Медицина / 7.

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

Саратовский государственный технический университет¹

Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова²

Электрохимические и газотермические оксидные биопокрытия чрескостных остеофиксаторов

В лечении костных переломов, деформаций, ложных суставов, контрактур и других патологий эффективно применяется метод внешней фиксации сегментов кости с помощью чрескостных фиксаторов аппарата остеосинтеза [1]. В течение периода лечения спицевые и стержневые фиксаторы обеспечивают стабилизацию заданного положения костных отломков и жесткость фиксации аппарата, испытывая при этом влияние биожидкостей окружающих тканей и механические воздействия от функциональных нагрузок на костный сегмент.

В большинстве случаев положительные результаты лечения достигаются за счет использования стержневых остеофиксаторов, которые изготовляются из биоинертного титанового сплава ВТ16, а также биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т. Однако в ряде клинических ситуаций происходит расшатывание фиксаторов в костной ткани под действием функциональных нагрузок, создается повреждение биоструктур и возникают воспалительные процессы. Особенно характерны данные явления при лечении переломов сильнонагруженных костей опорно-двигательного аппарата.

Для предотвращения указанных явлений на поверхности фиксаторов формируется покрытие, материал которого отличается высокими качествами биосовместимости и может проявлять биоактивность. Кроме того, покрытие фиксаторов способствует их прочному закреплению в кости за счет обеспечения остеоинтеграции.

К числу перспективных методов создания таких покрытий относится оксидирование фиксаторов, при котором необходимая эффективность может быть достигнута за счет применения определенных технологических условий анодного, воздушно-термического, паротермического и аргонокислородного видов оксидирования [2-5].

1. Анодное оксидирование фиксаторов из титанового сплава ВТ16 с целью получения на них покрытия с остеоинтеграционными качествами может осуществляться в электролите, представляющем водный раствор серной кислоты с добавкой сульфата меди, при концентрации содержащихся компонентов на уровне 200 г/л Н₂SO₄ и 50 г/л CuSO₄ · 5 Н₂О. Добавка CuSO₄ в сернокислый электролит, во-первых, способствует ускоренному росту толщины покрытия за счет активирующего действия ионов Cu на титановый анод, во-вторых – образованию оксида CuO в составе титанооксидного покрытия, чем обеспечиваются антисептические свойства оксидированной поверхности.

Анодная обработка титановых остеофиксаторов производится при установленных оптимальных режимах электролиза со значениями его параметров U_пост = 30-100 В, i_а= 1-3 А/дм², t = 25-50⁰С, τ = 0,3-0,9 ч. В данных условиях сернокислотного анодирования создается покрытие с высокими показателями шероховатости и морфологической гетерогенности поверхности, благоприятным фазовым составом из биоинертных оксидов Тi, хорошими защитными свойствами. Указанные характеристики покрытия обеспечивают высокий уровень биомеханической совместимости оксидированных фиксаторов с костной тканью, способствуют их эффективной остеоинтеграции с формированием прочной биотехнической системы «фиксатор с покрытием – кость». Это подтверждается результатами клинических испытаний анодированных титановых остеофиксаторов на лабораторных животных, представляющих кроликов породы «черный великан», которые показали высокую остеоинтеграционную способность покрытий, а также повышенный уровень их адаптации к биоструктурам без возникновения аллергенных реакций и протекания воспалительных процессов в тканях (табл.).

2. Воздушно-термическое оксидирование является эффективным методом обработки чрескостных фиксаторов в случае их изготовления из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т [3]. При этом формирование оксидного покрытия осуществляется за счет нагрева фиксаторов в электропечи с воздушной атмосферой и определенной температурой в течение необходимой продолжительности.

Путем экспериментальных исследований было установлено, что рациональными режимами воздушно-термического оксидирования стальных фиксаторов для получения покрытий с качествами биосовместимости являются значения температуры нагрева воздуха 400, 500⁰С и продолжительности обработки 0,5 ч. В данных условиях оксидирования создается покрытие с поверхностной структурой, физико-химическими и механическими свойствами, благоприятствующими протеканию процесса его остеоинтеграции и улучшающими приживляемость фиксаторов (табл.).

Таблица

Результаты клинической апробации стержневых остеофиксаторов,

оксидированных в различных технологических условиях

Методы оксидирования	Металл фиксаторов	Режимы оксидирования			Фазовый состав покрытия	Характеристики испытания фиксаторов в большеберцовых костях кроликов
		t, ^0С	τ, ч	i, А/дм^2		Появление восп. ослож.	Период испытания 45 суток	Внеш. вид пов-сти фиксаторов после извлечения	Микробиоанализ мазков экссудата
Анодирование в электролите 200 г/л Н2SO4 + 50 г/л CuSO4 · 5 Н2О	тит. сплав ВТ-16	30	0,3	1-3	TiO2, СuO	-	приживление	со значительными костными фрагментами	отсутствие патогенной микрофлоры и аллергической реакции
Воздушно-термическое	сталь 12Х18Н9Т	400	0,5	-	FeNi, Fe, Ti3O5, Fe2O3	-	приживление
		500		-		-	приживление
		600		-		через 3 сут.	отторжение через 7 сут.	с большими участками коррозии	существенные воспалительные явления
		700		-	Fe, Ti3O5	через 3 сут.	отторжение через 5 сут.
Паротермическое	тит. сплав ВТ-16	450	3	-	TiO2, Ti2O3	-	приживление	со значительными костными фрагментами	отсутствие патогенной микрофлоры и аллергической реакции
	сталь 12Х18Н9Т	550	1,5	-	Fe2O3, Ti3O5	через 3 сут.	приживление	с мелкими костными частицами

Примечание. Перед оксидированием остеофиксаторы подвергались пескоструйной обработке корундовым абразивом для создания исходной микрошероховатости поверхности

Повышенные температуры воздушно-термического оксидирования, составляющие 600, 700⁰С и более, не позволяют получить покрытие с необходимыми для адаптации фиксаторов функциональными показателями. Это было доказано путем проведения как лабораторных исследований биомеханических характеристик покрытий, так и выполнением клинических испытаний фиксаторов в костных сегментах животных (табл.).

3. Паротермическое оксидирование характеризуется рациональностью применения при создании оксидных биопокрытий на титановых и стальных остеофиксаторах. Данный метод оксидирования обусловлен высокотемпературным воздействием на металл перегретого водяного пара, подаваемого в печь с определенной температурой под давлением 1,2-1,3 атм.

Как было установлено в ходе экспериментов in vitro, парооксидные покрытия, сформированные на металлофиксаторах при температурах 450-550⁰С и продолжительности 1,5-3 ч, обладают ярко выраженной морфологией с наличием открытых пор различного размера и крупных выступающих частиц, а также характеризуются высокой степенью шероховатости поверхности. Данные поверхностно-структурные признаки являются следствием микрорастрескивания и фрагментации металлооксидов из-за возникновения в них больших внутренних напряжений. Образующаяся при этом трещиноватость поверхности покрытий благоприятствует проникновению костных клеточных структур в имеющиеся микронесплошности и обеспечивает эффективную остеоинтеграцию фиксаторов [6].

В отношении коррозионной устойчивости парооксидных покрытий можно сказать, что их защитные свойства находятся на среднем уровне, достаточном для нормального функционирования титановых и стальных фиксаторов в химически нейтральных биосредах (табл.).

4. Аргонокислородное оксидирование рассматривается как перспективный метод формирования остеоинтеграционных покрытий на титановых чрескостных металлофиксаторах [7]. Данный метод предусматривает высокотемпературное воздействие на титан инертно-окислительной смеси из аргона и кислорода для предотвращения образования в покрытии малопрочных и низкокоррозионностойких титанонитридных, а также других соединений, существенно ухудшающих биомеханические свойства покрытия. Аргонокислородное оксидирование позволяет получить покрытие на титане с однофазным составом, включающим биоинертный диоксид ТiO₂, улучшенными физико-механическими характеристиками и качествами биосовместимости [5].

Путем изготовления титановых и стальных фиксаторов с помощью вышеуказанных методов оксидирования достигается повышение их приживляемости в биоструктурах и надежность закрепления в кости, обеспечивается жесткость фиксации костных фрагментов и аппарата внешнего остеосинтеза. Кроме того, оксидированные чрескостные фиксаторы с остеоинтеграционными качествами могут способствовать уменьшению периода сращения переломов и снижению неудовлетворительных результатов лечения за счет создания возможности точной репозиции костных фрагментов, необходимого их перемещения и направленного репаративного остеогенеза.

Указанные преимущества фиксаторов с оксидным покрытием в отличие от фиксаторов без покрытия обусловлены формированием прочной биомеханической взаимосвязи морфологически гетерогенного покрытия с окружающими костными структурами, а также исключением вероятности расшатывания оксидированных фиксаторов под действием внешних нагрузок.

Таким образом, электрохимические и газотермические оксидные биопокрытия металлофиксаторов позволяют повысить стабильность их функционирования в составе систем внешней фиксации при лечении различных костных патологий опорно-двигательного аппарата и обеспечить эффективные результаты наружного чрескостного остеосинтеза. Особенно актуальным является применение оксидированных фиксаторов в лечении переломов сильнонагруженных костных сегментов, т.к. действующие механические нагрузки часто вызывают расшатывание фиксаторов в кости, в результате чего снижается жесткость фиксации аппарата остеосинтеза, происходит смещение костных фрагментов, возникают существенные послеоперационные осложнения.

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. Характеристики биомеханической совместимости оксидных покрытий медицинских титановых имплантатов, полученных анодной обработкой в сернокислых электролитах / Маtеriały IV Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowym progres na rubieży tysiącleci – 2008». Przemyśl, Polsкa: Nauka i studia. Tym 17 (Chemia i chemiczne technologie). S. 12-19.

3. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Получение биосовместимых морфологически гетерогенных покрытий на стальных остеофиксаторах воздушно-термическим оксидированием / Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 103-108.

4. Родионов И.В. Создание остеоинтеграционных оксидных покрытий на чрескостных титановых фиксаторах паротермическим оксидированием / Материали за IV Международна научна практична конф. «Научно пространство на Европа – 2008». София, България: Изд-во Бял ГРАД-БГ, 2008. Т.22 (Химия и химически технологии). С. 37-41.

5. Родионов И.В. Потенциометрическое исследование коррозионно-электрохимической стойкости оксидных биопокрытий медицинских титановых имплантатов, полученных аргонокислородным оксидированием / Маtеriały IV Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowym progres na rubieży tysiącleci – 2008». Przemyśl, Polsкa: Nauka i studia. Tym 17 (Chemia i chemiczne technologie). S. 24-27.

6. Патент РФ № 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.

7. Патент РФ № 2322267. Способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Серянов Ю.В. Опубл. 20.04.2008.