Медицина / 7. 

 

к.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

 

Катодное внедрение лантана как перспективный метод придания оксидным биопокрытиям имплантатов антибактериальных свойств

 

Введение

В травматолого-ортопедической хирургии широко применяют чрескостные имплантаты в виде спицевых, а также стержневых фиксаторов, которые после успешной остеоинтеграции обеспечивают стабилизацию костных отломков и их сращение с использованием специальных аппаратов внешнего остеосинтеза. Часто в качестве материалов для изготовления ортопедических чрескостных остеофиксаторов применяют биоинертный титановый сплав ВТ16 и нержавеющую биотолерантную сталь 12Х18Н9Т, обладающие высокими показателями механической прочности и коррозионной устойчивости в биосредах [1].

Для обеспечения остеоинтеграционной способности поверхность имплантатов-металлофиксаторов желательно подвергать пескоструйной обработке и последующему оксидированию с формированием покрытий, улучшающих приживление имплантатов. Кроме того, повышенная эффективность функционирования оксидированных имплантатов в биоструктурах может быть достигнута путем придания оксидным покрытиям специальных биомедицинских свойств, таких как антисептика и тромборезистентность.

Известно, что лантан, лантаноиды и их соединения обладают антибактериальными и антитромбогенными (тромборезистентными) свойствами, причем последние объясняются ингибированием синтеза белка протромбина на тромбоцитах. Это приводит к блокировке системы свертывания крови, торможению фибринообразования, улучшению трофики границы «кость – фиксатор», ускорению остеоинтеграции и снижению опасности воспалительных осложнений [2].

Модифицирование оксидированных имплантатов-остеофиксаторов лантаном может осуществляться известным и эффективным способом гальванообработки – катодным внедрением [3-7]. Поэтому катодное внедрение лантана в оксидные покрытия титановых и стальных чрескостных имплантатов в настоящее время рассматривается как перспективный способ повышения их качества.

В связи с этим целью исследования являлось определение влияния катодно-модифицированных лантаном оксидных биопокрытий на приживляемость имплантатов и характер протекания воспалительных процессов в окружающих биоструктурах.

 

Методика исследования

 

Образцами являлись стержневые имплантаты-остеофиксаторы из титанового сплава ВТ16 и нержавеющей стали 12Х18Н9Т. Поверхность имплантатов подвергалась предварительной пескоструйной обдувке корундовым абразивом для создания исходной микрошероховатости и морфологической гетерогенности.

Формирование покрытий на титановых имплантатах осуществлялось путем их анодного оксидирования в сернокислом электролите 200 г/л Н2SO4 при режимах Uпост = 30 В, iа= 50 мА/см2, t = 300С, τ = 0,9 ч. В данных условиях сернокислотного анодирования создавалось покрытие с высокими показателями шероховатости и морфологии поверхности, благоприятным фазовым составом из биоинертных оксидов Тi, хорошими защитными свойствами. Указанные характеристики покрытия обеспечивали высокий уровень его биомеханической совместимости с костной тканью, способствовали интеграционному взаимодействию оксидированных имплантатов с окружающей костью.

Получение покрытий на стальных имплантатах осуществлялось с использованием двух способов оксидирования: воздушно-термического и паротермического. Воздушно-термическое оксидирование производилось при температуре 4000С и продолжительности 0,5 ч, паротермическое – при температуре 5500С и продолжительности 2 ч. Сформированные воздушно-оксидные и парооксидные покрытия характеризовались необходимыми для остеоинтеграции имплантатов физико-химическими и механическими показателями.

Процесс катодного внедрения лантана в  оксидированные  имплантаты производился из раствора, содержащего 0,5 М салицилата лантана ((С7Н5О3)3La) в диметилформамиде (ДМФ). При этом образцы помещались в стеклянную электрохимическую герметизированную ячейку с подготовленным электролитом, стальным противоэлектродом и хлорсеребряным электродом сравнения ЭВЛ-1М. После подключения образцов в качестве катода модифицирование оксидных покрытий проводилось в  потенциостатических, потенциодинамических, а также в гальваностатических условиях при температуре электролита t=250С и продолжительности обработки τ=0,5 ч. Ток на электроды подавался с помощью потенциостата П-5848, термостатирование ячейки осуществлялось с использованием термостата U7С.

Изготовленные таким образом стержневые чрескостные имплантаты устанавливались в большеберцовые кости лабораторных животных (кролики породы «нидерландская красная») и в течение периода испытания, составляющего 50 суток, проводились исследования клинико-биологических характеристик системы «имплантат – окружающие биоструктуры».

 

Результаты исследования и их анализ

 

В ходе проведения клинических испытаний оксидированных имплантатов, катодно-модифицированных лантаном было установлено влияние биомедицинских свойств разработанных покрытий на процессы остеоинтеграции и характер приживления имплантатов (табл.). Результаты выполненных испытаний показали, что лантаносодержащие оксидные биопокрытия способствуют ускоренной адаптации имплантатов с минимальным проявлением воспалительных процессов в тканях. Анализ гистосрезов и морфологических изменений костных структур на границе с имплантатами-фиксаторами позволил установить, что в течение 2-3 недель после имплантации у оксидированной лантаносодержащей поверхности формируется значительный объем костного регенерата, свидетельствующий о протекании стимулированной остеоинтеграции имплантатов. Кроме этого, приживление имплантатов почти не сопровождалось длительными воспалительными явлениями и аллергическими реакциями биоструктур, что может служить подтверждением хорошего антибактериального действия лантана в составе оксидных покрытий. Результаты микробиологического анализа экссудата не выявили содержания в биосреде имплантационной зоны значительных концентраций патогенных микроорганизмов как на начальном, так и на последующих этапах функционирования имплантатов. Из этого можно сделать вывод, что лантаносодержащие оксидные биопокрытия отличаются высокими биомедицинскими качествами и повышенной эффективностью при адаптации имплантатов в организме. Поэтому использование таких биопокрытий является перспективным на различных костных металлоимплантатах для травматологии, ортопедии, нейрохирургии, стоматологии.

Таблица

Результаты предварительных клинических испытаний лантаносодержащих оксидированных имплантатов в большеберцовых костях животных (продолжительность испытания 50 суток)

Материал имплантатов

Вид биопокрытия

Условия катодного внедрения La из р-ра 0,5М (С7Н5О3)3La в ДМФ

Клинико-биологические характеристики испытаний

Морфологический анализ гистосрезов кости на границе с имплантатом

Микробиологический анализ мазков экссудата

Визуальный и оптический анализ поверхности имплантатов после испытания

титановый

сплав

ВТ16

анодно-оксидное (200 г/л Н2SO4, i=50 мА/см2, t=300С, τ=0,9 ч

гальваностатическое, при i=0,4 мА/см2, t=300С, τ=0,5 ч 

наличие значительного объема костного регенерата

отсутствие патогенных микроорганизмов и воспалительных явлений биоструктур

присутствие значительных фрагментов костной ткани, интегрированной с оксидным биопокрытием

сталь 12Х18Н9Т

воздушно-оксидное (t=4000С, τ=0,5 ч

потенциостатическое, при U=3 В, t=300С, τ=0,5 ч

наличие тонкого слоя новообразованной костной ткани

незначительная микрофлорная активность на начальном этапе имплантации

(1-3 сут)

парооксидное (t=5500С, τ=2 ч

потенциодинамическое, при V=20 мВ/с, t=300С

отсутствие патогенных раздражителей при непродолжительной аллергической реакции тканей (до 4 сут)

 

Из анализа результатов проведенных лабораторных и клинических исследований можно сделать вывод, что разработанные электрохимические и газотермические оксидные биопокрытия, катодно-модифицированные лантаном, обеспечивают высокий уровень приживляемости чрескостных имплантатов-остеофиксаторов за счет наличия у них антибактериальных свойств, а метод катодного внедрения является перспективным при создании костных имплантатов с противовоспалительным биомедицинским действием.

 

Литература

 

1. Родионов И.В. Оксидированные фиксаторы для наружного чрескостного остеосинтеза. Технология изготовления и перспективы применения в клинической практике / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Nastolení moderní vĕdy – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 10 (Lékařství). S. 18-22.

2. Родионов И.В. Модификация покрытий костных имплантатов микроэлементами с биомедицинскими свойствами / Маtеriały IV Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Aktualne problemy nowoczesnych nauk – 2008». Przemyśl, Polsкa: Nauka i studia. Tym 20 (Chemia i chemiczne technologie). S. 27-32.

3. Родионов И.В. Катодная модификация лантаном оксидных биопокрытий медицинских имплантатов / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Evropská vĕda XXI století – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 12 (Chemie a chemická technologie). S. 21-24.

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 3-й Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.

5. Родионов И.В. Катодная модификация термооксидированных чрескостных остеофиксаторов лантаном. Особенности процесса, механизм и кинетика / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Vĕda: teorie a praxe – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 10 (Chemie a chemická technologie). S. 22-32.

6. Родионов И.В. Модификация лантаном термооксидированных стальных остеофиксаторов методом катодного внедрения / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Přĕdní vĕdecké novinky – 2008». Praha, Czech Republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 4 (Chemie a chemická technologie). S. 41-52.

7. Родионов И.В. Разработка технологии получения антисептических лантансодержащих оксидных биопокрытий на костных имплантатах / Маtеriały IV Międzynarodowej naukowi-praktycznej konferencji «Naukowy potencjał świata – 2008». Przemyśl, Polsкa: Nauka i studia. Tym 7 (Chemia i chemiczne technologie). S. 51-55.