CC BY
7Научная статья УДК 669-1
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.010
АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫЕ СВОЙСТВА НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ С ДОБАВЛЕНИЕМ СЕРЕБРА
Артём Дмитриевич Горбенко1, Михаил Александрович Каплан2, Сергей Викторович Конушкин3, Елена Олеговна Насакина4, Константин Владимирович Сергиенко5, Александр Сергеевич Баикин6, Александр Юрьевич Иванников7, Михаил Анатольевич Севостьянов8
1-8Институт металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова Российской академии наук,
Москва, Россия
1artemgorbenk@yandex.ru
2mishakaplan@yandex.ru
3venev.55@mail.ru
4nacakina@mail.ru
5shulf@yandex.ru
6baikinas@mail.ru
7aivannikov@imet. ac.ru
8cmakp@mail.ru
Аннотация
Рассматривается способ приобретения медицинской нержавеющей сталью антибактериальных свойств с помощью микролегирования серебром. Испытания стали с массовыми долями серебра 0,2 и 0,5 % на бактерицидные свойства показали, что этого содержания достаточно для подавления роста и развития бактерий штамма Pseudomonas marginalis. Ключевые слова:
антибактериальные свойства, серебро, медицинская сталь, Pseudomonas marginalis Original article
ANTIBACTERIAL PROPERTIES OF STAINLESS STEEL WITH THE ADDITION OF SILVER
Artem D. Gorbenko1, Mikhail A. Kaplan2, Sergey V. Konushkin3, Elena O. Nasakina4, Konstantin V. Sergienko5, Alexander S. Baikin6, Alexander Yu. Ivannikov7, Mikhail A. Sevostyanov8
1-8A. A. Baikov Institute of Metallurgy and Materials Science, Russian Academy of Sciences, Moscow, Russia
1 artemgorbenk@yandex.ru
2mishakaplan@yandex.ru
3venev.55@mail.ru
4nacakina@mail.ru
5shulf@yandex.ru
6baikinas@mail.ru
7aivannikov@imet. ac.ru
8cmakp@mail.ru
Abstract
The article examines the method of acquiring antibacterial properties for medical stainless steel by micro-alloying it with silver. Tests of steel with mass fractions of silver 0.2 and 0.5 % for bactericidal properties showed that this content is sufficient to suppress the growth and development of Pseudomonas marginalis bacteria. Keywords:
antibacterial properties, silver, medical steel, Pseudomonas marginalis
При проектировании имплантатов для человеческого тела в качестве материала для их изготовления в подавляющем большинстве случаев выбирают металлические сплавы из-за длительной практики их применения, воздействие которого многократно исследовалось, и из-за относительно низкой стоимости и доступности сырья. При этом металлы способны удовлетворить широкий спектр требований по свойствам материала медицинского изделия. Они могут разительно отличаться не только по механическим характеристикам, но и по характеру взаимодействия с телом пациента — параметру, находящемуся в зависимости от назначения и срока службы протеза. При этом обязательным для любого применяемого материала является стабильное поведение при контакте с агрессивной средой человеческого тела и ненанесение прямого вреда здоровью пациента.
При создании имплантатов с коротким сроком службы, например фиксирующих кости конструкций, чаще всего используются коррозионностойкие медицинские стали [1, 2], которые отличаются устойчивостью к воздействию жидкостей человеческого тела, не воспринимаются им агрессивно и относительно доступны по сравнению с другими сплавами [3]. При этом, несмотря на подходящие свойства материала, при проведении операций есть риск бактериального заражения пациента [4], которое может повлечь за собой необходимость повторного вмешательства из-за течения болезни или чрезмерных коррозионных процессов, вызванных изменением состояния окружающей среды в ходе иммунного ответа.
Этот риск можно нивелировать различными способами: нанесением лекарств на поверхность изделия перед вживлением или применением покрытий, повышающих нужные свойства. При этом следует принимать во внимание проблему существования бактерий, способных противостоять воздействию современных лекарств [5], что наиболее характерно именно для медицинских учреждений. Борьба с подобными инфекциями становится тяжелым испытанием для и без того подорванного здоровья пациента. Поэтому модифицирование имплантатов с целью наделения их антибактериальными свойствами стало актуальным в настоящее время.
Серебро способно подавлять размножение бактерий в довольно широком диапазоне, что сохраняется и при использовании его в качестве компонента сплава [6]. Исходя из этого, объектом исследования были выбраны антибактериальные свойства медицинской нержавеющей аустенитной стали с добавлением серебра.
В ходе работы в вакуумных плавильных печах получены слитки коррозионностойких сталей с содержанием хрома 17 %, никеля 10 %, а также с другими легирующими элементами. Подробный химический состав полученных образцов приведен в таблице.
Химический состав коррозионностойких сталей
№ сплава C Cr Ni Ag Si Mn Mo P S N
1 0,023 16,75 10,09 0 0,43 1,82 2,05 0,041 0,009 0,073
2 0,023 16,75 10,09 0,2 0,43 1,82 2,05 0,041 0,009 0,073
3 0,023 16,75 10,09 0,5 0,43 1,82 2,05 0,041 0,009 0,073
Для определения антибактериальной активности составов стали использовали трехсуточную бактерию рода Pseudomonas. Выросшие в пробирке колонии бактерии с помощью прокаленной на огне петли перенесли в пробирку со стерильной дистиллированной водой для создания бактериальной суспензии. После этого предварительно прокаленной на огне горелки пипеткой набрали 1 мл материала и перенесли его в чашку Петри на поверхность селективной среды, далее растерев по всей поверхности чашки. Затем на поверхность посева поместили образцы сплавов. В опыте использовали штамм бактерии Pseudomonas marginalis, посев осуществлялся на селективной среде Кинга В. Засеянные чашки (рис. 1) с изучаемыми материалами поместили в термостат при 28 °С на 24-72 ч. Чашки с питательным агаром со штаммом бактерии без испытываемого материала являлись контрольными.
Рис. 1. Засеянные чашки Петри с изучаемыми сплавами
© Горбенко А. Д., Каплан М. А., Конушкин С. В., Насакина Е. О., Сергиенко К. В., Баикин А. С., Иванников А. Ю., Севостьянов М. А., 2022
Оценивали антибактериальную активность сталей на посев по феномену задержки роста бактерий вокруг пластин. Диаметр зон задержки роста бактерий вокруг пластин определяли с помощью линейки.
По итогам эксперимента на чашках Петри в вариантах № 2 и 3 (рис. 2) можно увидеть антибактериальный эффект вокруг пластин по сравнению с контрольными чашками. На изображениях видно стерильную зону вокруг изучаемых пластинок, то есть подавление роста и развития штамма бактерий Pseudomonas marginalis.
Рис. 2. Чашки Петри, контрольные и с образцами после инкубации: а — сплав № 1; б — сплав № 2; в — сплав № 3
В ходе исследований получены результаты испытаний антибактериальных свойств аустенитной нержавеющей стали с различным содержанием серебра. Было обнаружено, что содержание серебра в 0,2 и 0,5 % по массе достаточно, чтобы материал подавлял рост и развитие вредоносных бактерий.
Список источников
1. Колмаков А. Г., Иванников А. Ю., Каплан М. А., Кирсанкин А. А., Севостьянов М. А. Коррозионностойкие стали в аддитивном производстве // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2021. Т. 65, № 9. С. 619-650. DOI 10.17073/0368-0797-2021-9-619-650
2. ГОСТ 30208-94. Инструменты хирургические. Металлические материалы. Ч. 1. Нержавеющая сталь. М.: Изд-во стандартов, 2002. 7 с.
3. Биодеградация и коррозия биоматериалов // medbe.ru: сайт. URL: https://medbe.ru/ (дата обращения: 15.01.2022).
4. Rogers B. A., Little N. J. Surgical site infection with methicillin-resistant Staphylococcus aureus after primary total hip replacement. J. Bone & Joint Surgery — British 90. 2008. 1537-1538.
5. Rai M. K., Deshmukh S. D., Ingle A. P., Gade A. K. Silver nanoparticles: the powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria, 11 February 2012.
6. Mirzaee M., Vaezi M., Palizdar Y. Synthesis and characterization of silver doped hydroxyapatite nanocomposite coatings and evaluation of their antibacterial and corrosion resistance properties in simulated body fluid // Mater. Sci. Eng. C 69. 2016. 675-684.
References
1. Kolmakov A. G., Ivannikov A. Yu., Kaplan M. A., Kirsankin A. A., Sevost'yanov M. A. Korrozionnostojkie stali v additivnom proizvodstve [Corrosion-resistant steels in additive manufacturing]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij Chernaya metallurgiya [Proceedings of Higher Educational Institutions. Ferrous Metallurgy], 2021, vol. 65, no. 9, pp. 619-650. (In Russ.).
2. GOST 30208-94. Instrumenty khirurgicheskie. Metallicheskie materialy. Chast' 1. Nerzhaveyushhaya stal' [GOST 30208-94. Surgical instruments. Metallic materials. Part 1 Stainless steel]. Moscow, Izd-vo standartov, 2002, 7 p.
3. Biodegradaciya i korroziya biomaterialov [Biodegradation and corrosion of biomaterials]. (In Russ.). Available at: https://medbe.ru/.
4. Rogers B. A., Little N. J. Surgical site infection with methicillin-resistant Staphylococcus aureus after primary total hip replacement. J. Bone & Joint Surgery — British, 2008, vol. 90, pp. 1537-1538.
5. Rai M. K., Deshmukh S. D., Ingle A. P., Gade A. K. Silver nanoparticles: the powerful nanoweapon against multidrug-resistant bacteria. J. Applied Microbiology, 2012, vol. 112 (5), pp. 841-52.
6. Mirzaee M., Vaezi M., Palizdar Y. Synthesis and characterization of silver doped hydroxyapatite nanocomposite coatings and evaluation of their antibacterial and corrosion resistance properties in simulated body fluid. Mater. Sci. Eng., 2016, vol. C 69, pp. 675-684.
Информация об авторах
А. Д. Горбенко — инженер-исследователь;
М. А. Каплан — младший научный сотрудник;
С. В. Конушкин — кандидат технических наук, младший научный сотрудник;
Е. О. Насакина — кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
К. В.Сергиенко — младший научный сотрудник;
А. С. Баикин — кандидат технических наук, научный сотрудник;
А. Ю. Иванников — кандидат технических наук, старший научный сотрудник;
М. А. Севостьянов — кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник.
Information about the authors
A. D. Gorbenko — Research Engineer;
M. A. Kaplan — Junior Researcher;
S. V. Konushkin — PhD (Engineering), Junior Researcher;
E. O. Nasakina — PhD (Engineering), Senior Researcher;
K. V. Sergienko — Junior Researcher;
A. S. Baikin — PhD (Engineering), Researcher;
A. Yu. Ivannikov — PhD (Engineering), Senior Researcher;
M. A. Sevostyanov — PhD (Engineering), Leading Researcher.
Статья поступила в редакцию 14.02.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022.
The article was submitted 14.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
© Горбенко А. Д., Каплан М. А., Конушкин С. В., Насакина Е. О., Сергиенко К. В., Баикин А. С., Иванников А. Ю., Севостьянов М. А., 2022
