PL238404B1 - Sposób wytwarzania hybrydowych implantów o kształcie cylindrycznym - Google Patents

Abstract

Sposób, przedstawiony na rysunku, wytwarzania hybrydowych implantów o kształcie cylindrycznym, przeznaczonych zwłaszcza do regeneracji lub zastąpienia tkanek i narządów o budowie cylindrycznej, polega na tym, że najpierw wytwarza się szkielet wewnętrzny cylindrycznego implantu na stalowym pręcie o przekroju kołowym w drodze ekstruzji stopionego tworzywa termoplastycznego, ewentualnie zawierającego dodatek środka aktywnego, na tym pręcie poruszanym ruchem obrotowym i/lub posuwisto zwrotnym, ręcznie lub mechanicznie, w temperaturze zapewniającej płynność tworzywa. Następnie, po ostudzeniu szkieletu do temperatury pokojowej, zamocowuje się pręt z naniesionym szkieletem wewnętrznym implantu jako elektrodę wewnętrzną elektrolizera, wprowadza do elektrolizera roztwór chitozanu w wodnym roztworze kwasu zawierającego dodatek hydroksyapatytu i prowadzi proces elektrodepozycji chitozanu z roztworu na szkielecie wewnętrznym implantu prądem stałym przy napięciu 6 - 24 V w czasie 1 - 40 minut. Po zakończeniu elektrodepozycji powstały implant zdejmuje się z elektrody i umieszcza w soli fizjologicznej buforowanej fosforanami.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania hybrydowych implantów o kształcie cylindrycznym, przeznaczonych zwłaszcza do regeneracji lub zastąpienia tkanek i narządów o budowie cylindrycznej.

Implanty zwłaszcza o kształcie cylindrycznym, z polimerów naturalnych lub syntetycznych wykorzystywane są jako rusztowania w regeneracji tkanki nerwowej, uszczelniania cewki moczowej, uszczelnianiu naczyń krwionośnych lub regeneracji ubytków tkanki chrzęstnej w obrębie narządów szyi, takich jak tchawica.

Z dostępnej literatury znane są próby wytwarzania implantów o budowie cylindrycznej, przeznaczonych do rekonstrukcji lub zastąpienia uszkodzonych tkanek i narządów, z bioresorbowalnych i biodegradowalnych polimerów naturalnych i syntetycznych. Polimery bioresorbowalne w środowisku biologicznie czynnym degradują się do nieszkodliwych produktów ubocznych, które występują w organizmie jako produkty przemiany materii, natomiast polimery biodegradowalne degradują się do substancji nie powodujących szkodliwych reakcji, niewystępujących w organizmie. Jako polimery naturalne do wytwarzania tych implantów stosuje się celulozę, kwas alginiowy, alginiany, chitynę, chitozan, kwas hialuronowy, kolagen, fibrynogen, zaś jako polimery syntetyczne polilaktyd (PLA), poli-L-laktyd (PLLA), poliglikolid (PGA), kopolimer polilaktyd-glikolid (PLGA), polikaprolakton (PCL), polidioksan (PDO), poli-β-hydroksymaślan (PHB), poli(ortoester), poli(cyjanoakrylan), poli(fosfazen), poli(g-etyloglutaminian), poli(DTH-iminowęglan), poli(biofenoloaminowęglan).

Implanty o kształcie cylindrycznym, zarówno z polimerów pochodzenia naturalnego, jak i z polimerów syntetycznych, wytwarza się dotychczas głównie metodą odlewania z cylindrycznej formy oraz metodą elektroprzędzenia w polu elektrycznym.

Wytwarzanie implantów o kształcie cylindrycznym metodą odlewania polega na wypełnianiu specjalnie przygotowanych form roztworem polimeru, który następnie jest chemicznie sieciowany. Z czasopisma Biomaterials, 26 (2005) znany jest sposób wytwarzania cylindrycznego implantu przez odlewanie z cylindrycznej formy roztworu chitozanu, a następnie pozostawienie go do całkowitego osuszenia z jednoczesnym odparowaniem rozpuszczalników.

Wytwarzanie implantów metodą elektroprzędzenia polega na otrzymywaniu włókien ze stopionych polimerów lub ich roztworów z zastosowaniem wysokiego napięcia. Powstające włókna mają średnice od kilku nanometrów (nanowłókna) do kilku milimetrów. W czasopiśmie Journal of Biomedical Materials Reaserch Part A, 85A (2008) ujawniono sposób wytwarzania dwuwarstwowych rurek chitozanowych metodą elektroprzędzenia.

Z opisu patentowego US 9931432 B2 znany jest sposób otrzymywania implantu o kształcie cylindrycznym metodą łączącą elektroprzędzenie w polu elektrycznym z odlewaniem w formie. W pierwszym etapie nić polimerową zawierającą wybrane czynniki wzrostu nerwu, otrzymaną w wyniku elektroprzędzenia nawija się ręcznie na metalowy pręt. W drugim etapie elektrodę z polimerową nicią umieszcza się w cylindrycznej formie, a następnie wlewa się żel agarozowy, który ulega polimeryzacji. Wytwarzanie włókien polimerowych wymaga stosowania ostrych procedur chemicznych, jak stosowanie rozpuszczalników organicznych (dichlorometanu), co może być niekorzystne dla wysokowrażliwych czynników wzrostu.

Z opisu patentowego PL 223870 jest znany sposób wytwarzania rurek polimerowych, przeznaczonych zwłaszcza do zastosowań medycznych, z jednorodnego 1% roztworu chitozanu w 1% roztworze wodnym kwasu karboksylowego, zawierającego rozdyspergowany hydroksyapatyt, w drodze elektrolizy prądem o napięciu 20 V, polegający na tym, że roztwór chitozanu w roztworze wodnym kwasu mlekowego lub octowego, zawierający hydroksyapatyt oraz ewentualnie kolagen użyte w ilości 1-40% wagowych w stosunku do masy chitozanu, poddaje się elektrolizie w przestrzeni cylindrycznej wewnątrz urządzenia do wytwarzania rurek prądem stałym o natężeniu 0,2 A w czasie 1-30 minut.

Sposób wytwarzania hybrydowych implantów o kształcie cylindrycznym, przeznaczonych zwłaszcza do regeneracji lub zastąpienia tkanek i narządów o budowie cylindrycznej, polegający na wytworzeniu szkieletu implantu na metalowym pręcie, a następnie pokryciu szkieletu polimerem, z wykorzystaniem procesu elektrodepozycji chitozanu z roztworu chitozanu w roztworze wodnym kwasu, zawierającego dodatek hydroksyapatytu, według wynalazku polega na tym, że szkielet wewnętrzny cylindrycznego implantu wytwarza się na stalowym pręcie o przekroju kołowym w drodze ekstruzji stopionego tworzywa termoplastycznego, ewentualnie zawierającego dodatek środka aktywnego w ilości 0,01-15% wagowych masy tworzywa, na tym pręcie poruszanym ruchem obrotowym i/lub posuwisto-zwrotnym,

PL 238 404 B1 ręcznie lub mechanicznie, w temperaturze zapewniającej płynność tworzywa. Następnie, po ostudzeniu szkieletu do temperatury pokojowej, pokrywa się szkielet wewnętrzny polimerem w drodze zamocowania pręta z naniesionym szkieletem wewnętrznym implantu jako elektrody wewnętrznej elektrolizera, wprowadzenia do elektrolizera roztworu chitozanu w wodnym roztworze kwasu organicznego lub nieorganicznego, zawierającego dodatek hydroksyapatytu w ilości 1-40% wagowych w stosunku do masy chitozanu i prowadzenia procesu elektrodepozycji chitozanu z roztworu na szkielecie wewnętrznym implantu prądem stałym przy napięciu 6-24 V w czasie 1-40 minut. Po zakończeniu elektrodepozycji powstały implant zdejmuje się z elektrody i umieszcza w soli fizjologicznej buforowanej fosforanami. Proces ekstruzji prowadzi się z dyszy ekstrudera o średnicy 0,1-0,6 mm. Wytwarza się szkielet wewnętrzny w kształcie helisy, o strukturze siatki lub strukturze pierścieniowej. Jako tworzywo termoplastyczne korzystnie stosuje się kopolimer kwasu mlekowego i glikolowego lub polikaprolakton. Jako środki aktywne w tworzywie termoplastycznym stosuje się leki małocząsteczkowe, jak białka, DNA, RNA, wirusy, w postaci stałej lub enkapsulowane w mikro- lub nanosferach. Stosuje się roztwór chitozanu korzystnie w roztworze wodnym kwasu octowego, mlekowego lub chlorowodorowego.

Implanty otrzymane sposobem wynalazku wykazują budowę naśladującą mikrośrodowisko uszkodzonej tkanki lub narządu o budowie cylindrycznej. Dobierając odpowiednie składniki implantu (kwas, tworzywo termoplastyczne, enkapsulowane środki aktywne), wymiary elektrody oraz zadając odpowiedni kształt szkieletu wewnętrznego (helikalny, struktura siatki lub pierścieniowa) można otrzymać implant o właściwościach pożądanych w regeneracji tkanki nerwowej, uszczelniania cewki moczowej, uszczelniania naczyń krwionośnych lub regeneracji ubytków tkanki chrzęstnej w obrębie narządów szyi, takich jak tchawica. Implanty wytworzone sposobem według wynalazku przyczynią się do postępów w regeneracji, czyli szybkiego i jak najpełniejszego powrotu utraconych funkcji odpowiednich tkanek i narządów. Otrzymane według wynalazku hybrydowe implanty mają korzystniejsze cechy fizyko-chemiczne, biologiczne jak i użytkowe od materiałów dotychczas stosowanych. Wprowadzenie warstwy w postaci wewnętrznego szkieletu z tworzywa termoplastycznego powoduje, że implanty charakteryzują się dużą elastycznością oraz wytrzymałością na naprężenie wzdłużne i poprzeczne, co powoduje ochronę regenerujących się tkanek przed uszkodzeniami wtórnymi. Ponadto umiejscowienie w szkielecie wewnętrznym środka aktywnego w postaci stałej (liofilizatu) lub enkapsulowanego w mikrolub nanosferach pozwala na jego kontrolowane, długotrwałe uwalnianie o kinetyce zależnej od kinetyki degradacji, co powinno zwiększyć skuteczność terapii, ograniczyć jej skutki uboczne oraz zredukować koszty leczenia ( czas hospitalizacji).

Sposób według wynalazku ilustrują poniższe przykłady z powołaniem się na rysunek, na którym fig. 1a przedstawia etap wytwarzania szkieletu implantu o kształcie cylindryczny, fig. 1b implant ze szkieletem o kształcie cylindrycznym przedstawionym na fig. 1a, po elektrodepozycji chitozanu, fig. 1c - implant ze szkieletem o kształcie cylindrycznym przedstawionym na fig. 1a, po elektrodepozycji chitozanu, po zdjęciu z elektrody, fig. 2a przedstawia etap wytwarzania szkieletu implantu o kształcie helikalnym o gradientowym skoku, przeznaczonego na rusztowanie w regeneracji tkanki nerwowej, fig. 2b - implant ze szkieletem o kształcie helikalnym po elektrodepozycji chitozanu, fig. 2c - implant ze szkieletem o kształcie helikalnym, po elektrodepozycji chitozanu, po zdjęciu z elektrody, fig. 3a przedstawia etap wytwarzania szkieletu implantu o strukturze siatki, przeznaczonego na uszczelnienie naczyń krwionośnych, fig. 3b - implant ze szkieletem o strukturze siatki, po elektrodepozycji chitozanu, fig. 3c implant ze szkieletem o strukturze siatki, po elektrodepozycji chitozanu, po zdjęciu z elektrody, fig. 4a przedstawia etap wytwarzania szkieletu implantu o kształcie cylindrycznym, przeznaczonego na rusztowanie w regeneracji ubytków tkanki chrzęstnej w obrębie narządów szyi, fig. 4b - implant ze szkieletem o kształcie cylindrycznym przedstawionym na fig. 4a, po elektrodepozycji chitozanu, fig. 4c - implant ze szkieletem o kształcie cylindrycznym przedstawionym na fig. 4a, po elektrodepozycji chitozanu, po zdjęciu z elektrody.

P r z y k ł a d 1 g kopolimeru kwasu mlekowego i glikolowego (PLGA) w postaci granulek oraz 0,01 g mikrokapsułek wykonanych z PLGA inkapsulujących 20 pg czynnika wzrostu nerwów (NGF) zmieszano w temperaturze 75°C do uzyskania jednolitej dyspersji. Otrzymany stop uformowano w kształt walca i po ostudzeniu umieszczono w głowicy ekstrudera (element 1 na fig. 2a rysunku), po czym wytwarzano szkielet wewnętrzny (element 2 na fig. 2b rysunku) implantu w kształcie helisy, w drodze ekstruzji stopu przez dyszę ekstrudera o średnicy 0,2 mm na pręt wykonany ze stali nierdzewnej, o średnicy 2 mm, poruszany ręcznie jednocześnie ruchem obrotowym i posuwisto-zwrotnym, w temperaturze 80°C przy prędkości podawania stopu 0,1 g/ 5 sekund. Po procesie ekstruzji szkielet implantu pozostawiono d o

PL 238 404 B1 ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez 5 minut, po czym umieszczono jako elektrodę wewnętrzną w elektrolizerze. Jednocześnie w mieszalniku przygotowano 100 ml 1% roztworu chitozanu w 3% roztworze wodnym kwasu mlekowego, zawierającego 0,08 g dobrze rozdyspergowanego hydroksyapatytu, który następnie umieszczono w elektrolizerze. Elektrolizer podłączono do stabilizowanego zasilacza prądu stałego, tak że elektroda wewnętrzna z wcześniej wyekstrudowanym wewnętrznym szkieletem (element 2 na fig. 2a rysunku) posiadała potencjał ujemny, zaś elektroda zewnętrzna elektrolizera o średnicy wewnętrznej 40 mm, wykonana ze stali nierdzewnej posiadała potencjał dodatni. Proces elektrodepozycji prowadzono 10 minut przy napięciu 12 V. W wyniku tego procesu na elektrodzie wewnętrznej odkładał się zredukowany w procesie elektrodepozycji chitozan z wbudowanymi w jego strukturę kryształami hydroksyapatytu, tworzący zewnętrzną osłonę (element 3 na fig.2c rysunku) implantu, integrujący w swojej strukturze wewnętrzny szkielet z PLGA. Po zakończeniu procesu powstały na elektrodzie hybrydowy implant (fig. 2c rysunku) zdjęto z elektrody i przeniesiono do roztworu soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS, pH 7,4).

Otrzymany tym sposobem hybrydowy implant o kształcie cylindrycznym z helikalnym szkieletem o gradientowym skoku, przeznaczony na rusztowanie w regeneracji tkanki nerwowej, uległ biodegradacji po czasie około 2 miesięcy. Ponadto otrzymana struktura nie wykazywała cytotoksyczności względem komórek nerwowych hodowanych in vitro w teście redukcji MTT przeprowadzonym zgodnie z protokołem przedstawionym w normie ISO-10993-5-2009.

P r z y k ł a d 2

0,5 g kopolimeru PLGA w postaci granulek oraz 0,01 g mikrokapsułek wykonanych z PLGA inkapsulujących 20 μg czynnika wzrostu śródbłonka naczyniowego (VEGF) zmieszano w temperaturze 75°C do uzyskania jednolitej dyspersji. Otrzymany stop uformowano w kształt walca i po ostudzeniu umieszczono w głowicy ekstrudera (element 1 na fig. 3a rysunku), po czym wytwarzano szkielet wewnętrzny (element 2 na fig. 3a rysunku) implantu o strukturze siatki, w drodze ekstruzji stopu przez dyszę ekstrudera o średnicy 0,2 mm na pręt wykonany ze stali nierdzewnej, o średnicy 1 mm, poruszany ręcznie jednocześnie ruchem obrotowym i posuwisto-zwrotnym, w temperaturze 80°C przy prędkości podawania stopu 0,1 g/ 5 sekund. Po procesie ekstruzji szkielet implantu pozostawiono do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez 5 minut, po czym umieszczono jako elektrodę wewnętrzną w elektrolizerze. Jednocześnie w mieszalniku przygotowano 100 ml 1% roztworu chitozanu w 1% roztworze wodnym kwasu octowego, zawierającego 0,1 g dobrze rozdyspergowanego hydroksyapatytu, który następnie umieszczono w elektrolizerze. Elektrolizer podłączono do stabilizowanego zasilacza prądu stałego, tak że elektroda wewnętrzna z wcześniej wyekstrudowanym wewnętrznym szkieletem posiadała potencjał ujemny, zaś elektroda zewnętrzna elektrolizera o średnicy wewnętrznej 40 mm, wykonana ze stali nierdzewnej posiadała potencjał dodatni. Proces elektrodepozycji prowadzono 20 minut przy napięciu 8 V.

W wyniku tego procesu na elektrodzie wewnętrznej odkładał się zredukowany w procesie elektrodepozycji chitozan z wbudowanymi w jego strukturę kryształami hydroksyapatytu, tworzący zewnętrzną osłonę implantu (element 3 na fig. 3c rysunku), integrujący w swojej strukturze wewnętrzny szkielet wykonany z PLGA. Po zakończeniu procesu powstały na elektrodzie hybrydowy implant (fig. 3c rysunku) zdjęto z elektrody i przeniesiono do roztworu soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS, pH 7,4). Otrzymany hybrydowy implant ze szkieletem wewnętrznym o strukturze siatki, przeznaczony na uszczelniania naczyń krwionośnych, uległ biodegradacji po czasie około 2 miesięcy. Ponadto otrzymany implant nie wykazywał cytotoksyczności względem komórek nerwowych hodowanych in vitro w teście redukcji MTT przeprowadzonym zgodnie z protokołem przedstawionym w normie ISO-10993-5-2009.

P r z y k ł a d 3

0,5 g polikaprolaktonu w postaci granulek oraz 0,01 g mikrokapsułek wykonanych z PLGA inkapsulujących 20 μg transformującego czynnika wzrostu beta 1 (TGF-31) zmieszano w temperaturze 75°C do uzyskania jednolitej dyspersji. Otrzymany stop uformowano w kształt walca i po ostudzeniu umieszczono w głowicy ekstrudera (element 1 na fig. 4a rysunku), po czym wytwarzano szkielet wewnętrzny (element 2 na fig. 4a rysunku) implantu o strukturze pierścieniowej, w drodze ekstruzji stopu przez dyszę ekstrudera o średnicy 0,5 mm na pręt wykonany ze stali nierdzewnej, o średnicy 10 mm, poruszany ręcznie jednocześnie ruchem obrotowym i posuwisto-zwrotnym, w temperaturze 80°C przy prędkości podawania stopu 0,1 g/ 5 sekund. Po procesie ekstruzji szkielet implantu pozostawiono do ostygnięcia w temperaturze pokojowej przez 5 minut, po czym umieszczono jako elektrodę wewnętrzną w elektroli

PL 238 404 B1 zerze. Jednocześnie w mieszalniku przygotowano 100 ml 1% roztworu chitozanu w 1% wodnym roztworze kwasu chlorowodorowego, zawierającego 0,1 g dobrze rozdyspergowanego hydroksyapatytu, który następnie umieszczono w elektrolizerze. Elektrolizer podłączono do stabilizowanego zasilacza prądu stałego, tak że elektroda wewnętrzna z wcześniej wyekstrudowanym wewnętrznym szkieletem posiadała potencjał ujemny, zaś elektroda zewnętrzna elektrolizera o średnicy wewnętrznej 40 mm, wykonana ze stali nierdzewnej posiadała potencjał dodatni. Proces elektrodepozycji prowadzono 30 minut przy napięciu 10 V. W wyniku tego procesu na elektrodzie wewnętrznej odkładał się zredukowany w procesie elektrodepozycji chitozan z wbudowanymi w jego strukturę kryształami hydroksyapatytu, tworzący zewnętrzną osłonę (element 3 na fig. 4c rysunku) implantu, integrujący w swojej strukturze wewnętrzny szkielet wykonany z PLGA. Po zakończeniu procesu powstały na elektrodzie hybrydowy implant (fig. 4c rysunku) zdjęto z elektrody i przeniesiono do roztworu soli fizjologicznej buforowanej fosforanami (PBS, pH 7,4). Otrzymany implant o kształcie cylindrycznym z szkieletem wewnętrznym o strukturze pierścieniowej, przeznaczony na rusztowanie w regeneracji ubytków tkanki chrzęstnej w obrębie narządów szyi - tchawicy, nie wykazywał cytotoksyczności względem komórek nerwowych hodowanych in vitro w teście redukcji MTT przeprowadzonym zgodnie z protokołem przedstawionym w normie ISO-10993-5-2009.

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób wytwarzania hybrydowych implantów o kształcie cylindrycznym, przeznaczonych zwłaszcza do regeneracji lub zastąpienia tkanek i narządów o budowie cylindrycznej, polegający na wytworzeniu szkieletu implantu na metalowym pręcie, a następnie pokryciu szkieletu polimerem, z wykorzystaniem procesu elektrodepozycji chitozanu z roztworu chitozanu w roztworze wodnym kwasu, zawierającego dodatek hydroksyapatytu, znamienny tym, że szkielet wewnętrzny cylindrycznego implantu wytwarza się na stalowym pręcie o przekroju kołowym w drodze ekstruzji stopionego tworzywa termoplastycznego, ewentualnie zawierającego dodatek środka aktywnego w ilości 0,01-15% wagowych masy tworzywa, na tym pręcie poruszanym ruchem obrotowym i/lub posuwisto-zwrotnym, ręcznie lub mechanicznie, w temperaturze zapewniającej płynność tworzywa, następnie, po ostudzeniu szkieletu do temperatury pokojowej, pokrywa się szkielet wewnętrzny polimerem w drodze zamocowania pręta z naniesionym szkieletem wewnętrznym implantu jako elektrody wewnętrznej elektrolizera, wprowadzenia do elektrolizera roztworu chitozanu w wodnym roztworze kwasu organicznego lub nieorganicznego, zawierającego dodatek hydroksyapatytu w ilości 1-40% wagowych w stosunku do masy chitozanu i prowadzenia procesu elektrodepozycji chitozanu z roztworu na szkielecie wewnętrznym implantu prądem stałym przy napięciu 6-24 V w czasie 1-40 minut, a po zakończeniu elektrodepozycji powstały implant zdejmuje się z elektrody i umieszcza w soli fizjologicznej buforowanej fosforanami.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces ekstruzji prowadzi się z dyszy ekstrudera o średnicy 0,1-0,6 mm.
3. 3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że wytwarza się szkielet wewnętrzny implantu w kształcie helisy, o strukturze siatki lub strukturze pierścieniowej.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako tworzywo termoplastyczne stosuje się korzystnie kopolimer kwasu mlekowego i glikolowego lub polikaprolakton .
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jako środki aktywne w tworzywie termoplastycznym stosuje się leki małocząsteczkowe, jak białka, DNA, RN A, wirusy, w postaci stałej lub enkapsulowane w mikro- lub nanosferach.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że stosuje się roztwór chitozanu korzystnie w roztworze wodnym kwasu octowego, mlekowego, chlorowodorowego.