Химия и химические технологии / 5.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Модификация покрытий костных имплантатов микроэлементами с биомедицинскими свойствами

Костные имплантаты применяются в ортопедической хирургии при лечении различных костных патологий челюстно-лицевой области и опорно-двигательного аппарата. При этом для обеспечения надежного приживления на имплантатах формируют специальные биопокрытия с определенными физико-химическими и механическими свойствами, способствующими хорошей интеграции поверхности имплантатов с окружающими тканями и эффективному функционированию биотехнической системы.

В настоящее время антисептические и антитромбогенные биомедицинские свойства имплантационных материалов рассматриваются как наиболее эффективные биомедицинские «инструменты» костных имплантатов, позволяющие без дополнительной превентивной терапии сократить длительность протекания естественных воспалительных процессов в биотканях на ранних стадиях приживления, минимизировать возникновение аллергических и нагноительных реакций организма в отдаленный период имплантации, а также обеспечить наилучшие условия для биоинтеграции и надежного закрепления имплантатов [1-4]. Это происходит за счет благоприятного воздействия имплантационного материала с указанными свойствами на биоэлектрохимические и биоэлектрофизические процессы, протекающие в околоимплантатной зоне, способствующие поддержанию в ней нормальных обменных и клеточных явлений, а также стимулирующие активную биологическую деятельность различных органических структур и ускоренный остеогенез.

Антисептические или бактерицидные свойства материалов позволяют существенно замедлить развитие и размножение вредных микроорганизмов имплантационной зоны в наиболее опасный начальный постоперационный период и сократить до минимума опасность появления воспалительных процессов на более поздних стадиях имплантации. Бактерицидное и противовоспалительное действия биоматериалов связаны, в основном, с наличием в их составе определенных химических элементов, обладающих природным свойством антисептики и содержащихся в небольших «следовых» количествах. К числу таких микроэлементов относятся Ag, Cu, La, находящиеся в материале в виде свободных металлических ионов или в связанном химическом состоянии.

Антитромбогенные или тромборезистентные свойства имплантационных материалов обеспечивают замедление коагуляционных процессов крови и минимизацию тромбообразования в прилегающих к имплантату кровеносных микрососудах, ограничивают активность образования фиброзной ткани в околоимплантатной зоне, способствуют ускорению репаративного остеогенеза с возможностью стимулирования реваскуляризации, т.е. формирования новой кровеносной микросети. В данных условиях происходит интенсификация роста костных клеточных структур, их нормальное прорастание в поверхностно-пористую структуру материала имплантата, восстанавливается нарушенная система микроциркуляции крови и значительно повышается эффективность имплантации. Тромборезистентная функция осуществляется, как правило, за счет отталкивания клеток-тромбоцитов от поверхности имплантационного материала и предотвращения процессов коагуляции крови в микрососудах. Отталкивающее действие достигается материалом, обладающим собственным слабым электрическим полем, антикоагулянтное действие – некоторыми микроэлементами (в основном La), которыми модифицирован материал.

Таким образом, придание антисептических и антитромбогенных биомедицинских свойств имплантационным материалам и изделиям значительно повышает их биоактивность, создает принципиально новый уровень функционирования, обеспечивает высокую способность адаптации к окружающим тканям.

Модифицирование поверхности имплантатов из биосовместимых материалов с целью внедрения биологически важных микроэлементов может осуществляться с помощью электрофизических процессов вакуумно-конден-сационного напыления, ионной имплантации, электроискрового катодного насыщения, лазерного воздействия, а также электрохимической обработки в специальных электролитах [5-8].

Электрофизические способы модификации предусматривают, в основном, перенос модифицирующего элемента либо бомбардировку его ионами обрабатываемого изделия, при которых поверхность модифицирования насыщается внедренными микрочастицами и приобретает заданные функциональные свойства. Существенными недостатками, сильно ограничивающими возможность использования данных способов в производстве имплантатов, являются повышенная сложность и энергоемкость технологического оборудования, его высокая стоимость, а также низкие показатели технико-экономической эффективности процессов. Более того, для осуществления требуемой физико-энергетической обработки, необходимо варьировать многие параметры оборудования, исходное состояние модифицирующих элементов и условия воздействия на изделие.

Электрохимическая обработка биоматериалов с целью их модифицирования микроэлементами характеризуется большей рациональностью и эффективностью существующих способов. Она позволяет внедрять химические элементы как в уже сформированные покрытия имплантатов, так и в процессе образования покрытий, создавая высокие показатели их биомедицинских свойств.

Модифицирование имплантатов может осуществляться за счет анодных и катодных процессов, протекающих на обрабатываемой поверхности. Так, с помощью широко распространенного способа анодного микродугового оксидирования достигается формирование оксидного биопокрытия на титановых имплантатах с модификацией его поверхности частицами гидроксиапатита (Са и Р) для высокого уровня биоактивности [9]. Для этого в электролит оксидирования, состоящий из водного раствора фосфорной кислоты, добавляют порошок гидроксиапатита до предельного насыщения и образования суспензии. Через электролит пропускается импульсный ток заданной частоты и напряжения, в условиях протекания микродуговых разрядов формируется титанооксидное покрытие с параллельным активным модифицированием его структуры оксидами Са и Р [9]. Путем подбора компонентного состава электролита для микродугового оксидирования можно модифицировать как оксидные, так и гидроксиапатитовые покрытия имплантатов многими химическими элементами с требуемыми биомедицинскими свойствами. Например, известно анодное покрытие титановых имплантатов, содержащее в основном гидроксиапатит и дополнительно включающее модифицирующие элементы в виде оксидов Ni, Mg, Ti, Fe, Cr, V, Mg, Si в количестве, не превышающем содержание элементов этих оксидов в костной ткани [10, 11]. Указанные модифицирующие микродобавки обеспечивают сбалансированность биопокрытия с костными структурами по концентрации микроэлементов и улучшают условия адаптации имплантатов к средам организма. Электрохимическое внедрение данных элементов достигается путем введения в стандартные электролиты оксидирования веществ, содержащих необходимые компоненты, а также за счет искровых процессов, протекающих на поверхности анода.

Модифицирование имплантатов микроэлементами может происходить и в отсутствие микродуговых разрядов, когда при анодировании в электролите присутствуют добавки специальных веществ, обеспечивающих включение в состав формируемых оксидных покрытий микрочастиц содержащихся элементов. Так, в авторских работах [12, 13] показано, что добавление в сернокислый электролит сульфата меди, способствует внедрению в титанооксидное покрытие имплантатов небольшого количества частиц оксида CuО, которые придают покрытию хорошие антисептические свойства. Имеются данные о подобной модификации оксидированных имплантатов серебром для создания их повышенных показателей антисептических и противовоспалительных свойств. Однако анодная модификация характеризуется трудностью контролирования и сложностью управления процессом внедрения модифицирующих элементов в необходимых микроколичествах. Для достижения высокого качества обработки здесь требуется с большой точностью подбирать состав и обеспечивать концентрацию модифицирующих добавок, а также устанавливать оптимальные многопараметрические зависимости поверхностного образования заданных концентраций микроэлементов от условий и режимов технологического воздействия.

Другим наиболее эффективным и распространенным способом электрохимической модификации является катодное внедрение, позволяющее модифицировать поверхность любых, склонных к пассивации, металлоизделий многими химическими элементами, в том числе и редкоземельными (лантаноидами) [6, 8]. В результате такой модификации могут значительно повышаться показатели коррозионно-электрохимических свойств, а также ряда важных функциональных характеристик металлических поверхностей. В отличие от анодной обработки, при катодном насыщении используются специальные неводные электролиты с добавками компонентов модифицирующих веществ, элементы которых внедряются в поверхность изделия, образуя тонкий гальванический слой либо локальные участки включения микрочастиц. Последний из указанных механизмов модификационного осаждения является благоприятным для внедрения элементов в микроколичествах, поэтому, в настоящее время, рассматривается как эффективный инструмент модифицирования оксидных покрытий костных имплантатов микроэлементами с биомедицинскими свойствами. В качестве таких микроэлементов могут выступать жизненно важные Zn, Mn, Ni, Ti, Mo, Fe, Li и, оказывающие благоприятное биологическое (антисептическое и антитромбогенное) воздействие, Cu, Ag, La. Кроме того, неводный характер электролитов, способствует внедрению указанных микроэлементов в несвязанном с кислородом состоянии, а именно, в виде включений металлических агломератов с усиленным биологическим действием и ускоренным достижением лечебного эффекта.

Предварительные исследования, проведенные Родионовым И.В., Гоц И.Ю., Поповой С.С., Серяновым Ю.В., показывают принципиальную возможность катодной модификации поверхности оксидированных имплантатов лантаном – микроэлементом, обладающим комплексным антисептическим и антитромбогенным действием [8]. Выполнение дальнейших экспериментальных исследований позволит на качественно новом инновационном уровне подойти к разработке высокоэффективных костных имплантационных систем и расширить представления о функциональных свойствах современных биоматериалов.

Таким образом, на основании рассмотрения вышеизложенных научных данных о биологическом действии имплантационных материалов, модифицированных микроэлементами, о влиянии способов электрофизической и электрохимической обработки на создание высокого уровня биоактивности имплантатов можно заключить, что использование микроэлементов позволяет достичь наилучших показателей приживляемости имплантатов, а гальванические процессы отличаются большей рациональностью и эффективностью соответствующего применения.

Вместе с тем, особенностью рассмотренных методов модификации является то, что они предназначены для осуществления соответствующей обработки биоматериалов с хорошей диэлектрической способностью, представляющих различные полимерные и керамические системы, которые используются, в основном, в качестве биосовместимых покрытий на костных металлоимплантатах и могут применяться для изготовления неметаллических имплантатов нейро- и кардиохирургического назначения. Имплантатам из металлов и их сплавов без диэлектрических покрытий придание высоких показателей антисептических и антитромбогенных свойств с помощью указанных и многих других методов является сильно затруднительным, а зачастую и невозможным.

Литература

1. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Левченко К.К., Вартаньян Н.Г., Мидаев Ю.М. Оксидные биопокрытия с антисептическими и антитромбогенными свойствами на чрескостных фиксаторах в аппаратах остеосинтеза / Аспирантские чтения. Вып.1. Материалы межрегион. конф. посвящ. 150 летию В.И. Разумовского. Саратов: Изд-во Сарат. мед. ун-та, 2007. С. 204.

2. Rodionov I.V., Butovsky K.G. Biointegration electrochemical coverings with bactericidal and thromboresistency properties on implants for traumatology and orthopedy / Маtеriały II Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania nauki i techniki – 2007». Przemyśl, Polska: Nauka i studia. Tym 12. S. 19-24.

3. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В. Формирование антисептических и антитромбогенных качеств анодно-оксидных биопокрытий остеофиксаторов за счет гальванических процессов // Вестник Саратовского государственного технического университета. №4 (28). Вып. 1, 2007. С. 81-85.

4. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Диэлектрические биоматериалы и покрытия с внешним электрическим полем в имплантологии / Сб. докладов 7-й Междунар. науч. техн. конф. «Физика и радиоэлектроника в медицине и экологии – ФРЭМЭ 2006». Владимир, Собор, 2006, Книга 1. С. 227-230.

5. Томашев Н.Д. Катодное легирование (модифицирование) поверхности титана. В кн.: Титан и коррозионностойкие сплавы на его основе. М.: «Металлургия», 1985. С. 65-69.

6. Ямпольский А.М. Электролитическое осаждение благородных и редких металлов. Л.: «Машиностроение», 1971.

7. Томашев Н.Д. Журн. АН СССР. Поверхность, 1982. Т.1, №2. С.42-62.

8. Родионов И.В., Гоц И.Ю., Попова С.С., Серянов Ю.В. Катодное внедрение лантана в термооксидные биопокрытия стальных остеофиксаторов для создания их тромборезистентности / Сборник науч. статей Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.

9. Патент РФ № 2154463. Покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его нанесения / Карлов А.В., Шахов В.П., Игнатов В.П., Верещагин В.И., Налесник О.И. Опубл. 20.08.2000.

10. Патент РФ № 4792325. Биоактивное покрытие на имплантат из титана / Карлов А.В., Верещагин В.И., Клименов В.А. 1995.

11. Патент РФ № 2194536. Способ формирования биоактивного покрытия на имплантат. Опубл. 20.12.2002.

12. Родионов И.В. Исследование биоинтеграционных и антисептических свойств анодированных титановых имплантатов / Сборник науч. статей Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 196-200.

13. Родионов И.В. Анодно-оксидные биосовместимые покрытия титановых дентальных имплантатов // Технологии живых систем. Т.3, №4, 2006. С. 28-32.