Медицина / 7.

д.т.н., проф. Родионов И.В., к.т.н., доц. Фомин А.А., студ. Фомина М.А.

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А., 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

Пористые газотермические оксидные покрытия для металлических имплантатов чрескостного и внутрикостного назначения

Исследования различных свойств и характеристик металлических и неметаллических материалов выявили новые практические возможности их эффективного использования в разнообразных медико-технических конструкциях имплантационного назначения, вживляемых в костные структуры организма для выполнения определенных функций. Известно, что наилучшую приживляемость проявляют металлические имплантационные изделия со специальными функциональными покрытиями на основе кальцийфосфатной (гидроксиапатитовой) керамики, ряда биостекол, углерода и некоторых других нетоксичных материалов [1-3]. При этом большой научный интерес в настоящее время вызывают исследования физико-химических, механических и биологических свойств ряда металлооксидных соединений для получения биосовместимых покрытий, способных интегрироваться (срастаться) с костной тканью [4, 5]. Этот новый вид функциональных покрытий может с высокой эффективностью использоваться в различных технических системах и конструкциях как чрескостного, так и внутрикостного назначения, выполняемых их разных металлов и сплавов.

Наиболее часто формирование оксидных покрытий осуществляется термическим модифицированием поверхности металлоизделий с использованием газотермического оксидирования в различных реакционных окислительных средах. Так, в настоящее время газотермические металлооксидные покрытия представляют большой практический интерес при их использовании на стальных ортопедических остеофиксаторах для аппаратов внешнего чрескостного остеосинтеза [5]. Данные покрытия при определенном фазовом составе и развитой микроструктуре поверхности могут обладать медико-техническими свойствами, обеспечивающими высокий уровень приживляемости остеофиксаторов при способности их поверхности к интеграционному взаимодействию с костной тканью.

Формирование газотермических оксидных покрытий на медицинских металлоизделиях типа чрескостных остеофиксаторов и внутрикостных дентальных имплантатов может осуществляться в специализированных электронагревательных устройствах (электропечи сопротивления, установки индукционного нагрева, печи паротермической обработки) с применением различных реакционных окислительных сред, представляющих воздух, перегретый водяной пар, смеси инертных и окисляющих газов.

Газотермическое модифицирование поверхности имплантатов с помощью процессов оксидирования позволяет придать им повышенные механические показатели за счет формирования на поверхности тонкого слоя собственных оксидов металлов, входящих в химический состав металлической основы. Образующиеся на поверхности металлооксидные соединения в виде покрытия отличаются от металла основы повышенными механическими, физическими и антикоррозионными характеристиками, а также способностью длительное время сохранять свои функциональные свойства без разрушения металлооксидной матрицы.

Наиболее распространенными способами газотермического оксидирования являются воздушно-термическое и паротермическое оксидирование, предполагающие использование в качестве реакционной технологической среды воздух и перегретый водяной пар соответственно.

Важной проблемой эффективного применения медицинских металлических имплантатов в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и ортопедии является обоснованный выбор оптимальных параметров поверхностной структуры имплантационных материалов для обеспечения их прочной взаимосвязи с окружающей костной тканью [6, 7]. Данная взаимосвязь может быть достигнута преимущественно за счет макро- и микроинтеграционного взаимодействия имплантируемых медико-технических конструкций с костью. При этом необходимо, чтобы функциональная поверхность имплантатов обладала высоким уровнем биосовместимости и выраженной гетерогенной структурой с наличием большого количества открытых пор, размер которых должен обеспечивать нормальное проникновение костных клеток с последующим зарастанием всей поверхности костным регенератом.

Оптимизация остеоинтеграционных процессов в условиях применения металлических имплантатов достигается путем стимулирования репаративного остеогенеза и активизации деятельности костных клеточных структур в окружающей имплантат области. Такие условия обеспечиваются, в первую очередь, остеокондуктивными свойствами материалов, определяемыми их фазово-структурным состоянием и характером морфологии поверхности [8].

Роль микрорельефа поверхности в проявлении материалами имплантатов остеокондуктивности подтверждается многочисленными экспериментальными данными, указывающими на влияние поверхностной микрогеометрии имплантируемых изделий на механизмы взаимодействия с костной тканью и характер взаимосвязи с ней [8-10]. Так, представляется, что использование гладкой поверхности не может создать прочное контактное взаимодействие имплантатов с костью из-за отсутствия возможности протекания остеоинтеграционного процесса и малой фактической площади контакта такой поверхности с окружающей тканью. Например, рельеф поверхности, полученной токарной обработкой металлических имплантатов, носит слабо выраженный однонаправленный характер без признаков морфологической гетерогенности. Поверхность с такой структурой не может обеспечить эффективную взаимосвязь имплантатов с костной тканью и достаточно прочное их закрепление в кости. Многочисленные клинические исследования на лабораторных животных показывают непригодность таких имплантатов при лечении различных костных патологий как челюстно-лицевого отдела, так и опорно-двигательного аппарата, вследствие отсутствия протекания вокруг гладких имплантатов процессов активного костеобразования. Наблюдается только наличие в различной степени выраженной фиброзной ткани, существенно затрудняющей приживление имплантатов.

Придание гладкой металлической поверхности высокой степени шероховатости значительно повышает ее остеокондуктивность и способность интеграционного взаимодействия с костными структурами. Неровности рельефа поверхности определяют характер ее физико-механического взаимодействия с окружающей тканью и создают необходимые условия для прорастания костных клеток в микровпадины различной формы и глубины с образованием относительно прочной взаимосвязи имплантата с тканью. Поэтому, формированию высокой степени шероховатости поверхности имплантатов уделяется большое внимание. Кроме того, исходная шероховатость имплантатов может значительно повысить адгезию и поверхностную пористость специально наносимых биоактивных покрытий за счет прочного механического сцепления их частиц с основой и воспроизведения (копирования) микрорельефа поверхности основного металла тонкими слоями покрытия.

Развитая шероховатая поверхность материалов характеризуется повышенным уровнем энергии, оказывающей определенное влияние на степень адсорбции белков из контактирующей биосреды. Этот фактор является важной составляющей начального процесса приживления имплантата, т.к. предшествует последующей клеточной пролиферации и дифференциации [8]. За счет увеличенной площади удельной поверхности шероховатых имплантационных материалов повышается и концентрация на них адгезивных белков внеклеточного матрикса и цитоплазмы, что приводит к ускоренному присоединению клеток к поверхности. При этом с шероховатой поверхностью взаимодействует значительно большее количество клеток в сравнении с гладкой поверхностью, поэтому пролиферация, дифференциация и синтез внеклеточного матрикса протекают быстрее на шероховатых структурах материалов.

Рельеф шероховатой поверхности характеризуется наличием макро- и микронеровностей с присутствием крупных выступающих частиц и глубоких впадин, а также сложноориентированных элементов профиля. Такая структура обусловлена высокой гетерогенностью и способна обеспечить эффективное взаимодействие имплантатов с костной тканью. Данное гетерогенное строение является благоприятным для протекания остеоинтеграции и может способствовать формированию прочной биотехнической системы «имплантат – окружающая кость».

Однако создание наилучших условий для протекания остеоинтеграционных процессов могут обеспечивать открытопористые газотермические покрытия на основе биосовместимых металлооксидных соединений с величиной суммарной открытой пористости на уровне 30-60% и размером пор 20-200 мкм. Такие термооксидированные поверхности имплантатов стимулируют репаративный остеогенез и обладают высокими остеокондуктивными свойствами. Наличие большого количества пор приводит к существенному возрастанию величины удельной поверхности, способствует адсорбции увеличенного количества адгезивных белков, ускоряет миграционные клеточные механизмы и транспортные биохимические системы, создавая оптимальные условия для образования новой костной ткани.

Открытопористые термооксидные системы за счет обеспечения высокой сорбционной активности способствуют интенсификации фактора роста кости, т.е. остеостимуляции, вызывая ускорение процессов костеобразования.

Между оксидным покрытием имплантата и биосредой происходит биофизикохимическое взаимодействие с образованием и адгезией на поверхности белковых структур, их разрастанием и проникновением в углубления, а также поры рельефа поверхности в условиях определенной деструкции ее материала. В результате такого взаимодействия имплантата создается прочная биотехническая система «имплантат – окружающая ткань» с высокой эффективностью функционирования. При этом на формирование остеокондуктивных качеств и биоактивности большое влияние оказывает морфологическая гетерогенность оксидированной поверхности имплантата, определяемая комплексом показателей ее шероховатости, а также параметров выступов и углублений, включая поры. Поэтому исследование микрогеометрии поверхности имплантационных оксидных покрытий является важнейшим этапом в разработке и создании современных медицинских имплантатов для различных направлений восстановительной хирургии.

Таким образом, повышенную эффективность применения проявляют металлические чрескостные и внутрикостные имплантаты с газотермическими пористыми и морфологически развитыми покрытиями из оксидов металлов, не только совместимых с биологическими структурами, но и обеспечивающих стимулированный рост костной ткани с последующей ускоренной остеоинтеграцией.

Литература

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

2. Патент РФ №107473. Спица для остеосинтеза с биоактивным покрытием / Больбасов Е.Н., Твердохлебов С.И. Опубл. 20.08.2011.

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

4. Родионов И.В. Получение оксидных биосовместимых покрытий на чрескостных титановых имплантатах методом паротермического оксидирования // Перспективные материалы. №5, 2009. С. 35-44.

5. Патент РФ на изобретение №2412723. Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Карпова А.И. Опубл. 27.02.2011.

6. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль биологической фиксации и остеоинтеграции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина и др. // Ортопедия, травматология и протезирование. 2005. №4. с. 118-127.

7. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль индукции и кондукции в остеогенезе / Н.А. Корж, В.А. Радченко, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. 2003. №2. с. 150-157.

8. Корж Н.А. Имплантационные материалы и остеогенез. Роль оптимизации и стимуляции в реконструкции кости / Н.А. Корж, Л.А. Кладченко, С.В. Малышкина // Ортопедия, травматология и протезирование. 2008. №4. с. 5-14.

9. Хлусов И.А. Генез костной ткани на поверхности имплантатов для остеосинтеза / И.А. Хлусов, А.В. Карлов, И.В. Суходоло // Гений ортопедии. 2003. №3. с. 16-26.

10. Патент РФ на изобретение № 2332239. Способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Ткачева А.В. Опубл. 27.08.2008.