Родионов И.В., Фомин А.А., Пошивалова Е.Ю., Кошуро В.А.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

Разработка биосовместимого титанооксидного покрытия, модифицированного серебром, для чрескостных имплантатов из сплава ВТ16

Статья подготовлена при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках базовой части государственного задания образовательным организациям высшего образования, подведомственным Минобрнауки РФ (проект № 1189), а также при поддержке Грантов Президента РФ № МД-3156.2015.8 и РФФИ «а» № 13-03-00248

Введение

Для придания медицинским титановым имплантатам повышенной биологической совместимости и способности интеграционного взаимодействия с костной тканью на их поверхности создают открытопористые покрытия на основе материалов, обладающих определенной биоинертностью (нетоксичностью) и высокой коррозионной устойчивостью в биосредах. Перспективными материалами таких покрытий являются биоинертные оксиды титана, которые могут формироваться на поверхности титановых имплантатов термообработкой в атмосфере перегретого водяного пара [1]. Однако часто при использовании термооксидированных имплантатов происходит воспаление окружающих тканей с протеканием в них интенсивных гнойных процессов, что связано с деятельностью микроорганизмов, обладающих высоким патогенным потенциалом. В результате это нередко является причиной отторжения имплантатов с их последующим удалением из организма и необходимостью проведения повторной хирургической операции.

Минимизация развития микробных агентов в имплантационной зоне достигается использованием различных антисептических препаратов, вводимых в эту зону, как правило, инъекционно. Однако возможно обеспечение антисептического действия титановых имплантатов при модифицировании оксидного покрытия препаратами, содержащими в качестве активных бактерицидных компонентов серебро, медь, некоторые лантаноиды, комбинации серебра и фторидов, а также серебра, меди, фторидов и йодидов [2-4].

Самым распространенным компонентом, обладающим высокой противомикробной активностью и обеспечивающим не только бактериостатическое, но и бактерицидное действие, является серебро. Поэтому внедрение его частиц в поверхность термооксидированных титановых имплантатов может способствовать существенному улучшению условий их приживляемости и минимизации числа случаев отторжения.

В связи с этим целью работы являлось получение паротермического серебросодержащего титанооксидного покрытия на имплантатах из биоинертного сплава ВТ16 и исследование его влияния на микробную активность в окружающей биосреде, а также приживляемость в костной ткани.

Материал и методы экспериментальных исследований

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

Поверхность чрескостных 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 имплантаты с полученным титанооксидным 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.

Для определения влияния серебросодержащих покрытий титановых 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 паротермическим оксидным покрытием, не модифицированным серебром.

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 клинических исследований 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 in vivo показали, что количество серебра в составе паротермического 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 активности поверхности (табл.). В зоне установки таких имплантатов возникали воспалительные явления, связанные с развитием патогенных микроорганизмов, уже на 2-е сутки испытания.

Таблица

Результаты клинических испытаний стержневых титановых имплантатов с оксидными покрытиями

Материал стержневых имплантатов	Титанооксидное 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 паротермического оксидного покрытия.

Литература

1. Родионов И.В. Физико-химические и механические характеристики парооксидных биосовместимых покрытий титановых имплантатов // Материаловедение. №10, 2009. С. 25-34.

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. Антисептики в профилактике и лечении инфекций / Палий Г.К. Киев: Здоровье, 1997. 195 с.

4. Медицинская микробиология / Покровский В.И. Москва: Ботар Медицина, 1998. 1183 с.