Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ БОРСОДЕРЖАЩЕГО БИОАКТИВНОГО СТЕКЛА

Изобретение относится к медицине, а именно к способу получения борсодержащего биостекла, которое может быть использовано в травматологии, ортопедии, челюстно-лицевой хирургии для создания на имплантатах биоактивного покрытия.

Биоактивные стекла относятся к классу керамики, способной взаимодействовать с тканями организма (предпочтительно костными тканями). Они состоят в основном из диоксида кремния, оксида натрия, оксида кальция и оксида фосфора, причем известно что оптимальные биологические свойства проявляются при содержании (в мас. %): 45% SiO₂ - 24,5%, Na₂O - 24,5%, CaO - 6% P₂O₅ [Hench L.L. «The story of Bioglass®»// J. Materials Science: Materials in Medicine, 2006, V. 17, Р. 967-978]. Биостекло запускает реакции организма, отвечающие за восстановление костного дефекта. Это происходит за счет медленного растворения компонентов биостекла под воздействием среды организма. С одной стороны, в ходе растворения на поверхности формируется биологически активный слой нанокристаллического гидроксиапатита, что обеспечивает прочное связывание с костными тканями организма. С другой стороны, продукты растворения (ионы кальция и кремния) стимулируют пролиферацию остеогенных клеток для воспроизводства новых тканей. Вследствие низких механических характеристик, таких как прочность на излом и хрупкость, биостекла редко используются сами по себе. Например, для структурных элементов в ортопедии предпочитают использовать металлические сплавы или синтетические полимеры. Покрытие имплантатов слоем биостекла решает проблему биосовместимости чужеродных материалов, так как защищая поверхность сплава от коррозии или деструкции, биостекло препятствует выходу потенциально токсичных веществ в среду организма. Покрытие имплантатов слоем биостекла проводят способами окунания или термическим напылением.

Бор является одним из микроэлементов в организме человека, который играет важную роль в росте костей. Регулируя паратиреоидный гормон, он косвенно воздействует на обмен магния, кальция, фосфора и витамина D. Бор участвует в процессах, происходящих в центральной нервной системе и мозге, поддерживает в норме состояние мышечной ткани, он вовлечен в метаболизм костных тканей и принимает активное участие в ее формировании.

Известен состав и способ получения боратного биоактивного стекла содержащего (мол. %): 6Na₂O, 8K₂O, 8MgO, 22СаО, 54B₂O₃, 2P₂O₅. По этому способу стекло получают смешением необходимых количеств Na₂CO₃, K₂CO₃, MgCO₃, СаСО₃, Н₃ВО₃, NaH₂PO₄ и плавлением смеси в платиновом тигле в течение 1 ч при 1100°С. [Zhang X. et al. «Teicoplanin-loaded borate bioactive glass implants for treating chronic bone infection in a rabbit tibia osteomyelitis model» // Biomaterials, 2010, V. 31, p. 5865-5874].

Недостатком способа является необходимость тщательной гомогенизации исходной смеси и высокая температура плавки.

Известен способ получения биоактивного борсодержащего стекла [пат. US №7582310, опубл. 01.09.2009], основанный на плавлении исходных сухих компонентов. Его осуществляют следующим образом. Сначала смешивают карбонат кальция, диоксид кремния, оксид бора, оксид магния, фторид кальция и пирофосфат кальция при соотношении реагентов, необходимом для получения биоактивного стекла. Затем смесь помещают в платиновый тигель и постепенно нагревают до 1400°С в электрической печи и выдерживают при этой температуре в течение 2 часов до полного расплавления. Расплав извлекают из тигля, выливают на стальную пластину или используют водяную баню для быстрого охлаждения.

К недостаткам способа можно отнести то, что он не гарантирует получения гомогенного материала из-за возможности фазового разделения компонентов биостекла и высокую температуру плавки.

Известен способ получения борсодержащего биостекла [з. US №20170340666, опубл. 30.11.2017] из расплава. Для этого предварительно тщательно размешенную композицию из смеси борной кислоты, алюминия, карбоната натрия, карбоната калия, известняка, оксида магния, фосфата кальция и сульфата натрия отжигают в течение 24 часов при 250°С. Затем сухую композицию плавят при 1200°С в течение 6 часов и полученный расплав резко охлаждают, выливая его на стальную пластину. На завершающем этапе проводят нагрев материала до 500°С.

Предложенный метод имеет такие недостатки как длительность получения, наличие нескольких этапов и энергозатратность.

Известен способ получения борсодержащих биоактивных стекол золь-гель-методом. [Furlan R.G. et al. «Preparation and characterization of boron-based bioglass by sol-gel process» // Journal of Sol-Gel Science and Technology, 2018, V. 88, p. 181-191]. Для этого NaCl растворяют в 5 мл воды и вводят в раствор тетраэтоксисилана в этаноле (16,8 мл : 16,5 мл). Затем добавляют 0,6 М раствор HCl (900 мл) и перемешивают в течение 15 мин с помощью магнитной мешалки при комнатной температуре. После этого добавляют растворы CaCl₂⋅2H₂O, Na₃PO₄⋅12H₂O (1,6 г), борной кислоты (0,2 г) и NH₄OH (3 мл) для увеличения рН суспензии до 5 (±0,5). В результате получают гель, который оставляют на 1 неделю для созревания и затем высушивают при комнатной температуре. Термическую обработку проводят при 700°С в течение 3 часов. Использование этилового спирта способствует растворению бора, что позволяет получить однородные биостекла.

Недостатком предложенного способа является длительность и многоэтапность процесса получения биостекла.

Известен способ (прототип) получения борсодержащих биоактивных стекол путем включения бора (5 и 10 мол. %) при замещении части кремния. [Wu Ch. et al. «Proliferation, differentiation and gene expression of osteoblasts in boron-containing associated with dexamethasone deliver from mesoporous bioactive glass scaffolds» // Biomaterials, 2011, V. 32, р. 7068-7078]. Для приготовления биоактивного стекла, содержащего 10% бора, 17,5 г тетраэтилортосиликата, 4,2 г Са(NO₃)₂⋅4H₂O, 2,83 г трибутилбората, 2,19 г триэтилфосфата и 3 г 0,5 М HCl растворяют в 180 г этанола и перемешивают при комнатной температуре в течение 1 дня. Затем удаляют избыток раствора, а оставшуюся часть оставляют испаряться при комнатной температуре в течение 24 часов. На заключительном этапе сухой остаток прокаливают при 700°С в течение 5 часов. Биостекла с 5% бора, получают при изменении содержания бора в исходной смеси.

К недостаткам способа относится длительность и энергозатратность процесса, а также то, что в составе биостекла отсутствует такой важный компонент как натрий, который участвует в метаболизме костной ткани. Кроме того, использование в составе исходной смеси нитрат-ионов и большого объема этанола делает эту смесь пожаровзрывоопасной.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в упрощении способа получения биостекла за счет значительного сокращения времени процесса, а также снижении пожароопасности, так как в составе прекурсора отсутствуют окислители, в частности нитраты.

Технический результат достигается способом получения биоактивного борсодержащего стекла, включающим смешение компонентов стекла в органическом растворителе с последующим пиролизом. Для этого используют раствор, содержащий тетраэтоксисилан, трибутилфосфат, олеат натрия и олеат кальция в скипидаре, а также раствор борной кислоты в смеси три-н-октиламина (ТОА) с октановым спиртом (ОС), отношение ТОА:ОС=1:1. После смешения компонентов биостекла выполняют отгонку растворителя при температуре 150-200°С. Затем проводят обжиг (пиролиз) полученного состава в муфельной печи до температуры 700°С.

Возможность осуществления изобретения подтверждается следующими примерами.

Пример 1. В 15 мл скипидара при нагревании до 70-80°С растворяют 3,4 г олеата кальция и добавляют 0,3 мл трибутилфосфата. Отдельно в 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,1 г олеата натрия и добавляют 1,9 мл тетраэтоксисилана. Отдельно в смеси 2 мл три-н-октиламина и 2 мл октилового спирта растворяют 0,1 г борной кислоты. Растворы смешивают в порядке получения и нагревают при температуре 150°С для удаления избытка органики. Затем пастообразную массу подвергают пиролизу, нагревая до 700°С и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. В результате получают биостекло с содержанием компонентов, мас. %:

Пример 2. В 15 мл скипидара при нагревании до 100-110°С растворяют 3,4 г олеата кальция и добавляют 0,3 мл трибутилфосфата. Отдельно в 15 мл скипидара при нагревании растворяют 3,1 г олеата натрия и добавляют 1,4 мл тетраэтоксисилана. Отдельно в смеси 5 мл три-н-октиламина и 5 мл октилового спирта растворяют 0,36 г борной кислоты. Растворы смешивают в порядке получения и нагревают при температуре 200°С для удаления избытка органики. Затем массу подвергают пиролизу, нагревая до 700°С и выдерживают при этой температуре в течение 30 минут. В результате получают биостекло с содержанием компонентов, мас. %: