facebook
twitter
vk
instagram
linkedin
google+
tumblr
akademia
youtube
skype
mendeley
Wiki
Global international scientific
analytical project
GISAP
GISAP logotip

БИОСОВМЕСТИМЫЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ С АНТИСЕПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ЧРЕСКОСТНЫХ ИМПЛАНТАТАХ ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

Автор Доклада: 
Родионов И.В.
Награда: 
БИОСОВМЕСТИМЫЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ С АНТИСЕПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ЧРЕСКОСТНЫХ ИМПЛАНТАТАХ ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

УДК 615.477; 615.465

БИОСОВМЕСТИМЫЕ МЕТАЛЛООКСИДНЫЕ ПОКРЫТИЯ С АНТИСЕПТИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ НА ЧРЕСКОСТНЫХ ИМПЛАНТАТАХ ДЛЯ ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ

Родионов Игорь Владимирович, д-р техн. наук, чл.-кор. РАЕ
Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.

Проведены исследования invivoстержневых ортопедических имплантатов с биосовместимыми металлооксидными покрытиями, модифицированными серебром и медью – элементами с антимикробной активностью. Показана принципиальная возможность эффективного применения металлооксидных покрытий с антисептическими свойствами на титановых и стальных имплантатах для внешнего чрескостного остеосинтеза.
Ключевые слова: ортопедические имплантаты, биосовместимые металлооксидные покрытия, модифицирование, медь, серебро, антисептические свойства.

Researches in vivo rod orthopedic implants with biocompatible metal-oxidethe coverings modified by silver and copper – elements with antimicrobic activity are conducted. Basic possibility of effective application metal-oxidecoverings with antiseptic properties on titanic and steel implants for an external bone osteosynthesis is shown.
Keywords: orthopedic implants, biocompatible metal-oxidecoverings, modifying, copper, silver, antiseptic properties.

Антисептические свойства биосовместимых имплантационных материалов и покрытий рассматриваются как наиболее эффективные биомедицинские «инструменты» успешного приживления и функционирования современных металлических имплантатов для стоматологии, травматологии, ортопедии, нейрохирургии и других направлений восстановительной медицины [1-4]. Они позволяют без дополнительной превентивной терапии сократить длительность протекания естественных иммунных процессов в биотканях на ранних стадиях приживления, минимизировать возникновение аллергических и воспалительных реакций организма в отдаленный период имплантации, а также обеспечить наилучшие условия для остеоинтеграции и надежного закрепления имплантатов. Это происходит за счет благоприятного воздействия имплантационного материала с указанными свойствами на биоэлектрохимические и биоэлектрофизические процессы, протекающие в околоимплантатной зоне, на поддержание в ней нормальных обменных и клеточных явлений, а также на стимуляцию активной биологической деятельности различных органических структур и ускоренного остеогенеза.

Антисептические, или бактерицидные свойства материалов позволяют существенно замедлить развитие и размножение вредных микроорганизмов имплантационной зоны в наиболее опасный начальный постоперационный период и сократить до минимума опасность появления воспалительных процессов на более поздних стадиях имплантации. Бактерицидное действие имплантационных материалов связано, в основном, с наличием в их составе определенных химических элементов, обладающих антимикробной активностью и содержащихся в небольших, «следовых» количествах. К числу таких микроэлементов относятся Ag, Cu, La, находящиеся в материале в виде свободных металлических ионов или в связанном химическом состоянии.

Придание антисептических свойств материалам и покрытиям имплантатов, используемых в травматологии и ортопедии при внешнем чрескостном остеосинтезе, значительно повышает эффективность их применения, создает принципиально новый уровень функционирования, обеспечивает высокую способность адаптации окружающих биоструктур к имплантируемому техническому изделию.

Антисептическое действие материалов или покрытий может быть достигнуто путем введения в их химический состав микроэлементов с соответствующими противомикробными свойствами, т.е. путем модифицирования поверхности имплантатов антисептическими веществами, либо препаратами, содержащими активные противомикробные компоненты.

Имплантаты для лечения различных костных патологий опорно-двигательного аппарата методом управляемого чрескостного остеосинтеза в большинстве случаев выполняются из титановых сплавов ВТ6, ВТ16, а также из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т. В качестве материалов биосовместимых покрытий таких имплантатов могут с высокой эффективностью использоваться собственные нетоксичные оксиды металлов, входящих в химический состав основы имплантатов. Модифицирование оксидированных металлических поверхностей антисептическими компонентами может способствовать улучшенной приживляемости имплантатов за счет обеспечения определенной антимикробной активности металлооксидных покрытий.

Поэтому целью работы являлось экспериментально-клиническое обоснование эффективности применения титановых и стальных ортопедических имплантатов с биосовместимыми металлооксидными покрытиями, модифицированными медью и серебром – элементами с высокой антимикробной активностью.

Методика исследования

Опытные имплантаты представляли стандартные винтовые стержни для чрескостного остеосинтеза из титанового сплава ВТ16 и нержавеющей стали 12Х18Н9Т диаметром 2,5 мм и длиной 5 см.

Поверхность стержневых имплантатов предварительно подготавливали путем пескоструйной обработки корундовым абразивом и ультразвуковой очистки в моющем спиртовом растворе.

Для создания оксидного покрытия имплантаты помещали в печь паротермического оксидирования, в рабочий объем которой под давлением 1,2-1,3 атм подавали перегретый водяной пар и при температуре 5500С и продолжительности 2 ч получали покрытие толщиной 40-50 мкм с суммарной открытой пористостью 30-40% для необходимого интеграционного взаимодействия с костной тканью. Затем титановые имплантаты с полученным металлооксидным покрытием, состоящим из смеси фаз  TiO, TiO2,Ti2O3, Ti3O5,помещали в электрохимическую ванну с приготовленным неводным серебросодержащим электролитом и методом катодного гальваностатического внедрения осуществляли модифицирование покрытия серебром. Стальные оксидированные имплантаты, содержащие в составе покрытиясмесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава 12Х18Н9Т, модифицировались по методу катодного внедрения медью.

Для определения влияния серебросодержащих покрытий титановых имплантатов и медьсодержащих покрытий стальных имплантатов на уровень приживляемости в организме применялись лабораторные кролики породы «нидерландская красная», которым в большеберцовые кости на 50 суток устанавливались имплантаты. Контрольной группой образцов являлись чрескостные стержни с немодифицированным оксидным покрытием.

Клиническая оценка антимикробной активности и остеоинтеграционной способности оксидированной поверхности имплантатов проводилась по признакам развития воспалительных явлений в зоне имплантации с использованием микробиологического исследования мазков экссудата, а также по уровню срастания покрытия с костной тканью с применением оптической микроскопии и путем исследования гистосрезов границы «имплантат с покрытием – кость».

Результаты и их анализ

Оксидное серебросодержащее покрытие титановых имплантатов характеризовалось следующим соотношением компонентов: смесь оксидов титана: 98-99%, серебро: 1-2%. Установлено, что данный компонентный состав покрытия, его толщина, составляющая 40-50 мкм, и пористость, равная 30-40%, являются наиболее благоприятными при использовании на медицинских титановых имплантатах, т.к. позволяют обеспечить самые важные лечебно-реабилитационные функции – безопасное ускоренное приживление и прочное остеоинтеграционное закрепление медико-технических изделий в костной ткани.

Эксперименты invivoпоказали, что количество серебра в составе оксидного покрытия менее 1% не позволяет достичь высокой эффективности бактерицидного действия при сохранении микробной активности в зоне имплантации на более поздних стадиях приживления. Количество серебра в покрытии превышающее 2% является экономически нецелесообразным, т.к. содержание серебра в пределах 1-2% оказывает бактерицидное действие, достаточное для полного исключения микробной активности на границе с имплантатом на всех послеоперационных стадиях.

В ходе клинических испытаний было установлено, что стержневые имплантаты с оксидным покрытием без содержания серебра и с содержанием серебра менее 1% не способствовали предотвращению воспаления окружающих тканей и не проявляли признаков бактерицидной активностиповерхности (табл. 1). В зоне установки таких имплантатов возникали воспалительные явления, связанные с развитием патогенных микроорганизмов, уже на 2-е сутки испытания.

Таблица 1 Протокол клинических испытаний титановых (ВТ16) имплантатов с оксидными покрытиями

Материал стержневых  имплантатов

Оксидное

покрытие

Клинико-биологические характеристики испытаний

Морфологический анализ гистосрезов кости на границе с имплантатами

Микробиологический анализ мазков экссудата

Визуальный и оптический анализ поверхности имплантатов после испытания

титановый

сплав

ВТ16

без содержания серебра

наличие тонкого слоя новообразованной костной ткани

микрофлорная активность на начальном этапе имплантации (2-7 суток), повлекшая опухолеобразование тканей 

присутствие фрагментов костной ткани, интегрированной с оксидным покрытием

с содержанием серебра менее 1%

наличие микробной флоры и появление воспаления на 2 сутки после имплантации с опухолеобразованием тканей на 4 сутки

с содержанием серебра на уровне 1-2%

 

наличие значительного объема костного регенерата

отсутствие патогенных микроорганизмов и воспалительных явлений биоструктур в течение всего периода испытания

 
Титановые имплантаты с оксидным серебросодержащим покрытием показали высокую остеоинтеграционную способность покрытия при полном отсутствии воспаления тканей в течение всего периода испытания. Проведенные микробиологические исследования мазков, полученных на границе имплантатов и мягких тканей, не выявили наличия патогенной микрофлоры, что указывает на эффективное антимикробное действие серебра в составе оксидного покрытия.

Оксидное медьсодержащее покрытие стальных имплантатов характеризовалосьследующим соотношением компонентов: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава: от 95 до 98%, медь: от 2 до 5%.

Эффективное антимикробное действие медьсодержащего оксидного покрытия, способствующее улучшенной приживляемости стальных имплантатов без опасности протекания воспалительных процессов в окружающих тканях, был определен путем клинических испытаний.

В результате проведения испытаний установлено, чтов зоне введения стержневых имплантатов из нержавеющей хромоникелевой стали с оксидным покрытием без содержания меди (контрольные образцы) на протяжении 20 суток функционирования протекали воспалительные явления, связанные с повышенной микробной активностью в окружающих тканях. Процесс приживления имплантатов был затрудненным и сопровождался интенсивным гноеобразованием на ранней стадии приживления (3-8 суток). Вследствие этого высокопрочного срастания покрытия с костной тканью не произошло (табл. 2).

Стержневые имплантаты с оксидным покрытием, содержащим медь в количестве менее 2%, не проявили высокой антибактериальной активности поверхности. В зоне введения таких стержней на 10-е сутки эксперимента происходило опухолеобразование тканей из-за воспалительных процессов, связанных с развитием микробной флоры вокруг имплантатов.

Результаты испытаний стальных имплантатов с оксидным покрытием, содержащим медь в пределах 2-5%, показали, что на протяжении всего периода функционирования в зоне имплантации отсутствовала патогенная микробная флора без протекания воспаления биоструктур (табл. 2). Кроме того, морфологический анализ гистосрезов костной ткани на границе с имплантатами показал, что медьсодержащее оксидное покрытие прочно срослось с окружающей костью, что свидетельствует о высокой остеоинтеграционной способности применяемого покрытия.

Было установлено, что процесс приживления стальных имплантатов с оксидным покрытием, содержащим медь в пределах от 2 до 5%, осуществляется в 2 раза быстрее по сравнению со стальными имплантатами, имеющими оксидное покрытие без содержания меди и с содержанием меди менее 2%.

Таблица 2      Протокол клинических испытаний стальных (12Х18Н9Т) имплантатов  с оксидными покрытиями

Оксидное

покрытие

Клинико-биологические характеристики испытаний

Морфологический анализ гистосрезов кости на границе с имплантатами

Микробиологический анализ мазков экссудата

Визуальный и оптический анализ поверхности имплантатов после испытания

без содержания меди

наличие тонкого слоя новообразованной костной ткани

наличие микробной флоры и воспалительных явлений в зоне имплантации на протяжении 20 суток 

присутствие фрагментов костной ткани, интегрированной с оксидным покрытием

с содержанием меди менее 2%

появление микробной флоры с воспалением и опухолеобразованием тканей на 10-е сутки

с содержанием меди на уровне 2-5%

 

 

наличие значительного объема костного регенерата

отсутствие микробной флоры и воспалительных явлений биоструктур в течение всего периода испытания

 
Таким образом, лабораторно-клинические испытания с использованием серебросодержащих оксидных покрытий на титановых имплантатах и медьсодержащих оксидных покрытий на стальных имплантатахпоказали, что применяемые покрытия обладают высоким уровнем биологической совместимости, способностью прочно срастаться с костными структурами при полном подавлении деятельности вредных микроорганизмов на границе «имплантат-биоткань». Кроме того, медико-биологические эксперименты свидетельствуют, что процесс приживления имплантатов с оксиднымипокрытиями,содержащими модифицирующие антисептические компоненты,осуществляется значительно быстрее по сравнению с имплантатами, имеющими оксидные покрытия, немодифицированные антисептическими компонентами (медью или серебром). В свою очередь, это способствует существенному сокращению периода реабилитации послеоперационных больных и ускорению лечения в целом.

Заключение

Проведенными клиническими испытаниями доказано, что применение серебросодержащих оксидных покрытий на имплантатах из титанового сплава ВТ16 и медьсодержащих оксидных покрытий на имплантатах из нержавеющей стали 12Х18Н9Т обеспечивает высокоэффективное приживление изделий в организме за счет остеоинтеграционной способности и антимикробной активности их поверхности.

Литература:

1. Лясникова А.В., Лепилин А.В., Лясников В.Н., Смирнов Д.А., Мостовая О.С. Комплексные исследования физико-химических и медико-биологических свойств антимикробных биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов // Вестник Саратовского государственного технического университета. №1 (44), 2010. С. 83-91.
2. Иванов В.Н., Ларионов Г.М., Кулиш Н.И. и др. Некоторые экспериментальные и клинические результаты применения катионов серебра в борьбе с лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Серебро в медицине, биологии и технике. Новосибирск: Сиб. отд. РАМН, 1995. С. 53-62.
3. Савадян Э.Ш. Современные тенденции использования серебросодержащих антисептиков // Антибиотики и химиотерапия. №11, 1989. С. 874-878.
4. Лясникова А.В. Теоретические исследования физико-химических процессов формирования и функционирования серебросодержащих наноструктурированных покрытий // Вестник Саратовского государственного технического университета. №2 (38), 2009. С. 80-86.

 


1Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ 
МК-1799.2011.8. «Научные основы создания оксидных биосовместимых покрытий на изделиях медицинской техники».

10
Ваша оценка: Нет Средняя: 10 (4 голоса)
Партнеры
 
 
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
image
Would you like to know all the news about GISAP project and be up to date of all news from GISAP? Register for free news right now and you will be receiving them on your e-mail right away as soon as they are published on GISAP portal.