Результат интеллектуальной деятельности: Способ получения биомиметического кальций-фосфатного модифицированного желатином покрытия на сплавах титана из модельного раствора межклеточной жидкости человека

Изобретение относится к области медицины и созданию новых материалов биомедицинского назначения, которые могут быть использованы при создании биоактивных кальций-фосфатных модифицированных желатином (ГА-Ж) покрытий на имплантатах, при создании композитов на основе фосфатов кальция и сплавах титана.

Известен способ нанесения покрытий на изделия из титана (патент РФ №2453630), технический результат, в котором достигается за счет обработки поверхности титана углекислым газом, образующимся при реакции разложения гидрокарбоната кальция в водном растворе при соблюдении следующих условий: раствор гидрокарбоната натрия (ч.д.а.) приливают к раствору нитрата или хлорида кальция (х.ч.), соблюдая стехиометрическое соотношение реагентов 2:1. После начала выделения углекислого газа в реакционную смесь помещают титановые или с титановым покрытием изделия, например, пластины или штифты. Для устранения концентрационных потоков при формировании кристаллов смесь периодически перемешивают, при этом начинается более интенсивное выделение пузырьков углекислого газа. Толщина и адгезия покрытия, а также размер образующихся на титане кристаллов карбоната кальция изменяются в зависимости от времени протекания реакции и температуры. Прочные покрытия можно получить как минимум через десять минут после начала реакции при 20°С. Промытые пленки оставляют как минимум на сутки в контакте с раствором 0.6 М (NH₄)₂HPO₄, затем как минимум на сутки в растворе одномолярного Ca(NO₃)₂, затем как минимум на сутки в растворе 0.6 М (NH₄)₂HPO₄. Образцы промывают дистиллированной водой, сушат на воздухе при температуре 20°С. Для получения композиционных покрытий, содержащих биополимеры, титан с полученным кальцитным покрытием погружают в раствор желатина и/или хондроитинсульфата. Другие модификаторы вводят в систему с самого начала синтеза кальциевого покрытия.

Недостатком данного способа является его сложность, низкая адгезионная прочность и низкая кристалличность и как следствие низкая механическая прочность, получаемых покрытий.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ получения биомитического покрытия в среде синтетической жидкости (SBF), (Xiaohua Yu, Mei Wei Controlling Bovine Serum Albumin Release from Biomimetic Calcium Phosphate Coatings // Journal of Biomaterials and Nanobiotechnology, 2011, 2, 28-35). По данному способу пластинки титана вертикально помещают в 1,5 мл пробирку, содержащую 1,0 мл M-SBF, затем инкубировали в водяной бане при 42°С в течение 24 час. Затем в каждую пробирку, после того как пластинка была погружена добавляли бычий сывороточный альбумин (BSA), в течение 0, 4, 6 и 8 ч соответственно. В результате чего конечная концентрация бычего сывороточного альбумина (BSA) соответствовала 50 мкг/мл. После 24 ч инкубации в SBF, все пластинки вынимают, тщательно промывают деионизированной водой и сушат при комнатной температуре.

Недостатком данного способа является его сложность, низкая адгезионная прочность и низкая кристалличность и как следствие низкая механическая прочность, получаемых покрытий.

Технической задачей заявляемого решения является повышение адгезионной прочности, увеличение кристалличности и повышение механической прочности покрытий наносимых на сплавы титана.

Техническим результатом заявляемого решения является разработка способа получения модифицированного желатином покрытия на сплавах титана из модельного раствора межклеточной жидкости человека. Желатин является природным полимером, образующимся при гидролизе коллагена. В отличие от последнего, он более стабилен и проявляет меньшую антигенность, вследствие чего может быть эффективно использован в качестве органической матрицы биоматериалов на основе фосфатов кальция. Желатин содержит биологически активные функциональные группы аминокислот и является перспективным материалом для регенерации костной ткани, в том числе в комбинации с гидроксиапатитом. В виду того, что желатин играет важную роль в физиологических процессах роста и перестройки костной и хрящевой ткани, получение желатин-модифицированного гидроксилапатита (ГА-Ж) и синтез покрытий на его основе, представляет собой перспективную и актуальную физико-химическую задачу.

Указанный технический результат достигается тем, что предложен способ получения биомиметического кальций-фосфатного модифицированного желатином покрытия на сплавах титана из модельного раствора межклеточной жидкости человека, в котором предварительно готовят раствор состава: CaCl₂ - 3,7424 г., MgCl₂ - 0,6092 г., K₂HPO₄ - 2,8716 г., NaHCO₃ - 4,5360 г., Na₂SO₄ - 0,0144 г., NaCl - 8,8784 г., желатин 4,9990÷4,9970 г., полученный раствор осаждают при: температуре Т₁=20÷25°С, значении рН=7.40±0.05, в течение 48 часов, затем осадок промывают, фильтруют, высушивают при температуре Т₂=80÷85°С в течение 5 часов, из кальций-фосфатного модифицированного желатином порошка готовят водную суспензию при концентрации С=1 масс. %, наносят суспензию капиллярным методом на сплав титана (ВТ1-00), сушат при температуре Т₃=20÷25°С, в течение 1 часа, затем указанный сплав опускают в полученный предварительно модельный раствор межклеточной жидкости человека на 3 суток, после этого извлекают из раствора и проводят сушку при температуре Т₄=20÷25°С, в течение 24 часов, для получения максимальной толщины кристаллического покрытия повторяют все указанные выше операции способа каждые 3 суток в течение 18 суток со сменой исходного раствора.

Возможность достижения технического результата обеспечивается тем, что в предложенном способе предварительно готовят раствор состава: CaCl₂ - 3,7424 г., MgCl₂ - 0,6092 г., K₂HPO₄ - 2,8716 г., NaHCO₃ - 4,5360 г., Na₂SO₄ - 0,0144 г., NaCl - 8,8784 г., желатин - 4,9990÷14,9970 г, полученный раствор осаждают при: температуре T₁=20÷25°С, значении рН=7.40±0.05, в течение 48 часов, затем осадок промывают, фильтруют, высушивают при температуре Т₂=80÷85°С в течение 5 часов, из полученного кальций-фосфатного модифицированного желатином порошка готовят водную суспензию при концентрации С=1 масс. %, наносят суспензию капилляром с диаметром d=0,2÷0,7 мм тонким слоем на сплав титана ВТ1-00, сушат при температуре Т₃=20÷25°С, в течение 1 часа, затем указанный сплав титана ВТ1-00 с предварительно нанесенным слоем фосфата кальция опускают в полученный предварительно модельный раствор межклеточной жидкости человека на 3 суток, после этого извлекают из раствора и проводят сушку при температуре Т₄=20÷25 0С, в течение 24 часов. И так повторяют каждые 3 суток в течение 18 суток со сменой исходного раствора.

Используя результаты измерения краевого угла смачивания и поверхностного натяжения приготовленных суспензий с разным содержанием желатина на основании уравнения Юнга - Дюпре, была рассчитана энергия адгезии наносимой суспензии кальций-фосфатного модифицированного желатином покрытия к твердой поверхности титановых образцов.

Wa=σ₀₁(1+cosΘ), где Wa - энергия адгезии,

σ₀₁ - поверхностное натяжение на границе газ - жидкость,

cosΘ - косинус краевого угла смачивания.

В таблице 1 представлены адгезионные характеристики высушенной и нанесенной суспензии кальций-фосфатного модифицированного желатином покрытия на сплаве титана ВТ1-00.

Установлено, что в определенном интервале с 4,9990 г до 14,9970 г с увеличением содержания желатина происходит увеличение поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, при этом для характеристики, получаемых покрытий важным является соотношение значений энергии адгезии и когезии.

Известно, что если это соотношение близко к единице, то наблюдается хорошее смачивание и т.д.

- хорошее⋅смачивание,

- переход⋅к⋅несмачиванию,

W_a=0 - полное⋅несмачивание.

Для оценки параметров смачивания обычно использую соотношение этих двух энергий, при этом, если оно близко к 1, то наблюдается смачивания, и т.д. Таким образом, использование желатина в интервале 4,9990÷14,9970 г. в исходном растворе является оптимальным.

На фиг. 1 представлена общая схема способа получения биомиметического кальций-фосфатного модифицированного желатином покрытия на сплавах титана из модельного раствора межклеточной жидкости человека.

На фиг. 2 представлен вид дифрактограммы порошка закристаллизованного ГА при содержании желатина 4,9990÷14,9970 г. в модельном растворе, при этом на всех дифрактограммах присутствуют рефлексы ГА при 25,8°(002), 31,7°(211), 32,2°(112) и 32,9°(300).

На фиг. 3 представлен вид закристаллизованного порошка ГА при содержании желатина 4,9990÷14,9970 г. в модельном растворе (увеличение 100х). Видно, что в результате кристаллизации в присутствии желатина формируются кристаллы ГА крупных размеров. Результаты РФА показали, что образцы, синтезируемые в среде модельного раствора внеклеточной жидкости при варьировании концентрации желатина, однофазны и представляют собой гидроксилапатит.

На фиг. 4 представлен вид поверхности кристаллов гидроксилапатита, выращенных на поверхности сплава титана в присутствии желатина спустя 3 суток с момента нахождения в растворе: а - травленая поверхность, б - шлифованная поверхность (увеличение 100х).

На фиг. 5 представлен вид поверхности кристаллов гидроксилапатита, выращенных на поверхности сплава титана ВТ1-0 в присутствии желатина спустя 9 суток с момента нахождения в растворе: а - шлифованная поверхность, б - травленая поверхность (увеличение 100х). При этом отмечается разница в скорости кристаллизации в зависимости от способа обработки поверхности имплантата, для шлифованных образцов наблюдается более интенсивный рост кристаллов в углублениях шлифа, тогда как на травленых образцах рост дендритов происходит в объемных дефектах, полученных за счет травления.

На фиг. 6 представлен вид поверхности кристаллов гидроксилапатита, выращенных на поверхности сплава титана ВТ1-0 в присутствии желатина спустя 18 суток с момента нахождения в растворе: а - шлифованная поверхность, б - травленая поверхность (увеличение 100х). С увеличением времени кристаллизации до 18 суток установлено, что толщина слоя покрытия увеличилась, для травленого образца она составила ~ 70 мкм, а для шлифованного ~ 50 мкм. На травленой поверхности вследствие большой толщины образовавшегося слоя наблюдается растрескивание, что ограничивает дальнейшее увеличение толщины слоя с сохранением его эксплуатационных свойств.

По данным сканирующей электронной микроскопии во всех случаях образовалось покрытие ГА-желатин с характерной гексагональной структурой кристаллов.

Таким образом, полученное данным способом покрытие может быть использовано в дальнейшем для изготовления и регенерации поверхности металлического имплантата.