УДК 621.35; 621.785; 615.477 Медицина

д.т.н., проф. Родионов И.В.¹, к.т.н., доц. Фомин А.А.¹, асп. Ромахин А.Н.¹, ст-т Пигарева Ю.В.², асп. Корчагина И.Г.², ст-т Беляева М.В.², асп. Якимчук Е.А.²

Экспериментальное обоснование применения микро- и наноструктурированных оксидных покрытий на медицинских металлических имплантатах

¹Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., Россия

²Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова, Россия

Научные исследования проведены при финансовой поддержке Минобрнауки РФ в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы, соглашение №14.B37.21.0571

Введение

В настоящее время металлические имплантаты все шире применяются в различных направлениях восстановительной медицины – травматологии, ортопедии, нейрохирургии, стоматологии. С использованием имплантатов осуществляется лечение переломов и исправление деформаций костных сегментов опорно-двигательного аппарата, восстанавливаются функции зубных рядов и т.д. [1, 2].

При разработке и изготовлении современных конструкций имплантатов чаще всего применяются такие металлические материалы как технически чистый титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановые сплавы ВТ6, ВТ16, нержавеющая хромоникелевая сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, обладающие определенным уровнем биоинертности.

Существенной проблемой высокоэффективного применения имплантатов является повышение прочности их закрепления в костной ткани, что, в основном, достигается за счет использования микро- и наноструктурированных биосовместимых покрытий, обеспечивающих интеграционное взаимодействие поверхности имплантатов с костными структурами благодаря врастанию кости в имеющиеся открытые поры и микроуглубления рельефа покрытия. К числу таких биосовместимых материалов для покрытий относятся трикальцийфосфатная керамика, углерод, биостекла, различные полимерные композиты, ряд нетоксичных оксидов металлов [3-6]. При этом наиболее высокими прочностными характеристиками и повышенной коррозионной устойчивостью к воздействию жидких сред организма обладают покрытия на основе нетоксичных металлооксидных соединений, которые могут создаваться на поверхности имплантатов методами электрохимического и газотермического оксидирования с использованием различных электролитов и газовых сред, соответственно.

Поэтому целью работы являлось установление влияния свойств микро- и наноструктурированных оксидных покрытий на остеоинтеграцию металлических имплантатов.

Методика исследования и техника эксперимента

Опытные имплантаты представляли винтовые стержни из технического титана ВТ1-00, титанового сплава ВТ16 и нержавеющей стали 12Х18Н9Т диаметром 2,5 мм и длиной 5 см. В качестве образцов-свидетелей использовались прямоугольные пластины толщиной 2 мм и площадью рабочей поверхности 200 мм². Стержни и пластины изготовлялись путем токарной обработки и подвергались ультразвуковому обезжириванию, а также пескоструйной обдувке поверхности для удаления загрязняющих слоев и создания исходной микрошероховатости. Формирование оксидных покрытий на опытных имплантатах и образцах-свидетелях осуществлялось с применением электрохимического (анодного) и некоторых видов газотермического оксидирования.

Анодное оксидирование использовалось для получения покрытий на титановых образцах и проводилось в сернокислом электролите концентрацией 200 г/л Н₂SO₄ при режимах электролиза i = 1 А/дм², t = 40⁰С, τ = 0,9 ч. При этом серии анодированных титановых образцов обозначались буквой Т и соответствовали номерам: Т1 – анодированный титан ВТ1-00, Т2 – анодированный титановый сплав ВТ16.

Газотермическое оксидирование применялось для создания покрытий на стальных образцах и осуществлялось с использованием двух способов химико-термической обработки: воздушно-термического и паротермического оксидирования.

При воздушно-термическом оксидировании опытных имплантатов применялись воздушная атмосфера в печи и температуры обработки 400, 500, 600, 700⁰С с продолжительностью 0,5 ч при каждой температуре.

Паротермическое оксидирование выполнялось при температуре 550⁰С и выдержке 2 ч в атмосфере перегретого водяного пара. Принятые режимы оксидирования позволили получить покрытия с определенным уровнем плотности, прочности и однородности свойств.

Серии опытных имплантатов из нержавеющей стали обозначались буквой С и характеризовались как: воздушно-термическое оксидирование при температурах: С1 – 400⁰С; С2 – 500⁰С; С3 – 600⁰С; С4 – 700⁰С; паротермическое оксидирование при температуре С5 – 550⁰С.

К числу исследуемых физико-химических и механических характеристик получаемых оксидных покрытий относились фазовый состав, толщина, шероховатость поверхности, микро- и наноморфология, коррозионная активность в модельной биосреде, микротвердость и адгезионная прочность. При исследовании указанных характеристик применялось следующее контрольно-измерительное и лабораторное оборудование: дифрактометр ДРОН-4, снабженный рентгеновской трубкой с медным анодом; микроскоп МИМ-7, имеющий окуляр с размерной микрометрической шкалой; микропроцессорный профилограф-профилометр «Калибр-117071»; анализатор изображений микроструктур АГПМ-6М с микроскопом «Биолам» и цифровой камерой Sony; растровый электронный микроскоп и сканирующий электронный микроскоп MIRA II LMU, Tescan); электрохимическая ячейка измерения бестоковых коррозионных потенциалов образцов в физиологическом растворе; микротвердомер ПМТ-3; разрывная адгезиометрическая машина ИР-5046-5.

Клинические испытания остеоинтеграционной способности опытных имплантатов с микро- и наноструктурированными анодно-оксидными, воздушно-термическими и паротермическими оксидными покрытиями проводились на кроликах породы «нидерландская красная» и «черный великан». Для испытания анодированных титановых образцов серий Т1 и Т2 использовались две опытные группы кроликов породы «нидерландская красная», отмеченные соответственно буквой Т. Клинические испытания термооксидированных стальных образцов серий С1-С5 проводились на пяти группах кроликов породы «черный великан», соответствующих обозначению С-групп.

В большеберцовых костях животных просверливались каналы для вворачивания оксидированных имплантатов. После установки имплантатов их функционирование в организме осуществлялось на протяжении 45 суток, после чего стержни извлекали из костей и проводили сравнительную визуальную и микроскопическую оценку поверхности на предмет наличия признаков остеоинтеграционной способности.

Результаты исследования и их анализ

Экспериментальными исследованиями установлено, что анодирование предварительно обезжиренных и пескоструйно-обработанных титановых имплантатов в используемом сернокислом электролите при заданных значениях режима электролиза обеспечивает создание покрытий с относительно однородным фазовым составом, необходимыми поверхностными микро- и наноструктурными характеристиками, высокой коррозионной стойкостью. Полученные покрытия состоят, в основном, из нестехиометрического диоксида TiO₂ с присутствием небольшого количества других оксидных фаз – TiO, Ti₂O₃. Шероховатость и морфологическая гетерогенность оксидированной поверхности имплантатов находятся на высоком уровне, что является необходимым условием для интеграции покрытия с костной тканью (табл. 1). Толщина, адгезия и микротвердость сформированных анодно-оксидных слоев имеют высокие значения, что характеризует повышенную механическую прочность покрытий и указывает на способность эффективного функционирования анодированных титановых имплантатов при действии на них значительных внешних нагрузок.

Высокий уровень коррозионной стойкости имплантатов с анодно-оксидным покрытием обусловлен положительной величиной коррозионного потенциала (по хлорсеребряному электроду сравнения (х.с.э)) поверхности в физиологическом растворе, моделирующем условия функционирования имплантатов при воздействии жидких сред организма (табл. 1).

Таблица 1

Характеристики электрохимических оксидных покрытий титановых

(ВТ1-00, ВТ16) имплантатов

Электролит, г/л

Режим анодирования

Характеристики покрытия

i, А/дм^2

t, ^0С

τ, ч

фазовый состав

толщина, мкм

адгезия, МПа

микротвердость, ГПа

пористость, %

коррозионный потенциал, В (х.с.э)

шероховатость, мкм

Rа

Rmax

Sm

(200) H2SO4

1

40

0,9

TiO, TiO2, Ti2O3

45-50

29

10

30-35

0,15

1,4

6,2

10

Примечание. Перед оксидированием имплантаты подвергались УЗ обезжириванию в моющем растворе и пескоструйной обработке поверхности корундовым абразивом

Путем проведения микроскопического анализа поверхности покрытий выявлено, что анодирование пескоструйно-обработанных титановых образцов в сернокислом электролите приводит к созданию оксидных слоев с наличием явно выраженной микроморфологии и повышенной структурной гетерогенности поверхности. При этом структурные элементы (поры и частицы) поверхности анодно-оксидных покрытий характеризуются нанометровой размерностью, что благоприятствует повышению биоадгезивной способности клеток биоструктур, контактирующих с имплантатом (рис. 1).

Таким образом, сформированное покрытие обладает необходимыми поверхностно-структурными параметрами, способствующими прорастанию костных клеток в микронесплошности оксидного слоя и интеграции имплантата с окружающей тканью.

Экспериментальные исследования характеристик газотермических оксидных покрытий на стальных имплантатах показали, что воздушно-термическое оксидирование пескоструйно-обработанных имплантатов из стали 12Х18Н9Т при температурах 400, 500⁰С и продолжительности 0,5 ч приводит к получению покрытий с комплексом показателей физико-химических и механических свойств, способным обеспечить надежную остеоинтеграцию и эффективное приживление имплантатов в костной ткани. Такие воздушно-термические оксидные покрытия отличаются как микро-, так и наноструктурным состоянием поверхности и характеризуются четырехфазным составом из Fe, FeNi, Fe₂O₃ и Ti₃O₅, толщиной 25-40 мкм, значениями коррозионного потенциала в физрастворе, находящимися в пределах от – 0,35 В до – 0,38 В (х.с.э.), величиной суммарной открытой пористости, а также показателями микротвердости и адгезии, обусловливающими высокую механическую прочность покрытий (рис. 2, табл. 2).

Рис. 2. Морфология поверхности стальных образцов с воздушно-термическими оксидными покрытиями, полученными при различных температурах оксидирования с τ=0,5 ч и: а – t=400⁰С, б – t=500⁰С

Таблица 2

Характеристики газотермических оксидных покрытий имплантатов из стали 12Х18Н9Т, полученных различными способами

Способ оксидирования	Режим обработки			Характеристики покрытий
	рсреды, атм	t, ^0С	τ, ч	фазовый состав	толщина, мкм	адгезия, МПа	микротвердость, ГПа	пористость, %	потенциал коррозии, В (х.с.э)	шероховатость, мкм
										Rа	Rmax	Sm
Паротермическое	1,3-1,5	550	2	Fe3O4, FeNi, Ti3O5	35-55	34-40	5,2-5,4	31-34	-0,33	1,2-1,3	5,4-5,9	10-14
Возду-шно-термическое	норм.	400	0,5	Fe, Fe2O3, FeNi, Ti2O3, Ti3O5	25-30	26	5,5	39	-0,35	1,0	5,6	7,6
		500			40	23	4,8	34	-0,38	1,0	5,8	7,2
		600			75	9	4,0	11,5	-0,39	1,2	5,2	5,6
		700			110	-	2,5	13	-0,56	1,3	5,5	4,6

Примечание. Перед оксидированием имплантаты подвергались УЗ обезжириванию в моющем растворе и пескоструйной обработке поверхности корундовым абразивом. В фазовом составе покрытий присутствовала лишь «следовая» часть оксидов Cr и Ni вследствие их высокой жаростойкости

Оксидные слои, созданные при повышенных температурах воздушно-термического оксидирования 600 и 700⁰С, имеют фазовый состав из Fe, Ti₃O₅, отличаются значительно большей толщиной 75-110 мкм, низкой коррозионной устойчивостью и малой прочностью (табл. 2).

Паротермическое оксидирование стальных имплантатов при температуре 550⁰С и продолжительности 2 ч способствует формированию покрытий из оксидных фаз FeNi, Fe₂O₃, Fe₃O₄ и Ti₃O₅, свойства которых соответствуют значениям показателей толщины, коррозионного потенциала, пористости, микротвердости и адгезии, обусловливающих возможность эффективного применения функциональных паротермических оксидных покрытий на медицинских имплантатах из нержавеющей хромоникелевой стали.

Испытания in vivo титановых и стальных изделий с оксидными покрытиями, полученными электрохимическим и газотермическими способами при установленных оптимальных условиях, проводились на основе существующих биомедицинских требований и действующих нормативов. Путем установки опытных образцов в костные сегменты лабораторных животных определялось токсикологическое влияние материалов и покрытий имплантатов на организм, устанавливалась их способность к интеграции с окружающей костной тканью. При этом основным условием нормальной приживляемости и функционирования изделий было наличие явления их остеоинтеграции.

Титановые имплантаты с анодно-оксидными покрытиями имели поверхностно-гетерогенную и пористую структуру, обеспечившую их остеоинтеграцию и прочное закрепление в кости. При этом после 45 суток испытания на поверхности оксидированных изделий и в прилегающей к ним области было выявлено присутствие новообразованной костной ткани (рис.3 а, б). Имплантаты с такими покрытиями надежно функционировали в организме на протяжении всего периода испытания.

Рис. 3. Внешний вид титановых стержневых имплантатов с костными фрагментами после 45 суток клинического испытания (х45): а – анодированный имплантат из титана ВТ1-00, б – анодированный имплантат из титанового сплава ВТ16

Стальные имплантаты с воздушно-термическими покрытиями, созданными при температурах 400, 500⁰С и продолжительности 0,5 ч, а также с паротермическими оксидными покрытиями, полученными при температуре 550⁰С и продолжительности 2 ч, обладали поверхностной структурой, физико-химическими и механическими свойствами, создавшими необходимые условия для протекания их эффективной остеоинтеграции без появления ярко выраженных иммунных реакций тканей (рис. 4 а, б, в). Имплантаты успешно адаптировались в организме с образованием прочной взаимосвязи с окружающей костью, характеризовались отсутствием подвижности и смещений при функционировании.

Рис. 4. Оксидированные стальные имплантаты с фрагментами костной ткани после испытания in vivo в течение 45 суток: а – стержневой имплантат с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=400⁰С, τ =0,5 ч; б – стержневой имплантат с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=500⁰С, τ =0,5 ч; в – стержневой имплантат с паротермическим оксидным покрытием, полученным при t=550⁰С, τ =2 ч

Проверка биосовместимости in vitro получаемых образцов покрытий показала, что высокая морфологическая гетерогенность поверхностной микро- и наноструктуры позволяет обеспечить стабильное закрепление клеток фибробластов (рис. 5).

Рис. 5. Поверхность оксидных покрытий образцов после испытаний in vitro с прикрепленными клетками-фибробластами: а – титановый образец с анодно-оксидным покрытием, б – стальной образец с воздушно-термическим оксидным покрытием, полученным при t=400⁰С, τ =0,5 ч, в – стальной образец с паротермическим оксидным покрытием, полученным при t=550⁰С, τ =2 ч

Воздушно-термические оксидные покрытия, созданные при температурах 600 и 700⁰С, характеризовались низкой механической прочностью вследствие большой толщины металлооксидов и значительных внутренних напряжений, возникающих в них, что приводило к разрушению и отслаиванию оксидов от металлической основы. Данные проведенных исследований показали невозможность использования таких покрытий на медицинских имплантатах из-за отсутствия у них необходимых функциональных качеств.

Заключение

Клиническими испытаниями доказано, что титановые имплантаты с разработанными микро- и наноструктурированными анодно-оксидными покрытиями на основе диоксида TiO₂ с включениями оксидов TiO иTi₂O₃ успешно адаптируются к тканям организма, не вызывают существенных воспалительных реакций биоструктур, прочно соединяются с костью.

Результаты исследования качеств биосовместимости термооксидированных стальных имплантатов показали, что характеристики полученных покрытий, благоприятно влияют на процесс приживления имплантатов в костных структурах и обеспечивают микро- и наноинтеграцию оксидированной поверхности с окружающей тканью.

Проведенная оценка влияния свойств электрохимических и газотермических оксидных покрытий на уровень приживления имплантатов в организме и их остеоинтеграционную способность указывает на высокую эффективность применения разработанных покрытий в имплантационной медицине.

Литература

1. Бейдик О.В., Бутовский К.Г., Островский Н.В., Лясников В.Н. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза. – Саратов: Изд-во СГМУ, 2002. 198 с.

2. Робустова Т.Г. Имплантация зубов (хирургические аспекты). – М.: Медицина, 2003. 560 с. с ил.

3. Штильман М.И. Полимеры медико-биологического назначения. М.: ИКЦ «Академкнига», 2006, 400 с.

4. Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. Серия «Мир биологии и медицины». М.: «Техносфера», 2007, 305 с.

5. Биосовместимые материалы: Учебное пособие / Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: ООО «Медицинское информационное агентство», 2011, 544 с.: ил.

6. Родионов И.В. Костные металлоимплантаты с оксидными биосовместимыми покрытиями / Сб. трудов XV Междунар. научн.-практ. конф. «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2009. Т.1. С. 569-571.