Медицина / 7.

к.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Биосовместимые оксидные покрытия с бактерицидными свойствами на медицинских изделиях имплантационного назначения

Большую группу медицинских изделий имплантационного назначения представляют стоматологические и ортопедические имплантаты, выполняемые, как правило, из титана (ВТ1-0, ВТ1-00) и его сплавов (ВТ6, ВТ16), а также из нержавеющей хромоникелевой стали (12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т). При этом успех хирургического лечения различных костных патологий челюстно-лицевого отдела и опорно-двигательного аппарата с применением металлоимплантатов во многом зависит от качеств биосовместимости материалов их покрытий, наносимых на поверхность с помощью определенных технологических методов. Наиболее распространенными являются кальцийфосфатные покрытия имплантатов, обладающие высоким уровнем биоактивности и обеспечивающие эффективную остеоинтеграцию с прочным закреплением имплантатов в костной ткани.

Вместе с тем активно развиваются исследования по разработке и созданию оксидных покрытий на стоматологических и ортопедических костных имплантатах с целью придания им способности к интеграции с костными структурами и обеспечения высокого уровня приживляемости [1]. Это связано с тем, что многие известные биокерамические материалы для покрытий являются дорогостоящими, не всегда доступны, требуют разработки специальных методов синтеза и наносятся на имплантаты с использованием сложных технологических процессов. В этих условиях металлооксидные покрытия могут считаться альтернативой широко распространенным кальцийфосфатным покрытиям и характеризоваться более рациональным подходом при изготовлении костных имплантатов с остеоинтеграционными качествами.

Оксидные покрытия имплантатов, создаваемые путем электрохимического и газотермического видов оксидирования, не вызывают длительных аллергических реакций организма, а также не оказывают токсикологического действия на окружающие биоструктуры, что относится к основным показателям биосовместимости имплантационных изделий [2]. Данные свойства характеризуют инертность системы «имплантат – оксидное покрытие» к коррозионно-электрохимическому воздействию биожидкостей и во многом определяют продолжительность стабильного функционирования имплантатов.

Высокая прочность закрепления оксидированных имплантатов в кости обеспечивается за счет создания оксидных покрытий со способностью эффективного физико-механического взаимодействия с окружающей костной тканью. Такая способность обусловлена наличием у покрытий системы элементов поверхности, характеризуемой выраженной шероховатостью и морфологической гетерогенностью. Структурно-гетерогенная, пористая поверхность покрытий обеспечивает лучший контактный рост кости с более интенсивным протеканием тканевых реакций в сравнении с поверхностью, имеющей гладкий, однородный микрорельеф. Поэтому развитая оксидированная поверхность способствует, во-первых, активному прорастанию костных клеточных структур в поры и углубления оксидного слоя с протеканием процесса остеоинтеграции имплантата, во-вторых – направленной регенерации кости и ускоренному остеогенезу. В этих условиях происходит интенсификация деятельности биоструктур, стимулируется образование новой костной ткани и новых кровеносных микрорусел, восстанавливаются нормальные биологические процессы в зоне имплантации. Вместе с тем, оксидные покрытия стоматологических и ортопедических костных имплантатов обладают высокими показателями механических свойств, характеризующих необходимую механическую совместимость металлооксидов с тканями и действующими нагрузками.

Указанные особенности оксидных покрытий позволяют имплантатам хорошо адаптироваться к окружающим условиям организма, прочно закрепляться в кости и эффективно выполнять заданные медицинские функции.

В современной медицине считается, что успех хирургического лечения различных костных патологий опорно-двигательного аппарата и челюстно-лицевой области с применением имплантатов во многом зависит от протекания процессов регенерации костной ткани. Данные процессы нередко развиваются в условиях инфицирования имплантационной зоны и наличия очагов хронической инфекции, а также на фоне нарушенной микроциркуляции крови и образования кровяных сгустков. При этом в течение многих лет наиболее эффективным методом устранения подобных биологических явлений считалось применение местной антибиотиковой терапии и других веществ, ограничивающих деятельность патогенных микроорганизмов и нормализующих кровоснабжение в зоне имплантации. Применение имплантатов с оксидными покрытиями, модифицированными лантаном, имеющим природные бактерицидные свойства, может способствовать оптимизации процесса репаративного остеогенеза за счет обеспечения противомикробного и противовоспалительного действий, а также вследствие усиления фактора роста кости (остеостимуляции). Этим характеризуется инновационный подход к перспективному применению оксидных лантаносодержащих покрытий в костных имплантационных системах.

На данном основании проведены исследования по приданию оксидированным медицинским имплантатам бактерицидных свойств путем электрохимического модифицирования оксидных покрытий лантаном с использованием метода катодного внедрения [3].

Катодное внедрение осуществлялось в растворе, содержащем 0,5 М салицилата лантана ((С₇Н₅О₃)₃La) в диметилформамиде (ДМФ). Модифицированию в потенциостатическом и гальваностатическом режимах подвергались оксидные покрытия имплантатов, полученные методами электрохимического и газотермического оксидирования.

Клинические испытания имплантатов с оксидными покрытиями, катодно-модифицированными лантаном, проводились на лабораторных животных (кролики породы «черный великан»), в большеберцовые кости которых устанавливались опытные изделия.

Результаты предварительных испытаний показали, что лантаносодержащие оксидные покрытия способствуют ускоренному приживлению имплантатов с минимальным проявлением воспалительных процессов в тканях (табл.).

Анализ гистосрезов и морфологических изменений костных структур на границе с имплантатами позволил установить, что в течение 2-3 недель после имплантации у оксидированной лантаносодержащей поверхности формируется значительный объем костного регенерата, свидетельствующий о протекании стимулированной остеоинтеграции имплантатов. Кроме этого, приживление имплантатов почти не сопровождалось длительными воспалительными явлениями и аллергическими реакциями биоструктур, что может служить подтверждением эффективного бактерицидного действия лантана в составе оксидных покрытий (табл.).

Таблица

Результаты испытаний лантаносодержащих оксидированных имплантатов в костях лабораторных животных (продолжительность испытания 45 суток)

Материал имплантатов	Вид покрытия	Режим катодного внедрения La из р-ра 0,5М (С7Н5О3)3La в ДМФ	Клинико-биологические характеристики испытаний
			Морфологический анализ гистосрезов кости на границе с имплантатом	Микробиологический анализ мазков экссудата	Оптический анализ поверхности имплантатов после испытания
титановый сплав ВТ16	анодно-оксидное (200 г/л Н2SO4, i=50 мА/см^2, t=30^0С, τ=0,9 ч)	гальваностатический, при i=0,4 мА/см^2, t=30^0С, τ=0,5 ч	наличие значительного объема костного регенерата	отсутствие патогенных микроорганизмов и воспалительных явлений биоструктур	присутствие значительных фрагментов костной ткани, интегрированной с оксидным покрытием
сталь 12Х18Н9Т	воздушно-оксидное (t=400^0С, τ=0,5 ч)	потенциостатический, при U=3 В, t=30^0С, τ=0,5 ч	наличие тонкого слоя новообразованной костной ткани	незначительная микрофлорная активность на начальном этапе имплантации (1-3 сут)
	парооксидное (t=550^0С, τ=2 ч)	гальваностатический, при i=0,2 мА/см^2, t=30^0С, τ=0,5 ч		отсутствие патогенных раздражителей при непродолжительной аллергической реакции тканей (до 4 сут)

Результаты микробиологического анализа мазков экссудата не выявили содержания в биосреде имплантационной зоны значительных концентраций патогенных микроорганизмов как на начальном, так и на последующих этапах функционирования имплантатов. Из этого можно сделать вывод, что лантаносодержащие оксидные покрытия отличаются высокими биомедицинскими качествами и повышенной эффективностью при адаптации имплантатов в организме. Поэтому использование таких покрытий является перспективным на различных костных металлоимплантатах для стоматологии, травматологии и ортопедии.

Результаты проведенного исследования свидетельствуют о высокой эффективности применения имплантатов с оксидными лантаносодержащими покрытиями.

Литература

1. Родионов И.В. Перспективы применения костных имплантатов с металлооксидными биосовместимыми покрытиями / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konf. «Vĕdecký průmysl evropského kontinentu – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 12. S. 24-26.

2. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В. Электрохимические и газотермические оксидные биопокрытия чрескостных остеофиксаторов / Материали за IV Международна научна практична конф. «Постигането на висшето образование – 2008». София, България: Изд-во Бял ГРАД-БГ, 2008. Т.10. С. 22-26.

3. Родионов И.В. Лантаносодержащие оксидные покрытия на имплантатах для травматологии и ортопедии / Сб. трудов XV Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2009. Т.1. С. 571-573.