CC BY
50
УДК 621.793.74:669.017.3:616
И. И.Шамсутдинов, Л. Т. Баязитова, М. М. Гребенщикова, М. М. Миронов
АНТИМИКРОБНЫЕ СВОЙСТВА НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТОВ
ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ
Ключевые слова: антимикробные свойства, покрытия, нитриды гафния и титана, золотистый стафилококк, имплантаты
для травматологии.
На металлические медицинские имплантаты наносили ионно-плазменной технологией тонкопленочные нано-структурированные покрытия на основе нитридов гафния. Исследовали элементный состав покрытий, многослойную структуру и топографию поверхности. Установлены антимикробные свойства титаногафниего нитридного покрытия, разработана методика определения антимикробных свойств.
Key words: аntimicrobial properties, coatings, hafnium and titanium nitrides, golden sphylococcus aureus, implants for traumatology.
Coating based on nitrides of hafnium were applied with ion-plasma technology on medical titanium implants. Elemental composition, properties of the coatings in terms of bending, the multilayer structure and the surface topography were investigated. The anti-microbial properties and absence of toxicity are determined. Testing methods are developed.
Введение
По данным всемирной организации здравоохранения количество повторных исправляющих отторжение имплантатов в травматологических операциях достигает 14 процентов. Указываются три основные причины этого процесса: воздействие проникшей в операционное поле госпитальной инфекции, аллергическое воздействие материала им-плантата и развитие между имплантатом и костной тканью, так называемой, пленочной инфекции. Последняя состоит из содружества микроорганизмов, выживающих в условиях обедненных питательных сред. Инфекция недоступна для антибиотиков и септиков доставляемых кровотоком.
Целью исследования является разработка и исследование антимикробных свойств покрытий угнетающих болезнетворную микрофлору, ускоряющих заживление ран и блокирующих аллергическое воздействие материала имплантата.
Сверхтвердые тонкопленочные покрытия из нитридов Т^ А1, О", 2г, Мо массово применяют в производстве металлорежущего инструмента, изготовленного из теплостойких сталей и спеченных метал-локерамических твёрдых сплавов. Мировыми лидерами по разработке технологии и оборудования в этой области являются ОегНкопВакеге и DinenE1ektronik, 1опВоМ. Конденсация покрытий производится на магнетронных установках и установках с электродуговым испарением металла.
Применение покрытий для медицинских изделий ограничено, в связи с многообразием и спецификой медико-технических требований [1], включающих оценку биологического действия по ГОСТ(1БО) 10993-2011.
Технология плазменной конденсации с ионной бомбардировкой (КИБ) и с очисткой поверхности высокоэнергетическими ионами металлов Т^ Си, Ог позволяет значительно повысить адгезионное сцепление покрытия с основой. Перспективным является применение тонкоплёночных покрытий для защиты организма человека от миграции с имплантата токсических элементов Сг, Мо, Со из сталей и V и Мо
из титановых сплавов, которые могут являться причиной возникновения негативных реакций организма с развитием металлозов, аллергических состояний и воспалений [2].
Конденсацию исследуемых покрытий [3] осуществили в атмосфере азота при давлении около 10-1 Па на установке с тремя электродуговыми испарителями. Очистку поверхности осуществляли ионами титана до температуры титановых имплантатов не превышающей 600 °С, т.е. начала фазовых изменений, приводящих к росту зерна Р-структуры. Для спиц - фиксаторов скелетного вытяжения однократного применения из стали 12Х18Н9 температура при очистке была понижена до 300-400°С.
Измерение микротвердости покрытия показало величину 14-30 ГПа, при толщине 2-5 мкм. Измерение толщины проводили как на образцах-свидетелях из поликорунда, так и на изгибах спиц, винтов, пластин остеосинтеза и сколах покрытия, зафиксированных электронным микроскопом. Оценка пористости показала, что объем пор в покрытии не превышает 1-2% на толщине 2мкм. Поры зафиксированы на сломе покрытия съемкой на микроскопе и просматриваются на рисунке 1. Необходимо отметить, что толщина покрытия на внутренней поверхности отверстии пластин остеосинтеза была занижена и составила около 1мкм. Многослойные нано-структурированные покрытия состоят из столбчатых кристаллов нитридов титана и гафния с гетеро-десмичными химическими связями и имеют характерные размерам 5-20 нм.
Рис. 1 - Излом покрытия и вид закрыт ых пор
Исследования структуры покрытия, как на поверхности, так и по толщине выявили характерные размеры кристаллов НШ+ТМ составляющие 20-50 нм и высотой в толщину покрытия (рис. 2).
Рис. 2 - Столбчатые кристаллы нитридов
Послойный состав в электронном спектре проанализирован спектрометром энергетических дисперсий высокого разрешения и приведен на рисунках 3. Срез покрытия по толщине потоком ионов Ga установил многослойность покрытия, состоящего из нитридных слоев с отличающимся составом слоя и толщиной слоя 20-30 нм. При этом целостность кристалла не нарушается, но виден переход, тонкий переходной по составу слой. Рентгено-дифракционным анализом зафиксированы фазы НШ,^Ш,9,Т1НШ2 с ростом кристаллов кристаллографической плоскостью 111 параллельно основе. Анализатор состава установил молярное соотношение титана и гафния в равных долях с отклонением в пределах 10%.
I I II II V
Рис. 3 - Срез покрытия и точка анализа состава
Гарантом отсутствия токсичности являются исследования миграции ионов гафния и титана с поверхности покрытия и токсичного ванадия от титанового сплава через покрытие. Концентрация ионов гафния из 20 суточной вытяжки покрытия составила менее 10-9 моль/литр, а концентрация ванадия из-за покрытия уменьшилась в 5 раз в сравнении с образцом без покрытия [4]. Это характеризует барьерный эффект покрытия, а незначительная миграция ионов - биосовместимость.
Доклинические испытания на животных показали основные эффекты и преимущества имплантатов с нитридным титаногафниевым покрытием:
1) Ускоренное заживление ран;
2) Отсутствие аллергических реакций;
3) Пониженные показатели реактивного белка, не превышающие значения норматива в сравнении с увеличенным показателем от материалов других имплантатов.
Отсутствие токсического влияния покрытий, содержащих нитрид титана и гафния на гепатобилиар-ную систему, нормативные биохимические показатели крови дают повод для дальнейшего внедрения конструкций с нитридными покрытиями, расширению их спектра применения и видов остеосинтеза с включением интрамедуллярной, накостной и вне-очаговой фиксации [2]. Позитивная биологическая активность нитридных титангафниевых покрытий связана с их антимикробными свойствами.
В настоящее время нет нормированных методик по достоверному определению степени антибактериального воздействия металлоподобных антимикробных поверхностей. Тестирование степени чувствительности микробной культуры к антимикробным препаратам выполняется в соответствии с МУК 4.2.1890-04 «Определение чувствительности микроорганизмов к антибактериальным препаратам». Степень чувствительности бактерий к антимикробным препаратам определяется диаметром зоны торможения (отсутствия) роста тестируемых штаммов на поверхности питательной среды Мюл-лер-Хинтон. При измерении зон задержки роста ориентируются на зону полного подавления видимого роста. Изначальная взвесь инокулюма содержит 1,5 х108. колонию образующих единиц -КОЕ/мл., что соответствует 0,5 единицам по стандарту МакФарланда. Применяя Ь критерии Стъюдента 0,95 можно сравнивать результаты исследований и получать достоверные показатели.
Сущность методики, разработанной для металлических и металлоподобных покрытий, заключается в непосредственном контакте покрытия с культу-ральной взвесью микроорганизма на всем протяжении эксперимента, т.е. покрытие погружено в суспензию культуральной взвеси исследуемого микроорганизма. Из граничных условий следует выделить: 1)концентрация патогенной микрофлоры составляла 100 000 КОЕ/мл.; 2) Металл подложки для покрытий ограничен титановым сплавом ВТ6 и сталью 12Х18Н9; 3) Измерение концентрации живых микроорганизмов культуральной взвеси осуществляется разбавлением и высевом взвеси на твердую питательную среду с последующим подсчетом количества колоний. Воздействие производится на инкубированную размножающуюся микрофлору в стадии роста.
В эксперименте использовали титановые подложки из сплава ВТ6 размером 20Х20мм с двухсторонним покрытием из нитридов титана и гафния с их соотношением в покрытии 50% на 50% по массе металлов и толщиной покрытия 3-4 мкм. В контрольном эксперименте при отсутствии на пластинах покрытия в питательной среде идет обычный рост культуры с резким увеличением ее концентрации превышающей 108 КОЕ/мл. Результаты иллюстрированы рисунком 4. Рост начинается быстро в течение 4-6 часов и продолжается несколько суток до полного истощения питательной среды, после чего начинается отмирание живых структур с падением КОЕ. Незначительное увеличение концентрации колоний микрофлоры на 30 сутки вызван, так называемым, некротическим ростом, то есть раз-
множением культуры на продуктах отмерших бактерий. Совсем иная картина наблюдается в присутствии в среде с микрофлорой пластин с нитридным покрытием. В первые часы происходит увеличение численности микрофлоры примерно на порядок, но затем происходит интенсивное отмирание культу-ральных структур вплоть до полной гибели культуры. Так происходит со стафилококком и в меньшей степени с синегнойной палочкой, что связано с различием строения оболочки микроорганизма.
Госпитальные штаммы микрофлоры показали аналогичную чувствительность к материалу покрытия в эксперименте и был подтвержден антимикробный эффект материала титаногафниевого нит-ридного покрытия. Антимикробный эффект у покрытий из нитрида титана не выявлен.
Рис. 4 - Зависимость С-концентрации КОЕ от времени роста (т)
Фунгицидный эффект от нитридного титангаф-ниевого покрытия [5] оценивали на образцах из натуральной кожи с указанным покрытием. Покрытие имело чешуйчатую, а не сплошную структуру и размеры его структурных элементов не превышали 2 мкм [6]. Особенности экспериментов с микозными патогенными культурами заключаются в малой скорости их роста и устойчивости к внешним факторам. В эксперименте использовали патогенную микоз-ную культуру из семейства трихофитонов. Оценочные результаты эксперимента показали наличие
© М. М. Миронов - канд. техн. наук, доц. каф. ПНТВМ, КНИТУ, [email protected]; М. М. Гребенщикова -канд. техн. наук, доц. каф. ПНТВМ КНИТУ, [email protected]; И. И. Шамсутдинов - бакалавр гр. 4331-11 каф. ПНТВМ КНИТУ; Л. Т. Баязитова - канд., мед. наук, зав. лаборатории КНИИЭИМ.
© M. M. Mironov - ph.D., Associate Professor at The Department of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials of KNRTU, [email protected]; M. M. Grebenshchikova - ph.D., Associate Professor at The Department of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials of KNRTU, [email protected]; 1 I. Shamsutdinov - Graduate Student at The Department of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials of KNRTU; L. T. Bayazitova - Cand., Med. Sciences, Head. Laboratories KNIIEIM.
фунгицидных свойств у нитридного титангафниево-го покрытия.
Оценочная антимикробная эффективность нитридного титангафниего покрытия примерно в 40 раз ниже пенициллина.
Заключение
Исследованы тонкоплёночные покрытия из нитридов титана и гафния для металлических имплан-татов. Покрытия HfN+TiN имеют многослойную структуру. Выявлен состав слоев, определена наноструктура столбчатых кристаллов нитридов. Толщина покрытия составляет 2-5 мкм, с характерным размером зерен 20-50 нм. Установлены антимикробные свойства материала покрытия в отношении стафилококка и синегнойной палочки. Разработана методика определения антимикробных свойств кор-розионностойких покрытий, проведена медицинская апробация имплантатов с покрытием.
Литература
1. И.Ш. Абдуллин, М.М. Миронов, Г.И. Гарипова, Бактерицидные и биологически стойкие покрытия для медицинских имплантатов и инструментов. Мед. Техника, 2004, № 4. С. 20-22.
2. И.Ф. Ахтямов, П.С. Андреев, Э.Б. Гатина, Э.И. Алиев, Первый опыт апробирования имплантатов с покрытием нитридами титана и гафния. Практическая медицина,
2015, № 4. С. 21-24.
3. Материал бактерицидного покрытия. Патент на изобретение № RU 2554773 от 27.06.2015. Авторы: Миронов М.М. и др.
4. М.М. Гребенщикова, М.М. Миронов, Е.В. Староду-мова. Исследование миграции ионов металлов с защитных наноструктурированных покрытий для импланта-тов. Вестник технологического университета 2016, Т.16, № 17, 49-50с.
5. В.П. Вейнов, Л.Т. Баязитова, Е.В. Халдеева, М.М. Миронов, М.М. Гребенщикова, Антимикробная активность покрытий с гафнием. Научная сессия КНИТУ
2016, 486.
6. M.M. Mironov and M.M. Grebenshchikova. Structure and properties of the surface of collagen. Journal of Physics: Conference Series, Volume 789 (2017), conference 1.
Все статьи номера поступили в редакцию журнала в период с 01.06.17. по 20.08.17.
