RU2631594C1 - Method for hydroxyapatite-collagene composite production - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: hydroxyapatite obtained by the condensation method using a hydroacoustic transducer is mixed with collagen, the resulting hydroxyapatite-collagen mixture is homogenized in an ultrasonic field at a frequency of (22÷44) kHz, power density of (1÷10) W/m³ within (10÷400) s.

EFFECT: hydroxyapatite-collagen composite is suitable for filling bone defects and forming bone implants with predetermined dimensions and shape.

2 ex

Description

Изобретение относиться к медицине, в частности к восстановительной хирургии, а точнее к способу получения материала в виде гидроксиапатит-коллагенового биокомпозита, пригодного, например, для заполнения костных дефектов и/или формирования костных имплантатов с заранее заданными размерами и формой.The invention relates to medicine, in particular to reconstructive surgery, and more specifically to a method for producing a material in the form of a hydroxyapatite-collagen biocomposite suitable, for example, for filling bone defects and / or forming bone implants with predetermined sizes and shapes.

Задача решается гомогенизацией гидроксиапатит-коллагеновой смеси в ультразвуковом поле с частотой (22÷44) кГц, плотностью мощности (1÷10) Вт/см³ в течение (10÷100) с. Из полученного продукта формируют тело и подвергают лиофильной сушке с образованием биокомпозита пористой структуры с заданными размерами и формой.The problem is solved by homogenizing the hydroxyapatite-collagen mixture in an ultrasonic field with a frequency (22 ÷ 44) kHz, power density (1 ÷ 10) W / cm ³ for (10 ÷ 100) s. The body is formed from the obtained product and subjected to freeze drying with the formation of a biocomposite of a porous structure with specified sizes and shapes.

Успех любой костно-пластической операции во многом определяется качеством используемого для пластики материала. Поиски такого материала продолжаются по настоящее время, приводя к появлению аллотрансплантатов - имплантов из композиции костной стружки с цианакрилатом, ускоренно полимеризующимся под действием ультразвуковых хирургических инструментов (Николаев Г.А., Лощилов B.И. Ультразвуковая технология в хирургии. М., "Медицина", 1980. - 271 C., Лукьяновский В.А., Белов А.Д, Беляков И.М. "Болезни костной системы животных" М., "Колос", 1984, 256 с.), коммерчески выпускаемых ксеноимплантатом - материалов, полученные из костей крупного рогатого скота ("Endobon" (Германия), "Bio-Oss" (Швейцария), "OsteoGraf N" (США) и ряда других (Островский, А.В. Остеопластические материалы в современной пародонтологии и имплантологии. Новое в стоматологии. 1999. №6. С. 39-52). В клинической практике используются также композиционные материалы на основе гидроксиапатита и бычьего коллагена («Колаост», «Гапкол», «Колапол») как в России (Абоянц Р.К., Истранов Л.П., Истранова Е.В., Курдюмов С.Г. Изделия из коллагена с гидроксиапатитом, Клинический опыт и проблемы коллагенопластики. М., 1999, с. 165-187), так и за рубежом ("Biostite", "Collagraft").The success of any osteoplastic surgery is largely determined by the quality of the material used for plastic surgery. The search for such material continues to the present, leading to the appearance of allografts - implants from the composition of bone chips with cyanoacrylate, accelerated polymerization under the action of ultrasonic surgical instruments (Nikolaev G.A., Loschilov V.I. Ultrasonic technology in surgery. M., "Medicine ", 1980. - 271 C., Lukyanovsky V.A., Belov A.D., Belyakov I.M." Diseases of the skeletal system of animals "M., Kolos, 1984, 256 pp.), Commercially available as xenograft materials obtained from bones of cattle ("Endobon" (Germany), "Bio -Oss "(Switzerland)," OsteoGraf N "(USA) and several others (Ostrovsky, A.V. Osteoplastic materials in modern periodontology and implantology. New in dentistry. 1999. No. 6. P. 39-52). In clinical Composite materials based on hydroxyapatite and bovine collagen (Kolaost, Gapkol, Kolapol) are used in practice as in Russia (Aboyants R.K., Istranov L.P., Istranova E.V., Kurdyumov S.G. Collagen products with hydroxyapatite, Clinical experience and problems of collagenoplasty. M., 1999, p. 165-187), as well as abroad ("Biostite", "Collagraft").

В качестве недостатков этих материалов отмечается возникающие в некоторых случаях аллергические реакции (Абоянц Р.К., Истранов Л.П., Истранова Е.В., Курдюмов С.Г. Изделия из коллагена с гидроксиапатитом, Клинический опыт и проблемы коллагенопластики. М., 1999. С. 165-187), причем не выяснена причина их возникновения, поскольку до настоящего времени состав композитов недостаточно изучен.As disadvantages of these materials, allergic reactions occurring in some cases are noted (Aboyants R.K., Istranov L.P., Istranova E.V., Kurdyumov S.G. Collagen products with hydroxyapatite, Clinical experience and problems of collagenoplasty. M. , 1999. S. 165-187), and the reason for their occurrence has not been clarified, since up to now the composition of the composites has not been sufficiently studied.

Широкое использование аллотрансплантатов, наиболее часто применяемых в настоящее время в клинике, сопряжено с целым рядом недостатков. Среди основных - технические и экономические сложности, связанные с забором, стерилизацией, консервацией, транспортировкой трупного материала; значительное снижение механической прочности пересаженной кости; возможное нагноение, встречающееся в среднем в 4-10% случаев (Имамалиев А.С. Гомопластика суставных концов костей. Изд. 2, 1975. 304 с.). В связи с этим в настоящее время проводится интенсивный поиск новых материалов, пригодных для замещения костных дефектов. Разрабатываются и апробируются имплантанты из различных сплавов металлов, пластмасс, керамики, углерода и др.The widespread use of allografts, the most commonly used at the present time in the clinic, is associated with a number of disadvantages. Among the main ones are technical and economic difficulties associated with the fence, sterilization, preservation, transportation of cadaveric material; a significant decrease in the mechanical strength of the transplanted bone; possible suppuration, occurring on average in 4-10% of cases (Imamaliev A.S. Homoplasty of the articular ends of bones. Ed. 2, 1975. 304 p.). In this regard, an intensive search is currently underway for new materials suitable for the replacement of bone defects. Implants from various alloys of metals, plastics, ceramics, carbon, etc. are being developed and tested.

При современном развитии оперативной техники требуются материалы, обладающие высокой остеогенной потенцией, способные к биодеградации и замещению новообразованной костной тканью. Создаваемые остеоиндуктивные материалы должны быть просты в получении, постоянно доступны и в удобной для клинического применения консистенции, что позволяло бы хирургу заполнять зоны дефектов различной конфигурации.With the modern development of surgical technique, materials with high osteogenic potency, capable of biodegradation and replacement of newly formed bone tissue are required. The created osteoinductive materials should be easy to obtain, constantly available and in a consistency convenient for clinical use, which would allow the surgeon to fill in the defect zones of various configurations.

Сравнение результатов лечения костной патологии с замещением дефекта деминерализованным матриксом и препаратами на основе гидроксиапатита в клинической практике показало преимущество препаратов на основе гидроксиапатита.Comparison of the results of treatment of bone pathology with the replacement of a defect with a demineralized matrix and hydroxyapatite-based drugs in clinical practice showed the advantage of hydroxyapatite-based drugs.

Задача соответствия требованиям остеопластики решается в достаточной степени созданием пористого композита из синтетического гидроксиапатита и коллагена. Такой композит относительно легко стандартизуем, а его пористая структура позволяет нагрузить его требуемыми в каждом конкретном случае лекарственными веществами.The task of meeting the requirements of osteoplasty is solved sufficiently by creating a porous composite of synthetic hydroxyapatite and collagen. Such a composite is relatively easy to standardize, and its porous structure allows it to be loaded with the required drug substances in each case.

Существует множество способов приготовления коллаген-гидроксиапатитовых или подобных комплексов.There are many ways to prepare collagen-hydroxyapatite or similar complexes.

Так, например, пористые гранулы с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани получают из смеси ортофосфата магния и биологического гидроксиапатита из деминерализованных костей крупного рогатого скота, а также 1-3%-ный раствора альгината натрия в дистиллированной воде и отверждаемого насыщенным раствором хлорида кальция. Авторы утверждают, что полученные гранулы обладают биосовместимостью, биодеградабельностью, остеоиндуктивными и остеокондуктивными свойствами и способны полностью замещаться костной тканью. (Полежаева Л.К. Пористые микросферы на основе биофосфатов кальция и магния с регулируемым размером частиц для регенерации костной ткани. Патент РФ №2497548, 2013).For example, porous granules with adjustable particle size for bone tissue regeneration are obtained from a mixture of magnesium orthophosphate and biological hydroxyapatite from demineralized bones of cattle, as well as a 1-3% solution of sodium alginate in distilled water and cured with a saturated solution of calcium chloride. The authors claim that the obtained granules have biocompatibility, biodegradability, osteoinductive and osteoconductive properties and are completely replaced by bone tissue. (Polezhaeva L.K. Porous microspheres based on calcium and magnesium biophosphates with an adjustable particle size for bone tissue regeneration. RF patent No. 2497548, 2013).

A.R. Vaccaro предложил биоинженерную конструкцию для замещения костных дефектов из пористых матриксов гранулированных биокерамических материалов на основе гидроксиапатита или из натуральных кораллов Acropora sp., Porites sp, насыщенных культурой аутологичных мультипотентных клеток, выделенных из костного мозга (Vaccaro A.R. The Role of the Osteoconductive Scaffold in Synthetic Bone Graft // Orthopedics, 2002, V. 25, №5, Suppl., P. s571-s578; Louisia S., Stromboni M., Meunier A., Sedel L, Petite H. Coral grafting supplemented with bone marrow. J Bone Joint Surg [Br], 1999; V. 81-B, №4, P. 719-724). Однако биокерамические материалы в организме плохо рассасываются, и их остатки оказываются замурованными в костную ткань, что делает ее менее прочной (Сергеева Н.С., Франк Г.А., Свиридова И.К., Кирсанова В.А., Ахмедова С.А., Антохин А.И. Роль аутогенных мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток в тканеинженерных конструкциях на основе натуральных кораллов и синтетических биоматериалов при замещении костных дефектов у животных. Клеточная трансплантология и тканевая инженерия, 2009, т. IV, №4, с. 56-64). Кроме того, керамику на основе гидроксиапатита можно использовать только для замещения участков костей, не несущих значительных механических нагрузок, что обусловлено хрупкостью материала и его высокой чувствительностью в напряженном состоянии к биокоррозии в физиологических жидкостях организма, приводящей к разрушению имплантата (Баринов С.М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины. Успехи химии, 2010, 79(1), с. 15-32). Высокая пористость естественных кораллов обусловливает хрупкость материала. По этой причине, подобные конструкции рекомендовано использовать либо для восстановления дефектов губчатой костной ткани, либо в сочетании с металлическими пластинами, несущими опорную функцию (Demers С., Hamdy C.R., Corsi K., Chellat F., Tabrizian M., Yahia L. Natural coral exoskeleton as a bone graft substitute: A review. Bio-Medical Materials and Engineering, 2002, V. 12, №1, P. 15-35).A.R. Vaccaro proposed a bioengineered design to replace bone defects from porous matrices of granular bioceramic materials based on hydroxyapatite or from natural corals Acropora sp., Porites sp saturated with a culture of autologous multipotent cells isolated from bone marrow (Vaccaro AR The Role of the Osteoconductive Scold Graft // Orthopedics, 2002, V. 25, No. 5, Suppl., P. s571-s578; Louisia S., Stromboni M., Meunier A., Sedel L, Petite H. Coral grafting supplemented with bone marrow. J Bone Joint Surg [Br], 1999; V. 81-B, No. 4, P. 719-724). However, bioceramic materials in the body are poorly absorbed, and their residues are walled up in bone tissue, which makes it less durable (Sergeeva N.S., Frank G.A., Sviridova I.K., Kirsanova V.A., Akhmedova S. A., Antokhin AI The role of autogenic multipotent mesenchymal stromal cells in tissue-engineering constructions based on natural corals and synthetic biomaterials when replacing bone defects in animals. Cell transplantology and tissue engineering, 2009, vol. IV, No. 4, p. 56- 64). In addition, ceramics based on hydroxyapatite can only be used to replace areas of bones that do not carry significant mechanical loads, due to the fragility of the material and its high sensitivity in tension to biocorrosion in physiological body fluids, leading to the destruction of the implant (Barinov S.M. Ceramic and Composite Materials Based on Calcium Phosphates for Medicine, Advances in Chemistry, 2010, 79 (1), pp. 15-32). The high porosity of natural corals makes the material fragile. For this reason, such constructions are recommended to be used either to repair defects in the spongy bone tissue, or in combination with metal plates bearing a supporting function (Demers C., Hamdy CR, Corsi K., Chellat F., Tabrizian M., Yahia L. Natural coral exoskeleton as a bone graft substitute: A review. Bio-Medical Materials and Engineering, 2002, V. 12, No. 1, P. 15-35).

Баринов С.М. и др. предложили использовать для замещения дефектов костной ткани пористый композиционный материал, содержащий хитозан и трикальцийфосфатные наполнители в виде гранул или порошка из брушита, монетита, тетракальцийфосфата, гидроксиапатита, карбонатгидроксиапатита или их смеси. По утверждению авторов, биокомпозит обеспечивает заполнение костных дефектов различной формы и размера, а содержащиеся в губке кальцийфосфатные наполнители совместно с хитозаном создают благоприятные условия для формирования естественной костной ткани человека. (Баринов С.М., Смирнов В.В., Федотов А.Ю., Комлев В.С., Фадеева И.В., Сергеева Н.С., Свиридова И.К., Кирсанова В.А., Ахмедова С.А. Пористый композиционный материал на основе хитозана для заполнения костных дефектов. Патент RU №2412711, 2011).Barinov S.M. et al. suggested using a porous composite material containing bone chitosan and tricalcium phosphate fillers in the form of granules or powder from brushite, monetite, tetracalcium phosphate, hydroxyapatite, carbonate hydroxyapatite, or a mixture thereof, to replace bone defects. According to the authors, the biocomposite provides the filling of bone defects of various shapes and sizes, and the calcium phosphate fillers contained in the sponge together with chitosan create favorable conditions for the formation of natural human bone tissue. (Barinov S.M., Smirnov V.V., Fedotov A.Yu., Komlev V.S., Fadeeva I.V., Sergeeva N.S., Sviridova I.K., Kirsanova V.A., Akhmedova SA A porous composite material based on chitosan for filling bone defects. Patent RU No. 2412711, 2011).

Анализ известных данных о материалах для заполнения дефектов костей свидетельствует, что наиболее востребованным является пористый биокомпозит, содержащий коллаген и гидроксиапатит. Получают его синтезом гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице и сшивкой волокон коллагена. Процесс удобно реализовать в гидродинамическом диспергаторе роторно-пульсационного типа в процессе последовательной загрузки компонентов, после чего материал может быть залит в форму и лиофильно высушен (Горшенев В.Н., Телешев А.Т., Ершов Ю.А., Казиев Г.З., Колесов В.В., Склянчук Е.Д. Способ получения пористого костного биокомпозита. Патент РФ №2482880, 2012).An analysis of the known data on materials for filling bone defects suggests that the most popular is a porous biocomposite containing collagen and hydroxyapatite. Get it by synthesizing hydroxyapatite on a hydrogel collagen matrix and cross-linking collagen fibers. It is convenient to implement the process in a rotor-pulsation-type hydrodynamic disperser during the sequential loading of components, after which the material can be poured into the mold and freeze-dried (Gorshenev V.N., Teleshev A.T., Ershov Yu.A., Kaziev G.Z. ., Kolesov VV, Sklyanchuk ED A method of obtaining a porous bone biocomposite. RF Patent No. 2482880, 2012).

Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани получают, также смешивая реконструированный коллаген с водным раствором глюкозы, до набухания с последующим нагреванием до 35-45°С, гомогенизируя полученную суспензию, добавляя суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы с последующей гомогенизацией полученного композита и стерилизацией композиционного материала (Сафоян А.А., Нестеренко В.Г., Суслов А.П., Нестеренко С.В. Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани. Способ его получения и применение. Патент РФ №2476236, 2012).Composite material for repairing bone defects is obtained by also mixing reconstructed collagen with an aqueous glucose solution to swell, followed by heating to 35-45 ° С, homogenizing the suspension obtained, adding a suspension of nanohydroxyapatite in an aqueous glucose solution, followed by homogenizing the resulting composite and sterilizing the composite material (Safoyan A.A., Nesterenko V.G., Suslov A.P., Nesterenko S.V. Composite material for repairing bone defects. Method for its preparation and application, RF Patent No. 2476236, 2012).

Предложена инъекционная композиция для костной пластики, включающая коллаген и гидроксиапатиты, водорастворимые производные целлюлозы и воду, а также, при необходимости, антибиотик или антисептик (Басченко Ю.В., Маклакова И.А., Багров С.Н. Патент РФ №2155049, 2000).An injection composition for bone grafting is proposed, including collagen and hydroxyapatites, water-soluble cellulose derivatives and water, and, if necessary, an antibiotic or antiseptic (Baschenko Yu.V., Maklakova I.A., Bagrov S.N. RF Patent No. 2155049, 2000).

Следует, однако, отметить, что процесс образования костной ткани еще не до конца исследован. В частности, до сих пор неясно, какое влияние оказывает коллаген на процесс биоминерализации. К настоящему времени исследователи сходятся во мнении, что на процесс биоминерализации в основном влияют неколлагеновые белки, а коллаген выполняет, главным образом, роль каркаса. Полагают также, что коллаген не только исполняет роль каркаса при образовании костной ткани, но и "управляет" этим процессом (Nudelman F., Pieterse K., George A., Bomans P.Н.Н., Friedrich Н., Brylka L.J., Hilbers P.A.J., Gijsbertus de With& Sommerdijk N.A.J. M. The role of collagen in bone apatite formation in the presence of hydroxyapatite nucleation inhibitors. Nature Materials 2010 9, p. 1004-1009).However, it should be noted that the process of bone formation is not yet fully understood. In particular, it is still unclear what effect collagen has on the biomineralization process. To date, researchers agree that the process of biomineralization is mainly influenced by non-collagen proteins, and collagen mainly plays the role of a skeleton. It is also believed that collagen not only plays the role of a skeleton in the formation of bone tissue, but also “controls” this process (Nudelman F., Pieterse K., George A., Bomans P.N. N., Friedrich N., Brylka LJ, Hilbers PAJ, Gijsbertus de With & Sommerdijk NAJM (The role of collagen in bone apatite formation in the presence of hydroxyapatite nucleation inhibitors. Nature Materials 2010 9, p. 1004-1009).

Микрогранулы удобно получать ультразвуковым диспергированием раствора коллагена в вазелиновое масло и последующим обезжириванием микрогранул (Сапожникова А.И., Акопян В.Б., Каспарьянц С.А., Смирнова Л.П., Дьяконова Е.Б. Способ получения микроносителей для культивирования клеток. Патент РФ №2007451, 1994). Метод содержит нежелательную стадию, связанную с применением масла, требующую его последующей отмывки, однако, может быть полезен в сочетании с известными приемами получения биокомпозитов.It is convenient to obtain microgranules by ultrasonic dispersion of a collagen solution in liquid paraffin and subsequent degreasing of microgranules (Sapozhnikova A.I., Akopyan V.B., Kasparyants S.A., Smirnova L.P., Dyakonova E.B. Method for the production of microcarriers for cell culture RF Patent No. 2007451, 1994). The method contains an undesirable stage associated with the use of oil, requiring subsequent washing, however, it can be useful in combination with well-known techniques for producing biocomposites.

Новые способы получения и применения биокомпозитов для восстановления дефектов костной ткани увеличивают необходимое разнообразие существующих методов и материалов, что облегчает выбор наиболее подходящего из них для решения той или иной конкретной задачи остеопластики (Huc A.R., Allard R.L., Christian L. Chavrier Method of preparing collagen products US 4451397 A, 1982, E.P., Fuhge P. Process for the production of a bonded collagen fiber sheet US 4621631 A, 1986; Nevo Z., Itay S. Repair of cartilage and bones, US 4642120 A, 1987; Schmidt K. Complex for inducing bone growth in the mastoid cavity US 5916553 A; Lynn L.H. Huang, Gin-Mol Liu Process for preparing porous collagen matrix from connective tissue US 7498412 B2, 2009, Sommerich R.E., Macomber. R. Collagen device and method of preparing the same US 8795710 B2. 2008, Schaufler A. Method of preparing a collagen sponge, a device for extracting a part of a collagen foam, and an elongated collagen sponge US 20020153632 A1 и ряд других).New methods for producing and using biocomposites for repairing bone defects increase the necessary variety of existing methods and materials, which facilitates the selection of the most suitable one for solving a particular osteoplasty problem (Huc AR, Allard RL, Christian L. Chavrier Method of preparing collagen products US 4451397 A, 1982, EP, Fuhge P. Process for the production of a bonded collagen fiber sheet US 4621631 A, 1986; Nevo Z., Itay S. Repair of cartilage and bones, US 4642120 A, 1987; Schmidt K. Complex for inducing bone growth in the mastoid cavity US 5916553 A; Lynn LH Huang, Gin-Mol Liu Process for preparing porous collagen matrix from connective tissue US 7498412 B2, 2009, Sommerich RE, Macomber R. Collagen device and method of preparing the same US 8795710 B2. 2008, Schaufler A. Method of preparing a collagen sponge, a device for extracting a part of a collagen foam, and an elongated collagen sponge US 20020153632 A1 and several others).

Имеющиеся данные свидетельствуют также об активирующем влиянии внутримышечных инъекций суспензии аллогенного ГАП на метаболизм соединительной ткани, основным компонентом которой является коллаген. Введение аллогенного ГАП позволяет более эффективно регулировать гомеостаз и управлять процессами регенерации при лечении заболеваний опорно-двигательного аппарата (Власов М.Ю. Влияние внутримышечных инъекций суспензии гидроксиапатита на метаболизм соединительной ткани. Вестник СамГУ. - Естественнонаучная серия, 2002, №4 (26), с. 157-161).The available data also indicate the activating effect of intramuscular injections of a suspension of allogeneic HAP on the metabolism of connective tissue, the main component of which is collagen. The introduction of allogeneic HAP allows more efficient regulation of homeostasis and regeneration processes in the treatment of diseases of the musculoskeletal system (Vlasov M.Yu. Effect of intramuscular injections of a suspension of hydroxyapatite on the metabolism of connective tissue. Bulletin of Samara State University. - Natural Sciences Series, 2002, No. 4 (26), p. 157-161).

Требованиям остеопластики в достаточной степени соответствует пористый композит из синтетического гидроксиапатита и коллагена. Такой композит относительно легко стандартизуем, а его пористая структура позволяет нагрузить его требуемыми в каждом конкретном случае лекарственными веществами.The requirements of osteoplasty are adequately met by a porous composite of synthetic hydroxyapatite and collagen. Such a composite is relatively easy to standardize, and its porous structure allows it to be loaded with the required drug substances in each case.

Описан способ (прототип) получения пористого коллаген-гидроксиапатитового биокомпозита, который включает синтез гидроксиапатита на гидрогелевой коллагеновой матрице и сшивку волокон коллагена, который ведут в гидродинамическом диспергаторе роторно-пульсационного типа в процессе последовательной загрузки компонентов, а также разлив в форму и лиофильную сушку готового биокомпозита. На первой стадии загружают дробленую обезжиренную свиную шкуру и подготовленную воду и обрабатывают при гидромодуле 4-5 в течение 25-35 мин и температуре не выше 81°С до получения гидрогеля коллагена, затем, не прерывая процесса, в диспергатор загружают порошок фосфата кальция моногидрата в количестве 4,5-5,0 М и обрабатывают в течение 8-12 мин при температуре не выше 71°С и в диспергатор дробно вводят 3,0-3,3 М гидроксида кальция, суспендированного в 1-2 л воды, обрабатывают в течение 25-35 мин при температуре не выше 77°С. Сшивку волокон коллагена проводят при гидромодуле 20-25, температуре 55-56°С в течение 90-120 мин, затем полученную пульпу разливают в форму и подвергают лиофильной сушке при температуре коллектора -50°С. Технический результат состоит в получении дисперсии гидроксиапатита в коллагеновом гидрогеле с экспоненциальным распределением твердых фракций размером от менее 0,05 мкм до 1,0 мкм (Горшенев В.Н., Телешев А.Т., Ершов Ю.А., Казиев Г.З., Колесов В.В., Склянчук Е.Д. Способ получения пористого костного биокомпозита. Патент РФ №2482880, 2012). Способ сложен, и, кроме того, использование РПА для проведения в нем операций с суспензиями твердых частиц быстро выводит РПА из строя.A method (prototype) for producing a porous collagen-hydroxyapatite biocomposite is described, which involves the synthesis of hydroxyapatite on a hydrogel collagen matrix and cross-linking of collagen fibers, which are carried out in a rotor-pulsation hydrodynamic disperser during the sequential loading of components, as well as pouring into a mold and freeze drying . At the first stage, crushed fat-free pork skin and prepared water are loaded and treated at a hydraulic module of 4-5 for 25-35 minutes and a temperature of no higher than 81 ° C until a collagen hydrogel is obtained, then, without interrupting the process, calcium phosphate monohydrate powder is loaded into the dispersant in the amount of 4.5-5.0 M and treated for 8-12 minutes at a temperature not higher than 71 ° C and 3.0-3.3 M calcium hydroxide suspended in 1-2 l of water are fractionally introduced into the dispersant, processed in for 25-35 minutes at a temperature not exceeding 77 ° C. Collagen fibers are crosslinked at a water module of 20-25, a temperature of 55-56 ° C for 90-120 minutes, then the resulting pulp is poured into a mold and subjected to freeze drying at a collector temperature of -50 ° C. The technical result consists in obtaining a dispersion of hydroxyapatite in a collagen hydrogel with an exponential distribution of solid fractions ranging in size from less than 0.05 μm to 1.0 μm (Gorshenev V.N., Teleshev A.T., Ershov Yu.A., Kaziev G.Z. ., Kolesov VV, Sklyanchuk ED A method of obtaining a porous bone biocomposite. RF Patent No. 2482880, 2012). The method is complex, and, in addition, the use of RPA for operations in it with suspensions of solid particles quickly disables RPA.

Целью настоящего изобретения является способ получения гидроксиапатит-коллагенового композита.The aim of the present invention is a method for producing a hydroxyapatite-collagen composite.

Поставленная цель достигается синтезом гидроксиапатита конденсационным способом с использованием гидроакустического преобразователя по реакцииThe goal is achieved by the synthesis of hydroxyapatite by a condensation method using a sonar transducer by reaction

6СаНРO₄×Н₂O+4Са(ОН)₂→Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂+12Н₂О.6CaHPO ₄ × H ₂ O + 4Ca (OH) ₂ → Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 12H ₂ O.

При этом на входы гидроакустического преобразователя (Пономарев В.Г., Смирнов В.Ф., Саруханов Р.Г., Смирнова Н.Л. Гидродинамический преобразователь. SU №1131553, 1983 г.), при комнатной температуре, под давлением 4⋅10⁵ Па, превышающем порог кавитации, одновременно подавали водный раствор гидрата монофосфата кальция с концентрацией 149 г/л и суспензию гидроксида кальция с концентрацией 29,7 г/л. С выхода гидроакустического преобразователя готовый продукт через промежуточную буферную емкость поступал на систему разделения - ультразвуковой самоочищающийся фильтр (Акопян В.Б., Ершов Ю.А. Основы взаимодействия ультразвука с биологическими объектами. М.: Издательство Юрайт, 2016, 223 с.) для удаления остатков аммиака до нейтральных рН, смешивался с коллагеном, и гидроксиапатит-коллагеновая смесь гомогенизировалась в ультразвуковом поле (Акопян В.Б., Рухман А.А., Давидов Е.Р., Мордвинова Е.М. Способ получения эмульсий и суспензий. Патент РФ №2342188, 2007) с частотой (22÷44) кГц, плотностью мощности (1÷10) Вт/см³, в течение (10÷100) с, после чего формировалось тело с заданными параметрами и подвергалось лиофильной сушке.At the same time, the inputs of the hydroacoustic transducer (Ponomarev V.G., Smirnov V.F., Sarukhanov R.G., Smirnova N.L. Hydrodynamic transducer. SU No. 1131553, 1983), at room temperature, under pressure 4⋅ 10 ⁵ Pa, exceeding the cavitation threshold, at the same time an aqueous solution of calcium monophosphate hydrate with a concentration of 149 g / l and a suspension of calcium hydroxide with a concentration of 29.7 g / l were simultaneously supplied. From the output of the hydroacoustic transducer, the finished product through an intermediate buffer tank entered the separation system — an ultrasonic self-cleaning filter (Akopyan VB, Yershov Yu.A. Fundamentals of the interaction of ultrasound with biological objects. M: Publishing House Yurayt, 2016, 223 p.) For removal of ammonia residues to neutral pH, mixed with collagen, and the hydroxyapatite-collagen mixture was homogenized in an ultrasonic field (Akopyan V.B., Rukhman A.A., Davidov E.R., Mordvinova E.M. Method for producing emulsions and suspensions. RF patent № 2342188, 2007) with a frequency of (22 ÷ 44) kHz, power density (1 ÷ 10) W / cm ³ , for (10 ÷ 100) s, after which a body with the specified parameters was formed and was subjected to freeze drying.

Изобретение поясняется примерами, которые, однако, не носят ограничивающего характера.The invention is illustrated by examples, which, however, are not restrictive.

Пример 1 (по прототипу в оптимальном режиме)Example 1 (prototype in optimal mode)

Загружают дробленую обезжиренную свиную шкуру с водой при гидромодуле 4-5 в роторно-пульсационный аппарат и обрабатывают в течение 25-35 мин и температуре не выше 81°С до получения гидрогеля коллагена, затем, не прерывая процесса, в диспергатор загружают порошок фосфата кальция моногидрата в количестве 4,5-5,0 М и обрабатывают в течение 8-12 мин при температуре не выше 71°С, после чего в диспергатор дробно вводят 3,0-3,3 М гидроксида кальция, суспендированного в 1-2 л воды, и обрабатывают в течение 25-35 мин при температуре не выше 77°С. Сшивку волокон коллагена проводят при гидромодуле 20-25, температуре 55-56°С в течение 90-120 мин. Полученную пульпу разливают в форму и подвергают лиофильной сушке. Конечный продукт представляет собой дисперсию гидроксиапатита в коллагеновом гидрогеле с экспоненциальным распределением твердых фракций от менее 0,05 мкм до 1,0 мкм.The crushed fat-free pork skin with water is loaded at a hydromodule 4-5 in a rotary pulsation apparatus and processed for 25-35 minutes and at a temperature not higher than 81 ° C until a collagen hydrogel is obtained, then, without interrupting the process, calcium phosphate monohydrate powder is loaded into the dispersant in an amount of 4.5-5.0 M and treated for 8-12 minutes at a temperature not exceeding 71 ° C, after which 3.0-3.3 M calcium hydroxide suspended in 1-2 l of water is fractionally introduced into the dispersant and treated for 25-35 min at a temperature not exceeding 77 ° C. Cross-linking of collagen fibers is carried out at a water module of 20-25, a temperature of 55-56 ° C for 90-120 minutes. The resulting pulp is poured into a mold and subjected to freeze drying. The final product is a dispersion of hydroxyapatite in a collagen hydrogel with an exponential distribution of solid fractions from less than 0.05 μm to 1.0 μm.

Пример 2 по предлагаемой заявкеExample 2 of the proposed application

Синтез гидроксиапатита осуществляли конденсационным способом с использованием гидроакустического преобразователя по реакцииThe synthesis of hydroxyapatite was carried out by a condensation method using a sonar transducer according to the reaction

6СаНРO₄×Н₂O+4Са(ОН)₂→Са₁₀(РО₄)₆(ОН)₂+12Н₂О.6CaHPO ₄ × H ₂ O + 4Ca (OH) ₂ → Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ + 12H ₂ O.

При этом на входы гидроакустического преобразователя при комнатной температуре, под давлением 4⋅10⁵ Па, превышающем порог кавитации, одновременно подавали водный раствор гидрата монофосфата кальция с концентрацией 149 г/л и суспензию гидроксида кальция с концентрацией 29,7 г/л. С выхода гидроакустического преобразователя готовый продукт через промежуточную буферную емкость поступал на систему разделения - ультразвуковой самоочищающийся фильтр для удаления остатков аммиака до нейтральных рН, смешивался с коллагеном и гидроксиапатит-коллагеновая смесь гомогенизировалась в ультразвуковом поле с частотой (22÷44) кГц, плотностью мощности (1÷10) Вт/см³ в течение (10÷100) с, после чего из полученной дисперсии гидроксиапатита в коллагеновом гидрогеле с распределением твердых фракций (0,05÷1,0) мкм формировалось тело с заданными параметрами и подвергалось лиофильной сушке с образованием биокомпозита пористой структуры.At the same time, an aqueous solution of calcium monophosphate hydrate with a concentration of 149 g / l and a suspension of calcium hydroxide with a concentration of 29.7 g / l were simultaneously fed to the inputs of the hydroacoustic transducer at room temperature, at a pressure of 4 × 10 ⁵ Pa, exceeding the cavitation threshold. From the output of the hydroacoustic transducer, the finished product passed through an intermediate buffer tank to a separation system - a self-cleaning ultrasonic filter to remove ammonia residues to neutral pH, mixed with collagen and the hydroxyapatite-collagen mixture was homogenized in an ultrasonic field with a frequency (22 ÷ 44) kHz, power density ( 1 ÷ 10) W / cm ³ for (10 ÷ 100) s, after which, from the obtained dispersion of hydroxyapatite in a collagen hydrogel with a distribution of solid fractions (0.05 ÷ 1.0) μm, a body with a given parameters and was subjected to freeze drying with the formation of a biocomposite of a porous structure.

Следует отметить:It should be noted:

- (22÷44) кГц - частоты ультразвука, разрешенные для технологического применения (Голямина И.П. Ультразвук. Маленькая энциклопедия, 1979, 400 с.);- (22 ÷ 44) kHz - ultrasound frequencies allowed for technological applications (Golyamina IP Ultrasound. Little Encyclopedia, 1979, 400 p.);

- при более низких чем 1 Вт/см³ плотностях мощности и/или при длительности воздействия менее 10 сек, эффект применения ультразвука становится пренебрежимо малым, при более высоких чем 10 Вт/см³ плотностях мощности и/или при длительности воздействия более 100 сек температура в реакционной среде повышается до значений, сравнимых с температурой денатурации коллагена (тропоколлаген, как известно, плавится при ~40°С, а температура денатурации фибриллярного коллагена составляет ~65°С. Ignat'eva N.Y., Lunin V.V., Majorova A.F., Mudretsova S N., Bagratashvili V.N., Sobol E.N. Sviridov A.P. A thermo-analytical study of cartilaginous tissues. Mendeleev Commun., 2000, 10, pp. 223-224).- at lower than 1 W / cm ³ power densities and / or with an exposure duration of less than 10 sec, the effect of applying ultrasound becomes negligible, at higher than 10 W / cm ³ power densities and / or with an exposure duration of more than 100 sec in the reaction medium rises to values comparable to the temperature of collagen denaturation (tropocollagen is known to melt at ~ 40 ° C, and the temperature of denaturation of fibrillar collagen is ~ 65 ° C. Ignat'eva NY, Lunin VV, Majorova AF, Mudretsova SN ., Bagratashvili VN, Sobol EN Sviridov AP A thermo-analytical study of cartilaginous tissues. Mendeleev Commun., 2000, 10, pp. 223-224).

Из приведенных примеров следует, что в результате использования предложенного изобретения удается сократить длительность процесса формирования гидроксиапатит-коллагенового композита, а совокупность отличительных признаков описываемого изобретения обеспечивает достижение указанного результата.From the above examples it follows that as a result of using the proposed invention, it is possible to reduce the duration of the process of forming a hydroxyapatite-collagen composite, and the combination of distinctive features of the described invention ensures the achievement of this result.

Для заявленного изобретения в том виде, как оно охарактеризовано в изложенной формуле, подтверждена возможность осуществления с помощью описанных в заявке средств и методов. Следовательно, заявленное изобретение соответствуют условию "промышленная применимость".For the claimed invention in the form as described in the above formula, the possibility of implementation using the means and methods described in the application is confirmed. Therefore, the claimed invention meets the condition of "industrial applicability".

В результате проведенного анализа уровня техники источник, характеризующийся признаками, тождественными всем существенным признакам заявленного изобретения, не обнаружен, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна".As a result of the analysis of the prior art, a source characterized by features identical to all the essential features of the claimed invention was not found, therefore, the claimed invention meets the condition of "novelty."

Дополнительный поиск известных решений показал, что заявленные способ и устройство не вытекают для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку применение ультразвуковых технологических приемов позволяет легко и быстро получать гидроксиапатит-коллагеновый композит. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "изобретательский уровень".An additional search for known solutions showed that the claimed method and device does not follow explicitly from the prior art for a specialist, since the use of ultrasonic technological methods makes it easy and quick to obtain a hydroxyapatite-collagen composite. Therefore, the claimed invention meets the condition of "inventive step".

Claims (1)

Способ получения пористого гидроксиапатит-коллагенового композита, характеризующийся тем, что гидроксиапатит, полученный конденсационным способом с использованием гидроакустического преобразователя, смешивают с коллагеном, полученную гидроксиапатит-коллагеновую смесь гомогенизируют в ультразвуковом поле с частотой (22÷44) кГц, плотностью мощности (1÷10) Вт/см³ в течение (10÷400) с.A method of obtaining a porous hydroxyapatite-collagen composite, characterized in that the hydroxyapatite obtained by the condensation method using a sonar transducer is mixed with collagen, the obtained hydroxyapatite-collagen mixture is homogenized in an ultrasonic field with a frequency (22 ÷ 44) kHz, power density (1 ÷ 10 ) W / cm ³ for (10 ÷ 400) s.