Медицина / 7.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Клинико-биологическая оценка уровня приживления имплантатов с электрохимическими и газотермическими оксидными биопокрытиями

Широкое применение костных имплантатов в стоматологии и ортопедии обусловлено их возможностью замещать утраченные либо исправлять поврежденные костные структуры организма, обеспечивая полное восстановление функций скелета. 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. Они действуют в организме на протяжении длительного времени (20 и более лет) и имеют постоянный характер функционирования. К ортопедическим имплантатам относятся имплантационные конструкции, используемые для замены функций различных суставов, коррекции сегментов позвоночника, лечения переломов конечностей и т.д. Подобными имплантатами в большинстве случаев служат стержневые и спицевые остеофиксаторы, позволяющие осуществлять направленный остеосинтез поврежденных частей кости. Такие имплантаты находятся в организме в течение короткого периода времени (7-8 недель), необходимого для лечения костной патологии, и впоследствии подвергаются удалению из кости.

Материалами стоматологических имплантатов часто являются титан и его сплавы, обладающие требуемым уровнем биологических и механических свойств при взаимодействии с биосредой. Материалом ортопедических имплантатов в большинстве случаев выступает биотолерантная хромоникелевая сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, способная выдерживать значительные механические нагрузки от костного сегмента. При этом на поверхности титановых и стальных имплантатов можно получать оксидное покрытие с определенными показателями фазово-структурного состояния и поверхностного строения, придающими металлоимплантатам высокий уровень биомеханической совместимости [1, 2]. Покрытие на стоматологических титановых имплантатах целесообразно формировать путем электрохимического оксидирования, исключающего образование в покрытии малопрочных и низко коррозионностойких титанонитридных фаз, возникающих при газотермическом окислении титана. Оксидный слой на ортопедических имплантатах с необходимыми функциональными качествами легко создается с использованием способов воздушно-термического и паротермического оксидирования. Однако клиническое испытание биоинтеграционных свойств имплантатов с электрохимическими и газотермическими оксидными биопокрытиями ранее не проводилось, поэтому целью настоящего исследования являлось определение уровня адаптации и приживления оксидированных костных имплантатов в биоткани на основе клинико-биологической оценки их поведения в организме лабораторных животных.

Методика. Опытными образцами являлись остеофиксаторы, которые представляли винтовые стержни из биоинертных технического титана ВТ1-00 и титанового сплава ВТ-16, а также биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т, обладающих необходимой биомеханической совместимостью. Стержни изготовлялись путем токарной обработки и подвергались пескоструйной обдувке поверхности для удаления загрязняющих слоев и химической активации.

На титановых стержнях формировалось оксидное покрытие путем их анодирования в сернокислом электролите с добавлением сульфата меди – 200 г/л Н₂SO₄ + 50 г/л CuSO₄ · 5 Н₂О при плотности тока 50 мА/см², температуре 25⁰С, продолжительности электролиза 0,9 ч. Добавка CuSO₄ в сернокислый электролит обеспечивала, во-первых, повышение скорости роста толщины оксидного покрытия за счет активирующего действия ионов Cu на титановый анод, во-вторых, антисептическое действие покрытия на окружающую биосреду из-за включения в его состав оксида CuО.

На стальных стержневых имплантатах-остеофиксаторах создавалось покрытие за счет их высокотемпературного оксидирования в воздушной атмосфере и среде перегретого водяного пара. Воздушно-термическое оксидирование проводилось в специальной лабораторной электропечи при температурах 400, 500, 600 и 700⁰С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре. Паротермическое оксидирование осуществлялось в соответствующей специализированной печи при температуре 550⁰С и продолжительности 2 ч.

Клинические испытания биоинтеграционных качеств поверхности опытных имплантатов-фиксаторов, а также клинико-биологическая оценка уровня их приживления проводились на кроликах породы «черный великан». Животные имели возраст 9 месяцев, живую массу 3,5-4,0 кг и были разделены на несколько опытных групп по 3 животных в каждой.

Животным под нейролептаналгезией рометаром и золетилом выполнялся флексионный перелом большой берцовой кости в области средней трети диафиза, затем в отломках просверливались каналы для вворачивания стержневых фиксаторов. Учитывая, что прочностные характеристики кости на разных участках ее длины имеют значительные отличия, фиксаторы одной опытной серии устанавливались как в метафизарные, так и в диафизарные участки кости животных одной группы.

Фиксаторы вворачивались вручную с помощью рукоятки из комплекта аппарата Г.А. Илизарова, после чего проводилась закрытая репозиция отломков. Их внешняя фиксация выполнялась в аппарате, состоящем из кронштейнов и многодырчатой планки. В постоперационный период всем животным проводилась превентивная антибиотиковая терапия цефазолином, а также санация зоны контакта «фиксатор-кость» 3% раствором перекиси водорода, выполнялись клинические и морфологические исследования.

Клинико-биологическая оценка уровня приживления титановых и стальных остефиксаторов и биоинтеграционных качеств их покрытий проводилась путем выявления характеристик состояния животных, включающих регистрацию температуры организма, поведение животных, опороспособность конечности, микроподвижность фиксаторов, реакцию животных на прижатие фиксаторов, а также по признакам развития воспалительных осложнений с использованием микробиологического исследования мазков, по уровню сопротивления вывертыванию фиксаторов.

Результаты. Анодирование пескоструйно обработанных титановых остеофиксаторов в электролите 200 г/л Н₂SO₄ + 50 г/л CuSO₄ · 5 Н₂О при заданных значениях режима электролиза обеспечило создание покрытия с однородным фазовым составом, необходимыми поверхностно-структурными характеристиками и коррозионной стойкостью. Покрытие состояло, в основном, из диоксида TiO₂ с присутствием небольшого количества других оксидных фаз – TiO, Ti₂O₃, CuО. Шероховатость и морфологическая гетерогенность поверхности находились на высоком уровне и соответствовали показателям параметров микронеровностей – R_а=1,2 мкм, R_max=5,6 мкм, S_m=11,2 мкм, размеру открытых пор – 12-20 мкм, суммарной открытой пористости П – 32%. Толщина h и микротвердость Н_кв имели значения 40-50 мкм и 9 ГПа, соответственно. Высокий уровень коррозионной стойкости подтверждался довольно положительной величиной коррозионного потенциала Е_с покрытия, равной 0,18 В.

Функциональные показатели покрытий стальных остеофиксаторов, полученных различными способами газотермического оксидирования, имели также приемлемый для нормальной адаптации уровень биоинтеграционных параметров (табл. 1).

Таблица 1

Биоинтеграционные параметры оксидных покрытий стальных

имплантатов-остеофиксаторов

Вид оксидирования	Режим		Параметры покрытия
	t, ^0С	τ, ч	фазовый состав	h, мкм	σадг, МПа	Нкв, ГПа	П, %	Ес, В	Шероховатость, мкм
									Rа	Rmax	Sm
Воздушно-термическое	400	0,5	Fe2O3, Fe3O4, FeNi, Ti3O5	30	29	6,2	29	-0,35	1,0	5,60	8
	500			45	28	5,8	32	-0,38	1,1	6,20	10
	600			75	10	3,5	11	-0,41	0,8	3,40	15
	700			115	-	3,3	13	-0,44	0,9	3,60	16
Паротермическое	550	2,0	Fe2O3, FeNi, Ti3O5	35	27	5,6	30	-0,33	1,15	5,80	9,4

Клиническое испытание анодированных остеофиксаторов на животных показало, что функциональные свойства полученного покрытия, благоприятно влияют на процесс приживления фиксаторов в костных структурах и обеспечивают интеграцию оксидированной поверхности с окружающей тканью (рис.1, 2).

Рис. 1. Внутрикостная часть анодированного остеофиксатора из титана ВТ1-00 с костными фрагментами

Рис. 2. Внутрикостная часть анодированного остеофиксатора из титанового сплава ВТ-16 с костными фрагментами

Положительные результаты были получены и при использовании стальных фиксаторов с газотермическими покрытиями, созданными воздушно-термическим оксидированием при t = 400⁰С, 500⁰С, τ = 0,5 ч, а также паротермическим оксидированием при t = 550⁰С, τ = 2 ч (рис. 3, 4).

а б

Рис. 3. Участки поверхности стальных остеофиксаторов с оксидным покрытием, полученным воздушно-термическим оксидированием

при 400⁰С (а) и 500⁰С (б), имеющие фрагменты костной ткани

Рис. 4. Участок поверхности стального остеофиксатора с оксидным покрытием, полученным паротермическим оксидированием при 550⁰С, имеющий различные костные частицы

Неудовлетворительные результаты исследований показали только фиксаторы с покрытиями, полученными воздушно-термическим оксидированием при t = 600 и 700⁰С, что свидетельствует об отсутствии у таких покрытий качеств биосовместимости.

Таким образом можно считать, что рассматриваемые анодно-оксидные электрохимические покрытия, получаемые на пескоструйно обработанных поверхностях костных титановых имплантатов, обладают способностью эффективного физико-механического взаимодействия с биоструктурами и формирования прочной системы «имплантат с покрытием – кость» (табл. 2).

Таблица 2

Протокол клинического испытания стержневых титановых

имплантатов-фиксаторов с анодно-оксидным биопокрытием на

лабораторных животных

Материал имплантатов	Технический титан ВТ1-00	Титановый сплав ВТ-16
Метод обработки	Анодное оксидирование пескоструйно обработанных имплантатов в электролите 200 г/л H2SO4+50 г/л СuSO4·5Н2О при плотности тока 50 мА/см^2, температуре 25^0С, продолжительности электролиза 0,9 ч
Состав покрытия	Смесь из оксидов титана и оксида меди
Количество животных	3	3
Дата установки аппарата с имплантатами	14 мая 2007 г.
Костный сегмент	Большая берцовая кость
Вид перелома	Флексионный, в средней трети диафиза
Время появления естественной воспалительной реакции на имплантат	3 суток	3 суток
Период полного сращения перелома	5 недель	6 недель
Дата снятия аппарата	28 июня 2007 г.
Внешний вид поверхности имплантатов	Шероховатая, со значительными костными фрагментами
Результаты микробиологического анализа мазков экссудата имплантационной зоны	Отсутствие патогенной микрофлоры и аллергической реакции тканей

Кроме того, присутствие в составе титанооксидного покрытия ионов Cu способствует выполнению им антисептической функции с предотвращением протекания длительных воспалительных реакций в биосреде имплантационной зоны. Об этом свидетельствуют результаты микробиологического анализа мазков экссудата показавшие отсутствие патогенной микрофлоры в раневой области.

Клинико-биологическая оценка уровня приживления фиксаторов с газотермическими оксидными покрытиями, сформированными в воздушной атмосфере при t = 400, 500⁰С и паровой среде при t = 550⁰С, показала эффективность разработанных покрытий и наличие у них высоких показателей совместимости с биоструктурами (табл. 3).

Таблица 2

Протокол клинического испытания стальных

имплантатов-фиксаторов с газотермическими оксидными покрытиями на

лабораторных животных

Материал фиксаторов	Сталь 12Х18Н9Т
Метод обработки	Воздушно-термическое оксидирование				Паротермическое оксидирование
Температура обработки, ^0С	400	500	600	700	550
Серия	1	2	3	4	5
Кол-во животных	3	3	3	3	3
Дата установки аппарата	14 сентября 2007 г.
Костный сегмент	Большая берцовая кость
Вид перелома	Флексионный, в средней трети диафиза
Время появления воспалительных осложнений	-	-	3 сут.	3 сут.	3 сут.
Время появления расшатывания	-	-	7 сут.	7 сут.	21 сут.
Период полного сращения перелома	4 нед.	4 нед.	-	-	5 нед.
Дата снятия аппарата	28 октября 2007 г.
Внешний вид поверхности фиксатора	Шероховатая, со значительными костными фрагментами	Шероховатая, со значительными костными фрагментами	Гладкая, со значительными участками коррозии	Гладкая, со значительными участками коррозии	Шероховатая, со значительными костными фрагментами

Следует отметить, что, в процессе функционирования фиксаторов в костных сегментах, при локальном обследовании всех животных отмечалась ярко выраженная картина воспаления в зоне «фиксатор-кость» уже через сутки после операции. В это время отчетливо просматривались отечность и гиперемия мягких тканей, их болезненность при пальпации. Однако при этом не наблюдалось микроподвижности фиксаторов и, как следствие, перемещения отломков, что свидетельствует о высоком качестве их фиксации.

Отсутствие существенных воспалительных осложнений у всех подопытных животных в ранний постоперационный период (7 суток), отсутствие микроподвижности фиксаторов в отдаленный период (45 суток), необходимость применения ключа для вывертывания фиксаторов из кости по окончании эксперимента могут служить клиническим свидетельством наличия биоинтеграции оксидных покрытий, полученных электрохимической обработкой титана и газотермической обработкой нержавеющей хромоникелевой стали.

Проведенная оценка влияния биоинтеграционных свойств электрохимических и газотермических оксидных покрытий на характер их взаимодействия с костными структурами, прочность закрепления и уровень приживления имплантатов в организме, указывает на высокую способность разработанных покрытий адаптироваться к окружающим костным и мягким тканям, а также жидким биосредам в различных имплантационных условиях.

Литература

1. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Ткачева А.В., Бейдик О.В. Металлооксидные биопокрытия фиксаторов для чрескостного остеосинтеза // Инженерная физика. №4, 2007. С. 58-61.

2. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Получение биосовместимых морфологически гетерогенных покрытий на стальных остеофиксаторах воздушно-термическим оксидированием / Матер. Всеросс. научно-практич. конф. «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 103-108.