д.т.н., проф. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

Статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента РФ №МД-3156.2015.8

Металлооксидные покрытия медицинского назначения, модифицированные антимикробными элементами

Введение

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. 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 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 челюстно-лицевого отдела и опорно-двигательного аппарата в большинстве случаев выполняются из титана ВТ1-0, ВТ1-00 и сплавов на его основе (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 [1-4]. 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 имплантатов с биосовместимыми металлооксидными покрытиями, модифицированными медью и серебром – элементами с высокой антимикробной активностью.

Материалы и методы 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 покрытия смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава 12Х18Н9Т, модифицировались по методу катодного внедрения медью.

Химический состав катодно-модифицированных термооксидных покрытий определялся на установке лазерного эмиссионного микроспектрального анализа «Спектр-2000». Наличие меди и серебра как элементов с бактерицидной активностью в составе термооксидного покрытия было определено по спектральным линиям, характерным для этих химических элементов. Причем на всех исследуемых участках оксидного покрытия медь и серебро присутствовали примерно в одинаковых микроколичествах.

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».

Исследование бактерицидных свойств имплантатов-образцов проводили на клинических штаммах P. vulgaris, P. aeruginosa, E. coli, S. aureus, S. epidermidis, Haemophilus spp., выделенных от животных с гнойными процессами. Тест-штаммы засевали газоном на соответствующие питательные среды: для культивирования P. vulgaris и E. coli применяли среду Эндо, для P. aeruginosa, S. aureus, S. epidermidis – мясопептонный агар, для Haemophilus spp. использовали кровяной агар. Посевы подсушивали в течение нескольких минут, затем осторожно, соблюдая правила асептики, на поверхности питательной среды размещали стерильные термооксидированные стержни с ионами серебра, меди и без них. Дополнительно осуществляли контроль стерильности тестируемых образцов. Чашки инкубировали в термостате при температуре 37°С в течение 24 часов. Результаты учитывали, измеряя линейкой величину зоны задержки роста микроорганизмов вокруг стержневых имплантатов.

Результаты исследований

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 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. 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 характеризовалось следующим 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, что в 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.

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

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%.

В ходе экспериментальных исследований было определено, что наибольшей бактерицидной активностью обладали стержневые имплантаты с ионами серебра. Данные образцы наиболее сильно угнетали рост гемофильных палочек, протея и золотистого стафилококка: при этом величина зоны задержки роста микроорганизмов вокруг серебросодержащих термооксидированных имплантатов соответственно составляла 18,7, 14,7 и 11,3 мм и в меньшей степени эпидермального стафилококка (9,7 мм) и кишечной палочки (5,7 мм). Имплантаты, модифицированные ионами меди, оказывали бактериостатическое действие на золотистый и эпидермальный стафилококки (величина зоны задержки роста 17,7 и 14,3 мм соответственно), меньшее действие оказывали на кишечную палочку (7,3 мм).

В результате проведенных лабораторных исследований были выявлены антисептические свойства термооксидированных имплантатов, модифицированных ионами меди и серебра, проявляющиеся в способности задерживать рост микроорганизмов in vitro.

Таким образом, лабораторно-клинические испытания с использованием серебросодержащих оксидных покрытий на титановых имплантатах и медьсодержащих оксидных покрытий на стальных имплантатах показали, 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 оксидными покрытиями, 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. Физико-химические и технологические основы наноинженерии металлооксидных и оксидно-керамических покрытий на металлах и сплавах медицинского назначения: монография / А.А. Фомин, И.В. Родионов, Е.Ю. Пошивалова; под общ. ред. И.В. Родионова. – Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2014. 302 с.

2. Fomin A.A., Rodionov I.V. Chemical Composition, Structure and Properties of the Surface of Titanium VT1-00 and Its Alloy VT16 after Induction Heat Treatment / Handbook of Nanoceramic and Nanocomposite Coatings and Materials. Chapter19, Elsevier Ltd., 2015. pp. 403-424. ISBN 978-0-1279-9947-0. DOI: 10.1016/B978-0-12-799947-0.00019-5.

3. Родионов И.В., Пошивалова Е.Ю., Фомин А.А., Кошуро В.А. Процессы газотермического оксидирования в тонкопленочных технологиях, применяемых при модифицировании поверхности медицинских металлических имплантатов // Фундаментальные исследования. №5 (2), 2015. С. 324-328.

4. Родионов И.В., Фомин А.А., Пошивалова Е.Ю. Формирование гетерогенной микро- и наноструктуры металлооксидных остеокондуктивных покрытий чрескостных стальных имплантатов при многократных термических циклах «нагрев-охлаждение» на воздухе // Материаловедение. №5, 2014. С. 27-33.