Физика / 4.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Обоснование применения способов электризации для создания в оксидных биопокрытиях имплантатов состояния отрицательно-гомополярного электрета

Имплантология как отрасль медицины в современных условиях развивается ускоренными темпами благодаря ее возможностям полного восстановления нарушенных либо утраченных функций органов и систем организма. Это достигается за счет применения имплантатов – медикотехнических изделий из небиологического материала, контактирующих с биологической средой в течение продолжительного времени. Наиболее широко используются костные имплантаты в стоматологии и ортопедии для замены утраченных либо исправления поврежденных костных структур организма. Стоматологические имплантаты, предназначенные для лечения заболеваний и исправления дефектов челюстно-лицевой системы, представляют искусственные корни зубов или специальные пластины для сращения и коррекции поврежденной костной ткани челюсти либо костей черепно-лицевой области. К ортопедическим имплантатам относятся имплантационные конструкции, используемые для замены функций различных суставов, коррекции сегментов позвоночника, лечения переломов конечностей и т.д. Наиболее широкое применение находят имплантаты для лечения переломов конечностей, которыми в большинстве случаев служат стержневые и спицевые остеофиксаторы, позволяющие осуществлять направленный остеосинтез поврежденных частей кости.

Костные имплантаты испытывают биологическое влияние среды, а также действие механических функциональных нагрузок. Поэтому часто применяются имплантаты комбинированной конструкции, характеризуемые наличием прочной металлической основы из биоинертных титана, циркония либо тантала и имеющие покрытие из биокерамического материала, который может представлять специально сформированный слой металлооксида. Свойства биосовместимости обусловливают способность оксидного покрытия к интеграции с окружающей биотканью и обеспечивают наиболее эффективное функционирование имплантата.

Технологические процессы формирования оксидных биопокрытий характеризуются большим разнообразием, при этом они должны придать покрытию необходимые адгезионные свойства и качества биоактивности, включающие определенный фазовый состав, структурную пористость и морфологическую гетерогенность поверхности. В этих условиях происходит адсорбция аморфных белковых структур на поверхности покрытия, что обеспечивает его физико-химическую связь с биосредой. Благодаря данной связи возникает ионизация атомов материала покрытия с последующей диффузией ионов в белковый слой и в биосреду. Протекающие биоэлектрохимические реакции вызывают деструкцию материала, и в образующиеся несплошности прорастают костные структуры окружающей ткани, происходит остеоинтеграция с образованием прочной биотехнической системы «имплантат – кость».

Функционирование биоструктур организма характеризуется протеканием биоэлектрохимических процессов, которые сопровождаются образованием биопотенциалов, а также появлением биотоков, что приводит к спонтанному возникновению явлений поляризации биоструктур. За счет этого формируется их электретное состояние и создаются собственные электрические поля, влияющие на процессы жизнедеятельности. Поэтому придание диэлектрическому оксидному покрытию электретного состояния приближает его качества к свойствам биоткани, улучшает их взаимодействие и стимулирует протекание интеграции. При этом поддерживаются процессы вещественного обмена, микроциркуляции биожидкостей, развивается регенерация биоткани без опасности тромбообразования, воспалительных осложнений и отторжения имплантата. Кроме того, на поляризованной поверхности покрытия протекают интенсивные сорбционные явления по отношению к витаминам, протеинам, антибиотикам, что обеспечивает ускоренное и эффективное приживление имплантата в операционной ране. Наиболее значимым показателем электретного оксидного покрытия является высокая тромборезистентность, исключающая в начальный период остеоинтеграции образование тромбов в микрососудах, расположенных вблизи функциональной поверхности имплантата. Тромборезистентность достигается за счет создания в покрытии отрицательно-гомополярного заряженного состояния и внешнего квазистатического поля, воздействие которого на биоткань вызывает отталкивание тромбоцитов, имеющих природный отрицательный заряд. Поэтому при формировании заряда покрытия ему, как правило, придается отрицательный знак, что обеспечивается путем инжектирования электронов в структуру биоматериала и их закрепления в, так называемых, «электронных ловушках».

Электретное состояние диэлектриков может создаваться с использованием их внутренней, а также внешней релаксационной поляризации, для чего применяются такие способы, как термоэлектризация, короноэлектризация, фотоэлектризация, радиоэлектризация, механоэлектризация, трибоэлектризация [1,2]. При этом необходимо учитывать, что биокерамические оксидные покрытия не обладают дипольной структурой, поэтому их электризация осуществляется путем внешней поляризации за счет накопления зарядов в «ловушках» - структурных дефектах и микронесплошностях. Кроме того, из-за сложности формы и малых размеров костных имплантатов, а также фотонепрозрачности их материалов и покрытий применение к ним механо-, трибо- и фотоэлектризации оказывается затруднительным либо невозможным, а термоэлектризация создает только слабые поверхностные заряды с коротким периодом существования квазистатического поля. Таким образом, для получения объемного гомополярного отрицательного заряда повышенного значения и увеличенной стабильности целесообразно использовать способы радиационной поляризации диэлектрических оксидных биопокрытий путем b-облучения, а также поляризации в условиях коронного разряда.

Электризация путем b-облучения. В данных условиях электретное состояние покрытия возникает за счет воздействия на него потока быстрых электронов, причем способ реализуется как при действии электрического поля, так и в его отсутствие.

При действии электрического поля оксидированный имплантат размещается между двумя тонкими электродами, так что длина свободного пробега электронов превышает толщину покрытия, и электроны b-облучения могут проникать насквозь (рис. 1). Электрическое поле, воздействующее на покрытие, имеет напряженность порядка 20 кВ/см, что вызывает направленное смещение свободных заряженных частиц и их закрепление в структурных «ловушках». Электронный поток с энергией около 10 МэВ формируется в ускорителе и выходит из его окна, где на расстоянии 0,1…0,3 мм располагается верхний электрод системы, имеющий вид сетки. В результате воздействия пронизывающих покрытие электронов на его поляризованную структуру в течение нескольких минут происходит усиление направленного смещения заряженных частиц и возрастание величины гомополярного отрицательного заряда покрытия.

Рис. 1. Радиоэлектризация с воздействием электрического поля: 1, 3 – оксидное покрытие, 2 – металлическая основа имплантата,

4 – сетчатый электрод,

5 – выходное окно ускорителя

Без применения электрического поля радиационная электризация осуществляется при размещении имплантата с покрытием на электроде в вакуумной камере ускорителя, где создается электронный поток с энергией 2,5 МэВ (рис. 2).

Воздействие потока заключается в проникновении электронов на глубину до 0,4 мм, их закреплении в «ловушках» и формировании отрицательного заряда во внешнем слое покрытия с образованием положительного заряда на его внутренней приграничной поверхности. В результате b-облучения оксидное биопокрытие костных имплантатов приобретает гомополярный отрицательный заряд повышенной стабильности с продолжительностью существования от нескольких недель до нескольких месяцев. Величина плотности заряда составляет примерно 10^-8 Кл/см², что близко соответствует плотности естественного заряда костной ткани. В этих условиях происходит стимулирование процессов остеогенеза, ускорение остеоинтеграции электретного имплантата и его приживления в кости. Последующее функционирование имплантата протекает с предотвращением возможности образования фиброзной прослойки, опасности расшатывания имплантата, воспаления окружающих тканей и отторжения.

Рис. 2. Радиоэлектризация без воздействия электрического поля: 1, 3 – оксидное покрытие, 2 – металлическая основа имплантата

Электризация в условиях коронного разряда. Применение методов поляризации для изготовления костных имплантатов связано со значительными технологическими трудностями, в то же время короноэлектризация по сравнению с вышеуказанными методами является технологически более простой и эффективной.

Сущность короноэлектризации состоит в создании коронного разряда на поверхности оксидного покрытия с помощью поляризующих электродов в виде тонких игл либо струн, расположенных вблизи коронируемой поверхности. Приложенное к электродам повышенное напряжение создает за счет малой площади их поверхности большую напряженность электрического поля с высокой его неоднородностью, чем вызывается ионизация и пробой воздушного промежутка при низких значениях тока. Возникающий коронный разряд между самими поляризующими электродами и поверхностью покрытия формирует поток ионов и лавину электронов, направленную к покрытию и инжектирующую электроны в его поверхностный слой, при соединении покрытия с массой через металлический имплантат (рис. 3).

Рис. 3. Схема процесса короноэлектризации биопокрытия костных имплантатов: 1, 3 – оксидное покрытие; 2 – металлическая основа имплантата; 4 – коронные разряды; 5 – коронирующие иглы

В результате коронирования покрытия образуется гомополярный отрицательный заряд, формирующий стабильное электретное состояние поверхностного слоя. Наиболее перспективным является применение коронирования для электризации оксидных биопокрытий небольшой толщины на имплантатах малого габарита, к которым относятся, например, стоматологические костные конструкции, ортопедические остеофиксаторы и эндопротезы, искусственные клапаны сердца.

Рассмотренные способы электризации путем b-облучения и коронирования проходят комплексное исследование их влияния на качества биоактивности оксидных покрытий металлоимплантатов. На основе результатов исследования проводится отработка конструктивно-технологических параметров для создания технологии получения костных имплантатов с электретными покрытиями, обладающими высокими качествами биоактивности.

Литература

1. Губкин А.Н. Электреты. М.: Наука. 1978. 192 с.

2. Гольдаде В.А., Пинчук А.С. Электретные пластмассы: физика и материаловедение. – Минск: Наука и техника, 1987. 231 с.