CZ31320U1 - Kovový substrát s elektrostaticky nanesenou bioaktivní nanokompozitní vrstvou na bázi kolagenu a kalcium fosfátu - Google Patents

Description

Oblast techniky

Předmětem užitného vzoru je kompozitní materiál obsahující kovový substrát a elektrostaticky nanesenou bioaktivní nanokompozitní vrstvu na bázi kolagenu a kalcium fosfátu pro použití v ortopedii a stomatologii.

Dosavadní stav techniky

S ohledem na značná zdravotní rizika a vysoké náklady spojené s reoperacemi stávajících implantátů, zejména velkých kloubů, představuje prodloužení jejich životnosti funkcionalizací jejich povrchu velmi perspektivní a žádoucí směr vývoje v oblasti zdravotnické techniky. Vzhledem k tomu, že počet ortopedických operací tohoto typu v poslední dekádě celosvětově významně narostl, lze dosáhnout zavedením moderních typů náhrad s bioaktivním povrchem, modifikovaným za využití nanotechnologických řešení, díky vyšší odolnosti a osteointegraci implantátů jak zvýšení komfortu pro pacienta, tak i značných úspor ekonomických. Dodnes nejčastěji používané kovové náhrady na bázi titanu, titanových slitin, nerezové oceli, slitin chrómu a kobaltu jsou biokompatibilní, avšak bioinertní. Často také podléhají různým formám koroze v tělním prostředí. Osteointegrace bioinertních kovových náhrad je problematická, jejich povrch je potřeba pro vhodnou fixací s kostí dodatečně upravovat. Pro zvýšení fixace lze provést fyzikálněchemickou, či morfologickou modifikaci povrchu endoprotézy. V současné době jsou pro chemické úpravy povrchu kovových náhrad používány především bioaktivní kalcium fosfáty, nejčastěji hydroxyapatit nebo fosforečnan vápenatý. Tyto biokeramické materiály vykazují ve spojení s kostí výborné vlastnosti dané povrchovou reaktivitou způsobenou mechanizmem vytvářejícím styčnou mineralizovanou vrstvu mezi implantátem a kostní tkání. Toto rozhraní pak zajišťuje fyzikálně-chemickou a mechanickou kohezí mezi implantátem a kostí. Použití těchto materiálů ve své původní formě je však limitované jejich mechanickými vlastnostmi nebo adhezí k povrchu implantátů. Další strategií je pokrytí polymemí vrstvou na bázi syntetických polymerů (alifatické polyestery a jejich kopolymery). Zvýšení bioaktivity povrchu lze dosáhnout pokrytím přírodními polymery (kolagen, želatina). Odborné studie stejně tak, jako klinická praxe naznačují, že slibný přístup pro zvýšení fixace implantátů může spočívat v nanesení povrchové vrstvy, která imituje složení i strukturu reálné kosti.

Podstata technického řešení

Předmětem užitného vzoru je kompozitní materiál obsahující kovový substrát a elektrostaticky nanesenou bioaktivní nanokompozitní vrstvu na bázi kolagenových submikronových vláken nebo nanovláken s integrovanými hydroxyapatitovými nanočásticemi. Elektrostaticky nanesená kompozitní vrstva je nanesená alespoň na jedné straně kovového substrátu nebo tvoří kontinuální film. Kompozitní vrstvu je možné aplikovat na substráty vyrobené z čistého titanu, ze slitiny titanu TÍ6AI4V, ze slitin CoCrMo nebo z nerez oceli. Nanokompozitní vrstva je na substrát nanášena přímo elektrostatickým zvlákňováním směsí kolagenu typu I, hydroxypatitu ve frakci 100 až 150 nm a polyetylemoxidu, jako 8 % hmotn. roztoku kolagenu ve fosfátovém pufru a ethanolu (1:1 objemově). Vrstva a proces přípravy jsou navrženy tak, aby kolagenní vlákna vykazovala střední hodnotu průměru 150 až 250 nm a integrovala do sebe homogenně rozptýlené nanočástice hydroxyapatitu. Po zvláknění je dále kolagenová složka zesítována. Při tomto procesuje z vrstvy současně kompletně odstraněn polyetylén oxid. Hmotnostní podíly jednotlivých složek v takto připravené vrstvě jsou 85 až 95 % hmotn. kolagenu, 5 až 15 % hmotn. hydroxyapatitu.

Substrát s vrstvou kombinující kolagen a hydroxyapatit, jakožto hlavní složky kostní tkáně, mimo chemického složení napodobuje i strukturu kosti, a to aplikací hydroxyapatitu formou nanočástic a kolagenu ve formě nanovláken, čímž se docílí nanostrukturovaného povrchu ideálního pro vhodnou adhezi a proliferaci kostních buněk. Další předností těchto kompozitních materiálů je možnost volby jednotlivých složek z pohledu jejich skladby a orientace, materiálových, fyzikálCZ 31320 U1 nich a chemických charakteristik, kterými je možno dosáhnout širokého rozsahu mechanických a biologických vlastností.

Při přípravě se postupuje tak, že se odvážené množství lyofilizovaného kolagenu smísí s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotn. kolagenu. Do směsi je dále přidán polyetylenoxid. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin. Dalším krokem přípravy je homogenizace, po níž je do roztoku přidán hydroxyapatit. Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňován v elektrickém poli nepřesahujícím 300 kV.m'¹, dávkování do 200 pl.miri¹, relativní vlhkostí vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C, přímo na kovový substrát. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením substrátu s nanesenou vrstvou v roztoku 95 % hmotn. ethanolu a vody s N-(3-dimethylaminopropyl)-N-ethylkarbodiimid hydrochloridem (EDC) a N-hydroxysukcinimidu (NHS) při teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smísené se 150 ml 95 % hmotn. roztoku ethanolu s vodou. Po zesítování kolagenové složky je substrát s vrstvou promýván 0,1 M hydrogen fosforečnanem disodným po dobu alespoň 30 minut a dále promyt alespoň 20 minut v destilované vodě, zamražen na -30 °C a lyofilizován.

Příklady uskutečnění technického řešení

Kovový substrát vyrobený z čistého titanu, ze slitiny titanu Tif,Al₄V, ze slitiny CoCrMo nebo z nerez oceli je povlečen i nanokompozitní vrstvou tvořenou nanovlákny kolagenu typu I a homogenně rozptýlenými nanočásticemi hydroxyapatitu, které jsou integrovány v kolagenových vláknech. Nanokompozitní vrstva je aplikována elektrostatickým zvlákňováním přímo na kovový substrát. Odvážené množství kolagenu je nejprve smíseno s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotn. Do této směsi je přidán polyethylenoxid v množství 8 % hmotn. na hmotnost kolagenu. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin. Poté je směs homogenizována (rychlost míchání 15000 otáček/min v homogenizátoru do úplného zhomogenizování). Po homogenizaci je do roztoku přidáno odvážené množství hydroxyapatitu v množství 5 % hmotn. na hmotnost kolagenu tak, aby došlo k rovnoměrné dispergaci (rychlost míchání 20000 otáček/min po dobu 15 min v homogenizátoru). Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňován v elektrickém poli nepřesahujícím 300kV.ni'¹, dávkování do 200 pl.mhí’, relativní vlhkostí vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením vrstvy v roztoku 95 % hmotn. ethanolu a vody s EDC a NHS při teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smísené se 150 ml roztoku 95 % hmotn. ethanolu a vody.

Po zesítování je vrstva promyta v 0,1 M hydrogen fosforečnanem disodným po dobu alespoň 30 minut a dále promyta alespoň 20 minut v destilované vodě. Při této proceduře je z vrstvy kompletně vymyt polyethylenoxid. Posledním krokem je zamražení substrátu s vrstvou na -30 °C a lyofilizace.

Kovový substrát vyrobený z čistého titanu, ze slitiny titanu Ti₆Al₄V, ze slitiny CoCrMo nebo z nerez oceli je povlečen nanokompozitní vrstvou tvořenou nanovlákny kolagenu typu I a homogenně rozptýlenými nanočásticemi hydroxyapatitu, které jsou integrovány v kolagenových vláknech. Nanokompozitní vrstva je aplikována elektrostatickým zvlákňováním přímo na kovový substrát. Odvážené množství kolagenu je nejprve smíseno s roztokem fosfátového pufru a ethanolu (1:1 objemově) v koncentraci 8 % hmotn. Do této směsi je přidán polyethylenoxid v množství 8 % hmotn. na hmotnost kolagenu. Takto připravená směs je vystavena teplotě 37 °C po dobu 48 hodin. Poté je směs homogenizována (rychlost míchání 15000 otáček/min v homogenizátoru do úplného zhomogenizování). Po homogenizaci je do roztoku přidáno odvážené množství hydroxyapatitu v množství 15 % hmotn. na hmotnost kolagenu tak, aby došlo k rovnoměrné dispergaci (rychlost míchání 20000 otáček/min po dobu 15 min v homogenizátoru). Takto připravený roztok je elektrostaticky zvlákňován v elektrickém poli nepřesahujícím 300 kV.m’¹, dávkování do 200 pl.min'¹, relativní vlhkostí vzduchu nepřesahující 30 % a teplotě nepřesahující 37 °C. Stabilita vrstvy po zvláknění je zvýšena máčením vrstvy v roztoku 95 % hmotn. ethanolu a vody s EDC a NHS při teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. Na 1 g kolagenu připadá 1 g EDC a 0,25 g NHS smísené se 150 ml roztoku 95 % hmotn. ethanolu a vody. Po zesítování je vrstva oromvta v 0,1 M hydrogen fosforečnanem disodným po dobu alespoň 30 minut a dále promyta alespoň 20 minut v destilované vodě. Při této proceduře je z vrstvy kompletně vymyt polyethylenoxid. Posledním krokem je zamražení substrátu s vrstvou na -30 °C a lyofílizace.

Průmyslová využitelnost

Kompozitní materiál obsahující kovový substrát a elektrostaticky nanesenou bioaktivní nanokompozitní vrstvu na bází kolagenu a kalcium fosfátu připravený podle tohoto užitného vzoru lze využít v humánní a veterinární medicíně, zejména v ortopedii a stomatologii.

Claims (2)

1. Kompozitní materiál obsahující kovový substrát a elektrostaticky nanesenou bioaktivní io nanokompozitní vrstvu na bázi kolagenu a kalcium fosfátu pro aplikace v ortopedii a stomatologii, vyznačující se tím, že nanokompozitní vrstva sestává z 85 až 95 % hmotn. kolagenu typu I ve formě submikronových vláken a nanovláken se střední hodnotou průměru 150 až

250 nm, 5 až 15 % hmotn. hydroxyapatitu ve formě nanočástic o velikostí 100 až 150 nm.

2. Kompozitní materiál obsahující kovový substrát a elektrostaticky nanesenou bioaktivní 15 nanokompozitní vrstvu na bázi kolagenu a kalcium fosfátu podle nároku 1, vyznačující se tím, že kovový substrát je vyrobený z čistého titanu, ze slitiny titanu TigAUV, ze slitiny CoCrMo nebo z nerez oceli.