Оксидное покрытие на чрескостные ортопедические имплантаты из нержавеющей стали

Оксидное покрытие на чрескостные ортопедические имплантаты из нержавеющей стали

Реферат

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться при изготовлении стержневых и спицевых чрескостных имплантатов для внешнего остеосинтеза.

Наиболее часто применяемыми металлическими материалами для изготовления временных чрескостных ортопедических имплантатов являются нержавеющие хромоникелевые стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, обладающие требуемыми механическими свойствами и высоким уровнем биоинертности.

Для прочного остеоинтеграционного закрепления имплантатов в кости на их поверхности создают поверхностно-пористое, коррозионностойкое металлооксидное покрытие, получаемое с использованием процессов газотермического оксидирования [Родионов И.В. Газотермическое оксидирование как метод получения биосовместимых покрытий на изделиях медицинского назначения. / Современные техника и технологии. Томск, 2010. Т.2. С.74-76]. Однако в ряде клинических случаев происходит воспаление окружающих имплантаты тканей, возникают нагноительные процессы с последующим отторжением изделий, что связано с деятельностью патогенных микроорганизмов в зоне введения имплантатов.

Известно, что медь и медьсодержащие биосовместимые композиции обладают эффективной противомикробной активностью и часто применяются в различных медицинских целях, в том числе и в производстве медико-технических изделий типа имплантатов. Поэтому создание медьсодержащего оксидного покрытия на чрескостных ортопедических имплантатах из нержавеющей стали позволит снизить число послеоперационных осложнений, сократить сроки приживления изделий и улучшить лечебно-реабилитационные показатели за счет антибактериального действия меди в составе покрытия.

Известно оксидное покрытие на титановые имплантаты [патент РФ №2361623. Покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его получения], состоящее из двух слоев, первый слой толщиной 20-30 мкм - из оксидов титана, в основном TiO₂, второй слой толщиной 2-5 мкм - из смеси оксидов титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:

оксид титана (TiO₂) - 65-75;

оксид меди - 15-25;

остальное - другие типы оксидных фаз титана (TiO, Ti₃O₅).

Данное покрытие обладает антибактериальными свойствами за счет присутствия в своем составе меди. Однако такой фазовый состав покрытия может быть получен только на титановых имплантатах. Существенным недостатком покрытия является отсутствие практической возможности его использования на имплантатах из нержавеющей стали.

Известно металлооксидное покрытие на ортопедических имплантатах из нержавеющей стали, состоящее из смеси фаз FeNi, Fe, оксиды Ti₃O₅, Fe₂O₃ [Родионов И.В. Термооксидные покрытия остеофиксаторов из стали 12Х18Н9Т, полученные воздушно-термическим оксидированием // Инженерная физика. №6, 2008. С.56-64]. Данное покрытие обладает способностью к адаптации в костной ткани при прочном ее срастании с поверхностью металлооксидов. Однако недостатком этого покрытия является отсутствие антибактериальных свойств, т.к. в его состав не входит медь с антибактериальными свойствами.

Ближайшим прототипом, по мнению автора, является металлооксидное покрытие на чрескостные имплантаты из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, состоящее из собственных оксидов металлов, входящих в состав сплава (Cr, Ni, Fe, Ti), получаемое по способу [патент РФ №2412723. Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали]. Недостатком данного покрытия является отсутствие в его составе меди как элемента с противомикробной активностью, что не позволяет обеспечить антибактериальные свойства поверхности имплантатов.

Задачей изобретения является создание медьсодержащего антибактериального оксидного покрытия для использования на чрескостных ортопедических имплантатах из нержавеющей стали.

Поставленная задача достигается тем, что оксидное покрытие, состоящее из смеси оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава 12X18H9T, выполнено с содержанием меди при следующем соотношении компонентов: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава: от 95 до 98%, медь: от 2 до 5%.

Сущность изобретения заключается в следующем. Для выполнения медьсодержащего биосовместимого оксидного покрытия, обладающего антибактериальными свойствами, в целях использования на чрескостных ортопедических имплантатах из нержавеющей хромоникелевой стали на их поверхности формируют металлооксидные соединения в виде смеси оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава 12Х18Н9Т, так, чтобы оксидное покрытие имело требуемые для протекания эффективной остеоинтеграции толщину и открытую пористость. При этом оксидное покрытие содержит в своем составе медь в виде модифицирующего элемента для обеспечения антибактериального действия при следующем соотношении компонентов: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава: от 95 до 98%, медь: от 2 до 5%. Данный компонентный состав покрытия обеспечивает безопасное приживление стальных чрескостных имплантатов при отсутствии воспалительных явлений в зоне имплантации.

Биомедицинские эксперименты показали, что количество меди в составе оксидного покрытия менее 2% не позволяет достичь высокой эффективности антибактериального действия при сохранении микробной активности в зоне введения имплантатов на более поздних стадиях приживления. Количество меди в покрытии, превышающее 5%, является экономически нецелесообразным, т.к. содержание меди в пределах 2-5% оказывает антибактериальное действие, достаточное для полного исключения микробной активности на границе с имплантатом на всех послеоперационных стадиях. Кроме того, количество меди, превышающее 5%, может вызвать негативные канцерогенные явления в зоне имплантации с развитием гнойного процесса.

Пример. Берут чрескостный имплантат из нержавеющей хромоникелевой стали 12Х18Н9Т и проводят предварительную обработку его поверхности с помощью пескоструйной обдувки корундовым абразивом и ультразвукового обезжиривания в моющем растворе для создания исходной микрошероховатости и очистки металлической поверхности. Подготовленный для формирования оксидного покрытия имплантат помещают в нагретую до определенной температуры электропечь сопротивления и получают оксидное покрытие методом воздушно-термического оксидирования. Процесс формирования покрытия ведут до достижения оксидами толщины 40-50 мкм и суммарной открытой пористости не менее 30% для необходимого интеграционного взаимодействия с костной тканью. Затем имплантат с оксидным покрытием, состоящим из смеси оксидов собственных металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава, охлаждают, промывают и сушат, после чего помещают в гальваническую ванну с приготовленным неводным медьсодержащим электролитом и методом электрохимического (катодного) внедрения осуществляют модифицирование металлооксидного покрытия медью. При этом соотношение компонентов получаемого покрытия следующее: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава: 95-98%, медь: 2-5%.

Заявленный технический результат, а именно эффективное антибактериальное действие медьсодержащего оксидного покрытия, способствующее улучшенной приживляемости стальных имплантатов без опасности протекания воспалительных процессов в окружающих тканях, был определен путем клинических испытаний на экспериментальных животных (кролики породы «черный великан»). Каждому животному в большеберцовые кости на 40 суток вводились чрескостные стержни из стали 12Х18Н9Т с биосовместимым металлооксидным покрытием без содержания меди (по прототипу) и с содержанием меди (заявленного состава).

В течение всего периода испытания (каждые сутки) проводилось микробиологическое исследование мазков экссудата для оценки антибактериальных свойств поверхности стержней. По истечении клинического эксперимента стержни извлекались с крупными фрагментами кости животных и осуществлялся морфологический анализ гистосрезов костной ткани на границе с имплантатами для определения остеоинтеграционной способности применяемых покрытий.

Результаты клинических испытаний приведены в таблице. В ходе испытаний было установлено, что в зоне введения стержневых имплантатов из нержавеющей хромоникелевой стали с оксидным покрытием без содержания меди на протяжении 20 суток испытания протекали воспалительные явления, связанные с повышенной микробной активностью в окружающих тканях. Процесс приживления имплантатов был затрудненным и сопровождался интенсивным гноеобразованием на ранней стадии приживления (3-8 суток). Вследствие этого высокопрочного срастания покрытия с костной тканью не произошло.

Стержневые имплантаты с оксидным покрытием, содержащим медь в количестве менее 2%, не проявили высокой антибактериальной активности поверхности (табл.). В зоне введения таких стержней на 10-е сутки эксперимента происходило опухолеобразование тканей из-за воспалительных процессов, связанных с развитием микробной флоры вокруг имплантатов.

Результаты испытаний стальных имплантатов с оксидным покрытием заявленного состава показали, что на протяжении всего периода функционирования в зоне имплантации отсутствовала патогенная микробная флора без протекания воспаления биоструктур (табл.). Кроме того, морфологический анализ гистосрезов костной ткани на границе с имплантатами показал, что медьсодержащее оксидное покрытие прочно срослось с окружающей костью, что свидетельствует о высокой остеоинтеграционной способности применяемого покрытия.

Таблица
Протокол клинических испытаний чрескостных имплантатов из нержавеющей стали 12X18H9T с оксидными покрытиями
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
по прототипу	наличие тонкого слоя новообразованной костной ткани	наличие микробной флоры и воспалительных явлений в зоне имплантации на протяжении 20 суток	присутствие фрагментов костной ткани, интегрированной с оксидным покрытием
с содержанием меди менее 2%		появление микробной флоры с воспалением и опухолеобразованием тканей на 10-е сутки
заявленный состав	наличие значительного объема костного регенерата	отсутствие микробной флоры и воспалительных явлений биоструктур в течение всего периода испытания

Содержание меди в оксидном покрытии, превышающее 5%, является экономически нецелесообразным вследствие достаточно эффективного антибактериального действия меди в пределах от 2 до 5%.

Было установлено, что процесс приживления стальных ортопедических имплантатов с оксидным покрытием, содержащим медь в пределах от 2 до 5%, осуществляется в 2 раза быстрее по сравнению со стальными имплантатами, имеющими оксидное покрытие без содержания меди и с содержанием меди менее 2%.

Таким образом, клинические испытания имплантатов из нержавеющей хромоникелевой стали с медьсодержащим оксидным покрытием позволили установить, что применяемое покрытие обладает антибактериальными свойствами, высоким уровнем биосовместимости и способностью прочно срастаться с костными структурами.

Оксидное покрытие на чрескостные ортопедические имплантаты из нержавеющей стали, состоящее из смеси оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава, отличающееся тем, что выполнено с содержанием меди при следующем соотношении компонентов: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti), входящих в состав сплава: от 95 до 98%, медь: от 2 до 5%.