Медицина / 7.

д.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет, Россия

Статья подготовлена при поддержке гранта Президента РФ
МК-1799.2011.8.

Исследование приживляемости медицинских титановых имплантатов с паротермическим серебросодержащим оксидным покрытием

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 оксидного покрытия на титановых имплантатах и исследование его влияния на микробную активность в окружающей биосреде, а также приживляемость в костной ткани.

Методика 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 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.

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	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 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.