Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани, способ его получения и применение

Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани, способ его получения и применение

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Область техники, к которой относится изобретение

Настоящее изобретение относится к области фармацевтики и медицины и касается способа получения композиционного материала для восстановления дефектов костной ткани. Также изобретение относится к собственно композиционному материалу для восстановления дефектов костной ткани, а также к его применению для восстановления дефектов костной ткани.

Уровень техники

Материалы, применяющиеся как биомиметические и биорезорбируемые для костной пластики, являются в настоящее время исключительно востребованными, поскольку кость является наиболее широко имплантируемой тканью после крови. Так, только в США случаи восстановления костной ткани составляют порядка 500 тыс. хирургических процедур в год.

Внедрение новых наноматериалов в биомедицинскую практику часто сталкивается с определенной проблемой. Получив поначалу многообещающий результат с непокрытыми наноповерхностями, в дальнейшем оказывается, что клетки не получают важных целевых стимулов, свойственных обычному клеточному микроокружению, и это, в свою очередь, приводит к тому, что наноповерхности воспринимаются организмом как чужеродные. Развивается реакция отторжения наноматериала иммунной системой. Поэтому необходимы новые подходы и методы для согласованной иммобилизации множественных компонентов в рамках матрикса, соединяющего «чужое» со «своим», и последующей адаптации (нанофункциолизации) наноповерхностей для интеграции наноразмерных объектов с клетками ткани-мишени.

Основными твердыми компонентами кости человека является коллаген и гидроксиапатит (естественное керамическое вещество). Хотя оба компонента при использовании их отдельно представляют собой относительно успешное средство усиления костного роста, композит, полученный из этих двух природных материалов, может значительно повысить этот эффект.

Коллаген представляет собой белок, находящийся в коже, связках, сухожилиях, кости, хряще и другой соединительной ткани. Коллаген является наиболее распространенным белком в организме животных. Он составляет 25% от общего количества белка. Коллаген образует нерастворимые нити (фибриллы), которые входят в состав межклеточного матрикса соединительных тканей. Коллаген играет важнейшую роль в структурной функции соединительных тканей, обеспечивая их прочность и эластичность. Биосинтез коллагена и последующее образование фибрилл и волокон соединительной ткани является сложным, многоступенчатым и относительно медленным процессом (поэтому столь медленно заживают травмы соединительных тканей, особенно у взрослых). Нарушение отдельных стадий этого процесса приводит к синтезу атипичного, легко разрушающегося коллагена. Синтез нового коллагена является неотъемлемой частью процесса регенерации и нарушение синтеза коллагена ведет к нарушению заживления ран и повышенной ломкости капилляров.

Из литературы также известно, что коллаген частично меняет свою конформацию и свои уникальные свойства при низких (ниже 5°С) и высоких (выше 10°С) значениях рН. Поэтому в большинстве случаев исследователи получают не природный коллаген, который особенно ценен в силу своих физико-химических свойств, позволяющих использовать его в различных областях, а его высокомолекулярные фракции (Jesperson L., Tompson P. Eur. 1992. Eur. 14254. Composting compact Quel Assur. Criter., р.197-203)¹, так называемый реконструированный коллаген, который по своим свойствам, в лучшем случае, приближается к предшественнику коллагена - тропоколлагену (Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. Биологически активные соединения из природных объектов. Свойства, структурно-функциональные взаимосвязи. М.: МГУЛ, 2003, стр.369-412)².

Известна биорассасываемая матрица для заполнения дефектов мягких и твердых тканей, состоящая из нативного не реконструированного коллагена I типа, полученная путем обработки кожи животного, очищенной от волосяных луковиц и подкожно-жировой клетчатки, водой, водно-щелочным раствором, содержащим гидроксид натрия, калий дигидрофосфат и водный или безводный тетраборнокислый натрий, при температуре от 1 до 10°С, водным раствором сульфата натрия и гидроксида натрия с последующей обработкой дермы животного водным раствором сульфата натрия и водным раствором борной кислоты, причем обработку дермы животного на третьей, четвертой и пятой стадиях осуществляют при периодическом взбалтывании раствора и периодическом охлаждении до температуры от 1 до 10°С; и после каждой из стадий со второй по пятую осуществляют промывку дермы водой до достижения нейтрального значения рН промывных вод (RU 2353397, C2, A61L 27/24, 13.04.2007)³.

Оба компонента композита, коллаген и наногидроксиапатит, обладают остеокондуктивными свойствами и способствуют дифференцированию остеобластов (Xie с соавт., 2004)⁴. Сочетание разнородных веществ в композите дает эффект, равносильный созданию нового материала, свойства которого качественно и количественно отличаются от свойств каждого составляющего. Работы, проводимые по исследованию таких композитов, убедительно показывают важность выбора типа коллагена, условий минерализации, пористости материала, условий производства материала и его перекрестного сшивания в ходе приготовления композита.

Материалы на основе гидроксиапатита наиболее биосовместимы с костной тканью из всех известных синтетических материалов. Такие материалы обладают остеокондуктивными свойствами и способны стимулировать рост костной ткани на своей поверхности. Но, к сожалению, для них свойственна низкая механическая прочность и повышенная способность к образованию трещин, импланты на их основе не обладают достаточной надежностью. Известны препараты Коллапан-Г, Коллапан-Л, Коллапан-М, Коллапан-Д, Коллапан-И, Коллапан-Р, Коллапан-К, КоллапАн, представляющие собой комплект изделий из гидроксиапатита с коллагеном и различными лекарственными средствами для заполнения костных полостей (Регистрационное удостоверение № 29/13091001/4437-02 от 02.12.2002 г.; Регистрационное удостоверение № 29/13060602/4438-02 от 02.12.2002 г. (ООО фирма «Интермедапатит», Россия)⁵. Однако указанные препараты содержат реконструированный коллаген, который имеет измененную, отличную от нативного коллагена архитектуру, вследствие чего препараты на основе реконструированного коллагена не обладают достаточной структурной стабильностью, вследствие разрушения их природной структурной целостности. Кроме того, из реконструированного коллагена невозможно получить гель с высоким содержанием этого компонента. А поскольку коллаген обладает собственной мощной биологической активностью, стимулируя регенерацию поврежденных костных тканей, при этом являясь матрицей для удерживания гидроксиапатита в месте имплантации в течение времени, необходимого для образования собственной костной ткани, то важно, чтобы композит содержал достаточное количество коллагена и оптимальное количество наногидроксиапатита для успешного процесса регенерации костной ткани.

Авторам изобретения удалось получить композиционный материал, который обладает преимуществами перед другими материалами для репарации костной ткани, известными из уровня техники.

Сущность изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание композиционного материала для восстановления дефектов костной ткани, который имел бы четкую архитектуру, сходную с нативным аналогом внеклеточной костной матрицы и соответственно достаточной механической прочностью, разработка способа получения такого материала и его применения для восстановления дефектов костной ткани.

Раскрытие изобретения

Настоящее изобретение относится к способу получения композиционного материала на основе не рекоструированного коллагена и наногидроксиапатита для восстановления дефектов костной ткани, характеризующийся тем, что не реконструированный коллаген смешивают с водным раствором глюкозы и выдерживают при комнатной температуре до набухания с последующим нагреванием до 35°-45°С, гомогенизацией полученной суспензии до образования геля, к которому добавляют суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы при весовом соотношении коллагена к наногидроксиапатиту от 5:1 до 1:5 с последующей гомогенизацией полученного геля и стерилизацией.

Настоящее изобретение также относится к композиционному материалу для восстановления дефектов костной ткани на основе не реконструированного коллагена и наногидроксиапатита, полученному способом, описанным выше.

Настоящее изобретение относится к композиционному материалу для восстановления дефектов костной ткани, содержащему не реконструированный коллаген в виде геля и суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы при весовом соотношении коллагена к наногидроксиапатиту от 5:1 до 1:5.

Кроме того, настоящее изобретение относится к применению композиционного материала на основе не реконструированного коллагена и наногидроксиапатита, как указано выше, для восстановления дефектов костной ткани.

В частности, настоящее изобретение относится к применению композиционного материла для восстановления дефектов костной ткани у млекопитающих, включая человека.

Комбинирование нативного не реконструированного коллагена и наночастиц гидроксиапатита обеспечивает преимущества перед другими материалами для репарации костной ткани, а именно дает возможность решить задачу максимального ускорения остеоинтеграции имплантата и регенерации кости и тканей в области его применения благодаря наличию в биоактивном композитном препарате нанокристаллического гидроксиапатита и коллагена с сохраненной природной структурой волокон коллагена в соотношениях, размерах и концентрациях, близких к таковым в костной ткани.

Краткое описание фигур

На фиг.1А и 1В показана равномерность распределения наногидроксиапатита в структурных волокнах коллагена с помощью сканирующего электронного микроскопа. Анализируемый образец коллаген - наногидроксиапатит состоит из частиц неправильной формы - наногидроксиапатита, окруженных веществом волокнисто-пористой структуры - коллагеном.

На фиг.2 показан гистологический контроль на 30 сутки. Показана соединительная ткань с формированием остеобластоподобных клеток (увеличение ×200).

На фиг.3 показана рентгенография резецированных нижних конечностей, А - сразу после операции и Б - 60 сутки после операции, а - Контроль (ДКМ), б - Биокомпозиционный материал (БКМ), соотношение К:ГАП = 1:3.

ПРИМЕРЫ

Приведенные примеры не предназначены для ограничения изобретения, а предложены только в качестве иллюстрации.

Пример 1

Способ получения композиционного материала на основе биорассасываемой коллагеновой матрицы и наногидроксиапатита (расчет на 15 г готового продукта)

Характеристика используемого сырья

1. Биорассасываемая коллагеновая матрица, которая представляет собой порошок нереконструированного коллагена, полученный при использовании дермы крупного рогатого скота, влажность 10,4%, размер частиц не более 500 мкм.

2. Порошок гидроксиапатита производства фирмы Санги Ко., Япония, влажность 3,73%.

3. Растворитель, в качестве которого используют 10% раствор глюкозы для инфузий.

Получение биокомпозита (Коллаген:ГАП) в виде геля в 10% растворе глюкозы

Гель (Коллаген:ГАП) был получены в различных соотношениях от 1:5 до 5:1.

Содержание Коллагена в геле может находиться в пределах 3-15% (весовых), содержание ГАП - 1-15% (весовых).

Концентрацию Коллагена ниже 3% брать нецелесообразно, т.к. образующийся гель нестабилен и расслаивается при хранении.

Способ получения геля Коллагена с ГАП в соотношении 1:5

В емкость помещают порошок нереконструированного Коллагена - 3,33 г и 280,71 мл 10% раствора глюкозы, тщательно перемешивают и оставляют на 2 ч при комнатной температуре для набухания, затем помещают на 1 ч в термостат, нагретый до температуры (40°+/-1°)С. Полученную суспензию гомогенизируют методом многократного продавливания через фильеры. Затем к навеске ГАП - 15 г добавляют полученный коллагеновый гель и вновь гомогенизируют, многократным продавливанием через фильеры. Сразу после окончания гомогенизации полученный гель помещают в холодильник на 1 ч. Охлажденный гель упаковывают и подвергают стерилизации.

Способ получения геля Коллаген с ГАП в соотношении 5:1

В емкость помещают порошок нереконструированного Коллагена - 5,56 г и 93,12 мл 10% раствора глюкозы, тщательно перемешивают и оставляют на 2 ч при комнатной температуре для набухания, затем помещают на 1 ч в термостат, нагретый до температуры (40°+/-1°)С. Полученную суспензию гомогенизируют методом многократного продавливания через фильеры. Затем к 1 г ГАП добавляют полученный коллагеновый гель и вновь гомогенизируют, многократным продавливанием через фильеры. Сразу после окончания гомогенизации полученный гель помещают в холодильник на 1 ч. Охлажденный гель упаковывают и подвергают стерилизации.

Аналогично получают композиционный материал на основе нереконструированного коллагена и наногидроксиапатита при соотношении от 5:1 до 1:5.

Равномерность распределения наногидроксиапатита в структурных волокнах коллагена была показана с помощью сканирующего электронного микроскопа.

Оценка остеоиндуктивности биокомпозиционного материала, полученного на основе биорассасываемой коллагеновой матрицы и наногидрокиапатита

Для оценки остеоиндуктивности биокомпозиционного материала (БКМ), состоящего из коллагена (биорассасываемой коллагеновой матрицы) и наногидроксиапатита использовали экспериментальную модель «Остеосинтез большеберцовой кости мелких лабораторных животных (крысы линии Wistar) с интрамедуллярной фиксацией титановым штифтом».

Имплантируемые материалы: «Контроль» - ксеногенный деминерализованный костный матрикс (ДКМ), «исследуемый материал» - биокомпозиционный материал (БКМ)-гель (биорассасываемой коллагеновой матрицы) (К) с наногидроксиапатитом (ГАП) в различных соотношениях от 1:0-1:3.

Результаты исследования показали, что БКМ обладает остеоиндуктивными свойствами и способен вызывать регенерацию костной ткани. Наилучшие результаты получены при использовании геля БКМ (К:ГАП в соотношении 1:3).

Как видно из представленных данных, уже на 30 сутки после имплантации геля БКМ (К:ГАП в соотношении 1:3) наблюдается формирование костно-хрящевой мозоли. Гистологическое исследование данной мозоли представлено на фиг.2.

Через 60 суток после введения изучаемого БКМ (геля К:ГАП в соотношении 1:3) установлены наилучшие результаты регенерации костной ткани (по сравнению с БКМ, имеющим другие соотношения К и ГАП в геле) при полном отсутствии асептического воспаления. Данный результат совпадает с результатом, полученным при имплантации ДКМ в качестве контроля (фиг.3).

На рентгенограмме как в контроле (а), так и в опыте (б) хорошо видны признаки костного сращения. Образовавшаяся костно-хрящевая мозоль по плотности аналогична здоровой костной ткани большеберцовой кости.

ССЫЛКИ

1. Jesperson L., Tompson P. Eur. 1992. Eur. 14254. Composting compact Quel Assur. Criter., р.197-203.

2. Неклюдов А.Д., Иванкин А.Н. «Биологически активные соединения из природных объектов. Свойства, структурно-функциональные взаимосвязи». М.: МГУЛ, 2003, стр.369-412.

3. RU 2353397, C2, A61L 27/24, 13.04.2007.

4. Xie с соавт., 2004.

5. Регистрационное удостоверение № 29/13091001/4437-02 от 02.12.2002 г; Регистрационное удостоверение № 29/13060602/4438-02 от 02.12.2002 г (ООО фирма «Интермедапатит», Россия.

1. Способ получения композиционного материала на основе не реконструированного коллагена и наногидроксиапатита для восстановления дефектов костной ткани, характеризующийся тем, что не реконструированный коллаген смешивают с водным раствором глюкозы и выдерживают при комнатной температуре до набухания с последующим нагреванием до 35-45°C, гомогенизацией полученной суспензии до образования геля, к которому добавляют суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы при весовом соотношении коллагена к наногидроксиапатиту от 5:1 до 1:5 с последующей гомогенизацией полученного геля и стерилизацией.

2. Способ по п.1, где соотношение коллагена к наногидроксиапатиту составляет 1:3.

3. Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани на основе не реконструированного коллагена и наногидроксиапатита, полученный способом по п.1 или 2.

4. Композиционный материал для восстановления дефектов костной ткани, содержащий не реконструированный коллаген в виде геля и суспензию наногидроксиапатита в водном растворе глюкозы при весовом соотношении коллагена к наногидроксиапатиту от 5:1 до 1:5.

5. Применение композиционного материала на основе коллагена и наногидроксиапатита по п.3 для восстановления дефектов костной ткани.

6. Применение по п.5 для восстановления дефектов костной ткани проводят у млекопитающего.

7. Применение по п.6, где млекопитающее является человеком.