Смазочная жидкость для суставов

 

Изобретение относится к медицине, в частности к ортопедии и травматологии. Цель - создание смазочной жидкости, обеспечивающей антифрикционные свойства и имеющей структуру, присущую синовиальной жидкости суставоа Для этого предлагается состав, содержащий холестериповый эфир олеиновой кислоты, карбоксиметилцеллюлозу и дистиллированную воду при следующем соотношении компонентов, мас.%: холестериловый эфир олеиновой кислоты 0,5 - 1,0, карбоксиметилцеллюлоза 2,0 - ЗД дистиллированная вода - остальное 1 ип, 3 табл.

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕ

К ПАТЕНТУ

Комитет Российской Федерации по патентам и товарным знакам (21) З70 аЗ /И (22) 16.0234 (46) 38.1 ЫЗ Бюл. Na 41-42 (71) Институт механики металлопопимерных систем

АН БССР (72) Купчинов Б.И„Родненков ВГ„ рмаков С.Ф„.

Бобрышева С.Н„. Лебедев АП„Б6ъй BA (73} Ермаков Сергей Федорович; Белоенко Евгений

Дмитриевич (54) СМАЗОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ СУСТАВОВ (57) Изобретение относится к медицине, в частности к ортопедии и травматологии. Цель — создание смазочной жидкости, обеспечивающей антифрикционные свойства и имеющей структуру, присущую синовиальной жидкости суставов. Дпя этого предлагаетсл состав, содержащий холе стериловый эфир олеиновой кислоты, карбоксиметипцеплюлозу и дистиллированную воду при следующем соотношении компонентов, мас36: холестериповый эфир олеиновой кислоты 05 — 1,0; карбоксиметилцеллюпоза 2,0 — 3,0; дистиллированная вода — остальное.

Ф ил,З табл.

2002461

Изобретение относится к медицине и касается средства, которое может быть использовано в качестве смазочного вещества для суставов.

Известно применение в качестве смазочных веществ для суставов синтетических материалов. Например, исследовалось при.менение для этих целей кремнийорганических жидкостей. Однако эти исследования не дали существенных результатов и не имели статистической значимости. Положительный результат, которь и был получен при использовании кремнийорганической жидкости вязкостью 300 сст, можно обьяснить высокой вязкостью смазочного .вещества, приводящей к разделению поверхностей хрящей друг относительно друга и следовательно способствующему уменьшению износа и болевых ощущений у пациентов. Но в то же время увеличение вязкости смазочного вещества неизбежно влечет аа собой более высокие усилия сдвига, что нежелател:ьно.

В известной работе сравнива отся зависимости коэффициента трения от продолжительности действия нагрузки пары хрящ-стекло при смазке синтетическими rioверхностно-активными веществами (анионные и катионные ПАВ) и биологическим смазочным веществом — сичовиальнай жир; костью. Несмотря на то, что растворы ПАВ при оптимальном рН да от довольно низкие значения коэффициента трения, между ними и синовиальной жидкостью существует несовместимость, которая проявляется В следующем:

3) кеэффициент трения от нагрузки паре щмщ-стекло в присутствии синовии прохофФг через минимум, в то время, как для выбрениых синтетических ПАВ он монотоннв ОМижается. При этом значении коэффициента трения не коррелируют с вязкостью иссле@фемых веществ;

2) гкроведенные исследования с помощью электронной микроскопии показали, что в начальный период ПАВ не вызывает никаких видимых повреждений хряща, но в течение последующего, сравнительно длительного времени это свойство не сохраняется, Таким образом в настоящее время не существует такого искусственного смазочного вещества, которое с успехом замечило . бы биологическое смазочное вещество — синовивльную жидкость. Для такой успешнОЙ замены неОбходимым условием прежде всего является подобие антифрикционных свойств и структуры искусственного смазочного вещества с синовиальной жидкостью, их полная совместимость, а также удовлетворение требованиям токсикологии, необходимое для любого искусственного вещества, применяемого в живом организме.

Такое подобие свойств будет сближать характеры взаимодействия искусственного смазочного вещества и синовиальной жидкости с поверхностью хряща как в статических, так и динамических условиях. Целью изобретения является обеспече"0 ние антифрикционных свойств и структуры, присущих синовиальной жидкости.

Поставленная цель достигается тем, что предлагаемая смазочная жидкость содержит холестериловый эфир олеиновой кисло"5 ты, Na-карбоксиметилцеллюлозу и дистиллированную воду при следующем соОтношении. компонентов, мас.%:

Холестериловый эфир олеиновой кислоты 0,5-1,0

Na-карбоксиметилцеллюлоэа 2,0-3,0

Дистиллированная

ВОДа Остальное.

На чертеже изображены зависимость коэффициента трения пары хрящ-стекло при смазке: 1 — составом 1; 2 — составом 2;

3 — составом 3; 4 — синовиальной жидкостью; 5 — полиметилсилоксаноаой жидкостью ПМС-200, б — ПМС-400, Кяк показал анализ предлагаемый состав не имеет аналогов, т.к, впервые обнаружены в синовиальной жидкости соединения холестерина, образующие жидкокристаллическую фазу. Это и .позволило разработать смазочный состав со свойствами, близкими к свойствам биологической жидкости синОВии, При выборе компонентов состава руководствовались следующим.

1. При проведении исследований по иэучени о механизма трения и износа суставов использовались известные работы, посвященные исследованию анизотропных жиров, представляющих собой эфиры орга45 нических кислот холестерина, обладающие способностью в определенном диапазоне температур образовывать мезофаэу, т.е, жидкокристаллическую фазу. В последствии их ОСняружили в самых различных Орга50 нах человека и в )кивотных. Однако относительно наличия таких жидкокристаллических Веществ я суставах сведений не

Обнаружено. Поэтому были выполнены исследования, целью которых было установить наличие жидкокристаллических соединений холестерина в сиповияльной жидкости суставов. Исследования прОВОдились в два этапа. На первом — определялось наличие в синовиальной жидкости холестерина, а на втором — с использованием поляризацион2002461

СН, Сн, Í-CS2-СН;СН; Cq

1 3gq

СН С СИ

2 - 2 сн

СН21 > СН СН вЂ” СН сй, с сн

СН3-(СНД вЂ” СН=СН вЂ” (СН СООСН С Ce2

НоА. микроскопии исследовалась Оптическая активность высушенной синовиальной жидкости и ее изменения при нагревании.

Наиболее распространенным методом определения общего содержания холестерина является ускоренный метод Илька, основанный на реакции Либерман-Бурхард, который и был использован. Он заключается в следующем, К 2,1 мл реактива Либерман-Бурхард очень медленно добавляли 0,1 мл исследуемой жидкости (синовиальной жидкости); Пробирку при этом энергично встряхивали. после чего термостатировали

20 мин при 37 С. Затем колориметрировали против реактива Либерман-Бурхард на

ФЗК-56 ПМ при красном светофильтре (630690 нм) в кювете толщиной 5 мм. Концентрацию холестерина определяли при помощи известного калибровочного графика. Образцы синовиальной жидкости при помощи стерильного шприца брались из коленных суставов людей и крупных животных. 8 результате этих эксг1ериментов был

Обнаружен холестерин в составе синовиальной жидкости животных и человека, а именно для >r

Таким образом были установлено, что в составе синовиальной жидкости присутствует холестерин, Однако необходимо было выяснить в каком состоянии он там находится, так как в свободном виде холестерин не способен обеспечить аномально низкое трение, а скорее наоборот, представляя собой мелкие абразивные частицы, он будет увеличивать коэффициент трения.

На втором этапе образцы синовиальной жидкости исследовали на оптическом микроскопе марки И-2 при скрещенных поляроидах с использованием специально разработанного в лаборатории нагревательного устройства, обеспечивающего плавное изменение температуры.

Для исследований синовиальная жидкость высушивалась на предметном стекле и затем подвергалась исследованиям, кото5

45 рые показали, что высушенная синовиальная жидкость содержит оптически активные включения. При скрещенных поляроидах они проявляются как светящиеся точки или облас1и, Нагревание приводило к исчезновению свечения, а последующее охлаждение — к его появлению. После охлаждения оказалось, что вещество светящейся области при нагревании расплавилось и растеклось по существовавшей трещине, вызвав после охлаждения свечение по ее кромкам.

Последующие циклы нагревании-рхлаждения приводили соответственно к исчезновению-и поя еле-.:ию свечения. Такое поведение вещества, вызывающего свечение, позволило сделать вывод о том. что оно оптически активно в определенной области температур и ведет себя как жидкокристаллическое соединение.

Таким образом из проведенных исследований синовиальной жидкости следует, что в составе ее находятся соединения холестерина в жидкокристаллическом состоянии, т.е, эфиры холестерина с мезофазой при температуре 36-40 С, соответствующей температуре живого организма, 2. Было экспериментально установлено, что холестериловый эфир олеиновой кислоты способен обеспечить резкое снижение коэффициента трения и повышение износостойкости пар трения. Это объясняется тем., что холестериловый эфир олеиновой кислоты при определенной температуре (36-40 С) является жидким кристаллом, Последний же обладает слоистой структурой с очень низким сопротивлением сдвигу и его молекулы ориентируются длинными осями вдоль макрорельефа поверхности. Благодари этому в зоне трения создаются благоприятные условия, обеспечивающие незначительные потери энергии при относительном перемещении контактирующих тел.

Изложенное позволило в качестве первого компонента предлагаемого смазочного состава использовать холестериловый эфир олеиновой кислоты, имеющей следующее химическое строение:

2002451

CH)GH

Анализ состава синовиальной >кидкости, приведенной к известной работе показывает, что она в основном на 94-95";ь состоит из воды и содержит 0,3 полимерного вещества — гиалуроновой кислоты (ГУК), имеющей следующее строение:

ОООН

Н МНАс

Относительная мол..м. ГУК в синовиальной жидкости крупных суставов весьма высока и равна 1,10 — 1,10 . Считают, что размер молекулы ГУК вЂ” величина весьма лабильная и зависит От степени полимеризации, которая. может быстро меняться.

Конформация молекул ГУК определяется обычно как рыхлый хаотический клубок с радиусом порядка 150-400 нм, распространенный в объеме, в 10 раз превышающем объем самой молекулы, т.е. ГУК обладает способностью Создавать в раст ворах сложные пространственные структуры, Связывающие значительные количества воды.

Следовательно ГУК, обладая свойствами полизлектролита, обеспечивает необходимую Вязкость синовиальнОЙ жидкости.

Регулирование вязкости в . данном случае достигается за счет изменения содержания

ГУК в синовиальной жидкости.

Анализ химического строений ГУК показывает, что она в своем составе содержит пиранозные циклы и по химическому строению является подобной природному полимеру — целлюлозе, Факт обеспечения необходимой вязкости оиновиальной жидкости путем. изменения содер>кания в ней ГУК, а также. ее большОе сходство химическому строению.t: целлюлозой дали основание предположить, что одним из компонентрв разрабатываемого смазочного состава должна быть водорастворимая производная целлюлозы.

Выполненные исследования рН синовиальной жидкости показали, что она имевт щелочной характер. Из водорастворимых производных целлюлозы такую же реакцию в растворе дает Na-карбоксиметилцеллюлоза (КМЦ-Ка)

Н QH СН ОСН2 С О 1

СН ОСИ COOsa G

В сея= и с этим cIia v использовалась при разработке предлагаемого смазочного состава. Достоинством KMU;Na является то, что она не является токсичной при определенной степени очистки используется как добавка к пищевым продуктам.

П р и и е р. Предлагаемая смазочная жидкость готовится следующим образом. В

Дистиллированную воду Вводится КМЦ Йд и полученную смесь нагревают до кипения, Одновременно нагревают необходимое количество холестерилового эфира олеиновой кислоты до температуры перехода его в изотропное жидков состояние, которое затем переливают в кипящую смесь с дистиллированной водой при интенсивном перемешивании. После охлаждения до комнатной температуры получается смазочная жидкость, готовая к употреблению, При этом содержание КМЦ-Ка ь предлагаемой смазочной жидкости выбирается из условия получения у последней вязкости близкой к вязкости синовиальной жидкости, Для этого проводят исследования вязкости г.одных растворов КМЦ-Na от концентрации в них

КМЦ-Ка, Результаты исследований приведены в табл 1.

Как видно из результатов, приведенных в табл. 1, содержание КМЦ-Na e водных рас. творах 1,5 — 3,0 мас.% обеспе кивает вязкость, близкую к вязкости синовиальной жидкости. Поэтому содержание КМЦ-Ма

1,5 — 3,0 мас. j> было взято за основу при разработке предлагаемой смазочнайжидкости.

Составы смазочной жидкости конкретного вьгполнения приведены в табл, 2.

Функциональные испытания исследуемых смазочных веществ проводились на специально разработанной для этих целей машине торцевого трения, в которой использовались три плоских торсиона различной толщины, механически связанные с индуктивными датчиками, расположенными под углом 120О . ::,руг к другу и обеспечива ющими чувстви-ель ность измерения силы трения соответственно: 0,025 Н; 0,15 Н; 0,25

Н; Такое построение измерительной схемы данной машийы позволило с высокой точностью оп оделить коэффициенты трения в пределах 0 002+0.2 в диапазоне нагрузок

0.2 — !0,0 МПа. Испытание пары трения

"хрящ-стекло " проводились при скорости скольжения 0,1 м/с в диапазоне нагрузок

0,2 — 10,0 МПа. Нагрузка изменялась ступенчато, В качестве стеклянных образцов выбирались чашки Потри диаметром 0;1 м, образцы вырезались из эластичных хрящей коленного сустава крупных животных и имели размеры 0,01х0,01x0,004 М, В чашку Петри заливалось 20 мл исследуемой жидкости.

2002461

50 эффект не реализуют.

При этом образцы хряща были неподвижны, а чашка Петри с исследуемой жидкостью вращалась.

Выбор машины торцевого трения был обусловлен необходимостью максимально приблизить условия экспериментов к естественным условиям трения хрящей в суставах и основан на анализе работы коленного суставного сустава крупного животногс. Образцы хряща на машине трения ориентировались так, чтобы направления движения чашки совпадало с направлением преимущественного движения в суставе, Кроме этого для того, чтобы повысить статическую значимость экспериментов они проводились следующим образам, С использованием свежих образцов синоидальнй жидкости и хрящей ст роилась зависимость коэффициента трения от нагрузки хрящей по стеклу в среде синовиальной жидкости. Эта зависимость строилась по средним значениям 40 параллельных опытов и служила своеобразным эталонам для отбора в дальнейшем образцов для экспериментов.

Отбор проводили следующим образом, Из поступивших для исследования хрящей вырезались образцы и с их использованием строилась зависимость коэффициента тренйя от нагрузки, т.е. аналогичная эталоннрой.. Если разность между значениями полученной и эталонной зависимостей была статистически незначима с гарантией 99%, то хрящ использовался для дальнейших исследований с использованием других сред.

В противном случая хрящ к экспериментам не допускался. Эксперименты повторялись пятикратно, а результаты обрабатывались методами математической статистики.

В данных экспериментах использовалась синовиальная жидкость, вэятая из коленного сустава человека непосредственно перед экспериментом (эксперимент проводился тогда, когда в клинических условиях появлялась возможность для отбора синовиальной жидкости). Использовалась также синовиальная жидкость из коленного сустава животных, для которой зависимость коэффициента трения от нагрузки имеет аналогичный характер как и для образцов синовиальной жидкости человека.

Результаты фрикционных испытаний смазочных веществ, приведенных в табл, 2, представлены в табл. 3, а графики зависимости коэффициента трения от нагрузки.для них — на чертеже:

Кривая 1 соответствует составу 1;

Кривая 2 соответствует составу 2;

Кривая 3 — соответствует составу 3;

Кривая 4 соответствует синовиальной жидкости;

Кривая 5 соответствует ПМС-200;

Кривая 6 соответствует ПУ.С-400, Как видно из результатов экспериментов и графиков, представленных на чертеже присутствие только КМЦ-Na в смазочной жидкости (состав 1) при кон ентрации, создающей достаточно высокую вязкость состава, не обеспечивает антифрикциснных свойств сравнимых с антифрикционными свойствами синовиальной жидкости, Введение хслестерилового эфира слеинсвой кислоты (состав 2) приводит к более значительному снижению коэффициента трения при меньшей концентрации КМЦNa, чем в составе 1. Однако содержание компонентов в cocTGs8 2 еще недостаточно для получения антифрикциснных свойств, близких антифрикционным свойствам синавиальной жидкости, Наиболее эффективно действие предлагаемой смазочной жидкости проявляется при концентрации холестериловсго эфира олеинсвой кислоты более

0,5 мас.% и KMU,-Ma более 2,0 мас., . Дальнейшее увеличение концентрации обоих компонентов (составы 4 и 5) не приводит к улучшению антифрикционных свойств смазочной жидкости, т.е. получены значения коэффициента трения, также как для состава

3. Увеличeíèe концентрации холестерилового эфира олеинавой кислоты более t,0 мас,%, например состав 6 (1,25 мас.%), также не вызывает улучшения антифрикционных свойств смазывающей жидкости, При этом установлено, что характер трения пары хрящ-стекло в предлагаемой. смазочной жидкости. При этом установлено, что характер трения пары хрящ-стекло в предлагаемой смазочной жидкости L1 синовиальной жидкости совершенно одинаков, что проявляется в одинаковом характере зависимости коэффициента трения от нагрузки, проходящей через минимум (кривые 3 и 4), причем значения коэффициентов трения в обоих случаях практически одинаковы. Аномальное явление прохождения коэффициентов трения через минимум для пар хрящ-стекло в присутствии г1редлагаемогс смазочного вещества также достигнуто впервые, т.к, все известные составы этот

Следовательно, наилучшими фрикциснными характеристиками обладают составы, содержащие, мас. j:

Халестериловый эфир олеинавой кислоты 0,5 — 1.0

Na-карбоксиметил целлюлозаа 2,0-3,0

Дистиллированная вода Остальное.

2002461

Таблица1

Влияние содержания КМЦ-Na в водных растворах на их.вязкость.

Таблица 2

Составы смазочной жидкости

Таблица 3

Результаты экспериментов

Проводилось исследование структуры образцов синовиальной жидкости и предлагаемой смазочной жидкости. Для этого на предметные стекла наносилось несколько капель каждой жидкости, затем они высушивались при комнатной температуре и исследовались на микроскопе йИ-2 (ГДР).

Приведенные результаты свидетельствуют о том, что лишь совместное действие компонентов, входящих-в предлагаемую смазочную жидкость, позволяет обеспечить подобие антифрикционных свойств и структуры предлагаемой смазочной жидкости с синовиальной, Достоинством предлагаемой смазочной жидкости является то, что она не токсична и

5 может быть носителем водорастворимых лекарственных препаратов, например ацетилсалициловой кислоты, преднизалона и т.д., применяемых при лечении лифектартритов.

10 (56) Qrozdonovlc D. et al Annals of the

Rheumatic Disscases, 1975, vol. 34, supple р,р. 100.

2002461

Продолжение табл,З.

Продолжение табл.З.

Формула изобретения

СМАЗОЧНАЯ ЖИДКОСТЬ ДЛЯ СУСТАВОВ, отличающаяся тем, что, с. целью обеспеченйя антифрикционных свойств и структуры, присущих синовиальной жидкости, она содержит холестериловый эфир олеиновой кислоты, карбоксиметилцеллю5. лозу и дистиллированную воду при следующем соотношении компонентов, мас,, :

Холестерилавый эфир олеиновой кислоты 0,5- 1,0 0, Карбоксиметилцеллюлоза 2,0- 3,0

Дистиллированная вода Остальное

2002461

Составитель

Редактор Т.Мельникова Техред M.Mîpreíòàë Корректор О.Густи

Тираж Подписное

HflO "Поиск" Роспатента

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5

Заказ 3199

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород. ул.Гагарина, 101