RO134884B1 - Material cu suprafaţă bioactivă şi antibacteriană pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc - Google Patents

Description

RO 134884 Β1

Invenția se referă la obținerea de suprafețe bioactive pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc, utilizând tehnici de depunere din fază fizică de vapori, utilizate pentru acoperirea implanturilor fabricate din aliaje din Ti sau Mg.

înlocuirea funcției sau a țesuturilor deteriorate/pierdute cu biomateriale bine adaptate rămâne o zonă de cercetare și dezvoltare activă. în ultimii ani s-a înregistrat un interes sporit în domeniile legate de regenerarea țesuturilor și a funcțiilor umane. O gamă largă de polimeri, ceramici și metale sunt destinate să permită și să susțină regenerarea adecvată a celulelor, țesuturilor și organelor și, de asemenea, să restabilească funcțiile acestora. Aceste materiale au o durată de viață predefinită in vivo și un proces de degradare bine controlat, care le permite să asigure suportul necesar pentru dezvoltarea matricei celulare și apoi să se dezintegreze în siguranță, asigurând zona adiacentă pentru țesutul ce urmează a crește. Aceste biomateriale pot fi impregnate cu diferite molecule chimice și biologice care induc, promovează și susțin regenerarea țesuturilor, suprimă răspunsul pro-inflamator sau colonizarea bacteriană.

Este cunoscut din cererea de brevet RO 132335 (A2) un procedeu de obținere a unui material pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc în matrice de colagen și constă în aceea că o soluție de (NH₄)HPO₄se adaugă la un amestec format din Ca(NO₃)₂ x 4H₂O și Zn(NO₃)₆ x 6H₂O, la o temperatură de 40°C, rezultând hidroxiapatită dopată cu zinc, sub formă de pulbere, care se adaugă într-un gel de colagen din care rezultă compuși de gel având o pondere de colagen de 1,2%, pH 7,4, și care, după reticulare și liofilizare, conduc la un biomaterial compozit pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc în matrice de colagen, cu o distribuție uniformă a elementelor: calciu, fosfor, zinc, oxigen și carbon, și o porozitate direct proporțională cu ponderea de colagen din compozit.

De asemenea, sunt cunoscute din articolul “Electrochemical Deposition and Characterization of Hydroxyapatite (HAp)on Titanium Substrate”, Nik Norziehana Che Isa, Yusairie Mohd and Norjanah Yury , 5-6 May 2012, Kuala Lumpur, Malaysia acoperirile cu hidroxiapatită pe substrat de titan prin tehnica de electrodepunere prin imersare în soluție de SBF, morfologia suprafeței acoperirilor se schimbă semnificativ cu timpul de imersie.

Este cunoscută din WO 8910896 (A1) obținerea hidroxilapatitei într-un procedeu prin care fosfatul de calciu monobazic reacționează cu o soluție de hidroxid de calciu prin reacția acidului fosforic și hidroxid de calciu sub agitare într-o primă etapă și apoi reacția cu o soluție saturată de hidroxid de calciu, de asemenea, sub agitare într-o a doua etapă într-o soluție alcalină prin dozarea cu atenție a acidului în soluția de hidroxid de calciu, prin care pH-ul soluției este menținut peste valoarea de 11 până când reacția este aproape de finalizare, după ce precipitatul de hidroxilapatită este recuperat, acesta poate fi sinterizat la o temperatură între aproximativ 700...1100°C timp de aproximativ 5 până la 30 min pentru a forma o hidroxilapatită cristalină.

O provocare majoră cu care se confruntă utilizarea biomaterialelor în aplicațiile ortopedice constă în găsirea unor materiale care își mențin proprietățile (stabilitatea mecanică, rezistența la coroziune și biocompatibilitatea) după implantarea în corpul uman, în aplicațiile ortopedice, materialele metalice reprezintă alegerea cea mai frecventă pentru repararea sau înlocuirea țesutului osos deteriorat. Eficacitatea implanturilor artificiale este determinată în principal de caracteristicile lor de suprafață, cum ar fi: morfologia suprafeței, microstructura, compoziția, răspunsul anticoroziv și biologic după implantarea în organismul uman, deoarece acestea joacă un rol important în adsorbția proteinelor, care mediază aderența celulară. Este posibilă eliberarea de ioni metalici toxici și/sau particule prin procese de coroziune sau uzură ce conduc la procese inflamatorii care diminuează în continuare

RO 134884 Β1 biocompatibilitatea și cauzează pierderea țesutului. Prin urmare, comportamentul in vivo și 1 performanța materialelor metalice biocompatibile depind puternic de proprietățile lor de suprafață, care pot fi modificate prin utilizarea unor acoperiri care să conducă la obținerea 3 unor implanturi cu calități deosebite și cu real succes pe termen lung [J. R. Davis, Hand Book of Materials for Medical Devices, 1st ed., ASM International, 2003], [S. A. Ansari, 5 Husain, Potențial applications ofenzymes immobilizedon/in nano materials: A review, Biotechnology Advances, (2012), pag. 512-523], Acoperirea cu straturi subțiri a 7 demonstrat a fi o bună modalitate de a schimba interacțiunile celulă-material în mod selectiv, depinzând de aplicația urmărită. în principal, este de dorit ca acoperirile să fie în măsură să 9 susțină atât funcțiile biologice ale celulelor și integrarea ulterioară a implantului, cât și să evite posibilele infecții bacteriene. Interacțiunile celulă-material și adeziunea bacteriană pot 11 fi modificate, întrucât sunt afectate de diverși factori fizici și chimici ai suprafeței unui material. 13

Materialele pe bază de ceramici bioactive suntîn prezent cele mai promițătoare soluții în vederea creșterii capacității de osteointegrare, datorită abilității crescute de 15 biomineralizare precum și a caracterului activ pe care îl prezintă [ P. Ducheyne, K. Healy, D. W. Hutmacher, D. W. Grainger, C. J. Kirkpatrick, Comprehensive Biomaterials (Ist 17 Edition) Elsevier Science, (2011)]. Dintre diferitele tipuri de materiale bioactive existente, HidroxiAPatita (HAP) are o compoziție și o structură moleculară similară cu cea a osului 19 natural, astfel a fost utilizată pe scară largă pentru acoperirea implanturilor metalice în vederea promovării activităților celulare și pentru a stimula formarea unui os nou. S-a sugerat 21 că, cu cât structura HAP este mai asemănătoare cu cea a mineralelor osoase în compoziție, cristalinitate, structura cristalină, mărimea cristalelor și morfologia, osteoconductivitatea este 23 mai bună [4],

Materialele bioactive pe bază de HAP disponibile comercial sunt predominant 25 obținute prin tehnica pulverizării în plasmă și au o grosime a stratului de până la 150 pm. Cu toate acestea astfel de acoperiri prezintă dezavantaje precum o aderența slabă, 27 neuniformitate a acoperirii pe suprafață și slab control asupra structurii cristaline a HAP obținute [B. Leon, J. A. Jansen, Thin Calcium Phosphate Coatings for Medical Implants, 29

Springer, New York, (2009); Method for hydroxiapatite obtaining, Belyaeva Snezhana Aleksandrovna, Nikolskij ViktorMikhajlovich, RU2641919(C1)-2018-01-23; Orthopedic 31 implant, Vallittu Pekka, WO2016EP65545 20160701]

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în obținerea unui material cu 33 suprafață bioactivă și antibacterienă pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc utilizând depunerea din fază fizică de vapori pe substrat metalic din aliaj Ti sau Mg, suprafețele noi 35 determină creșterea rezistenței la atacul bacteriilor și îmbunătățește abilitatea de osteointegrare a suprafeței implanturilor din aliaj. 37

Material cu suprafață bioactivă și antibacterienă pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc, conform invenției este format din hidroxiapatită dopată cu zinc unde zincul este 39 considerat element de aliere, cu concentrație cuprinsă între 3...12% exprimată în procente masice, având o grosime cuprinsă între 200 nm și 1 pm, cu raportul Ca/P cuprins între 41 1,61...1,83 și dimensiunea cristalelor de maximum 16 nm, materialele prezentând aderență la substrat având forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere cuprinse între 43 8...18 mN, sunt hidrofile, unghiul de contact fiind mai mic de 40°, au o porozitate mai mică de 0,1%, o eficiență de protecție la atacul coroziv mai mare de 86%. 45

RO 134884 Β1

Suprafețele noi determină îmbunătățirea abilităților de osteointegrare a suprafeței implanturilor din aliaj Ti sau Mg și creșterea rezistenței la atactul bacterilor, comparativ cu cele neacoperite, conducând totodată și la o refacere rapidă a structurii osoase în zona afectată. în cazul aliajului de tip MgCal, se va diminua și rata de distrugere a aliajului de Mg, cunoscut ca având o rată mare de degradare în contact cu mediul din organismul uman.

Proprietățile superioare ale suprafețelor acoperite cu HAP dopată cu Zn, conform invenției, sunt generate de transformarea suprafeței implanturilor într-o suprafață atât cu caracter bioactiv cât și cu abilități antibacteriene, datorită adăugării Zn.

Suprafețele acoperite cu HAP dopată cu Zn, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:

- structură cu morfologie columnară cu dimensiuni nanometrice (~ 30 nm); aderență bună la substraturi metalice;

- rugozități de ordinul nanometrilor;

- suprafețe hidrofile;

- protecție eficientă la acțiunea agenților corozivi care se găsesc în organismul uman (DMEM, PBS și SBF la 37°C);

- abilități de bioactivitate îmbunătățite prin rata de degradare scăzută și capacitate mare de biomineralizare în medii ca DMEM, PBS și SBF la 37°C.

Materialul pe bază de HAP dopată cu Zn, conform invenției, este obținut printr-o metodă de tip depunere din fază fizică de vapori (pulverizare magnetron în regim de radio frecvență), într-o plasmă ce conține atomi și ioni rezultați prin pulverizarea a două ținte realizate din hidroxiapatită și a uneia din ZnO, precum și argon - utilizat ca gaz reactiv. Puterea aplicată pe catozi este cuprinsă între 0,6 și 50 W, fiind dependentă de natura catodului utilizat pentru depunere. Debitul de argon a fost variat între 5 și 8 cm³/min. Realizarea straturilor a fost efectuată la temperaturi cuprinse între 300°C și 800°C, astfel încât să fie obținute materiale cristaline pe bază de hidroxiapatită și substraturile acoperite să nu sufere modificări structurale sau mecanice. Timpul de depunere a fost de maximum 360 min.

Invenția este prezentată în continuare în mod detaliat.

Materialul, conform invenției, sunt realizate din HAP dopată cu Zn, unde Zn este considerat element de aliere și este cuprins între 3 și 12%, având grosimi totale cuprinse între 200 nm și 1 pm. Valoarea raportului Ca/P pentru acoperirile dezvoltate variază între 1,61 și 1,83. Materialele pe bază de HAP + Zn prezintă o bună aderență la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (nanoscratch test) fiind cuprinse între 818 mN. Suprafețele obținute sunt hidrofile, unghiul de contact fiind < 40° și au rugozități medii < 50 nm. Suprafețele prezintă o rezistență superioară la coroziune în soluție biologică simulată (SBF, pH = 7,4) la 37°C. Porozitatea (P) acoperirilor este sub 0,10%, iar eficiența protecției la atacul coroziv (Pe) este mai mare de 86%. De asemenea, suprafețele prezintă abilități superioare de biomineralizare după 21 zile de imersare în SBF, PBS sau DMEM, înregistrând o creștere în greutate de maximum 2,1 mg, raportată la unitatea de suprafață a probelor. Rata de biodegradare a fost evaluată prin pierderea în greutate, fiind de maximum 0,1 mg. Suprafețele au demonstrat și rezistență bună la testele efectuate cu bacterii de tip Staphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes și Salmonella Typhimurium.

Un exemplu de realizare a unei suprafețe bioactive și antibacteriene pe bază de HAP dopată cu Zn este cel constituit din stratul de HAP + Zn depus la 300°C pe substrat din aliajul MgCal, ce conține 6% Zn, cu un raport Ca/P egal cu 1,69 și o grosime de 220 nm. Suprafața substratului (MgCal) este complet și uniform acoperită. Acoperirile prezintă o morfologie a suprafeței sub formă de coloane, evidențiind o structură rugoasă (Ra = 36 nm). Suprafața prezintă o valoarea ridicată a eficienței protecției la atacul coroziv de ~ 93,6% și o porozitate

RO 134884 Β1 scăzută de 0,08%, indicând o creștere a rezistenței la coroziune a substratului MgCal, 1 indicând totodată și o degradare lentă a aliajului. După testele de bioactivitate realizate la diferite perioade de imersie, acoperirile realizate prezintă un raport Ca/P după cum urmează: 3 după 1 zi - 1,66; 3 zile - 1,67; 7 zile = 1,71; 14 zile = 1,76; 21 zile =1,76. Masele câștigate raportate la unitatea de suprafață sunt după cum urmează: după 1 zi = 0,06 mg; 3 zile - 0,13 5 mg; 7 zile = 0,58 mg; 14 zile = 1,73 mg; 21 zile = 4,72 mg. Imersarea în DMEM timp de 21 de zile indică formarea unei mase de apatită considerabilă, fapt ce evidențiază o bună 7 bioactivitate și capacitate de biomineralizare. Suprafețele au demonstrat o rezistență bună la testele efectuate cu bacterile de tip Slaphylococcus aureus, Streptococcus pyogenes și 9 Salmonella Typhimurium.

Claims (5)

1. RO 134884 Β1

   1 Revendicare
2. 3 Material cu suprafață bioactivă și antibacterienă pe bază de hidroxiapatită dopată cu zinc, caracterizate prin aceea că, sunt formate din hidroxiapatită dopată cu zinc unde zincul
3. 5 este considerat element de aliere, cu concentrație cuprinsă între 3...12% exprimată în procente masice, având o grosime cuprinsă între 200 nm și 1 pm, cu raportul Ca/P cuprins
4. 7 între 1,61...1,83 și dimensiunea cristalelor de maximum 16 nm, materialele prezentând aderență la substrat având forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere cuprinse
5. 9 între 8...18 mN, sunt hidrofile, unghiul de contact fiind mai mic de 40°, au o porozitate mai mică de 0,1%, o eficiență de protecție la atacul coroziv mai mare de 86%.

   Editare și tehnoredactare computerizată - OSIM Tipărit la Oficiul de Stat pentru Invenții și Mărci sub comanda nr. 86/2025