Медицина / 7.

д.т.н. Родионов И.В.

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Россия

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1799.2011.8.

Разработка функциональных металлооксидных покрытий имплантатов для чрескостного остеосинтеза

В травматолого-ортопедическом лечении костных переломов, ложных суставов, контрактур, а также в исправлении различных деформаций костных сегментов эффективно применяется метод наружного чрескостного остеосинтеза, предусматривающий использование спицевых и стержневых имплантатов-металлофиксаторов в составе аппаратов внешней фиксации [1-3].

С помощью аппаратов внешней фиксации осуществляется репозиция костных фрагментов либо сегментов в заданном положении. Наиболее часто аппараты внешней фиксации применяются в хирургической травматологии при лечении переломов костей конечностей. Данные аппараты представляют технические системы для управляемого чрескостного остеосинтеза, в которых для совмещения костных отломков, обеспечения их точной фиксации и стимулирования направленного остеогенеза используются имплантаты в виде гладких спиц и резьбовых стержней, выполняемых в большинстве случаев из нержавеющей стали 12Х18Н9Т и титанового сплава ВТ16 [4]. Такие имплантаты-фиксаторы проводятся через кость в диаметральном направлении, их свободные концы закрепляются во внешних опорах аппарата, что позволяет управлять положением костных отломков и обеспечивать эффективное сращение перелома.

Имплантаты-остеофиксаторы в составе аппаратов внешней фиксации являются наиболее важными конструктивными элементами, т.к. функционируют в организме и обеспечивают закрепление наружных деталей аппаратов. Кроме того, с помощью остеофиксаторов создается необходимое компрессионно-дистракционное действие в зоне перелома кости, что стимулирует направленный остеогенез и ускоряет сращение отломков.

Метод наружного чрескостного остеосинтеза с применением аппаратов внешней фиксации хорошо зарекомендовал себя как в отечественной, так и зарубежной травматолого-ортопедической практике лечения костных патологий. В настоящее время особенно перспективным представляется использование аппаратов внешней фиксации в нейрохирургии для исправления врожденных или приобретенных деформаций позвоночника и устранения последствий ишемического инсульта, что было доказано профессорами Шаломовым И.И. и Бейдиком О.В. В первом случае восстановление нормальных функций и положения позвоночника достигается за счет создания в его сегментах определенно направленных механических усилий, постепенно корректирующих их взаимное расположение. Такое действие обеспечивается благодаря использованию специального аппарата фиксации со стержневыми остеофиксаторами, закрепляемыми в сегментах позвоночника и создающими их заданное перемещение. Во втором случае устранение последствий ишемического поражения головного мозга достигается путем обеспечения периодических механических раздражений биотканей черепа, что позволяет интенсифицировать протекание в них биофизикохимических процессов, благоприятно влияющих на ускоренное восстановление утраченных биологических функций. Так, при установке аппарата фиксации на определенном участке кости черепа, заданные перемещения стержневых имплантатов-остеофиксаторов создают изменение величины механических напряжений в биоструктурах, что стимулирует процессы роста костных клеток. В этих условиях происходит образование новых капилляров и сосудов, чем восстанавливается нарушенное мозговое кровообращение и минимизируются последствия ишемического инсульта.

Основными биомеханическими особенностями лечения переломов с применением метода наружного чрескостного остеосинтеза являются обеспечение точной репозиции и жесткой фиксации отломков, а также возможность управления их положением в процессе хирургического лечения. Кроме того, данный метод позволяет избежать существенного травмирования костной ткани при установке внешних опорных конструкций аппаратов фиксации.

Важной проблемой эффективного применения металлических имплантатов для чрескостного остеостинтеза является обоснованный выбор оптимальных параметров их поверхностной структуры для обеспечения прочной взаимосвязи с окружающей костной тканью [5, 6]. Данная взаимосвязь может быть достигнута преимущественно за счет макро- и микроинтеграционного взаимодействия поверхности имплантатов с костью. При этом необходимо, чтобы внутрикостная поверхность имплантатов обладала высоким уровнем биосовместимости и выраженной гетерогенной структурой с наличием большого количества открытых пор, размер которых должен обеспечивать нормальное проникновение костных клеток с последующим зарастанием всей поверхности костным регенератом.

Создание благоприятных условий для протекания остеоинтеграционных процессов имплантатов обеспечивают открытопористые биосовместимые покрытия на основе нетоксичных металлооксидных соединений с величиной суммарной открытой пористости на уровне 30-60% и размером пор 20-200 мкм. Такие покрытия стимулируют репаративный остеогенез и обладают высокими остеокондуктивными свойствами. Наличие большого количества пор приводит к существенному возрастанию величины удельной поверхности, способствует адсорбции увеличенного количества адгезивных белков, ускоряет миграционные клеточные механизмы и транспортные биохимические системы, создавая оптимальные условия для образования новой костной ткани.

Открытопористые металлооксидные покрытия за счет обеспечения высокой сорбционной активности способствуют интенсификации фактора роста кости, т.е. остеостимуляции, вызывая ускорение процессов костеобразования [7-9].

Были проведены исследования создания и применения металлооксидных покрытий на ортопедических стержневых имплантатах для чрескостного остеосинтеза, выполняемых из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т и титанового сплава ВТ16.

Покрытия создавались методом паротермического оксидирования с применением определенной технологической последовательности операций предварительной подготовки поверхности имплантатов (рис. 1).

Рис. 1. Маршрутная схема операций предварительной обработки (подготовки) поверхности имплантатов

Паротермическое оксидирование проводилось в камерной электропечи экспериментальной нагревательной установки при различных технологических режимах (рис. 2). Металлооксидное покрытие на имплантатах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т формировалось при температуре нагрева 500⁰С и продолжительности 0,5 ч. Покрытие на имплантатах из титанового сплава ВТ16 создавалось при температуре 400⁰С и продолжительности 1,5 ч.

Рис. 2. Схема установки паротермического оксидирования:

ПК – печь камерная, ПГ – парогенератор, БПУ – блок питания и управления

Сущность данного метода обработки заключается в термическом модифицировании поверхностей металлических имплантатов с помощью процессов оксидирования. В результате на поверхности формируется слой собственных оксидов металлов, входящих в химический состав металлической основы. Образующиеся на поверхности металлооксидные соединения в виде покрытия отличаются от металла основы повышенными механическими и защитными характеристиками, а также способностью длительное время сохранять свои функциональные свойства в условиях различных воздействий без разрушения металлооксидной матрицы.

Паровая реакционная среда подается в камеру оксидирования печи под определенным давлением, которое поддерживается на протяжении всей продолжительности оксидирования.

Получение термооксидного покрытия происходит в условиях взаимодействия металлической поверхности с реакционными компонентами парогазовой среды, в результате чего формируются поверхностные металлооксидные системы определенной толщины и структуры. При этом путем изменения толщины покрытия изменяются его свойства и морфология. Так, по мере роста покрытия в толщину возрастает его пористость, степень шероховатости и морфологической гетерогенности поверхности, что приводит к созданию благоприятных условий для остеоинтеграции имплантатов. Поэтому, для создания покрытий с высокой остеоинтеграционной способностью необходимо формировать металлооксидные системы с повышенной открытой пористостью и шероховатостью, а также морфологической гетерогенностью поверхности.

При исследовании характеристик термооксидированных поверхностей имплантатов было установлено, что покрытия на стали 12Х18Н9Т имеют, в основном, четырехфазную структуру, включающую интерметаллид FeNi, Fe, оксиды Ti₃O₅ и Fe₂O₃. Оксиды Cr и Ni присутствовали в покрытии в весьма малых, «следовых» количествах, что, вероятнее всего, связано с высокой жаростойкостью этих элементов, а также трудностью идентификации некоторых слабоинтенсивных дифракционных линий при рентгенофазовом анализе.

Покрытия на титановом сплаве ВТ16 состоят, в основном, из высококоррозионностойкого диоксида TiO₂ с наличием весьма малого содержания низших оксидов Ti₂O₃ и Ti₃O₅.

Рельеф и морфологическая структура поверхности покрытий стальных и титановых имплантатов носят развитый характер, что является следствие формирования оксидных слоев на предварительно пескоструйно обработанных поверхностях, имеющих исходную выраженную микрошероховатость. Образование покрытий на таких микрошероховатых металлических поверхностях происходит по принципу копирования профиля рельефа исходной поверхности профилем рельефа получаемого оксидного покрытия. В результате создается морфологически развитое шероховатое покрытие с гетерогенной поверхностной структурой, имеющей многочисленные микронеровности, включая открытые поры, углубления и частицы различного размера (табл.).

Таблица

Характеристики микроструктуры поверхности металлооксидных покрытий стальных и титановых имплантатов

Материал имплантата	Режим паротермического оксидирования	Размер пор, мкм	Размер частиц, мкм	Суммарная открытая пористость, %	Параметры шероховатости, мкм
					Ra	Rmax	Sm
Сталь 12Х18Н9Т	t=500^0C, τ =0,5 ч	28	17	30	1,1	5,4	12
Титановый сплав ВТ16	t=400^0C, τ =1,5 ч	35	18	35	1,2	5,6	18

Такая структура поверхности способна обеспечить эффективное взаимодействие ортопедических имплантатов с костной тканью. Кроме того, данное гетерогенное строение является благоприятным для протекания остеоинтеграции и может способствовать формированию прочной биотехнической системы «имплантат – окружающая кость».

В результате проведения клинических испытаний стержневых имплантатов (остеофиксаторов) на лабораторных кроликах было установлено, что стальные и титановые стержни с паротермическим металлооксидным покрытием проявили высокую способность интеграционного взаимодействия с костной тканью по истечении 50 суток функционирования в большеберцовых костях животных. На поверхности таких имплантатов после извлечения из костей присутствовали крупные фрагменты костной ткани, прочно соединенной с оксидным покрытием (рис. 3). При этом не было выявлено следов протекания коррозионных процессов, что свидетельствует о высокой биосовместимости и коррозионной устойчивости оксидированых имплантатов.

Рис. 3. Внешний вид чрескостных стержневых имплантатов с паротермическим металлооксидным покрытием после испытания in vivo: а – имплантат из стали 12Х18Н9Т; б – имплантат из титанового сплава ВТ16

Как видно из рис. 3, после извлечения стержней из организма животных наблюдалось присутствие на винтовой оксидированной поверхности значительного объема новообразованной костной ткани. Это свидетельствует о протекании на такой модифицированной поверхности интенсивного костеобразования и о выраженной остеоинтеграционной способности применяемых металлооксидных покрытий.

Таким образом, металлические имплантаты для чрескостного остеосинтеза с функциональными пористыми и морфологически развитыми термооксидными покрытиями показали повышенную эффективность применения за счет обеспечения стимулированного роста костной ткани и ускоренной остеоинтеграции.

Литература

1. Афанасьев Д.В., Левченко К.К. Стержневой и спице-стержневой чрескостный остеосинтез в лечении деформаций проксимального отдела бедра / Аспирантские чтения. Вып.1. Материалы межрегион. конф. посвящ. 150 летию В.И. Разумовского. Саратов: Изд-во Сарат. мед. ун-та, 2007. С. 193.

2. Бейдик О.В., Левченко К.К., Сакалла Х.М.Ф., Карнаев Х.С., Адамович Г.А. Стержневой и спице-стержневой чрескостный остеосинтез в лечении больных с врожденными деформациями и укорочениями сегментов конечностей / Материалы Всеросс. научн.-практич. конф. с междунар. уч. «Клиника, диагностика и лечение больных с врожденными аномалиями развития». Курган, 2007. С. 37-38.

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

4. Родионов И.В. Костные металлоимплантаты с оксидными биосовместимыми покрытиями / Сб. трудов XV Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2009. Т.1. С. 569-571.

5. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль биологической фиксации и остеоинтеграции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина и др. // Ортопедия, травматология и протезирование. 2005. №4. с. 118-127.

6. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль индукции и кондукции в остеогенезе / Н.А. Корж, В.А. Радченко, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. 2003. №2. с. 150-157.

7. Родионов И.В. Разработка открытопористого оксидного покрытия для применения на чрескостных титановых имплантатах стержневого типа / Materiály VII Мezinárodní vědecko-praktická konference «Přední vědecké novinku - 2011». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 7. S. 66-72.

8. Родионов И.В. Металлооксидные покрытия с остеокондуктивными свойствами на остеофиксаторах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т / Материали за VII Международна научна практична конференция «Научният потенциал на света – 2011». София, България: Изд-во «Бял ГРАД-БГ» ООД. Т.6. С. 49-55.

9. Родионов И.В. Исследование остеоинтеграционной способности термооксидированных медицинских имплантатов в эксперименте in vivo / Материали за VII Международна научна практична конференция «Научният потенциал на света – 2011». София, България: Изд-во «Бял ГРАД-БГ» ООД. Т.6. С. 46-62.