Бактерицидные и биологически стойкие покрытия для имплантатов

Полный текст

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.

Об авторах

И. Ш. Абдуллин

ГНПП “Мединструмент”; Научно-исследовательский центр Татарстана “Восстановительная травматология и ортопедия”

Автор, ответственный за переписку.
Email: info@eco-vector.com
Россия, Казань; Казань

Х. З. Гафаров

ГНПП “Мединструмент”; Научно-исследовательский центр Татарстана “Восстановительная травматология и ортопедия”

Email: info@eco-vector.com
Россия, Казань; Казань

В. Х. Сабитов

ГНПП “Мединструмент”; Научно-исследовательский центр Татарстана “Восстановительная травматология и ортопедия”

Email: info@eco-vector.com
Россия, Казань; Казань

М. М. Миронов

ГНПП “Мединструмент”; Научно-исследовательский центр Татарстана “Восстановительная травматология и ортопедия”

Email: info@eco-vector.com
Россия, Казань; Казань

Список литературы

Дополнительные файлы