Медицина / 7.

д.т.н., проф. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1799.2011.8.

Исследование остеоинтеграционной способности термооксидированных медицинских имплантатов в эксперименте in vivo

В современной медицине все более широко применяются достижения имплантологии, позволяющие полностью восстанавливать нарушенные либо утраченные функции организма. Одним из наиболее эффективных направлений при этом является использование имплантатов в ортопедической и стоматологической хирургии для лечения костных патологий опорно-двигательного аппарата и челюстно-лицевого отдела.

Костные имплантаты в организме функционируют в течение продолжительного времени, испытывая влияние факторов биосреды, включающих физико-химические и механические нагрузки. Для придания имплантатам наилучших качеств взаимодействия с биосредой при исключении опасности воспалительных процессов и отторжения конструкции и материалы имплантатов должны обеспечивать проявление их высокой биосовместимости и остеоинтеграционной способности. С этой целью при изготовлении имплантатов применяются биоинертные металлы, для создания остеоинтеграционных свойств на них наносятся покрытия из дорогостоящих биокерамических материалов. Используемые при этом технологические методы отличаются повышенной сложностью, что ограничивает уровень получаемых качеств остеоинтергации, сужает диапазон регулирования необходимых свойств покрытий. Из-за этого применение костных имплантатов с биокерамическими покрытиями не всегда характеризуется наилучшей медико-технической эффективностью и экономичностью.

Указанные недостатки не создаются при формировании термооксидных покрытий на поверхности металлоимплантатов за счет их обработки в окисляющих средах [1-3]. Использование процессов термического оксидирования позволяет получать на любых имплантационных металлах покрытия с необходимой однородностью структуры, равномерностью толщины, стабильностью высоких остеоинтеграционных качеств применительно к имплантатам сложной формы. В этих условиях обеспечивается возможность точного регулирования необходимых свойств покрытий в широком диапазоне изменения их показателей при использовании простых видов технологической оснастки и оборудования. Благодаря этому могут быть достигнуты высокая медико-техническая эффективность и клиническая результативность функционирования костных имплантатов с металлоксидными покрытиями, а также созданы наилучшие перспективы их применения и совершенствования.

Поэтому целью настоящей работы является экспериментально-клиническое определение способности интеграционного взаимодействия оксидированных металлических имплантатов с костной тканью для установления возможности эффективного расширенного применения медицинских имплантатов с термооксидными покрытиями.

Методика исследования

Опытные имплантаты представляли винтовые стержни из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т (ГОСТ 5632-72) и титанового сплава ВТ16 (ГОСТ 19807-74) – металлических материалов, наиболее часто используемых при изготовлении ортопедических и стоматологических имплантатов. Стержни изготавливались путем токарной обработки и подвергались пескоструйной обдувке поверхности корундовым абразивом дисперсностью 400 мкм для удаления загрязняющих слоев и создания исходной микрошероховатости. После этого, пескоструйно обработанные образцы проходили дополнительную ультразвуковую очистку в моющем растворе, представляющем электролит 40 г/л Na₃РО₄ в течение 25-30 мин при частоте ультразвуковых колебаний f=22 кГц и интенсивности W=1,2 Вт/см². Формирование оксидных покрытий проводилось в электропечи сопротивления с использованием двух способов химико-термической обработки: воздушно-термического и паротермического оксидирования.

Воздушно-термическое оксидирование применялось для получения покрытий на стальных имплантатах при температуре обработки 400, 500, 600, 700⁰С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре [4].

Паротермическое оксидирование использовалось при обработке титановых имплантатов при температуре 550⁰С и продолжительности процесса 2 ч [5].

Физико-химические и механические свойства, а также функциональные характеристики получаемых металлооксидных покрытий определялись с использованием целого комплекса методов исследований: рентгенофазового анализа, измерения толщины, профилометрии, потенциометрии, оптической микроскопии, измерения микротвердости и адгезионной прочности.

Испытания in vivo оксидированных стальных и титановых имплантатов 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 опытные стержни с покрытиями, полученными в различных условиях оксидирования: 1-4 группам – стержни из стали 12Х18Н9Т, обработанные на воздухе при t = 400, 500, 600 и 700⁰С соответственно, 5 группе – стержни из титанового сплава ВТ16, оксидированные в среде перегретого водяного пара при t = 550⁰С. Номер опытной группы животных соответствовал номеру опытной серии оксидированных образцов, полученных различными способами обработки.

Перед установкой образцов животным в большеберцовых костях просверливались каналы для вворачивания стержней. Учитывая, что прочностные характеристики кости на разных участках ее длины имеют существенные отличия, стержни каждой опытной серии устанавливались как в метафизарные, так и в диафизарные участки костей животных на период, составляющий 45 суток.

В постоперационный период всем животным проводилась превентивная антибиотиковая терапия цефазолином, санация зоны контакта «стержень – кость» 3%-м раствором перекиси водорода, а также выполнялись клинические и гистологические исследования.

Клиническая оценка остеоинтеграционной способности опытных стержней проводилась путем выявления характеристик состояния животных, включающих регистрацию температуры организма, поведение животных, опороспособность конечности, микроподвижность стержней, а также по уровню сопротивления вывертыванию стержней.

После удаления стержневых образцов из костей проводились микроскопические исследования гистосрезов границы ткани со стержнями в гистоморфологической лаборатории Саратовского научно-исследовательского института травматологии и ортопедии (СарНИИТО) и на лабораторной базе кафедры «Ветеринарная медицина» Саратовского государственного аграрного университета им Н.И. Вавилова под руководством проф. Анникова В.В.

Результаты исследования и их анализ

Покрытия, полученные на стальных и титановых стержневых имплантатах запатентованными способами термооксидирования [4, 5], имели различные характеристики в зависимости от режимов обработки (табл.).

Таблица

Характеристики термооксидных покрытий металлоимплантатов,

полученных различными способами оксидирования

Способ оксидирования	Материал имплантатов	Режим обработки			Характеристики покрытий
		рсреды, атм	t, ^0С	τ, ч	фазовый состав	толщина, мкм	адгезия, МПа	микротвердость, ГПа	пористость, %	потенциал коррозии, В (н.х.с.э)	шероховатость, мкм
											Rа	Rmax	Sm
Паротермическое	титановый сплав ВТ16	1,3-1,5	550	2	нестехиометрический оксид TiO2-х	45	40	6,8-6,9	40-45	0,06	0,9-1,2	4,4-5,6	10-12
Возду-шно-термическое	сталь 12Х18Н9Т	норм.	400	0,5	Fe, Fe2O3, FeNi, Ti3O5	25	23	4,8	34	-0,32	1,1	5,2	11
			500			30	24	5,0	38	-0,30	1,1	5,6	10
			600			40	26	5,5	40	-0,35	1,2	5,6	14
			700		Fe, Ti3O5	120	23-26	2,2	65	-0,80	1,4	5,8	28

Данные характеристики оказывали существенное влияние на приживляемость и функционирование имплантатов в костях лабораторных животных.

Так, в течение первой недели после операции существенных отличий в состояние животных всех опытных групп не отмечалось. У 7-ми животных регистрировалось повышение температуры до 39,2⁰С в течение 3-х суток, отказ от корма и воды отмечался в течение 2-х суток у 12-ти животных. Опороспособность на экспериментально-оперированную конечность наблюдалась уже на следующие сутки, которая в дальнейшем не нарушалась.

При локальном обследовании всех животных отмечалась ярко выраженная картина воспаления в зоне «стержень – кость» уже через сутки после имплантации, что проявлялось в виде отечности и гиперемии мягких тканей, их болезненностью при пальпации. Однако микроподвижность имплантатов не наблюдалась.

В первые четверо суток у 8-ми животных была отмечена незначительная экссудация из-под имплантируемых образцов, которая прекратилась без дополнительных лечебных воздействий. Данное явление может быть обусловлено мацерацией мягких тканей, возникающей при вворачивании стержней в кость.

По истечении первой недели эксперимента in vivo клиническая картина, характеризующая состояние животных, существенно изменилась, что связано с влиянием вида термооксидного покрытия и его свойств на окружающие биоструктуры.

У животных 1-3 и 5 групп практически исчезли симптомы воспаления мягких тканей – гиперемия и отечность. Пальпация тканей не вызывала беспокойства животных, микроподвижность стержней отсутствовала. Инфильтрация кожи на границе с имплантируемыми образцами исчезла, что обусловлено нормализацией гемодинамики в зоне контакта «стержень – кость» за достаточно короткое время.

У кроликов 1-3 и 5 групп также отмечалась положительная динамика в состоянии мягких тканей на границе с имплантатами. Однако малозаметная отечность, слабая гиперемия и незначительная экссудация из-под стержней могут свидетельствовать о некотором раздражении тканей в зоне контакта с поверхностью образцов.

У животных 4 группы при осмотре оперированных конечностей уже через трое суток после имплантации отмечался значительный синюшный отек, болезненность мягких тканей с последующей экссудацией, перешедшей затем в гнойную. При микроскопическом исследовании отделяемого были обнаружены фрагменты металлооксидов из состава покрытий, полученных путем воздушно-термического оксидирования при температуре 700⁰С и продолжительности 0,5 ч. Животные этой группы были вялые, сидели скученно, давление на имплантаты вызывало их беспокойство. Через неделю после операции пали двое животных этой опытной группы. Данные результаты свидетельствуют о низкой прочности оксидного покрытия на стальных стержневых имплантатах, из-за чего произошло отделение его частиц, развитие на металлической поверхности коррозионных процессов, инфицирование ткани в зоне контакта с последующей гибелью животных.

Изменения состояния тканей вокруг стержней, выявленные через месяц после имплантации, связаны со свойствами поверхности термооксидированных образцов, обработанных различными способами.

Состояние животных 1-3 и 5 групп характеризовалось отсутствием воспалительных реакций окружающих тканей и отделяемого вокруг стержней как в метафизарных, так и в диафизарных отделах кости. Общее состояние животных было удовлетворительным, они охотно принимали корм и воду, активно передвигались. Давление на каждый стержень не вызывало негативной реакции животных, что свидетельствовало об отсутствии некроза и формировании костной мозоли.

У животных 4 группы отмечалась экссудация из-под оксидированных стержней, установленных как в метафизарные, так и в диафизарные отделы кости.

Вышеуказанная тенденция сохранилась и на момент окончания эксперимента in vivo – по истечении 45 суток. Для извлечения стержней из костей животных 1-3 и 5 групп было необходимым применение ключа, что указывает на повышенную прочность взаимодействия оксидированной металлической поверхности с окружающей костной тканью. У животных 4 опытной группы стержни вывертывались вручную без значительного сопротивления при наличии существенных воспалительных явлений в зоне имплантации.

Исследование поверхности опытных оксидированных имплантатов после испытаний in vivo позволило оценить уровень остеоинтеграционной способности применяемых термооксидных покрытий (рис. 1, 2).

Рис.1. Оксидированные стержневые имплантаты с фрагментами костной ткани после испытания in vivo: а, б, в – сталь 12Х18Н9Т с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=400⁰С, 500⁰С, 600⁰С и τ =0,5 ч, соответственно (1-3 опытные серии образцов ); г – тит. сплав ВТ16 с паротермическим оксидным покрытием, полученным при t=550⁰С, τ =2 ч (5 опытная серия образцов)

Рис.2. Стальной стержневой имплантат с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=700⁰С и τ =0,5 ч (без костных частиц и со значительными участками коррозии поверхности, 4 серия образцов)

Стальные имплантаты (1-3 серии) с воздушно-термическими оксидными покрытиями, полученными при t=400⁰С, 500⁰С, 600⁰С и τ =0,5 ч, обладали поверхностной структурой, физико-химическими и механическими свойствами, создавшими необходимые условия для протекания их эффективной остеоинтеграции без появления ярко выраженных иммунных реакций тканей. Имплантаты успешно адаптировались в организме с образованием прочной взаимосвязи с окружающей костью, характеризовались отсутствием подвижности и смещений при функционировании. После извлечения имплантатов из костей животных отмечалось наличие на оксидированной поверхности значительных фрагментов костной ткани, что свидетельствует о выраженной остеоинтеграционной способности применяемых покрытий (рис.1 а, б, в).

Стальные имплантаты (4 серия) с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=700⁰С и τ =0,5 ч, характеризуется низким качеством, отсутствием необходимых показателей физико-химических и механических свойств, полным отсутствием остеоинтеграционной способности и биосовместимости, необходимых для эффективной адаптации биоструктур к имплантируемой технической системе (рис.2).

Титановые имплантаты (5 серия) с паротермическим оксидным покрытием имело поверхностно-гетерогенную и пористую структуру, обеспечившую их остеоинтеграцию и прочное закрепление в кости. При этом после 45 суток испытания на поверхности оксидированных имплантатов и в прилегающей к ним области было выявлено присутствие новообразованной костной ткани, указывающей на протекание нормальных раневых процессов в зоне имплантации и стимулированный рост кости (рис.1 г). Имплантаты с таким покрытием надежно функционировали в костях лабораторных животных на протяжении всего периода испытания in vivo.

Таким образом, результаты проведенных исследований показывают, что необходимым уровнем биосовместимости и выраженной остеоинтеграционной способностью обладают металлооксидные покрытия стальных имплантатов, созданные воздушно-термическим оксидированием при температурах 400, 500 и 500⁰С с продолжительностью 0,5 ч, а также покрытия титановых имплантатов, сформированные паротермическим оксидированием при температуре 550⁰С и продолжительности 2 ч. Данные покрытия проявили наибольшую остеокондуктивность и повышенную коррозионную устойчивость при клинических испытаниях.

Литература

1. Родионов И.В. Физико-химические и механические характеристики парооксидных биосовместимых покрытий титановых имплантатов // Материаловедение. №10, 2009. С. 25-34.

2. Родионов И.В. Получение оксидных биосовместимых покрытий на чрескостных титановых имплантатах методом паротермического оксидирования // Перспективные материалы. №5, 2009. С. 35-44.

3. Родионов И.В. Функциональные характеристики биопокрытий, полученных различными видами высокотемпературного оксидирования металлоимплантатов // Инженерная физика. №1, 2009. С. 17-22.

4. Патент РФ на изобретение №2412723. Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Карпова А.И. Опубл. 27.02.2011.

5. Патент РФ на изобретение № 2332239. Способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Ткачева А.В. Опубл. 27.08.2008.