Способ получения индивидуального композиционного имплантата на основе альгината натрия и фосфатов кальция для замещения костно-хрящевых дефектов методом трехмерной гелевой печати

Изобретение относится к области персонализированной медицине, а именно для реконструкции поврежденных костно-хрящевых тканей.

За последние два десятилетия были разработаны и усовершенствованы методы прототипирования, которые могут быть применены для изготовления трехмерных конструкций различной конфигурации быстрым, простым и экономичным способом. Работы в этом направлении начаты сравнительно недавно, в основном зарубежными исследователями [Dietmar W. Hutmacher, Scaffolds in tissue engineering bone and cartilage. The Biomaterials: Silver Jubilee Compendium, Elsevier Science, 2000, Pages 175-189; Leukers, В., Gulkan, H., Irsen, S.H. et al. Hydroxyapatite scaffolds for bone tissue engineering made by 3D printing. J Mater Sci: Mater Med (2005) 16: 1121.]. К ним относятся методы фотополимеризации, ламинирования, лазерного спекания и экструзии. Метод экструзии особенно перспективен, но для его успешного применения необходимы материалы, адаптированными к трехмерной печати: например, биополимер требуемой текучести, необходимой вязкости и определенным набором физико-химических свойств. При условии подбора биополимера с требуемыми характеристиками, возможно создание с его участием композиционных имплантатов с фосфатами кальция для замещения или регенерации костно-хрящевой ткани. С учетом вышесказанного особый интерес представляют материалы на основе биополимеров природного происхождения, таких как коллаген, хитозан и альгинат натрия. Однако коллаген является чужеродным белком, так как в большинстве случаев его получают из кожи свиней, поэтому он способен вызывать негативные реакции организма, а также являться переносчиком инфекционных агентов, то есть его биосовместимость весьма сомнительна. Таких недостатков лишен природный биополимер - альгинат натрия, имеющий хорошую биосовместимостью. Альгинат натрия применяется в медицинских изделиях, в том числе в качестве имплантационного материала, при обработке ран, при регенерации мягких и твердых тканей, как гемостатический агент с антитромбогенными свойствами и как стимулятор иммунной системы против вирусной и бактериальной инфекции [Mogos G.D., Grumezescu A.M. Natural and synthetic polymers for wounds and burns dressing. Int. J. of Pharmaceutics 2014, V. 463, P. 127-136; Pawar S.N., Edgar K.J. Alginate derivatization: a review of chemistry, properties and applications. Biomaterials 2012, V. 33, P. 3279-3305]. Стоит отметить и немаловажную роль фосфатов кальция (ФК), которые играют роль армирующей составляющей композиционных материалов. ФК - являются аналогами минеральных компонентов костной ткани, их широко используют для изготовления материалов для регенерации костных тканей [Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate - based bioceramics. Materials 2013, V. 6, P. 3840-2942]. Сочетание свойств биополимеров и фосфатов кальция и трехмерного изготовления индивидуальных имплантатов будет являться основой создания технологий материалов с уникальными свойствами.

Можно выделить близкую по техническому решению заявку на патент США №20150039097 US, в которой приведен способ формирования биологически совместимых материалов для регенерации тканей. В формуле изобретения описано послойное нанесение полимерных слоев, из которых образуется изделие. В качестве материалов используется полиуретан, полилактид, полигликолид, полилактид, поли(ε-капролактон), полидиоксанон, полиангидрид, триметиленкарбонат, поли (β-гидроксибутират), поли (g-этил глутамат), полицианоакрилат, полифосфазен или их смеси. Раствор полимера наполняют частицами гидроксилапатита (ГА), трикальцийфосфата (ТКФ), композиционными фосфатами кальция и карбоната кальция, костными частицами из ксенографтов, костными частицами из аллотрансплантатов, костными частицами из аутотрансплантатов или их смеси. Способ получения биосовместимых материалов включает формирование заданного количества слоев.

Однако известный способ не подразумевает использование альгината натрия в качестве каркаса, а армирующая составляющая включает в себя костные частицы, наночастицы гидроксилапатита или полимерные нановолокна.

Наиболее близким по техническому решению и достигаемому эффекту является способ получения композиционного трехмерного каркаса для замещения костно-хрящевых дефектов [патент РФ №2606041]. Трехмерный каркас формируют методом 3D инъекционной печати послойным нанесением гидрогеля с фиксацией структуры на платформе, ступенчато охлаждаемой от -5±1°С до -30±1°С в зависимости от количества наносимых слоев, при этом температура в слое печати составляет -5±1°С. Запатентованный Текучий гидрогель содержит, мас. % в расчете на сухой вес гидрогеля: альгинат натрия - 40-90; наполнители - 10-60.

Однако способ-прототип имеет ряд недостатков, в том числе материал представляет собой высокопористый трехмерный каркас, с пористостью до 95%, что негативно сказывается на механической прочности готового продукта. Так же стоит отметить, что в качестве сшивающего раствора используется 10% раствор хлорида кальция, а, согласно исследованиям, сшитый кальциевым раствором альгинат натрия имеет более высокую скорость растворения в организме и меньшую механическую прочность, по сравнению с материалами, сшитыми раствором хлорида бария. Таким образом, материал не может быть использован в качестве имплантата для замещения объемных дефектов без дополнительного упрочнения места дефекта, например, титановых штифтов или пластин.

Технический результат предлагаемого изобретения - получение индивидуального композиционного имплантата с прочностью от 6,5 до 10,7 МПа для замещения костно-хрящевых дефектов на основе альгината натрия и фосфатов кальция методом трехмерной гелевой печати.

Для достижения технического результата в способе используется метод трехмерной гелевой печати композиционными материалами, приготовление вязкотекучего композиционного материала, содержащего альгинат натрия и кальцийфосфатный наполнитель, нанесение композиционного материала на платформу, формирование индивидуального имплантата с последующей фиксацией структуры. Индивидуальный имплантат формируют методом трехмерной гелевой печати послойным нанесением композиционного материала с временной фиксацией структуры на платформе, охлаждаемой от -25±1°С до -30±1°С, при этом температура в слое печати составляет -10±2°С. Композиционный материал содержит, мас. % в расчете на сухой вес материала:

альгинат натрия от 20 до 40;

наполнители от 60 до 80.

В качестве наполнителя в текучий гидрогель вводят порошки трикальцийфосфата, дикальцийфосфат дигидрата, октакальцийфосфата или их другие модификации, при этом размеры частиц порошка или гранул изменяются от 20 до 100 мкм.

Индивидуальный композиционный имплантат с прочностью от 6,5 до 10,7 МПа - по завершении печати помещают в морозильную камеру и выдерживают в течение 30-90 минут при температуре -50°С, затем подвергают сублимационной сушке в рабочей камере при вакууме 6-10-5 атм., при температуре конденсирующей поверхности -50°С в течение 3-6 часов, при этом для постоянной фиксации, высушенный имплантат сшивают 10% раствором хлорида бария в шейкере-инкубаторе на протяжении 1 часа при температуре 37°С, далее полученный трехмерный имплантат отмывают от остатка солей в объеме 1:100, и вновь подвергают сублимационной сушке для сохранения структуры.

Иными словами, изделие изготовлено таким образом, чтобы после имплантации в область реципиентного ложа расхождение внутренних краев между введенным материалом и костными стенками не превышал 1 мм на всем протяжении. Достижение персонализированных параметров обеспечивается применением технологии трехмерной печати. Исходным компонентом изделия служит композиционный материал на основе альгината натрия, фосфатов кальция и 10% раствора хлорида бария. Для получения композиционного материала готовят водный раствор альгината натрия, в котором дисперсная фаза (фосфаты кальция) не седиментируется в жидкой дисперсионной среде (раствор альгината натрия).

Изобретение поясняется подробным описанием способа, таблицей и примерами изготовления.

Способ осуществляют следующим образом.

В стакан заливается дистиллированная вода, которая перемешивается стеклянной верхнеприводной мешалкой на оборотах от 1500 до 2500 в минуту и нагревается до температуры 60°С, после чего в жидкую среду помещается порошок альгината натрия. После полного растворения альгината натрия при перемешивании добавляют кальцийфосфатный наполнитель в количестве до 80 мас. %. В качестве наполнителя вводят порошки трикальцийфосфата, дикальцийфосфат дигидрата, октакальцийфосфата, при этом размеры частиц порошка варьируются от 20 до 100 мкм.

Методом трехмерной гелевой печати из композиционных материалов получают индивидуальный трехмерный имплантат, точно соответствующий по форме и размерам костно-хрящевому дефекту. С целью получения этих данных о дефекте могут использоваться методы лучевой диагностики, такие как компьютерная томография, рентгенография и др. Полученную компьютерную модель дефекта преобразуют в файлы STL формата, разбивающие ее на слои определенной толщины, соответствующие характеристикам используемых исходных материалов. Программа, содержащая необходимый набор STL файлов, вводится в компьютер, управляющий трехмерным гелевым принтером. Приготовленный композиционный материал загружают в емкость трехмерного принтера, и по заданной программе осуществляется послойное нанесение материала на платформу для печати, охлаждаемую для временной фиксации трехмерного имплантата от -25±1°С до -30±1°С. После завершения процесса печати полученный имплантат извлекают из установки и помещают в морозильную камеру с температурой -50°С, время выдержки - 30-90 минут. Далее трехмерный имплантат подвергают сублимационной сушке в рабочей камере при вакууме 6-10-5 атм, при температуре конденсирующей поверхности -50°С в течение 3-6 часов. Для постоянно фиксации, высушенный имплантат сшивают 10% раствором хлорида бария на протяжение 1 часа при температуре 37°С. Полученный трехмерный имплантат отмывают от остатка солей в объеме дистиллированной воды 1:100, и вновь подвергают сублимационной сушке для сохранения структуры.

При содержании ФК наполнителя больше 80 масс. % реализация трехмерной гелевой печати невозможна. Снижение наполнителя менее 10 масс. % не позволяет получать трехмерный имплантат с равномерным распределением компонентов по объему. При температуре заморозки менее -10±1°С временная фиксация заданной структуры происходит с низкой скоростью, что замедляет весь процесс изготовления индивидуального трехмерного имплантата, а при температуре менее -30°С материал замерзает в печатающей головке принтера, что не дает возможности реализовать процесс печати.

Пример 1.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком трикальцийфосфата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещают в емкость для печати трехмерного принтера. После чего данным композиционным материалом осуществляется печать трехмерного имплантата по заданной траектории на платформу для печати, которая охлаждается термоэлектрическим элементом Пельтье с охлаждением до -30±1°С, в зоне (слое) печати температура -10±1°С. За счет охлаждения платформы происходит кристаллизация воды, которая находится в композиционном материале, таким образом происходит временная фиксация структуры напечатанного образца трехмерной конструкции. Полученный трехмерный имплантат извлекают из установки и помещают в морозильную камеру с температурой -50°С, время выдержки - 30-90 минут. Полученный образец подвергается сублимационной сушке при -50°С в течение 3-6 часов. Прочность - 6,5 МПа.

Пример 2.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком дикальцийфосфат дигидрата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещают в емкость для печати трехмерного принтера. После чего данным композиционным материалом осуществляется печать трехмерного имплантата по заданной траектории на платформу для печати, которая охлаждается термоэлектрическим элементом Пельтье с охлаждением до -30±1°С, в зоне (слое) печати температура -10±1°С. За счет охлаждения платформы происходит кристаллизация воды, которая находится в композиционном материале, таким образом происходит временная фиксация структуры напечатанного образца трехмерной конструкции. Полученный трехмерный имплантат извлекают из установки и помещают в морозильную камеру с температурой -50°С, время выдержки - 30-90 минут. Полученный образец подвергается сублимационной сушке при -50°С в течение 3-6 часов. Прочность - 8,2 МПа.

Пример 3.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком октакальцийфосфата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещают в емкость для печати трехмерного принтера. После чего данным композиционным материалом осуществляется печать трехмерного имплантата по заданной траектории на платформу для печати, которая охлаждается термоэлектрическим элементом Пельтье с охлаждением до -30±1°С, в зоне (слое) печати температура -10±1°С. За счет охлаждения платформы происходит кристаллизация воды, которая находится в композиционном материале, таким образом происходит временная фиксация структуры напечатанного образца трехмерной конструкции. Полученный трехмерный имплантат извлекают из установки и помещают в морозильную камеру с температурой -50°С, время выдержки - 30-90 минут. Полученный образец подвергается сублимационной сушке при -50°С в течение 3-6 часов. Прочность - 10,7 МПа.

Пример 4.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком трикальцийфосфата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещают в емкость для печати трехмерного принтера, после чего данным композиционным материалом осуществляется печать трехмерного имплантата по заданной траектории на платформу для печати, которая охлаждается термоэлектрическим элементом Пельтье с охлаждением до -10±1°С, в зоне (слое) печати температура -1±1°С. При охлаждении кристаллизация воды происходит с недостаточной скоростью, таким обозом не происходит фиксация структуры напечатанного образца. Полученные заготовки растекаются по поверхности платформы и являются бесформенными. Провести механические испытания таких образцов не представляется возможным.

Пример 5.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком трикальцийфосфата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещают в емкость для печати трехмерного принтера, после чего данным композиционным материалом осуществляется печать трехмерного имплантата по заданной траектории на платформу для печати, которая охлаждается термоэлектрическим элементом Пельтье с охлаждением до -40±1°С, в зоне (слое) печати температура -20±1°С. При охлаждении кристаллизация воды происходит с высокой скоростью, и, таким обозом композиционный материал застывает в печатающей головки принтера - формирование слоев не происходит. Реализация процесса печати не возможна.

Пример 6.

Композиционный материал на основе раствора альгината натрия с порошком трикальцийфосфата 20-50 мкм (соотношение 30/70) помещали в форму и фиксировали водным раствором хлорида бария при температуре 37°С. Прочность полученных материалов достигает 5,5 МПа.

В соответствии с примерами также были изготовлены образцы материалов, имеющие составы в пределах заявленных, и определены их свойства в сравнении с прототипом. Полученные результаты сведены в таблицу 1.

Полученный индивидуальный трехмерный имплантат предложенным способом имеет высокую пластичность полимера, а в сочетании с заданной архитектурой и прочность, позволяет заполнять костно-хрящевые дефекты различной формы и размера.