Bactericidal and biologically resistant implant coatings
- Authors: Abdullin I.S.1,2, Gafarov H.Z.1,2, Sabitov V.K.1,2, Mironov M.M.1,2
-
Affiliations:
- State Scientific and Production Association "Medinstrument"
- Scientific Research Center of Tatarstan "Restorative Traumatology and Orthopedics"
- Issue: Vol 77, No 3 (1996)
- Pages: 234-236
- Section: Новые методы и инструменты
- URL: https://kazanmedjournal.ru/kazanmedj/article/view/104465
- DOI: https://doi.org/10.17816/kazmj104465
- ID: 104465
Cite item
Full Text
Abstract
Recently, the number of surgical interventions using medical instruments and implants (bones, teeth, joints) has increased significantly. Most implants are made of metals due to their high mechanical strength properties. However, metal implants and instruments have a number of disadvantages: low resistance to corrosion, including biocorrosion, incompatibility with living body tissues, causing complications, resorption, metallosis, rejection. When using plastics and plastics filled with antibiotics, as well as carbon plastics, it is necessary to solve particular problems, such as improving the penetration of living tissue into the implant or eliminating foci of suppuration contrary to the main requirement - to preserve high mechanical strength and durability of the implant or instrument.
Keywords
Full Text
В последнее время значительно увеличилось количество оперативных вмешательств с применением медицинских инструментов и имплантатов (костей, зубов, суставов). Большинство имплантатов изготавливают из металлов, благодаря их высоким механическим прочностным свойствам. Однако металлические имплантаты и инструменты имеют ряд недостатков: невысокую стойкость к коррозии, включая биокоррозию, несовместимость с тканями живого организма, вызывающую осложнения, резорбцию, металлоз, отторжение [2]. При использовании пластмасс и пластмасс, наполненных антибиотиками, а также углепластиков возникает необходимость в решении частных задач, например в улучшении прорастания живой ткани в имплантат или в устранении очагов нагноений вопреки основному требованию — сохранению высокой механической прочности и долговечности имплантата или инструмента [1].
Для имплантатов интенсивно разрабатывались за рубежом в 70-80-х годах покрытия из гидроксиапатита. Пористое покрытие из фосфата кальция, действительно, хорошо прорастало костной тканью, не наблюдалось отторжения имплантата и резорбции. Однако в связи с потерей гидроксиапатитом кристаллогидратной воды и изменением структуры при нанесении покрытий возможно отслоение последних от металла и расшатывание эндопротеза в кости.
В задачи исследований входила разработка покрытий для металлических имплантатов и медицинских инструментов, обладающих бактерицидными свойствами, не ухудшающих свойств металла, защищающих от коррозии, механического износа и обладающих соответствующие, медико-биологическими свойствами.
Взаимодействие металла с тканями живого организма происходит посредством ионного обмена. Мы исследовали наличие и концентрацию ионов металлов в водной вытяжке с помощью биохимического сенсора на основе иммобилизованной холинэстеразы, обладающего избирательной чувствительностью до 10-10 моль/л. Определено наличие ионов железа в 3-месячной вытяжке из пластин стали 12Х18Н9Т при концентрации 5-10-8 моль/л; концентрация ионов титана из титанового образца составила в тех же условиях 8 • 10-10 моль/л, хрома — 5 • 10-10 моль/л (табл. 1). Результаты свидетельствуют об ионном обмене между водной средой и металлом нержавеющей стали, в меньшей степени — между титаном и хромом. Нанесение защитных покрытий на основе нитридов титана, хрома, циркония, гафния и их смесей приводит к уменьшению ионообмена между металлом с покрытием и водной сЖ дой до величины ниже чувствительности метода то есть менее 10-10 моль/л. Уменьшение выхода ионов за счет покрытия должно привести, с одной стороны, к уменьшению биологической коррозии металла, а с другой — к меньшему токсическому воздействию на живой организм.
Таблица 1. Концентрация ионов металлов в водной вытяжке
Исследуемые материалы | Определяемый ион | Длительностьконтакта с водой, сут. | |||
10 | 30 | 60 | 90 | ||
Медь | Сu2+ | 8 – 10-10 | 1,6 • 10-9 | 3 • 10-9 | 5 • 10-9 |
Титан | Тi4+ | 5 • 10-10 | 7,9 • 10-10 | 7,9 • 10-10 | 7,9 • 10-10 |
Тантал | Та5+ | 10-10 | 10-10 | 3,2 • 10-8 | 4 - 10-9 |
Смесь титана с хромом | Сr3+ | 10-10 | 10-10 | 10-10 | 5 • 10-10 |
Сталь 12Х18Н9Т | Fe3+ | 3,2 • 10-18 | — | 5 • 10-8 | 5 • 10-8 |
Нитрид титана | Ti4+ | — | — | 10-10 | 10-10 |
Нитрид циркония | Zr4+ | — | — | 10-10 | 10-10 |
Смесь титана | Ti4+ | — | _ | 10-10 | 10-10 |
с гафнием | Hf4+ | — | — | 10-10 | 10-10 |
Смесь нитридов | Ті4+ | — | — | 10-10 | 10-10 |
титана и гафния | Hf4+ | — | — | 10-10 | 10-10 |
Таблица 2. Индекс пролиферации эпителиоподобных клеток трахеи эмбриона крупного рогатого скота ТР и фибробластоподобных клеток невриномы гассерова узла крысы НГУК на образцах стали 12Ч18Н9Е с покрытием
Состав покрытия | Индекс пролиферации | |
НГУК | ТР | |
Контроль (сталь без покрытия) | 1,07—2,0 | 1,46—2,0 |
TiN | 1,25—2,0 | 0,66—2,0 |
ZrN | 1,80—1,90 | 1,6—2,0 |
TiN 30%+HfN 70% | 1,66—1,80 | 1,07—1,40 |
Ті | 1,30 | 1,00—1,14 |
Ті 30% + Hf 70% | 1,20 1,07—1,40 | 1,00 1,00—2,09 |
Контроль (покровное стекло) | 2,0 | 2,0 |
Исследовано общетоксическое действие образцов из нержавеющей стали с покрытиями из нитридов титана, циркония, гафния, хрома на крысах с контролем поведенческих реакций, реактивности, динамики массы тела, состава периферической крови, лейкоцитарной формулы, весовых коэффициентов внутренних органов и макро-микроскопических исследований зоны имплантации, а также печени, почек, сердца, селезенки. Результаты исследований свидетельствуют об отсутствии местно-раздражающего и общетоксического воздействий стальных имплантатов с покрытиями из нитридов титана, циркония, гафния. Токсическое воздействие ионов выражается прежде всего в угнетении роста клеток, их разрушении, перерождении. Мы испытывали металлы с покрытиями на цитотоксичность по отношению к перевиваемым при этом эталоном служило стекло. Установлено, что индекс пролиферации у стали 12Х18Н9Т варьирует от 1,0 до 2,0, у стекла — около 2,0, у хрома и титана — чуть больше единицы, у нитридов титана — иногда меньше единицы, что указывает на вероятность угнетения роста клеток нитридом титана. Покрытия из нитридов циркония, гафния и хрома имеют индекс пролиферации от 1,0 до 1,8.
Углубленно изучался вопрос о влиянии имплантатов с покрытием на костные ткани кроликов и собак. Эта часть исследований проводилась на базе Военно-медицинской академии им. С.М. Кирова. Исследованиями установлено отсутствие отрицательной реакции костной ткани на присутствие имплантата с покрытием.
Разработаны методы и исследовано влияние материала покрытий на жизнеспособность музейных и госпитальных штаммов болезнетворных микроорганизмов: синегнойной палочки, стафилококка золотистого, кишечной палочки, протея, клебсиеллы. В качестве эталона использовали нержавеющую сталь и стекло как инертные материалы, а также серебро и медь как известные бактерицидные металлы. В результате исследований наличие бактерицидных свойств установлено и у хрома, гафния и их нитридов (табл. 3, 4). Бактерицидный эффект у нитридов гафния с титаном во много раз меньше, чем у антибиотиков, однако расход ионов, их концентрация в растворе очень небольшая и приближается к уровню чувствительности самых современных методов определения, составляя 1010 моль/л. По данным Я.М. Глушко [3], для серебра эта величина составляет 10-11 — 10-9 моль/л.
Таблица 3. Количество жизнеспособных микроорганизмов (в %) после воздействия 30-суточной вытяжки из стали 12Х18Н9Т с покрытиями (концентрация микробной взвеси — 50 тыс./мл и 500 тыс./мл)
Покрытия | Культура | |||||
стафилококк | кишечная палочка | протей | ||||
50 тыс./мл | 500 тыс./мл | 50 тыс./мл | 500 тыс./мл | 50 тыс./мл | 500 тыс./мл | |
Ті + Сr 8ч | 0 30 | — | — | — | — | с.р. с.р. |
48ч | 0 35 | 0 с.р. | 0 14 | 0 с.р. | 0 45 | 0 с.р. |
TiN + CrN 8ч | — | — | — | — | — | с.р. с.р. |
48 ч | 0 35 | 0 с.р. | 0 14 | с.р. с.р. | 0 с.р. | с.р. с.р. |
TiN + ZrN 8 ч | — | — | — | 0 77 | 0 71 | с.р. с.р. |
48 ч | — 35 | 25 с.р. | 0 14 | 83 с.р. | 0 с.р. | 0 с.р. |
Примечание. В числителе — показатели после воздействия вытяжек из металлов, в знаменателе — контроль; с.р. — сплошной рост микроорганизмов; “— “ эксперимент не проводился.
Покрытия | Культура | |||
стафилококк | кишечная палочка | сине - гнойная палочка | клебсиелла | |
Тi + Сr 4 ч | 35 100 | 42 73 | 21 37 | с.р. с.р. |
48 ч | — | с.р. с.р. | с.р. с.р. | с.р. с.р. |
Ti + Hf 4 ч | 18 100 | — | 17 37 | с.р. с.р. |
48 ч | 0 35 | — | — | с.р. с.р. |
TiN + HfN 4 ч | 14 100 | — | 14 37 | с.р. с.р. |
48 ч | 0 35 | — | с.р. с.р. | с.р. с.р. |
TiN + ZrN 4ч | — | — | 13 37 | 50 120 |
48 ч | 0 35 | — | с.р. с.р. | с.р. с.р. |
TiN + CrN 4 ч | — | — | — | 33 120 |
48 ч | 15 35 | — | — | с.р. с.р. |
Примечание. То же, что и в табл. 3.
Таким образом, результаты исследований позволяют рекомендовать покрытия с бактерицидными свойствами на основе металлов четвертой группы и их нитридов, а также хрома для клинических испытаний в составе металлических имплантатов, находящихся в контакте с костной, мышечной и соединительной тканями и применяемых в стоматологии, травматологии, нейрохирургии и других областях.
Изготовлена опытно-промышленная партия винтов и пластин для остеосинтеза с покрытием, обладающим бактерицидной активностью, и передана на клинические испытания. В установленном порядке получено заключение о нетоксичности указанных изделий. Параллельно исследованиям велась конструкторская работа по созданию пластин с винтами для остеосинтеза, которая завершилась утверждением новых изделий. Также была разработана технология нанесения бактерицидных покрытий на пластины, винты новой конструкции для остеосинтеза и медицинские инструменты (табл. 5).
Таблица 5. Основные характеристики и свойства бактерицидных покрытий
Характеристика покрытия | Пластины для остеосинтеза ВТ-6С | Винты для остеосинтеза ВТ-16 | Спицы к аппарату Илизарова 12Х18Н9Т | Хирургический инструмент |
Материал покрытия | TiN 30% Hf 70% | TiN 30% HfN 70% | TiN 50% HfN 50% | TiN 30% HfN 30% ZrN 40% |
Толщина, мкм | 3—6 | 2—7 | 3—6 | 5—8 |
Шероховатость с основой, мкм | менее 0,32 | менее 0,32 | менее 0,64 | менее 0,32 |
Микротвердость, ГПа | 15—40 | 15—40 | 15—40 | 20—40 |
Адгезия (оценочно), кгс/м2 | 50—200 | 50—200 | 50—200 | 50—200 |
Устойчивость к коррозии (кипячение) | устойчивы | устойчивы | устойчивы | устойчивы |
Устойчивость к средствам бактерицидной обработки | устойчивы | устойчивы | устойчивы | устойчивы |
Изготовлена опытно-промышленная партия винтов и пластин для остеосинтеза с покрытием, обладающим бактерицидной активностью, и передана на клинические испытания. В установленном порядке получено заключение о нетоксичности указанных изделий.
Таким образом, результаты исследований позволяют рекомендовать покрытия с бактерицидными свойствами на основе металлов четвертой группы и их нитридов, а также хрома для клинических испытаний в составе металлических имплантатов, находящихся в контакте с костной, мышечной и соединительной тканями и применяемых в стоматологии, травматологии, нейрохирургии и других областях.
About the authors
I. Sh. Abdullin
State Scientific and Production Association "Medinstrument"; Scientific Research Center of Tatarstan "Restorative Traumatology and Orthopedics"
Author for correspondence.
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Kazan; Kazan
H. Z. Gafarov
State Scientific and Production Association "Medinstrument"; Scientific Research Center of Tatarstan "Restorative Traumatology and Orthopedics"
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Kazan; Kazan
V. Kh. Sabitov
State Scientific and Production Association "Medinstrument"; Scientific Research Center of Tatarstan "Restorative Traumatology and Orthopedics"
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Kazan; Kazan
M. M. Mironov
State Scientific and Production Association "Medinstrument"; Scientific Research Center of Tatarstan "Restorative Traumatology and Orthopedics"
Email: info@eco-vector.com
Russian Federation, Kazan; Kazan
References
Supplementary files
