Способ получения биологически активных имплантатов

Изобретение относится к области регенеративной медицины, а именно к способам получения биологических имплантатов на основе аллогенных или ксеногенных коллаген-кальций фосфатных матриксов для хирургической коррекции патологии опорно-двигательной системы человека, регенерации костной, хрящевой и сухожильной тканей.

Биологические матриксы, применяемые для регенерации костной ткани, используются в пластической и реконструктивной хирургии в качестве резорбируемых матричных структур при реконструкции костных дефектов, потере объема костной ткани, при восстановлении части органа или ткани, в качестве пластического материала в хирургической стоматологии, челюстно-лицевой хирургии, а также в качестве носителей биологически активных веществ, лекарственных средств и клеток.

Трансплантационные антигены соединительной ткани сосредоточены главным образом на поверхности клеточных и базальных мембран. По своей химической природе антигены, содержащиеся в соединительной ткани, представляют собой главным образом гликопротеины, протеогликаны, сиалопротеины, липопротеины.

Межклеточное вещество, структурированный коллаген, обладает намного более низкой видовой специфичностью в сравнении с другими белками организма. Таким образом, весь процесс обработки и очистки исходного биоматериала направлен на удаление антигенных компонентов ткани при сохранении интактной структуры волокон коллагена, обуславливающей прочностные характеристики хирургических имплантатов на основе биологических матриксов из костной ткани.

Для хирургического использования биологические матриксы, применяемые для регенерации костной ткани должны быть очищенными, био- и гемосовместимыми, стерильными. В противном случае, эти материалы могут приводить к иммунному ответу со стороны организма реципиента, препятствовать новообразованию костной ткани, а также к дополнительному хирургическому вмешательству.

Известно большое количество материалов, используемых в качестве имплантатов, а также многочисленные способы обработки костных матриксов, в частности, ксеногенных, направленные на получение биологически активных материалов для остеопластики и тканевой инженерии.

Известен способ получения коллагенового матрикса из костной ткани, в котором костную ткань механически очищают, фрагментируют на пластины толщиной от 0,1 до 2,0 см, промывают 0,1М раствором фосфатного буфера с рН 5,8-6,0, подвергают ферментативному гидролизу в растворе активного 0,125-0,325% папаина при 60°С в течение 24 часов, промывают 5-ю объемами воды при 60°С, обрабатывают при комнатной температуре в течение 10-24 часов 0,4 N раствором щелочи, отмывают проточной водой, обрабатывают 3% раствором перекиси водорода в течение 4 часов, затем обезжиривают в смеси этанол: хлороформ в соотношении 1:2, меняя раствор на новый не менее 2 раз, проводят декальцинацию в 0,5-1,0 N соляной кислоте, отмывают водой очищенной, затем этанолом и высушивают при комнатной температуре, фасуют и стерилизуют радиационным облучением /Патент РФ №2273489, A61K 35/32;2006 г./.

Недостатком известного способа является то, что в результате получают деструктурированный папаином коллагеновый матрикс с низкой механической прочностью, более доступный для протеолитических атак клеточных ферментов, что приводит к ускорению резорбции имплантата в организме реципиента.

Известен способ получения материала для остеопластики, который включает очистку, распиливание костной ткани, обезжиривание, обработку раствором мочевины, отмывание, высушивание, упаковку и стерилизацию, при этом после очистки кость распиливают на пластины толщиной от 0,1 до 2,0 см, обрабатывают раствором 2% щелочи, отмывают, обрабатывают 6 М раствором мочевины, затем 3% перекисью водорода, обезжиривают в смеси этанол: хлороформ в соотношении 1:2, меняя раствор не менее двух раз, обрабатывают смесью раствора 1% аммиак: 1% этанол в соотношении 1:1, меняют раствор на новый не менее 2 раз и насыщают сульфатированными гликозаминогликанами от 800 до 1500 мкг/см³, высушивают, фасуют и стерилизуют радиационным облучением /Патент РФ №2278679, A61K 35/32; A61L 27/00,2006 г./.

Недостатком известного технического решения является невысокая очистка межволоконного пространства исходного материала от липопротеидов из-за использования 3% перекиси водорода, что приводит к избыточному окислению и, формируя «эффект отбеливания», визуально маскирует недостаточно очищенное от липопротеидов межволоконное пространство исходного материала, а также то, что насыщение материала сульфатированными гликозаминогликанами является избыточным приемом вследствие наличия процесса активного локального синтеза данных продуктов организмом реципиента после имплантации материала.

Известен способ получения деминерализованного костного матрикса в виде крошки, характеризующийся тем, кость распиливают поперечно на фрагменты толщиной 0,5-1 мм, проводят обработку фрагментов кости раствором Tween-80, 2%-ным, в течение 12-24 ч дважды, далее обрабатывают смесью изопропанол-хлороформ (1:1) в течение 24-48 ч в ультразвуковой бане, отмывают водой, обрабатывают раствором 0,6 М HCl в соотношении 10 ч. кислоты к 1 ч. крошки в течение 30-90 мин, далее крошку промывают дистиллированной водой, помещают в фосфатный буфер в соотношении 2 ч. буфера на 1 ч. крошки, отмывают дистиллированной водой, полученные фрагменты заливают этиловым спиртом в соотношении 2 ч. спирта на 1 ч. костных фрагментов, крошку высушивают, измельчают с помощью мельницы и фракционируют с помощью виброгрохота на крошку размером 0,5-1 мм и 1-2 мм с последующими лиофилизацией и стерилизацией /Патент РФ №2456003, A61K 35/32; B01D 11/02,2012 г./.

Недостаткам этого способа являются невысокие прочностные и биомеханические характеристики костного матрикса вследствие его деминерализации, а также ограниченные функциональные возможности полученного костного матрикса в виде крошки из-за очень узкого диапазона применения в клинической практике.

Известен также способ получения биоматериалов из костной ткани, согласно которому после очистки кость природного происхождения распиливают на пластины толщиной от 0,2 до 2,0 см, двукратно отмывают нагретым до 65°С 0,1 М фосфатным буфером с рН 5,8-6,0 из расчета на одну часть кости два объема буферного раствора, переваривают в растворе активированного 0,1-0,4%-ного папаина при 65°С в течение 24 ч, затем пластины промывают 5-ю объемами воды при 40-80°С, обрабатывают раствором 0,4 N щелочи при комнатной температуре в течение 10-24 ч, отмывают проточной водой, высушивают, обезжиривают в смесях этанол/хлороформ сначала в соотношении 1:2, а затем в соотношении 2:1 из расчета два объема смеси на одну часть кости и каждый раз, меняя растворы не менее 2 раз, проводят частичную или полную декальцинацию в кислотной среде, обрабатывают перекисью водорода в течение 4 ч, отмывают при комнатной температуре от перекиси водой очищенной, затем отмывают этанолом, высушивают, упаковывают и стерилизуют /Патент РФ №2342162, A61L 27/24; A61L 27/36; A61K 35/32,2008 г./.

Недостатками этого способа являются частичная денатурация белковых факторов роста, а также невысокие фоновые значения биологической активности имплантата из-за многократного использования фермента папаина и химических реагентов (фосфатный буфер) при температурных режимах до 65°С.

Известен способ обработки коллагеновых матриксов путем очистки в сверхкритическом диоксиде углерода (Патент US №8034288, A61L 2/20; A01N 1/02, 2011 г.). Согласно этому способу биологический коллагенсодержащий матрикс погружают в реактор, в который нагнетают диоксид углерода до сверхкритического состояния: давление 75-220 атм и температура 25-60°С, время экспозиции - от 1 мин до 12 ч, при этом контролируется впуск диоксида углерода в реактор и выпуск из него, скорость подачи диоксида углерода в реактор - 1 г/с.

Известный способ позволяет очистить биологические коллагенсодержащие матриксы от клеточного материала, остаточных растворителей, что приводит к снижению антигенности и получению остеопластического материала и хирургического имплантата с высокими биосовместимыми характеристиками.

Недостаток известного способа заключается в неполной девитализации межволоконного пространства биологического коллагенсодержащего матрикса, поскольку неполярный сверхкритический диоксид углерода растворяет только неполярные вещества, например, липиды, в то время как полярные и амфифильные вещества в нем не растворимы.

Технический результат от использования предложенного способа, заключается в получении биоматериалов для регенерации костной ткани глубокой степени очистки с высокой степенью биосовместимости, стерильных, апирогенных, не обладающих иммуногенными свойствами, при одновременном сохраннении механико-прочностных свойств, контролируемой остеоиндуктивностью и биорезорбируемостью.

Технический результат достигается за счет того, что в способе получения биологических имплантатов хирургически очищенный и механически фрагментированный исходный биоматериал из костной ткани подвергают двум-трем циклам замораживания-размораживания, причем замораживание ведут в течение 12 часов, а размораживание - в течение 6 часов, а затем подвергают многостадийной химической обработке, содержащей последовательно следующие стадии: химическую очистку в ультразвуковой ванне, где на первом этапе биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1М этилендиаминтетрауксусной кислоты и 0,01М гидроксида натрия, при температуре не более 45°С в течение 3-20 часов, при этом смену раствора проводят, по меньшей мере, дважды до достижения рН раствора 8-12, а на втором этапе - раствором, содержащим смесь 1М соляной кислоты и 1М хлорида натрия, при комнатной температуре, по меньшей мере, в течение 10-ти часов до достижения рН раствора 0-0,75, затем биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 1М хлорида натрия и 0,1 М фосфатного буфера, с последующей промывкой 0,1 М раствором фосфатного буфера до достижения рН 7-8, после чего обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1% Triton х-100 и 1% додецилсульфата натрия, а затем раствором, содержащим смесь 0,1-1% трипсина и 0,125-0,3% папаина, взятых в соотношении 1:1 в течение 10-12 часов при температуре 65°С и рН 6,5, после чего биоматериал подвергают обработке в ультразвуковой ванне в 3%-ном растворе перекиси водорода в течение, по меньшей мере, 48 часов с двукратной сменой раствора, а затем смесью, содержащей этанол или изопропанол и диэтиловый эфир или хлороформ в соотношении 1:2 в течение, по меньшей мере, 48 часов с трехкратной сменой раствора при перемешивании, подготовленный таким образом биоматериал подвергают двухстадийной финишной очистке, на первой стадии которой обработку ведут в сверхкритическом диоксиде углерода в герметичном автоклаве при давлении 75-700 атм и температуре 32-50°С в течение 8-40 часов при периодическом сбрасывании давления ниже критической точки и последующем подъеме давления выше критической точки каждые 0,5-4 часа, на второй стадии в автоклав с обработанным на первой стадии биоматериалом после декомпрессии вводят дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:(1-3) при повышении давления до 150-350 атм и температуре 15-25°С и перемешивают магнитной мешалкой с частотой 500-1500 об/мин в течение 4-72 часов, а после декомпрессии автоклава биоматериал подвергают лиофилизации и стерилизации.

Предпочтительно, что в качестве исходного биоматериала используют ксеногенный матрикс.

В частном случае осуществления способа получения биологических имплантатов перед финишной очисткой исходный биоматериал из костной ткани подвергают деминерализации в 0,6 N растворе соляной кислоты при перемешивании магнитной мешалкой при комнатной температуре.

Предпочтительно, что в ультразвуковой ванне на первом этапе смену раствора ведут до достижения рН 11,1-11,8, а на втором этапе биоматериал обрабатывают до достижения рН раствора 0,1-0,5.

Предпочтительно, что промывку раствором фосфатного буфера ведут до достижения рН 7,4-7,6.

Предпочтительно, что обработку раствором, содержащим смесь 0,1% Triton х-100 и 1% додецилсульфата натрия, ведут в ультразвуковой ванне.

Способ осуществляют следующим образом. Исходный биоматериал - костную ткань человеческого или животного происхождения, в частности, ксеногенный костный матрикс - подвергают хирургической очистке. При этом с наружной поверхности биоматериала удаляют кровь, мышечную и соединительную ткань, после чего биоматериал механически фрагментируют до необходимых размеров и подвергают двум-трем циклам замораживания-размораживания, причем замораживание ведут в течение 12 часов, а размораживание - в течение 6 часов. Подобное воздействие на биоматериал позволяет сформировать в костном матриксе микротрещины (криодеструкция), что позволяет облегчить дальнейшую обработку. Однократное и более быстрое замораживание-размораживание не позволяет получить достаточное количество микротрещин, а количество циклов больше трех нецелесообразно, поскольку не увеличивает количество образующихся микротрещин, а лишь приводит к увеличению энергозатрат. После криодеструкции биоматериал подвергают многостадийной химической обработке.

На первой стадии химической обработки биоматериал подвергают очистке в ультразвуковой ванне, где на первом этапе биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1М этилендиаминтетрауксусной кислоты и 0,01М гидроксида натрия, при температуре не более 45°С в течение 3-20 часов, при этом смену раствора проводят, по меньшей мере, дважды до достижения рН раствора 8-12, предпочтительно до рН 11,1-11,8. На этом этапе происходит разрушение мембран клеток, находящихся в полостях и микротрещинах биоматериала (мембранолиз). Предложенная композиция в режиме ультразвука в заявленном диапазоне параметров обработки позволяет наиболее эффективно удалить из ткани клетки, остатки клеточных и базальных мембран, липопротеины и омыляемые жиры, белки, расположенные на поверхности коллагена, гликопротеины, сиалопротеины и гликозаминогликаны.

На втором этапе очистки в ультразвуковой ванне биоматериал помещают в раствор, содержащий смесь 1М соляной кислоты и 1М хлорида натрия, и выдерживают при комнатной температуре, по меньшей мере, в течение 10-ти часов до достижения рН раствора 0-0,75, предпочтительно до достижения рН раствора 0,1-0,5. При этом обработка соляной кислотой позволяет окончательно удалить из обрабатываемого биоматериала остатки неколлагеновых кислоторастворимых белков, гликопротеинов и гликозаминогликанов, а присутствие хлорида натрия позволяет избежать набухания коллагена и ускоряет вымывание неколлагеновых белков.

После обработки кислотой биоматериал отмывают от остатков растворов, для чего его последовательно помещают сначала в раствор, содержащий смесь 1М хлорида натрия и 0,1 М фосфатного буфера, с последующей промывкой 0,1 М раствором фосфатного буфера до достижения рН 7-8, предпочтительно до достижения рН 7,4-7,6.

Подвергнутый криодеструкции и мембранолизу биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1% Triton х-100 и 1% додецилсульфата натрия, при этом происходит разрушение липидов костного матрикса, для большей эффективности обработку ведут в ультразвуковой ванне, а затем биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1-1% трипсина и 0,125-0,3% папаина, взятых в соотношении 1:1 в течение 10-12 часов при температуре 65°С и рН 6,5, тем самым воздействуя ферментами на белки и протеогликаны костного матрикса.

После чего биоматериал выдерживают в ультразвуковой ванне в 3%-ном растворе перекиси водорода в течение 48-ми часов с двукратной сменой раствора, что позволяет гомогенизировать липиды и протеогликаны, а также приводит к удалению бактерий и вирусов, а затем биоматериал обрабатывают смесью, содержащей этанол или изопропанол и диэтиловый эфир или хлороформ в соотношении 1:2 в течение, по меньшей мере, 48 часов с трехкратной сменой раствора при перемешивании, при этом из биоматериала экстрагируются гомогенизированные липиды и протеогликаны.

Прошедший вышеупомянутые стадии обработки биоматериал подвергают двухстадийной финишной очистке, на первой стадии которой ведут обработку в сверхкритическом диоксиде углерода в герметичном автоклаве при давлении 75-700 атм и температуре 32-50°С в течение 8-40 часов при периодическом сбрасывании давления ниже критической точки и последующем подъеме давления выше критической точки каждые 0,5-4 часа, на второй стадии в автоклав с обработанным на первой стадии биоматериалом после декомпрессии вводят дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:(1-3) при повышении давления до 150-350 атм и температуре 15-25°С и перемешивают магнитной мешалкой с частотой 500-1500 об/мин в течение 4-72 часов.

На первой стадии финишной очистки в сверхкритическом диоксиде углерода в герметичном автоклаве биоматериал очищают от неполярных фрагментов в течение 8-40 часов, при этом каждые 0,5-4 часа давление, при котором происходит чистка в автоклаве, сбрасывают ниже критической точки, а затем давление вновь повышают выше критической точки. При сбросе давления ниже критической точки каждые 0,5-4 часа в течение 8-40 часов растворенные неполярные фрагменты теряют растворимость и уносятся потоком с диоксидом углерода, при этом каждый раз снижается их концентрация в обрабатываемом биоматериале. Обработку ведут фактически в пульсирующем режиме. Давление и температуру для растворения в сверхкритической фазе принимают выше критической точки, а именно 75-700 атм и 32-50°С, поскольку, чем дальше в фазовом пространстве давлений и температур находится система: сверхкритическая углекислота/биоматериал, тем выше степень растворения различных неполярных фрагментов, содержащихся в биоматериале. Нижние границы диапазонов давления и температуры ограничены переходом углекислоты в сверхкритическое состояние. Верхняя граница температуры ограничена температурой деградации биоматериала, а давления - пределом прочности автоклава.

После первой стадии финишной очистки и декомпрессии автоклава к находящемуся в нем биоматериалу добавляют дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:(1-3), поднимают давление до 150-350 атм и при температуре 15-25°С перемешивают магнитной мешалкой с частотой 500-1500 об/мин в течение 4-72 часов. Система вода/диоксид углерода в заявленных на второй стадии финишной очистки условиях обработки биологического материала является трехкомпонентной системой, в которой существуют: полярный растворитель - угольная кислота, вода и неполярный диоксид углерода, растворенный в воде. Такая система обладает повышенной чистящей способностью по отношению к биоматериалу, поскольку с компонентами системы взаимодействуют как неполярные, так полярные и амфифильные клеточные фрагменты. Чем ниже температура и выше давление, тем ниже рН в угольной кислоте в трехкомпонентной системе, тем лучше растворяются в системе полярные клеточные фрагменты.

После декомпрессии автоклава биоматериал подвергают лиофилизации и стерилизации.

Для получения остеоиндуктивных биологических имплантатов перед финишной очисткой биоматериал подвергают деминерализации, для чего его обрабатывают 0,6 N раствором соляной кислоты при перемешивании магнитной мешалкой при комнатной температуре.

Примеры осуществления способа.

Пример 1.

Ксеногенную губчатую кость после механической очистки от мышечной и соединительной тканей фрагментируют до размеров 2-4 мм и подвергают двум циклам замораживания-размораживания, причем замораживание ведут в течение 12 часов, а размораживание - в течение 6 часов. После этого в ультразвуковой ванне биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1М этилендиаминтетрауксусной кислоты и 0,01М гидроксида натрия, при температуре 40°С в течение 20 часов, при этом смену раствора проводят дважды до достижения рН раствора 11,5. Затем в ультразвуковой ванне материал обрабатывают раствором, содержащим смесь 1М соляной кислоты и 1М хлорида натрия при комнатной температуре в течение 10-ти часов до достижения рН раствора 0,4. После этого биоматериал отмывают от остатков растворов, для чего его последовательно помещают сначала в раствор, содержащий смесь 1М хлорида натрия и 0,1 М фосфатного буфера, с последующей промывкой 0,1 М раствором фосфатного буфера до достижения рН 7,4. Затем биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 0,1% Triton х-100 и 1% додецилсульфата натрия. Обработку ведут в ультразвуковой ванне, а затем биоматериал обрабатывают раствором, содержащим смесь 1% трипсина и 0,125% папаина, взятых в соотношении 1:1 в течение 10 часов при температуре 65°С и рН 6,5, тем самым воздействуя ферментами на белки и протеогликаны костного матрикса. После чего биоматериал выдерживают в ультразвуковой ванне в 3%-ном растворе перекиси водорода в течение 48-ми часов с двукратной сменой раствора. Затем биоматериал обрабатывают смесью, содержащей этанол и диэтиловый эфир в соотношении 1:2 в течение 48 часов с трехкратной сменой раствора при постоянном перемешивании.

Подготовленный таким образом биоматериал погружают в автоклав. Нагревают автоклав с материалом до температуры 40°С, после чего нагнетают СО₂ до давления 700 Атм. Выдерживают автоклав с материалом в течение 20 часов при этом с периодичностью 1 раз в 4 часа сбрасывают давление ниже критической точки и нагнетают давление вновь до 700 атм при температуре 40°С.После чего производят декомпрессию автоклава и переходят ко второй стадии финишной обработки биоматериала.

В автоклав вводят дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:1, поднимают давление до 350 атм и при температуре 25°С перемешивают магнитной мешалкой с частотой 500 об/мин в течение 72 часов.

После декомпрессии автоклава биоматериал подвергают лиофилизации и стерилизации.

Полученные биоматериалы имеют высокую степень очистки, что выражается в визуальном их осветлении после обработки. Материалы стерильны и биосовместимы, что подтверждается биологическими тестами.

Пример 2.

Ксеногенную кортикальную кость после механической очистки от мягких тканей распиливают на пластины шириной 3-15 мм и длиной 20-100 мм. Затем подвергают трем циклам замораживания-размораживания, причем замораживание ведут в течение 12 часов, а размораживание в течение 6 часов, после чего подвергают многостадийной химической обработке в условиях примера 1, а затем двухстадийной финишной очистке. На первой стадии биоматериал погружают в автоклав и нагревают автоклав с биоматериалом до температуры 35°С, после чего нагнетают СО₂ до давления 500 Атм. Выдерживают автоклав в течение 10 часов при этом с периодичностью 1 раз в час сбрасывают давление ниже критической точки и нагнетают вновь давление до 500 атм при температуре 35°С. После чего производят декомпрессию автоклава и переходят ко второй стадии финишной обработки биоматериала. В автоклав вводят дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:2, поднимают давление до 300 атм и при температуре 20°С перемешивают магнитной мешалкой с частотой 1000 об/мин в течение 48 часов.

После декомпрессии автоклава биоматериал подвергают лиофилизации и стерилизации.

Полученные биоматериалы имеют высокую степень очистки, что выражается в визуальном их осветлении после обработки и высокими биосовместимыми характеристиками. Материалы стерильны и апирогенны, что подтверждается биологическими тестами. Материалы сохраняют свои механико-прочностные характеристики.

Пример 3.

Аллогенную губчатую кость после механической очистки от мышечной и соединительной тканей фрагментируют до размеров частиц 1-2 мм, замораживают-размораживают и подвергают многостадийной химической обработке в условиях примера 1 и деминерализации, для чего биоматериал обрабатывают в 0,6 N растворе соляной кислоты при постоянном перемешивании магнитной мешалкой при комнатной температуре в течение 12 часов. Обработанный таким образом биоматериал погружают в автоклав, нагревают до температуры 45°С, после чего нагнетают СО₂ до давления 600 Атм. Выдерживают автоклав с биоматериалом в течение 40 часов при этом с периодичностью 1 раз в 5 часов сбрасывают давление ниже критической точки и нагнетают давление вновь до 600 атм при температуре 45°С. После чего производят декомпрессию автоклава и переходят ко второй стадии финишной обработки биоматериала. В автоклав вводят дистиллированную воду и диоксид углерода в соотношении 1:3, поднимают давление до 250 атм и при температуре 18°С перемешивают магнитной мешалкой с частотой 1000 об/мин в течение 72 часов.

После декомпрессии автоклава биоматериал подвергают лиофилизации и стерилизации.

Полученные материалы характеризуются высокой степенью очистки. Материалы стерильны, апирогенны, при этом не обладают иммуногенными свойствами. Материалы сохраняют механико-прочностные свойства, имеют контролируемую остеоиндуктивность и биорезорбируемость.

Таким образом предложенный способ позволяет получить биоматериалы для регенерации костной ткани глубокой степени очистки с высокой степенью биосовместимости, стерильные, апирогенные, не обладающие иммуногенными свойствами, при одновременном сохранении механико-прочностных свойств, контролируемой остеоиндуктивностью и биорезорбируемостью.