксперимента. При уровне вакуума менее ОД Па резко снижается пористость матрицы, а при уровне более 3,0 Па не происходит существенного упрочнения материала. При концентрации раствора биополимера менее 1% не достигается повышение прочности, а при концентрации более 5% инфильтрация полимера затруднена. При температуре раствора ниже 50°С процесс пропитки не реализуем из-за резкого увеличения вязкости раствора, а при температуре выше 70°С происходит частичная деструкция хитозана, сопровождающаяся изменением окраски раствора и изменением вязкости. Длительность сушки 24 часа вполне достаточна для удаления воды из композиционного материала.Table 1 shows the properties of composite materials obtained under various process conditions. Impregnation of ceramics with polymer leads to an increase in strength up to 9 times. The effect of increasing strength depends on the type of chitosan, as well as on the technological conditions of the experiment. At a vacuum level of less than OD Pa, the matrix porosity sharply decreases, and at a level of more than 3.0 Pa there is no significant hardening of the material. At a concentration of the biopolymer solution of less than 1%, an increase in strength is not achieved, and at a concentration of more than 5%, polymer infiltration is difficult. At a solution temperature below 50 ° C, the impregnation process is not possible due to a sharp increase in the viscosity of the solution, and at a temperature above 70 ° C, partial destruction of chitosan occurs, accompanied by a change in the color of the solution and a change in viscosity. A drying time of 24 hours is sufficient to remove water from the composite material.

Claims

The method of hardening porous calcium phosphate ceramics, which consists in impregnating a porous ceramic matrix of calcium phosphate ceramics with a Ca / P ratio of from 1.5 to 1.67 polymer solutions under vacuum from 0.1 to 3.0 Pa with a holding time of 10 to 30 minutes followed by drying the composition for up to 24 hours, characterized in that 1-5% solutions of medium and high molecular weight chitosan in 8% acetic acid are used as polymer solutions.