Химия и химические технологии / 5. 

 

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

 

Катодная модификация лантаном оксидных биопокрытий медицинских имплантатов

 

 

Медицинские металлические имплантаты шире всего используются в травматологии и ортопедии при исправлении врожденных или приобретенных костных деформаций, а также лечении переломов конечностей опорно-двигательного аппарата. Такие имплантаты выполняются в большинстве случаев из нержавеющей хромоникелевой стали и представляют специальные гладкие спицы и резьбовые стержни-остеофиксаторы, проводимые через кость и закрепляемые в опорах аппарата внешнего остеосинтеза. Это позволяет обеспечить заданное взаимное расположение костных фрагментов и направленное сращение перелома. Для прочной взаимосвязи имплантатов-остеофиксаторов с окружающими костными структурами и надежной фиксации аппарата остеосинтеза на поверхности имплантатов создается оксидное морфологически гетерогенное и коррозионно-стойкое биопокрытие, обеспечивающее эффективную остеоинтеграцию [1, 2]. Однако в начальный постоперационный период оксидированные металлофиксаторы подвергаются интенсивному воздействию крови, в результате чего в прилегающих микрососудах образуются тромбы, приводящие к нарушению нормальных процессов остеоинтеграции фиксаторов и возникновению опасности протекания длительных воспалительных реакций в тканях. Уменьшить активность тромбообразования в имплантационной зоне и значительно сократить период лечения возможно путем внедрения в оксидное покрытие фиксаторов лантана, обладающего природными антитромбогенными свойствами [3, 4]. В связи с этим целью работы являлось исследование принципиальной возможности электрохимического внедрения лантана в оксидный слой за счет катодной модификации поверхности остеофиксаторов.

Методика эксперимента. Образцами служили резьбовые стержни-фиксаторы, изготовленные из биотолерантной стали 12Х18Н9Т, наиболее часто используемой в производстве чрескостных имплантатов-остеофиксаторов. Поверхность образцов подвергали пескоструйной обработке для создания исходной шероховатости и химической активации. Биопокрытие на фиксаторах формировали путем воздушно-термического оксидирования при температуре 5000С и продолжительности окисления, равной 0,5 ч. Затем катодной модификацией в металлооксидный слой внедряли La для обеспечения антитромбогенных функций покрытия. При этом оксидированный фиксатор помещали в ванну с подготовленным электролитом, представляющим 0,5 М раствор салицилата лантана в диметилформамиде и имеющим температуру 25-300С. Процесс катодной поляризации осуществляли в потенциостатических условиях в диапазоне катодных токов от 0,025 до 0,4 мА/см2 при продолжительности 0,25-0,5 ч. Ток на электроды подавали с помощью потенциостата П-5848.

Элементный состав полученного биопокрытия определяли методом лазерного микроспектрального анализа на установке «Спектр-2000».

Результаты исследования и их анализ. Лазерный микроанализ термооксидного покрытия на присутствие в нем лантана как элемента с антитромбогенными функциями показал положительные результаты. Как видно из рис., на всех 4-х исследуемых участках покрытия La присутствует примерно в одинаковых количествах, о чем свидетельствует приблизительно равная интенсивность спектральных линий со средним значением 1936 отн.ед. Это обусловлено, в первую очередь, электрохимической стабильностью процесса катодного внедрения La, способствующей равномерному включению его ионов по всей рабочей площади поверхности покрытия. Такая высокая равномерность распределения La по поверхности покрытия будет обеспечивать равномерное тромборезистентное действие на окружающую фиксатор кровь, предотвращая тем самым опасность тромбообразования в прилегающих кровеносных микрососудах со стимулированием протекания нормальных процессов заживления раневой области и остеоинтеграции фиксатора.

 

 

        

 

 

 

 

Рис. Спектрограммы 4-х участков оксидного покрытия стального фиксатора: (белым атласом обозначены спектральные линии La с различной интенсивностью в отн. ед., остальные линии принадлежат элементам сплава)

 

Рассмотрение механизма катодного внедрения лантана в диэлектрический металлооксидный слой указывает на протекание электрохимического процесса преимущественно в порах покрытия, где толщина оксида минимальна и имеет наименьшее электрическое сопротивление. За счет этого, катодная модификация лантаном осуществляется на донной поверхности пор с формированием локальных участков металлических включений La. Согласно данным потенциодинамической хроновольтамперометрии и оптической микроскопии лантан, внедренный в поверхностно-пористое термооксидное покрытие, образует микроскопические фрагменты в виде «островков» металлической структуры. В результате толщина таких фрагментов составляет 1-3 мкм, что указывает на высокую интенсивность внедрения лантана и значительный рост его агломератов.  

Остеофиксаторы из нержавеющей стали 12Х18Н9Т с термооксидным модифицированным лантаном биопокрытием прошли испытания на лабораторных животных (кролики породы «черный великан»). Результаты клинических опытов показали полное отсутствие нагноительных и воспалительных реакций организма, сокращение сроков приживления имплантатов до 1,5-2 раз.

На основании результатов проведенных исследований можно заключить, что биопокрытия чрескостных фиксаторов, модифицированные путем разработанного электрохимического способа по предложенной методике, обеспечивают эффективную остеоинтеграцию и биологическую активность при минимизации послеоперационных осложнений. Это значительно улучшает условия функционирования фиксаторов в биотканях и нормализует биомеханику аппарата остеосинтеза при лечении костных патологий опорно-двигательного аппарата.

Выводы

 

1. Путем экспериментального исследования определен состав электролита для катодной модификации термооксидных биопокрытий, позволяющий осуществлять электрохимическое внедрение в них Lа для создания тромборезистентности поверхности стальных чрескостных фиксаторов.

2. С помощью лазерного микроспектрального анализа установлено присутствие в составе термооксидного покрытия ионов La, что указывает на принципиальную возможность внедрения выбранного химического элемента в металлооксидный слой стальных фиксаторов для выполнения антитромбогенных биомедицинских функций.

3. Выяснено, что катодное внедрение лантана происходит на тех участках оксидного слоя, где его толщина минимальна и имеет наименьшее электрическое сопротивление. За счет этого модифицированная лантаном оксидированная поверхность имеет включения La в виде микроскопических фрагментов и характеризуется присутствием внедренного элемента только в открытых порах покрытия.

 

Литература

 

1. Родионов И.В. Исследование фазового состава и коррозионных потенциалов термооксидных биопокрытий чрескостных остеофиксаторов // Вестник Саратовского государственного технического университета. №1 (30). Вып. 1, 2008. С. 34-39.

2. 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.

3. Rodionov I.V., Butovsky K.G. Biointegration electrochemical coverings with bactericidal and thromboresistency properties on implants for traumatology and orthopedy / Маtеriały II Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Perspektywiczne opracowania nauki i techniki – 2007». Przemyśl, Poland: Nauka i studia. Tym 12. S. 19-24.

4. Родионов И.В., Гоц И.Ю., Попова С.С., Серянов Ю.В. Катодное внедрение лантана в термооксидные биопокрытия стальных остеофиксаторов для создания их тромборезистентности / Сборник науч. статей Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.