Способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена и материал, полученный этим способом

Способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена и материал, полученный этим способом

Реферат

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения новых имплантационных материалов (имплантатов) на основе пористого политетрафторэтилена (ПТФЭ), преимущественно с титансодержащим покрытием, которые могут быть использованы для основы гибридных имплантатов в имплантологии и костнопластической хирургии.

Применение имплантационных материалов (ИМ) имеет многовековую традицию в развитии медицины и является средством восполнения поврежденных органов и тканей, и, соответственно, восстановления или компенсации утерянных функций. В случае успеха происходит интеграция имплантата в тканевую среду, и он начинает функционировать как часть живой системы, каковой является организм человека.

С особой наглядностью закономерности процесса интергации прослеживаются при изучении ИМ, иннокулированных в кость, что имеет место в костнопластической хирургии.

Известны три типа гистоморфологически детерминированной интеграции имплантатов в костную ткань.

1. Фиброинтеграция - формирование фиброзной капсулы вокруг имплантата.

2. Остеофиброинтеграция - участки образования в интерфейсе имплантат - прилежащая ткань соединительнотканной прослойки перемежаются с участками, где к имплантату непосредственно прилежит костное вещество.

3. Остеоинтеграция - к имплантату непосредственно прилежит костная ткань.

Наиболее адекватной назначению ИМ является остеоинтеграция, при которой вплотную к имплантату формируется полноценная в структурном и функциональном (опорная функция) кость.

В связи с этим важнейшей задачей является получение новых ИМ для медицины. Одним из перспективных материалов является пористый политетрафторэтилен (ПТФЭ).

Известен материал на основе политетрафторэтилена марки Ф-4 (беспористый) с металлическим покрытием из меди (RU 2020777 C1, C23C 14/24, 30.09.1994). Способ получения такого материала включает очистку подложки из политетрафторэтилена в органическом растворителе, ее обработку в тлеющем разряде и последовательное нанесение на подложку адгезионного медного покрытия путем разложения металлоорганического соединения меди в плазме ВЧ-разряда.

Известный материал находит применение в производство микросхем ВЧ- и СВЧ-диапазонов в микроэлектронике, но не может быть использован в медицине как ИМ т.к не обладает биологической совместимостью с живыми тканями.

Известен материал на основе политетрафторэтилена марки Ф-4 с покрытием никель-бор ((RU 2213812 C1, C25D 15/00, 10.10.2003). Покрытие наносят на основу электрохимическим методом. Полученный материал предназначен для использования в машиностроении и не может быть использован в медицине как ИМ, т.к. не обладает биологической совместимостью с живыми тканями и из-за токсичности никеля и бора.

Известен имплантационный материал на основе пористого политетрафторэтилена, который используется для изготовления имплантатов в восстановительной внутрисосудистой хирургии (RU 2203685 С2, A61L 27/14; A61F 2/02, 10.05.2003). Имплантат представляет собой многослойную структуру с пористостью 67-80%, образованную наслоением множества микропористых двуосноориентированных политетрафторэтиленовых пленок, предварительно термообработанных при 320-340°С. Имплантат может быть образован наслоением 2-96 слоев политетрафторэтиленовой пленки в зависимости от его назначения, однако его использование в костнопластической хирургии не известно.

Известна политетрафторэтиленовая мембрана для направленной регенерации околозубных тканей, которая используется при лечении заболеваний пародонта (RU 2257232 C1, A61L 27/56; A61L 27/40; A61F 2/02, 27.07.2005). Мембрана включает по крайней мере два слоя из пористого ПТФЭ: слой, прилегающий к тканям пародонта, имеет объемную долю пространства пустот 78-94%, внешний слой имеет объемную долю пространства пустот 30-60%. Мембрана имеет повышенную регенеративную активность и проста в применении.

Целенаправленное использование известной мембраны для лечения пародонтоза ограничивает ее использование в стоматологии и костной хирургии. Основным недостатком ИМ является его высокая пористость, что может способствовать проникновению микробных колоний в живую ткань.

Недостатками всех известных медицинских ИМ, выполненных из ПТФЭ, являются прежде всего их недостаточно высокие биомеханические характеристики и низкая биологическая инертность.

Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению в части материала может быть выбран ИМ на основе пористого политетрафторэтилена по RU 2207825 С1.

Задачей заявленного изобретения является разработка новых имплантационных материалов для основы гибридных имплантатов, перспективных для применения в медицине, обладающих оптимальными интеграционным потенциалом, физико-химическими и биомеханическими характеристиками, адекватными требованиям их применения в имплантологии и костнопластической хирургии.

Техническим результатом является получение имплантационных материалов как основы для гибридных имплантатов с металлическим или керамическим покрытием, обладающих высокими физико-химическими, биомеханическими характеристиками и повышенной биологической активностью к живым тканям.

Технический результат достигается тем, что способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена включает подготовку поверхности основы, служащей подложкой, нанесение на подготовленную поверхность подложки поверхностного слоя покрытия модифицированного легирующими элементами путем магнетронного распыления одной из мишеней, выбранной из ряда металлов, включающего: титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал; карбидов указанных металлов или композиционных керамических материалов, выбранных из группы, включающей: карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида кальция (TiC_0.5+10 мас.% СаО); карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида кальция и 2 мас.% перманганата калия (TiC_0.5+10 мас.% СаО+2 мас.% KMnO₄); карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида циркония (TiC_0.5+10 мас.% ZrO₂), карбид титана, содержащий 10 мас.% гидроксиапатита (TiC_0.5+10 мас.% (Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂, при этом распыление одной из указанных мишеней проводят при давлении 1-2×10^-1 Па, при температуре подложки в интервале 150-170°С, в атмосфере аргона или смеси аргона с азотом, при парциальном давлении азота 14%.

Из указанного ряда металлов для мишени используют преимущественно титан, а распыление металла проводят в атмосфере аргона.

Из карбидов указанных металлов для мишени используют преимущественно карбид титана состава TiC_0.5.

Имплантационный материал на основе пористого политетрафторэтилена, полученный по указанному способу, включает основу из политетрафторэтилена пористостью 3,0-40,0%, и поверхностный слой покрытия толщиной не менее 50 нм, модифицированный легирующими элементами, входящими в состав упомянутых мишеней. Поверхностный слой покрытия при распылении металлической мишени в аргоне содержит в качестве легирующего элемента упомянутый металл, преимущественно титан. Поверхностный слой покрытия при распылении карбида металла в смеси аргона и азота содержит в качестве легирующих элементов упомянутый металл, преимущественно титан, углерод и азот (Ti-С-N). Поверхностный слой покрытия при распылении керамической мишени состава (TiC_0.5+10 мас.% СаО) в смеси аргона и азота содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, углерод, кислород и азот (Ti-Ca-C-O-N). Поверхностный слой покрытия при распылении керамической мишени состава (TiC_0.5+10 мас.% СаО+2 мас.% KMnO₄) в смеси аргона и азота, содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, марганец, калий, углерод, кислород и азот (Ti-Ca-Mn-K-C-O-N).

Поверхностный слой покрытия при распылении керамической мишени состава (TiC_0.5+10 мас.% ZrO₂) в смеси аргона и азота содержит в качестве легирующих элементов титан, цирконий, углерод, кислород и азот (Ti-Zr-C-O-N). Поверхностный слой покрытия при распылении керамической мишени состава (TiC_0.5+10 мас.%(Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂, в смеси аргона и азота, содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, фосфор, углерод, кислород и азот (Ti-Ca-P-С-O N).

Выбор в качестве элементов для имплантации титана, циркония, гафния, ниобия, тантала, их карбидов или композиционных керамических материалов в качестве мишени определяется тем, что эти элементы в покрытии легко пассивируются с образованием оксидов, биосовместимых с человеческим организмом. Указанные металлы для мишеней используют чистотой не менее 99,999, которые получены известными методами, например плавлением в вакуумной индукционной печи.

Использованные указанные в формуле керамические мишени: TiC_0.5, TiC_0.5+10 мас.% СаО, TiC_0.5+10 мас.% СаО+2 мас.% KMnO₄, TiC_0.5+10 мас.% ZrO₂, TiC_0.5+10 мас.% (Са₁₀(PO₄)₆(ОН)₂) получены широко известным методом силового СВС (самораспространяющийся высокотемпературный синтез) компактирования с последующим горячим изостатическим прессованием (HIP) (E.A.Левашов, А.С.Рогачев, В.И.Юхвид, И.П.Боровинская // Физико-химические и технологические основы самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, Москва, ЗАО «Издательство БИНОМ», 1999) на базе опытно-промышленного участка самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) Научно-учебного центра СВС МИСиС-ИСМАН (www.shs.misis.ru).

В качестве подложек для осаждения покрытий использовались образцы ПТФЭ с пористостью от 3,0 до 40% фирмы ЗАО НПК «Экофлон» в виде пластин размером 10×10×5. Подготовка поверхности ПТФЭ включает очистку ее в этиловом спирте. Осаждение покрытий осуществляют в течение 60 минут путем магнетронного распыления материала мишеней в газовой смеси аргона или смеси его с азотом при парциальном давлении азота 14%. Общее давление в вакуумной камере составляло 1-2×10^-1 Па, а температуру подложки поддерживали в интервале 150-170°С.

Заявленные условия нанесения покрытий позволяют получать на поверхности ПТФЭ практически аморфные покрытия толщиной не менее 50 нм. В атмосфере аргона и азота в поверхностном слое пористого ПТФЭ при распылении материала мишени создается зона с высоким содержанием карбонитрида металла или карбонитрида и атомов кальция и кислорода, или карбонитрида, атомов фосфора, марганца, калия, кислорода, продуктов разложения ГА, обладающих высокими адгезионными свойствами по отношению к основе ПТФЭ. При термоциклировании или после деформации в изотермических условиях обратимое образование и исчезновение мартенситных пластин не приводит к разрушению карбонитридного слоя металла, и это предопределяет высокую коррозионную стойкость и хорошую адгезию данного материала в условиях циклических нагрузок.

В качестве критериев для заключения о возможности использования испытуемых материалов как основы для гибридных имплантатов служила оценка адгезии и распластывания эмбриональных фибробластов человека на поверхности их образцов.

Фибробласты человека были выделены из кожно-мышечной ткани эмбрионов возраста 6 недель. Клетки культивировали в среде ДМЕМ/199 (1:1) с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки (ЭТС) и 100 Ед/мл пенициллин/стрептомицина в атмосфере 5% CO₂. Культура клеток на 11 пассаже (CD133^-, Cd117^-, CD45^-, CD90⁺, CD54^-, CD62L^-, CD62P^-, CD9⁺, CD34^-, CD31^-, CD71^-, CD20^-, CD157^-, СD106⁺, CD62E⁺) была использована для тестирования материалов. Клетки высевали на поверхности образцов с плотностью 35 тыс./см² и культивировали в течение 72 часов.

Четыре образца после культивирования на их поверхности фибробластов исследовали с помощью люминесцентной микроскопии: 1. Металл (Ti) с напылением мишени TiC_0.5+10% CaO. 2. ПТФЭ с напылением TiC_0.5+10% CaO. 3. Металл (Ti) с напылением TiC_0.5+10% СаО+2% KMnO₄. 4. ПТФЭ с напылением TiC_0.5+10% CaO+2% KMnO₄.

Оценку морфологии и жизнеспособности клеток проводили на микроскопе ЛЮМАМ И-2 с использованием метода окрашивания клеток 0.0002% раствором акридинового оранжевого в фосфатном буфере. Данный краситель селективно взаимодействует с ДНК и РНК путем интеркаляции или электростатического притяжения соответственно. При этом связанная с красителем ДНК флуоресцирует в зеленом свете (525 нм), а электростатически связанный с РНК акридиновый оранжевый флуоресцирует в красной области (>630 нм). Это делает возможным общую оценку состояния клеток (активность, пролиферирация, покой, апоптоз).

Как показали исследования с помощью люминесцентной микроскопии, на поверхности всех 4 образцов располагалось большое число собранных в кластеры либо беспорядочно разбросанных, во многих участках поверхности переплетающихся вытянутой формы клеток. Они характеризовались продолговатым крупным ядром, светящимся в бледно-зеленом спектре, в цитоплазме клеток зачастую имелись зоны оранжевого и красного свечения. В отдельных клетках в ядре обнаруживались ярко-зеленые включения (Ti с напылением TiC_0.5+10% CaO+2% KMnO₄).

С помощью метода сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) проведено исследование строения поверхности образцов и морфологии прикрепившихся к ней эмбриональных фибробластов на следующих образцах материалов: 1. Ti без покрытия; с покрытиями. 2. Ti-Ca-C-O-N. 3. Ti-Ca-Mn-C-O-N. 4. ПТФЭ без покрытия. 5. ПТФЭ + Ti. 6. ПТФЭ + Ti-Ca-C-O-N. 7. ПТФЭ + Ti-Ca-Mn-C-O-N.

Как показало СЭМ-исследование, эмбриональные фибробласты человека прикреплялись к поверхности образцов из Ti в малых количествах и практически не распластывались на ней, что свидетельствовало, с нашей точки зрения, о слабом интеграционном потенциале указанного материала (фиг. а).

Эмбриональные фибробласты адгезировали и распластывались на поверхности образцов Ti с покрытиями Ti-Ca-C-O-N и Ti-Ca-Mn-C-O-N.

На образцах ПТФЭ без покрытия фиксации клеток не наблюдалось (фиг. б). Напротив, на образцах ПТФЭ с покрытиями Ti, Ti-Ca-C-O-N, Ti-Ca-Mn-C-O-N (фиг. в и г) наблюдалось прикрепление большого числа клеток и их распластывание. Наиболее выраженным этот эффект был на образцах ПТФЭ с Са-содержащими покрытиями.

Таким образом, в результате исследований полученных материалов с помощью СЭМ установлено:

1. Все исследуемые материалы поддерживают адгезию и распластывание фибробластов человека, наибольшая распластанность и характерная вытянутая форма клеток наблюдается с напылением мишени TiC_0.5+10% СаО+2% KMnO₄.

2. Клетки, культивируемые на поверхности всех материалов, находятся в активном состоянии (наличие РНК говорит о белковом синтезе). На поверхности материалов с напылением мишени из TiC_0.5+10% CaO+2% KMnO₄ наблюдается интенсивная пролиферация клеток.

3. Все заявленные материалы не являются токсичными для клеток.

4. Критерий распластывания клеток дал возможность сопоставить и оценить in vitro интеграционный потенциал испытуемых образцов, поскольку их «приживление» - интеграция в ткани организма-реципиента начинается с миграции клеток из тканевого окружения и их прикрепления и распластывания на поверхности имплантатов.

5. Образцы с Са-содержащим и покрытиями обладают высоким интеграционным потенциалом. Клетки на их поверхности хорошо адгезируют и распластываются.

6. Полученные новые имплантационные материалы могут быть рекомендованы в качестве носителя стволовых клеток и клеток-предшественников в гибридных имплантатах.

7. Создан эффективный способ получения имплантационных материалов на основе пористого политетрафторэтилена, обладающих остеокондуктивными свойствами, повышенной "биологической" фиксацией к тканям, с высокой коррозионной стойкостью покрытия и низкой их растворимостью в агрессивных средах.

1. Способ получения имплантационного материала на основе пористого политетрафторэтилена, включающий подготовку поверхности основы, служащей подложкой, нанесение на подготовленную поверхность подложки поверхностного слоя покрытия модифицированного легирующими элементами, путем магнетронного распыления одной из мишеней выбранной из ряда металлов, включающего: титан, цирконий, гафний, ниобий, тантал; карбидов указанных металлов, или композиционных керамических материалов, выбранных из группы, включающей: карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида кальция; карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида кальция и 2 мас.% перманганата калия; карбид титана, содержащий 10 мас.% оксида циркония; карбид титана, содержащий 10 мас.% гидроксиапатита, при этом распыление одной из указанных мишеней проводят при давлении 1-2·10^-1 Па, при температуре подложки в интервале 150-170°С, в атмосфере аргона или смеси аргона с азотом, при парциальном давлении азота 14%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что из указанного ряда металлов для мишени используют преимущественно титан.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что из карбидов указанных металлов для мишени используют преимущественно карбид титана состава TiC_0,5.

4. Имплантационный материал на основе пористого политетрафторэтилена, полученный по пп.1-3, включающий основу из политетрафторэтилена пористостью 3,0-40,0%, и поверхностный слой покрытия толщиной не менее 50 нм, модифицированный легирующими элементами, входящими в состав упомянутых мишеней.

5. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующего элемента упомянутый металл, преимущественно титан.

6. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующих элементов упомянутый металл, преимущественно титан, углерод и азот.

7. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, углерод, кислород и азот.

8. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, марганец, калий, углерод, кислород и азот.

9. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующих элементов титан, цирконий, углерод, кислород и азот.

10. Имплантационный материал по п.4, отличающийся тем, что поверхностный слой покрытия содержит в качестве легирующих элементов титан, кальций, фосфор, углерод, кислород и азот.