Медицина / 7.

к.т.н. Родионов И.В.¹, д.в.н. Анников В.В.²,

к.т.н. Бутовский К.Г.¹, асп. Хапрова Т.С.²

Саратовский государственный технический университет¹

Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова²

Исследование биосовместимости оксидированных

чрескостных остеофиксаторов из стали 12Х18Н9Т in vivo

Наиболее распространенным и эффективным методом лечения переломов костей конечностей является внешняя фиксация костных отломков в заданном положении с помощью аппаратов остеосинтеза [1]. При этом через каждый отломок в диаметральном направлении проводятся имплантаты-фиксаторы в виде гладких спиц или резьбовых стержней, свободные концы которых закрепляются во внешних опорах аппарата. Это позволяет управлять положением костных отломков при сохранении функциональной подвижности конечности для улучшения процессов остеогенеза и сращения перелома.

В течение всего периода лечения и реабилитации больного чрескостные имплантаты-фиксаторы аппарата остеосинтеза испытывают влияние жидких биосред, а также воздействие механических нагрузок, передаваемых от костных отломков. Поэтому материалы остеофиксаторов должны обладать биомеханической совместимостью с окружающими тканями, при которой фиксаторы сохраняют заданный уровень функциональных свойств, а в биоструктурах не происходит выраженных иммунных реакций. Из числа таких материалов для изготовления фиксаторов часто применяют нержавеющую хромоникелевую сталь 12Х18Н9Т, характеризуемую биосовместимостью.

В условиях продолжительного функционирования стальных фиксаторов биоструктуры оказывают на них коррозионное воздействие, из-за чего на поверхности образуется пленка продуктов коррозии. Вследствие этого происходит изменение заданных свойств поверхности фиксаторов с нарушением стабильности их положения, а прилегающие биоструктуры насыщаются ионами металла, что представляет металлоз биотканей, вызывающий появление воспалительных процессов. По указанным причинам в контактной зоне вокруг фиксаторов образуется низкопрочный слой соединительной фиброзной ткани. Из-за этого под действием функциональных нагрузок происходит расшатывание фиксаторов в костной ткани с ее повреждением и усилением воспалительных процессов, создается опасность неудовлетворительного результата лечения.

Решение данной проблемы достигается путем создания на поверхности стальных фиксаторов покрытий, обладающих повышенным уровнем биосовместимости и биоинтеграционной способностью. Такие покрытия характеризуются морфологической гетерогенностью и, взаимодействуя с костными и мягкими тканями, проявляют способность к деструкции. Одновременно материал покрытий стимулирует прорастание клеток биотканей в имеющиеся поверхностные углубления и образующиеся микронесплошности. В результате происходит биоинтеграция покрытия фиксаторов, что уменьшает опасность их расшатывания и появления воспалительных осложнений, а также повышает стабильность остеосинтеза.

Указанную биоинтеграционную способность и качества биосовместимости могут проявлять оксидные покрытия стальных остеофиксаторов, которые формируются высокотемпературным оксидированием в воздушной атмосфере и в среде перегретого водяного пара за счет химического преобразования поверхностного слоя фиксаторов в металлооксидные соединения [2]. Поэтому целью работы являлось определение уровня биосовместимости термооксидированных стальных остеофиксаторов при клинических испытаниях на лабораторных животных.

Методика исследования

Опытные остеофиксаторы представляли винтовые стержни из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72), которые изготовлялись путем токарной обработки и подвергались пескоструйной обдувке поверхности для удаления загрязняющих слоев и химической активации. Последующее термическое оксидирование проводилось в электропечи сопротивления с использованием двух способов химико-термической обработки: воздушно-термического и паротермического оксидирования.

При воздушно-термическом оксидировании фиксаторов применялись воздушная атмосфера в печи и температуры обработки 400, 500, 600, 700⁰С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре. Паротермическое оксидирование выполнялось при температуре 550⁰С и выдержке 2 ч в атмосфере перегретого водяного пара.

Клинические испытания оксидированных опытных фиксаторов проводились на кроликах породы «черный великан». Животные имели возраст 9 месяцев, живую массу 3,5-4,0 кг и были разделены на 5 опытных групп по 3 животных в каждой. Указанным группам животных имплантировались остеофиксаторы с покрытиями, полученными в различных условиях оксидирования: 1-4 группам – остеофиксаторы, обработанные на воздухе при t = 400, 500, 600 и 700⁰С соответственно, 5 группе – остеофиксаторы, оксидированные в паровой среде при t = 550⁰С.

Животным выполнялся флексионный перелом большой берцовой кости в области средней трети диафиза, затем в отломках просверливались каналы для вворачивания фиксаторов. 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.

Оксидированные стержни функционировали в костных отломках животных до 45 суток, после чего они удалялись из организма и исследовались на предмет срастания поверхности покрытия с костной тканью. Вместе с тем, оценка качеств биосовместимости покрытий фиксаторов проводилась путем выявления характеристик состояния животных, включающих 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.

Кроме того, исследовалось изменение коррозионно-электрохимического поведения оксидированных фиксаторов путем измерения коррозионных потенциалов Е_с их оксидных покрытий как до, так и после проведения клинических испытаний. Коррозионное поведение опытных фиксаторов изучалось путем моделирования их взаимодействия с электролитом, имитирующим жидкую биосреду и представляющим раствор 0,9% NaCl в дистиллированной воде с величиной рН=7,4. Для потенциометрических исследований использовалась двухэлектродная термостатируемая измерительная ячейка, в которой опытный фиксатор размещался в качестве рабочего электрода (Р.Э.). Измерение коррозионного потенциала Е_с поверхности фиксаторов выполнялось относительно хлорсеребряного электрода сравнения (Э.С.) при температуре электролита 25, 30, 35, 40, 45⁰С. Регистрация потенциала производилась по цифровому мультиметру В7-21А, к которому были присоединены Р.Э. и Э.С.

Результаты исследования и их анализ

Клиническое испытание остеофиксаторов на животных 1 и 2 групп показало, что покрытия, полученные оксидированием хромоникелевой стали на воздухе при t = 400, 500⁰С и τ = 0,5 ч обладают высокими качествами биосовместимости и способностью эффективного физико-механического взаимодействия с костной тканью (рис. 1, 2). Такие оксидированные остеофиксаторы функционировали в организме все 45 суток и обеспечили надежное сращение переломов конечностей. При этом опора животных на оперированную конечность наблюдалась уже на следующие сутки после операции по внешней фиксации отломков, в дальнейшем опороспособность не нарушалась, микроподвижности фиксаторов и перемещения отломков не происходило.

Рис. 1. Внутрикостная часть остеофиксатора, оксидированного на воздухе при t = 400^0С, с костными фрагментами (после 45 суток)

Рис. 2. Внутрикостная часть остеофиксатора, оксидированного на воздухе при t = 500^0С, с костными фрагментами (после 45 суток)

У животных 3 и 4 групп при осмотре оперированных конечностей уже через трое суток после операции отмечался значительный отек, болезненность мягких тканей с последующим их потемнением вокруг фиксаторов и повышенной экссудацией, перешедшей затем в гнойную. При микроскопическом исследовании отделяемого были обнаружены фрагменты покрытий, полученных путем воздушно-термического оксидирования при температурах 600 и 700⁰С. Животные этих групп проявляли вялость, сидели скученно, нажим на фиксаторы вызывал их беспокойство. Через неделю после операции пали двое животных 4 опытной группы и одно животное 3 группы. Данные результаты могут характеризовать непрочность оксидного покрытия на фиксаторах, из-за чего произошло отделение его частиц, развитие на металлической поверхности коррозионных процессов, инфицирование биоткани в зоне контакта с последующей гибелью животных.

Таким образом, воздушно-термическое оксидирование стальных остеофиксаторов при t = 600, 700⁰С и τ = 0,5 ч приводит к образованию покрытия низкого качества с отсутствием биоинтеграционной способности и биосовместимости, необходимых для эффективной адаптации в биотканях (рис. 3, 5).

(после 7 суток)

Рис. 3. Остеофиксатор с воздушно-оксидным покрытием, полученным при t = 600⁰С, без костных частиц и значительными участками коррозии

(после 7 суток)

Рис. 4. Остеофиксатор с воздушно-оксидным покрытием, полученным при t = 700⁰С, без костных частиц и значительными участками коррозии

Животные 5 группы характеризовались положительной динамикой состояния мягких тканей на границе с фиксатором. Однако малозаметная отечность, слабая гиперемия и незначительная экссудация из-под фиксаторов могут свидетельствовать о некотором раздражении биотканей в зоне контакта с поверхностью покрытия, полученного оксидированием в среде перегретого водяного пара при температуре 550⁰С и продолжительности 2 ч. Поверхность оксидного покрытия фиксаторов после испытаний характеризовалась наличием крупных фрагментов костной ткани без участков коррозии, что говорит о высокой интеграционной способности и биосовместимости сформированных металлооксидов (рис. 5).

Рис. 5. Остеофиксаторы с парооксидным покрытием, полученным

при t = 550⁰С, имеющим костные фрагменты (после 45 суток)

Для извлечения фиксаторов из костей животных 1,2 и 5 групп было необходимо их вывертывание с помощью ключа, у животных 3, 4 групп фиксаторы вывертывались вручную без значительного сопротивления.

Потенциометрическое исследование коррозионно-электрохимической стойкости оксидированных фиксаторов до клинических экспериментов показало, что полученные отрицательные значения потенциала Е_с воздушно-оксидного покрытия повышаются с ростом температуры оксидирования фиксаторов серии 1, 2, 3, 4 от – 0,349 В при температуре 400⁰С до – 0,435 В при температуре 700⁰С (табл.). Такое же влияние на снижение потенциала поверхности оказывает нагрев электролита, что может быть связано с увеличением подвижности ионов в электролите и активизацией электродных процессов. Покрытие фиксаторов серии 1, полученное при температуре оксидирования 400⁰С, обладало наименьшим отрицательным потенциалом, равным – 0,349 В, который почти не изменялся с нагревом электролита. Это обусловлено наилучшим сочетанием толщины и плотности данного вида покрытия, что придает ему повышенную электрохимическую устойчивость.

Паротермическое оксидирование создавало на поверхности фиксаторов серии 5 покрытие, минимальный отрицательный потенциал Е_с которого составлял – 0,332 В и был меньше потенциала покрытий, полученных воздушно-термической обработкой. Повышение температуры электролита оказывало небольшое влияние на изменение потенциала. Возможным объяснением этого служат повышенная структурная плотность парооксидного покрытия и улучшенная микрошероховатость поверхности.

Таблица

Изменение коррозионного потенциала термооксидных покрытий

фиксаторов до и после клинических испытаний

№ опытной серии	Метод оксидирования		Температура модельного электролита, t, ^0С
			25		30		35		40		45
			Потенциал поверхности, Ес, В
			до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.	до исп.	после исп.
1	Воздушно-терм. окси-дирование, τ = 0,5 ч, t, ^0С	400	-0,349	-0,092	-0,350	-0,103	-0,352	-0,108	-0,351	-0,109	-0,351	-0,107
2		500	-0,359	-0,103	-0,365	-0,104	-0,372	-0,099	-0,380	-0,086	-0,414	-0,078
3		600	-0,362	-0,152	-0,364	-0,152	-0,387	-0,158	-0,402	-0,154	-0,412	-0,167
4		700	-0,375	-0,196	-0,407	-0,152	-0,415	-0,130	-0,424	-0,151	-0,435	-0,133
5	Паротерм. оксидирование, t = 550^0С, τ = 2 ч		-0,343	-0,145	-0,339	-0,151	-0,335	-0,153	-0,333	-0,154	-0,332	-0,154

Коррозионное поведение поверхности фиксаторов после проведения клинического исследования отличалось значительным смещением коррозионного потенциала в положительную сторону (табл.).

Воздушно-термическое оксидировние фиксаторов серий 1 и 2 при температурах 400 и 500⁰С обеспечило получение положительного сдвига потенциала покрытий в среднем на 0,247 В и 0,284 В соответственно; покрытие на фиксаторах серии 3, полученное при температуре 600⁰С дало средний положительный сдвиг потенциала на 0,228 В. Указанное явление, по-видимому, связано с тем, что наличие значительного числа структурных микронесплошностей и увеличенной высоты неровностей поверхности придавало оксидным покрытиям качества остеокондуктивности.

Температура оксидирования 700⁰С фиксаторов серии 4 создавала повышенные внутренние напряжения и малопрочное покрытие с положительным сдвигом потенциала в среднем на 0,259 В. Это можно объяснить появлением на поверхности оксидного покрытия пленки белковых структур, имеющей защитные свойства.

Паротермическое оксидирование фиксаторов серии 5 формировало покрытие, у которого коррозионный потенциал стал более положительным в среднем на 0,185 В, что также может быть связано с образованием на поверхности пленки белковых структур.

На основе представленных результатов можно сделать вывод, что метод и технологические режимы термического оксидирования стержневых остеофиксаторов из стали 12Х18Н9Т оказывают существенное влияние на электрохимическую активность и биоинтеграционные качества оксидных покрытий, а также обусловливают различный уровень их биосовместимости.

Подводя итог исследованию можно сказать, что отсутствие воспалительных осложнений у животных 1, 2 и 5 групп в ранний постоперационный период (7 суток), отсутствие микроподвижности фиксаторов в отдаленный период (45 суток), необходимость применения ключа для вывертывания фиксаторов по окончании эксперимента могут служить клиническим свидетельством наличия высокой биосовместимости оксидных покрытий фиксаторов, полученных воздушно-термической обработкой при температурах 400 и 500⁰С, а также паротермической обработкой при температуре 550⁰С.

Для проведения чрескостного остеосинтеза рекомендуется применять фиксаторы из стали 12Х18Н9Т с оксидными покрытиями, созданными при указанных режимах воздушно-термического и паротермического оксидирования, а также обладающими наибольшей коррозионной стойкостью в биосредах, высокими качествами биоинтеграции и обеспечившими эффективные результаты лечения при клинических испытаниях.

Литература

1. Бейдик О.В., Бутовский К.Г., Островский Н.В., Лясников В.Н. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза. – Саратов: Изд-во СГМУ, 2002. – 198 с.

2. Родионов И.В. Биоинтеграционная способность покрытий стальных ортопедических имплантатов, полученных высокотемпературной пассивацией на воздухе и в среде перегретого водяного пара / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Evropská vĕda XXI století – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 14 (Lékařství). S. 39-44.