Медицина / 7. Клиническая медицина

 

К.т.н. Родионов И.В., к.т.н. Бутовский К.Г.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Структурно-функциональные характеристики термических и электрохимических оксидных биопокрытий медицинских костных имплантатов

 

При лечении переломов и деформаций костей опорно-двигательного аппарата человека наибольшую эффективность обеспечивает применение метода чрескостного остеосинтеза [1]. Он предусматривает проведение через костные сегменты имплантатов-фиксаторов в виде гладких спиц или резьбовых стержней при закреплении их свободных концов на внешних опорах аппарата остеосинтеза. Этим обеспечивается возможность управления положением костных сегментов для улучшения процессов сращения перелома и устранения деформаций. Применяемые фиксаторы должны обладать необходимой биомеханической совместимостью, чтобы воспринимать функциональные нагрузки, а также воздействие биожидкостей костных и мягких тканей. Из числа таких материалов для изготовления часто используемых стержневых фиксаторов применяются титановые сплавы, имеющие биоинертные свойства.

Биожидкости окружающих тканей оказывают коррозионное воздействие на поверхность титановых фиксаторов, что вызывает ионизацию атомов титана и металлов сплава. Возникшие ионы самопроизвольно диффундируют в прилегающие биоткани, а также образуют на поверхности пленку продуктов коррозии, вследствие чего создается металлоз тканей и происходит изменение поверхностных свойств фиксаторов [2]. Из-за этого вокруг фиксаторов образуется малопрочный слой соединительной фиброзной ткани, за счет чего под действием функциональных нагрузок происходит расшатывание фиксаторов, возникает воспаление прилегающих биотканей и создается опасность неудовлетворительного результата лечения.

Предупреждение указанных явлений достигается различными методами, из которых весьма перспективным представляется создание на фиксаторах покрытий из материалов, способных к проявлению биоактивности. При взаимодействии с биоструктурами на поверхности таких материалов возникают биоэлектрохимические реакции, благодаря которым стимулируется прорастание клеток биотканей в углубления и поры поверхности, а также в образующиеся микронесплошности структуры покрытия. В результате происходит биоинтеграция покрытия фиксаторов, что устраняет опасность их расшатывания, снижения стабильности фиксации и появления воспалительных осложнений.

Биоактивность проявляют некоторые виды кальцийфосфатной керамики, а также оксиды биоинертных металлов и их сплавов. Методы нанесения керамических покрытий предусматривают использование термомеханических и электрофизических принципов, которые обусловливают формирование неоднородности структуры и свойств покрытий, ограничивая качества биоактивности. При получении титанооксидных биопокрытий происходит химическое преобразование поверхностного слоя фиксаторов под воздействием специальных реагентов или электрического тока в оксидные соединения с высокими способностями к биоактивности. Методы оксидирования титановых фиксаторов формируют на поверхности оксидное покрытие, состоящее в основном из диоксида TiO2 с высоким уровнем свойств, придающих ему качества биоактивности [3-5]. К таким свойствам относятся адгезионно-когезионные качества и толщина, коррозионные потенциалы, параметры шероховатости, морфологии и пористости поверхности, которые формируются в соответствии с условиями окисления.

Определение фазового состава и других названных свойств титанооксидных биопокрытий проводилось при использовании методов рентгенофазового анализа с помощью дифрактометра ДРОН-4, измерения толщины на микрошлифах, потенциометрического установления коррозионного потенциала, нормального отрыва склеенных образцов, измерения микротвердости, анализа изображений микроструктур с помощью оптико-компьютерного комплекса АГПМ-6М, профилометрического определения параметров шероховатости.

При создании титанооксидных покрытий на фиксаторах и других медицинских имплантатах наиболее распространенными являются методы термического и анодного оксидирования. Перед оксидированием производится подготовка поверхности фиксаторов для удаления загрязняющих слоев, химической активации и формирования микрорельефа.

Подготовка поверхности титановых фиксаторов, а также специальных плоских образцов для исследования включала несколько основных этапов. Обезжиривание в специальном моющем растворе, промывка в дистиллированной воде и в спирте производились с воздействием ультразвуковых колебаний, что обеспечило высокую степень очистки поверхности. Химическая активация и создание исходного микрорельефа осуществлялись путем пескоструйной обработки фиксаторов и образцов при воздействии воздушно-абразивной струи. В результате поверхность приобретала микропластические деформации и внутренние напряжения, что обеспечивало повышение ее химической активности и формирование выраженного микрорельефа. Благодаря этому повышается эффективность процесса окисления, создаются необходимые параметры структурного состояния оксидного покрытия, улучшаются его адгезионные свойства и морфологическая гетерогенность.

Термическое оксидирование характеризуется воздействием высоких температур на фиксаторы, помещенные в печь с определенным составом атмосферы, при заданной продолжительности обработки. Технологические условия оксидирования направлены на формирование оксидного слоя TiO2 с наилучшими свойствами, а также на предотвращение образования твердых нитридов TiN, вызывающих охрупчивание покрытия.

В зависимости от состава газовой атмосферы при термическом оксидировании применялось газотермическое и паротермическое оксидирование фиксаторов.

Газотермическое оксидирование предусматривало применение аргоно-кислородной окислительной атмосферы, температуры 10000С, продолжительности 2-2,5 ч с окончательным охлаждением фиксаторов в атмосфере аргона.

Паротермическое оксидирование характеризовалось использованием атмосферы перегретого водяного пара при температурах около 5000С, продолжительности несколько часов, охлаждением с выключенным нагревом печи в атмосфере пара до температуры около 2000С и последующим охлаждением на воздухе.

Анодное оксидирование фиксаторов производилось путем электрохимической обработки в ванне с раствором Н2SO4, нормальной температуре и анодной плотности тока около 50 мА/см2 в течение 1 ч. При подключении фиксаторов в качестве анода и применении титанового катода происходят процессы анодного образования катионов титана и катодного формирования анионов кислорода, протекает окисление титана и возникает оксидное покрытие с заданными качествами.

Результаты определения функциональных свойств титанооксидных покрытий на чрескостных фиксаторах после математической обработки подвергались комплексному анализу и сравнительной биотехнической оценке (табл.).

 

Таблица

Параметры термических и электрохимических оксидных покрытий

титановых остеофиксаторов

 

Метод

 оксидирования

Характеристики оксидного покрытия

Фазовый состав (РФА)

Тол-щина, мкм

Потенциал коррозии, В

Адгезия, МПа

Микротвердость МПа

Радиус пор, мкм

Открытая пористость, %

Параметры шероховатости, мкм

Ra

Rz

Rmax

Sm

Газотер-мическое

TiO2

40-50

0,25

30

400

8,0

35

1,20

3,62

5,23

12

Паротермическое

TiO2, Ti2O3

35-45

0,20

35

500

8,6

30-35

1,20

3,62

5,56

12

Анодное

TiO, СuO, TiO2

30-40

0,15

25

350

10

35-40

1,34

3,40

5,50

10

 

Фазовый состав оксидных покрытий характеризовался наличием только фазы TiO2 у покрытия, полученного газотермическим оксидированием, что придает однородность и другим его свойствам. В составе анодного покрытия присутствовала фаза СuО благодаря добавке в электролит оксидирования сернокислой меди CuSO4, за счет чего интенсифицировался рост толщины покрытия.

Толщина покрытий приобретала наибольшее значение в условиях газотермического оксидирования, наименьшее – при анодировании. Это связано с интенсивностью процессов окисления и может определять глубину биоактивного взаимодействия покрытия с прилегающими тканями.

Коррозионный потенциал имел наименьшую величину у покрытия, полученного анодированием, что характеризует его пониженную термодинамическую устойчивость с возможностью начала коррозионного процесса. Данное свойство покрытия можно объяснить увеличенными значениями пористости и шероховатости, из-за чего облегчается переход атомов металла в ионное состояние при взаимодействии с биотканями, повышая опасность их металлоза и воспаления.

Адгезионно-когезионные параметры характеризовались повышенными значениями для покрытия, полученного паротермическим оксидированием. В этих условиях формировалась двухфазная структура из диоксида TiO2 и секвиоксида Ti2O5, имеющего повышенную плотность и прочность, что обусловило рост физико-механических свойств покрытия.

Пористость отличалась наибольшими показателями у анодно-оксидного покрытия, состоящего из трех фаз с различными значениями удельного объема. Возникающие из-за этого внутренние напряжения приводят к образованию пор, трещин и других микронесплошностей структуры покрытия, что улучшает процессы биоинтеграции фиксаторов.

Микрорельеф поверхности покрытий, полученных различными методами оксидирования, характеризовался близкими числовыми показателями. Их значения соответствуют средней степени морфологической гетерогенности титанооксидных покрытий.

Приведенные результаты исследования свойств полученных видов титанооксидных биопокрытий, их анализ и сопоставление дали возможность сформулировать обоснованные биотехнические принципы выбора рационального метода оксидирования чрескостных фиксаторов. Данные принципы учитывают требования необходимой жесткости и стабильности чрескостной фиксации, связанные с уровнем функциональных нагрузок на фиксаторы и продолжительностью лечения.

Невысокие нагрузки на фиксаторы допускают использование покрытий пониженной толщины и прочности, получаемых при анодном оксидировании; кроме этого возможно применение термических методов. Средние и высокие функциональные нагрузки предъявляют жесткие требования к толщине и прочности биопокрытий, для чего следует использовать термические виды оксидирования.

Непродолжительные сроки лечения простых видов перелома позволяют применять биопокрытия ограниченной толщины, получаемые всеми рассмотренными видами оксидирования. Увеличенные сроки лечения сложных переломов обусловливают значительную глубину остеоинтеграции покрытия с опасностью травматизации биотканей при удалении фиксаторов. Поэтому для таких условий рекомендуется использование покрытий небольшой толщины, формируемых за счет анодного оксидирования фиксаторов.

 

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., Бутовский К.Г. Коррозионное поведение оксидных биопокрытий костных титановых имплантатов, получаемых паротермическим оксидированием // Технологии живых систем. Т.3, №5-6, 2006. С. 74-78.

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., Бутовский К.Г., Бейдик О.В.  Парооксидные биопокрытия стержневых фиксаторов при чрескостном остеосинтезе / Сб. статей общероссийской с международным участием научн. конф. «Полифункциональные химические материалы и технологии». Томск, 2007. С. 238-241.

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