RU2749020C1 - Method for forming nanostructured composite materials - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention relates to medicine and discloses a method for forming a nanostructured composite material of a bioresorbable membrane. The method consists in the fact that electrospray of a solution containing a mixture of synthetic and natural polymers, namely, polylactide and collagen in the following ratio, wt.%: polylactide 45-55, collagen 45-55 with obtaining a membrane consisting of nanofibers in form of nanoribbons is implemented.

EFFECT: invention makes it possible to stretch the membrane by 100% without destroying it, which is important for closing damaged areas of cartilage tissue and can be used for the manufacture of a bioresorbable implant designed for the plastic of articular cartilage defects.

2 cl, 4 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к медицине и может быть использовано для изготовления биорезорбируемого имплантата, предназначенного для пластики дефектов суставного хряща.The invention relates to medicine and can be used for the manufacture of a bioresorbable implant intended for plastics of articular cartilage defects.

Восстановление дефектов хрящевой ткани суставов на сегодня является актуальной задачей современной ортопедии. Форма хрящевых дефектов и поверхности кости варьируется от пациента к пациенту и требует гибкости имплантата, его эластичности для лечения большего числа клинических случаев. Неполное закрытие поверхности дефекта хряща часто приводит к рецидиву и обострению патологии. Используемые в данной области медицины материалы не обладают требуемыми физическими свойствами, а их использование для восстановления дефектов хрящевой ткани суставов отличаются сложностью применения и требуют больших трудозатрат при хирургических операциях.The restoration of defects in the cartilage tissue of the joints today is an urgent task of modern orthopedics. The shape of cartilage defects and bone surface varies from patient to patient and requires the flexibility of the implant, its elasticity to treat a larger number of clinical cases. Incomplete closure of the surface of the cartilage defect often leads to relapse and exacerbation of the pathology. The materials used in this field of medicine do not have the required physical properties, and their use for the restoration of defects in the cartilage tissue of the joints is difficult to use and requires a lot of labor during surgical operations.

Известен способ изготовления биотрансплантата для восстановления дефектов хрящевой ткани суставов, выполненного из биосовместимого волокнистого материала в виде пластины, методом электроспиннинга из растворов синтетических полимеров или их смеси с природными полимерами, с толщиной 50÷500 мкм, имеющей поры с диаметром 5÷40 мкм. При изготовлении биотрансплантата природный полимер вводят в раствор синтетического полимера в количестве 0,05-10,0% от массы синтетического полимера (RU 2593011 C1 , опуб. 27.07.2016).A known method of manufacturing a biograft for the restoration of defects in the cartilage tissue of joints, made of a biocompatible fibrous material in the form of a plate, by electrospinning from solutions of synthetic polymers or their mixture with natural polymers, with a thickness of 50 ÷ 500 μm, having pores with a diameter of 5 ÷ 40 μm. In the manufacture of a biograft, a natural polymer is introduced into a solution of a synthetic polymer in an amount of 0.05-10.0% of the weight of the synthetic polymer (RU 2593011 C1, publ. 27.07.2016).

Основным недостатком известного способа являются низкие механические характеристики биотрансплантата, выражающиеся в недостаточной эластичности. Данный трансплантат состоит из нановолокон имеющих вид цилиндров. При растяжении и попытке удлинения более чем на 20% трансплантат разрушается. Данный недостаток не позволяет закрывать участки пораженного хряща произвольной формы. Зачастую, хирургу приходится удалять неповрежденные участки хрящевой ткани для придания дефекту более удобной геометрической формы. В противном случае, возможны “нестыковки” имплантата и дефекта, приводящие к рецидивам и осложнениям.The main disadvantage of the known method is the low mechanical characteristics of the biograft, which are expressed in insufficient elasticity. This graft consists of cylindrical nanofibers. When stretching and attempting to lengthen by more than 20%, the graft is destroyed. This disadvantage does not allow to close the areas of the affected cartilage of arbitrary shape. Often, the surgeon has to remove intact cartilage tissue to give the defect a more convenient geometric shape. Otherwise, there may be "inconsistencies" between the implant and the defect, leading to relapses and complications.

Технической проблемой изобретения является создание биотрансплантата, позволяющего закрывать участки хряща произвольной формы и не разрушающегося при значительном растяжении.The technical problem of the invention is the creation of a biograft that allows you to close areas of cartilage of arbitrary shape and does not collapse under significant stretching.

Технический результат, позволяющий решить эту проблему, заключается в повышении эластичности получаемого биотрансплантата.The technical result that allows to solve this problem is to increase the elasticity of the resulting biograft.

Технический результат достигается способом формирования наноструктурированного композитного материала биорезорбируемой мембраны, заключающимся в том, что осуществляют электрораспыление раствора, содержащего смесь синтетического и природного полимеров, с получением мембраны, состоящей из нановолокон, отличающийся тем, что в качестве синтетического и природного полимеров используют полилактид и коллаген в следующем соотношении, мас.%:The technical result is achieved by a method of forming a nanostructured composite material of a bioresorbable membrane, which consists in the fact that electrospray a solution containing a mixture of synthetic and natural polymers to obtain a membrane consisting of nanofibers, characterized in that polylactide and collagen are used as synthetic and natural polymers. the following ratio, wt%:

полилактидpolylactide 45-5545-55 коллагенcollagen 45-55,45-55,

при этом полученная мембрана состоит из нановолокон, имеющих форму нанолент.the resulting membrane consists of nanofibers in the form of nanoribbons.

Технический результат также достигается биорезорбируемой мембраной из нановолокон, состоящих из смеси синтетического и природного полимеров, в которой синтетический и природный полимеры представляют собой полилактид и коллаген в следующем соотношении, мас.%:The technical result is also achieved by a bioresorbable membrane of nanofibers consisting of a mixture of synthetic and natural polymers, in which the synthetic and natural polymers are polylactide and collagen in the following ratio, wt%:

полилактидpolylactide 45-5545-55 коллагенcollagen 45-55,45-55,

а нановолокна имеют форму нанолент.and nanofibers are in the form of nanoribbons.

При таком соотношении компонентов белковой и синтетической компонент при распылении раствора с помощью электроспиннинга получаются нановолокна, имеющие форму нанолент толщиной до 1 мкм. Данное обстоятельство приводит к существенному улучшению эластичности получаемой пленки. При растяжении данного имплантата на 100% от первоначального размера, разрушения не происходит, в то время как полилактидная мембрана с коллагеном или желатином в меньших пропорциях (в примере 8:2) удлиняется без разрушения только на 10%. Такой новый неожиданный технический результат, не очевидный из известного уровня техники, дает преимущества данной мембраны при закрытии сложных костных дефектов, где требуется эластичность и растяжение без разрушения.With such a ratio of the components of the protein and synthetic components, when the solution is sprayed using electrospinning, nanofibers are obtained in the form of nanoribbons up to 1 μm thick. This circumstance leads to a significant improvement in the elasticity of the resulting film. When this implant is stretched to 100% of its original size, destruction does not occur, while the polylactide membrane with collagen or gelatin in smaller proportions (in example 8: 2) is elongated without destruction by only 10%. Such a new, unexpected technical result, not obvious from the prior art, provides the advantages of this membrane in the closure of complex bone defects, where elasticity and stretching without destruction is required.

Изобретение иллюстрируется чертежом и фотографиями.The invention is illustrated by drawing and photographs.

На фиг. 1 представлена установка электроспиннинга для осуществления предложенного способа.FIG. 1 shows an electrospinning installation for implementing the proposed method.

На фиг. 2 изображение мембраны, полученное методом сканирующей электронной микроскопии.FIG. 2 is a scanning electron microscopy image of the membrane.

На фиг. 3 - фотографии, иллюстрирующие растяжение мембраны, полученной предложенным способом: слева мембрана в исходном состоянии, справа после ее растяжения.FIG. 3 - photographs illustrating the stretching of the membrane obtained by the proposed method: on the left is the membrane in its original state, on the right after it has been stretched.

На фиг. 4 - фотографии, иллюстрирующие растяжение мембраны, полученной известным способом по прототипу: слева мембрана в исходном состоянии, справа после ее растяжения.FIG. 4 - photographs illustrating the stretching of the membrane obtained by a known method according to the prototype: on the left is the membrane in its original state, on the right after it has been stretched.

Пример.Example.

Для изготовления трансплантата (мембраны) брали раствор смеси полилактида и коллагена, взятых в массовом соотношении 1:1, концентрацией 100 мг/мл в 1,1,1,3,3,3-гексафторизопропаноле-2.For the manufacture of the transplant (membrane), a solution of a mixture of polylactide and collagen, taken in a mass ratio of 1: 1, with a concentration of 100 mg / ml in 1,1,1,3,3,3-hexafluoroisopropanol-2, was taken.

Установка электроспиннинга (фиг. 1) состояла шприцевого насоса 1 из двух высоковольтных блоков 2 и 3 питания с напряжением +50 кВ и – 20 кВ, и алюминиевого коллектора 4. Положительное напряжение подавали на иглу шприца насоса 1, отрицательное – на коллектор 4. Электрораспыление осуществлялось из иглы с внутренним диаметром 0,8 мм. Расстояние до коллектора составляло 35 см, напряжение между электродами – 60 кВ. После изготовления матриксы оставляли под тягой на 24 часа для полного удаления растворителя. После формирования пленку разрезали на куски размером 25Х25 мм. Упакованные образцы стерилизовались методом радиационного облучения в соответствии с ГОСТ ISO 11137-1. Доза облучения составляла от 15 кГр до 25 кГр.The electrospinning unit (Fig. 1) consisted of a syringe pump 1 of two high-voltage power supply units 2 and 3 with a voltage of +50 kV and - 20 kV, and an aluminum collector 4. Positive voltage was applied to the syringe needle of pump 1, negative voltage was applied to collector 4. Electrospray was carried out from a needle with an inner diameter of 0.8 mm. The distance to the collector was 35 cm, the voltage between the electrodes was 60 kV. After fabrication, the matrices were left under traction for 24 hours to completely remove the solvent. After formation, the film was cut into pieces with a size of 25X25 mm. The packed samples were sterilized by radiation exposure in accordance with GOST ISO 11137-1. The radiation dose ranged from 15 kGy to 25 kGy.

Образцы пленок исследовали с помощью сканирующего электронного микроскопа Merlin (Zeiss, Oberkochen, Germany). Ускоряющее напряжение составляло 1 кВ, ток эмиссии – 90 пА. Использовался детектор вторичных электронов HE-SE2. Типовое СЭМ-изображение мембраны представлено на фиг. 2, на котором видно, что нановолокна имеют форму нанолент.Film samples were examined using a Merlin scanning electron microscope (Zeiss, Oberkochen, Germany). The accelerating voltage was 1 kV, and the emission current was 90 pA. A HE-SE2 secondary electron detector was used. A typical SEM image of a membrane is shown in FIG. 2, which shows that the nanofibers are in the form of nanoribbons.

Для сравнения физических свойств полученной мембраны из нанолент сравнили способность к растяжению её и мембраны из нановолокон. На фиг. 3 и фиг. 4 показаны эти мембраны до и после растяжения.To compare the physical properties of the obtained membrane from nanoribbons, we compared the tensile ability of it and the membrane of nanofibers. FIG. 3 and FIG. 4 shows these membranes before and after stretching.

Эксперименты показали, что при отклонении массового соотношения полилактида и коллагена от 1:1 на ±5 мас.% также достигается структура нановолокон в виде нанолент и способность мембраны к растяжению.Experiments have shown that when the mass ratio of polylactide and collagen deviates from 1: 1 by ± 5 wt%, the structure of nanofibers in the form of nanoribbons and the ability of the membrane to stretch are also achieved.

Claims (6)

1. Способ формирования наноструктурированного композитного материала биорезорбируемой мембраны, заключающийся в том, что осуществляют электрораспыление раствора, содержащего смесь синтетического и природного полимеров, с получением мембраны, состоящей из нановолокон, отличающийся тем, что в качестве синтетического и природного полимеров используют полилактид и коллаген в следующем соотношении, мас.%:1. A method of forming a nanostructured composite material of a bioresorbable membrane, which consists in the fact that electrospray a solution containing a mixture of synthetic and natural polymers to obtain a membrane consisting of nanofibers, characterized in that polylactide and collagen are used as synthetic and natural polymers in the following ratio, wt%: ПолилактидPolylactide 45-5545-55 КоллагенCollagen 45-55,45-55, при этом полученная мембрана состоит из нановолокон, имеющих форму нанолент.the resulting membrane consists of nanofibers in the form of nanoribbons. 2. Биорезорбируемая мембрана из нановолокон, состоящих из смеси синтетического и природного полимеров, отличающаяся тем, что синтетический и природный полимеры представляют собой полилактид и коллаген в следующем соотношении, мас.%:2. Bioresorbable membrane of nanofibers consisting of a mixture of synthetic and natural polymers, characterized in that the synthetic and natural polymers are polylactide and collagen in the following ratio, wt%: ПолилактидPolylactide 45-5545-55 КоллагенCollagen 45-55,45-55, при этом нановолокна имеют форму нанолент.the nanofibers are in the form of nanoribbons.

Images