Химия и химические технологии / 5.

к.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Разработка технологии получения антисептических

лантансодержащих оксидных биопокрытий на костных

имплантатах

Костные металлоимплантаты представляют биотехнические изделия, предназначенные для лечения различных костных патологий челюстно-лицевого скелета и опорно-двигательного аппарата человека. Они широко используются в хирургической стоматологии при восстановлении функций зубных рядов, замещая утраченные либо поврежденные корни зубов и являясь опорами для несъемных зубных протезов. Наиболее часто костные имплантаты применяются в травматологии и ортопедии при лечении переломов костей конечностей и исправлении врожденных или приобретенных деформаций костных сегментов. Такие имплантаты представляют гладкие спицы либо резьбовые стержни-остеофиксаторы, входящие в состав аппаратов внешнего чрескостного остеосинтеза.

Для придания имплантатам высокого уровня адаптации к окружающим биосредам, а также повышенной прочности закрепления в кости на их поверхности формируют специальное биосовместимое покрытие со способностью интеграции с биоструктурами. Указанное биопокрытие может создаваться с использованием оксидирования металлоимплантатов в различных газовых средах и электролитах (табл. 1) [1-5].

Процесс приживления оксидированных костных имплантатов сопровождается существенными воспалительными реакциями тканей, связанными с развитием вредных микроорганизмов и протеканием нагноительных явлений в зоне имплантации. Из-за этого значительно увеличивается продолжительность приживления имплантатов и возникает опасность их отторжения.

С целью минимизации послеоперационных осложнений оксидному покрытию имплантатов можно придать антисептические свойства поверхности. Для этого необходимо, чтобы покрытие содержало элемент антисептики, в частности, лантан, обладающий хорошим антимикробным эффектом.

Таблица 1

Методы и условия оксидирования костных металлоимплантатов

для создания биоинтеграционных качеств их поверхности

Методы оксидирования	Способ подготовки поверхности	Материал имплантатов	Технологические режимы				Тип имплантатов
			t, ^0С	τ, ч	Рсреды, атм	i, мА/дм^2
воздушно-термическое	Пескоструйная обработка корундовым абразивом	сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т	400-500	0,5	норм.	-	чрескостные остеофиксаторы
паротермическое		сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановые сплавы ВТ-6, ВТ-16	550	1,5	1,2-1,3	-	чрескостные остеофиксаторы, внутрикостные дентальные имплантаты
в контролируемой среде из смеси инертного (Ar, Ne, He) и окисляющего (О2, СО2) газов		сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т; титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановые сплавы ВТ-6, ВТ-16	600-1000	2-3	1,3	-	чрескостные остеофиксаторы, внутрикостные дентальные имплантаты
анодирование в сернокислых электролитах (200 г/л Н2SО4, 200 г/л Н2SO4 + 50 г/л CuSO4 · 5 Н2О)		титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановый сплав ВТ-16	25-30	0,3-0,9	-	1-3	чрескостные остеофиксаторы, внутрикостные дентальные имплантаты

Включение лантана в структуру поверхности покрытия с наибольшей эффективностью достигается путем электрохимического катодного модифицирования оксидированных имплантатов с использованием неводного лантансодержащего электролита [6, 7]. Данный электролит представляет 0,5 М раствор салицилата лантана ((С₇Н₅О₃)₃La) в диметилформамиде (ДМФ), который является хорошим растворителем как органических, так и неорганических солей, обеспечивая лучшее растворение салицилатов в сравнении с водой. Катодное внедрение лантана из указанного электролита осуществляется в гальваностатических условиях при значениях катодной плотности тока i=0,4-1,0 мА/см², температуры электролита t=25⁰С и продолжительности обработки τ=0,5 ч.

Как показывают результаты исследования, внедрение микрочастиц металлического лантана в оксидное покрытие происходит преимущественно в донные части открытых пор поверхности, где толщина оксидов минимальна и соответствует наименьшему электрическому сопротивлению. Поэтому, модифицированное лантаном покрытие характеризуется микроколичествами внедренного элемента с образованием «островковых» агломератов осажденных частиц, ограниченных порами.

Для осуществления эффективной катодной модификации оксидированных имплантатов лантаном необходимо учитывать некоторые технологические особенности обработки.

В процессе электрохимической поляризации костных имплантатов целесообразно применять неводный электролит, представляющий раствор салицилата лантана в диметилформамиде. При подготовке электролита рекомендуется обеспечивать его концентрацию на уровне 0,5 М (С₇Н₅О₃)₃La в ДМФ, достаточном для внедрения модифицирующего элемента в оксидное покрытие.

Обработка поверхности имплантатов должна проводиться в гальваностатическом режиме с определенными показателями его параметров – i=0,4-1,0 мА/см², τ=0,5 ч, t=25-30⁰С. Отклонение от указанных значений может существенным образом сказываться на требуемом качестве обработки. В частности, уменьшение катодной плотности тока и продолжительности электролиза сильно ограничивает электрохимическую активность и поляризационную способность электролита, замедляет процесс внедрения микрочастиц лантана в поверхность покрытия, не позволяет достигнуть необходимого модифицирующего эффекта. Вместе с тем, увеличение плотности тока и продолжительности обработки приводит к повышенной интенсивности растворения металлооксидов как в микроуглублениях, так и на микровыступах, уменьшая их толщину и электрическое сопротивление, что способствует осаждению частиц лантана на большой площади поверхности покрытия с вероятностью образования на ней тонкой лантановой пленки. Очевидно, что данные условия модификации будут значительно изменять исходную морфологическую структуру покрытия и снижать уровень его биоинтеграционной способности. Более того, большое количество внедренного лантана не позволит создать благоприятное биомедицинское воздействие покрытия на окружающую биосреду, которое, в основном, определяется микроколичеством модифицирующего элемента. Вероятнее всего, увеличенное его содержание будет вызывать появление аллергенных реакций организма с ухудшением процессов приживления имплантатов. Поэтому при катодной лантановой модификации оксидированных металлоимплантатов с целью придания им высоких показателей антисептических свойств необходимо руководствоваться вышеизложенными особенностями гальванообработки и применять рекомендуемые технологические условия (табл. 2).

Таблица 2

Рекомендуемые условия катодной модификации лантаном

оксидированных костных имплантатов

Состав электролита	Режим модификации			Вид модифицируемых покрытий	Условия внедрения La в микроколичествах
	iк, мА/см^2	τ, ч	t,^0С
0,5 М раствор салицилата лантана ((С7Н5О3)3La) в диметилформамиде	0,4-1,0	0,5	25-30	анодно-оксидные, термооксидные	Наличие поверхностно-пористой структуры покрытия

Следует отметить, что внедрению микроколичеств лантана способствует, кроме установленных режимов обработки, наличие открытых микропор покрытия, определяющих механизм локального лантанового микровключения. В условиях отсутствия развитой поверхностно-пористой микроструктуры покрытия достижение указанного модифицирующего эффекта является затруднительным либо невозможным.

Подводя итог исследованию, можно сказать, что за счет осуществления предлагаемой катодной обработки оксидных биопокрытий на основе представленных рекомендаций, создаются высокие показатели биомедицинских свойств имплантатов и значительно повышается уровень их адаптации к биоструктурам.

Литература

1. Родионов И.В., Серянов Ю.В. Применение технологии анодного оксидирования при создании биосовместимых покрытий на дентальных имплантатах // Вестник Саратовского государственного технического университета, №2 (12), 2006. С. 77-87.

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

3. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Основные функциональные свойства парооксидных биопокрытий костных титановых имплантатов // Инженерная физика. №5, 2006. С. 37-46.

4. Родионов И.В. Технология получения термооксидных биосовместимых покрытий дентальных имплантатов в аргонокислородной газовой смеси / Сб. материалов ХIII Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2006». Курск. Изд-во Курск. гос. техн. ун-та, 2006, Ч.2. С. 155-160.

5. 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.

6. 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.

7. 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 3-й Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.