CC BY
62
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 616.31, 617.3, 621.785
И.В. Родионов, К.Г. Бутовский, О.В. Бейдик ФОРМИРОВАНИЕ АНТИСЕПТИЧЕСКИХ И АНТИТРОМБОГЕННЫХ КАЧЕСТВ АНОДНО-ОКСИДНЫХ БИОПОКРЫТИЙ ОСТЕОФИКСАТОРОВ ЗА СЧЕТ ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
Дается краткая характеристика метода остеосинтеза, значение чрескостных фиксаторов в аппаратах внешней фиксации. Приводится сравнительный анализ функционирования фиксаторов без покрытия и с покрытием. Рассматривается перспективная технология создания оксидных биопокрытий с антисептическими и антитромбогенными свойствами. Экспериментальным путем доказывается принципиальная возможность электрохимического внедрения в покрытие ионов ^ и La, придающих поверхности фиксаторов указанные антисептические и антитромбогенные биомедицинские функции.
I.V. Rodionov, K.G. Butovsky, O.V. Bejdik
ANTISEPTIC AND ANTITHROMBOTIC QUALITIES FORMATION OF ANODIC & ОXIDIC BIOCOVERINGS OF OSTEOCLAMPS DUE TO GALVANIC PROCESSES
A brief characteristic of a method of an osteosynthesis, value bone clamps in devices of external fixing is given in this article. The comparative analysis of functioning of clamps without a covering and with a covering is studied here. The perspective technology of creation of oxidic biocoverings with antiseptic and antithrombotic properties is considered in this paper. The experimental way proves a basic opportunity of electrochemical introduction in a covering ions ^ and La, clamps giving to surface specified antiseptic and antithrombotic biomedical functions.
Введение
Среди всех видов заболеваний человека на одном из первых мест находятся деформации, переломы и другие дефекты костей скелета. Для их лечения успешно применяется метод остеосинтеза - выправления и сращения костей с использованием спицевых и стержневых имплантатов-фиксаторов [1, 2].
Металлические имплантаты вводятся в костные фрагменты и соединяются с деталями внешнего аппарата остеосинтеза (рис. 1). Это позволяет управлять положением фрагментов, обеспечивая остеогенез для направленного устранения деформаций и сращения переломов. Одним из последних медицинских приложений аппарата внешней костной фиксации является обеспечение периодических механических раздражений
Рис. 1. Закрепление аппарата внешней фиксации на костных отломках с помощью стержневых остеофиксаторов
биотканей черепа, что позволяет интенсифицировать протекание в них биофизических и биохимических процессов, благоприятно влияющих на ускоренное восстановление утраченных биологических функций. Так, при установке аппарата на определенном участке кости черепа, заданные перемещения имплантатов создают изменение величины механических напряжений в биоструктурах, что стимулирует процессы роста костных клеток. В этих условиях происходит образование новых капилляров и сосудов, чем восстанавливается нарушенное мозговое кровообращение и устраняются последствия ишемического инсульта (рис. 2).
Однако воздействие металла фиксаторов на окружающие биоткани вызывает их раздражение, воспаление, нагноение с опасностью отторжения фиксаторов [3, 4]. Из-за этого доля положительных в среднем составляет около 20%, что расширенное использование метода
результатов сдерживает остеосинтеза.
Для значительного повышения эффективности лечения костных патологий и увеличения числа излеченных ортопедических больных разработана технология создания на металлических имплантатах-фиксаторах оксидных покрытий, обладающих комплексом свойств биоактивности [5-7]. Такие оксидные покрытия проявляют способность к эффективной биоинтеграции при антисептическом и антитромбогенном действии на окружающие ткани. Этим предотвращаются воспалительные осложнения, ускоряется приживление имплантатов и создается качественно новый уровень их стабильного функционирования.
Рис. 2. Закрепление специального аппарата внешней фиксации на кости черепа
Антисептическое и антитромбогенное действие покрытий фиксаторов на биоткани может осуществляться за счет включения в состав покрытия определенных химических элементов, обладающих природной способностью обеспечивать антисептические и тромборезистентные функции. К таким элементам относят Си и Ьа, ионы которых внедряют в структуру биопокрытия путем специальных электрохимических методов. Поэтому целью работы являлось определение принципиальной возможности внедрения в металлооксидные биопокрытия ионов Си и Ьа, придающих поверхности остеофиксаторов антисептические и антитромбогенные свойства.
Методика эксперимента
Образцами служили резьбовые стержни-фиксаторы, изготовленные из технического титана ВТ 1-00 и титанового сплава ВТ-16, наиболее часто используемых в производстве различных костных имплантатов. Поверхность образцов подвергали
пескоструйной обработке для создания исходной шероховатости и химической активации. Биопокрытие на фиксаторах формировали в два этапа: сначала создавали основной адгезионно-прочный и морфологически гетерогенный металлооксидный слой толщиной 40-50 мкм, затем в него внедряли ионы элементов Си и La для обеспечения антисептических и антитромбогенных функций покрытия. При этом покрытие получали путем анодирования титана в электролите 200 г/л Н2Б04 + 50 г/л Си804-5И20, в котором добавка сульфата меди способствовала ускоренному росту толщины покрытия и формированию титанооксидного слоя с включением ионов Си как элемента-антисептика. После этого электрохимическим путем в электролите 1 моль/л ЬаС13 в диметилформамиде производили катодное внедрение ионов Ьа в структуру покрытия, чем создавали его тромборезистентность.
Элементный состав полученного биопокрытия определяли методом лазерного микроспектрального анализа на установке «Спектр-2000».
Результаты исследования и их анализ
Данные количественного лазерного микроанализа оксидного покрытия показывают, что присутствие меди в его составе характеризуется небольшим содержанием, составляющим 0,7% при относительно низкой интенсивности спектральных линий элемента (рис. 3). Такое количество меди в покрытии может обеспечить антисептическое действие на биоткани, не вызывая при этом длительных воспалительных реакций. Повышенное процентное содержание меди в оксидном слое фиксаторов, напротив, может создать канцерогенное действие на окружающие биоструктуры с опасностью появления в них реакций отторжения фиксаторов. Таким образом, предложенный электрохимический способ позволяет сформировать биопокрытие на титановых фиксаторах, обладающее не только остеоинтеграционными, но и антисептическими качествами.
Рис. 3. Спектрограммы двух участков оксидного покрытия титанового фиксатора:
(белым атласом обозначены спектральные линии Си с различной интенсивностью в отн. ед., остальные линии принадлежат элементам титанового сплава)
Лазерный микроанализ покрытия на присутствие в нем Ьа как элемента с антитромбогенными функциями показал также положительные результаты. Как видно из рис. 4, на всех четырех исследуемых участках покрытия Ьа присутствует примерно в одинаковых количествах, о чем свидетельствует приблизительно равная интенсивность спектральных линий со средним значением 1936 отн.ед. Это обусловлено, в первую очередь, электрохимической стабильностью процесса катодного внедрения Ьа, способствующей равномерному включению его ионов по всей рабочей площади поверхности покрытия. Такая высокая равномерность распределения Ьа по поверхности покрытия будет обеспечивать и равномерное тромборезистентное действие на
окружающую фиксатор биосреду, предотвращая тем самым опасность тромбообразования в раневой зоне со стимулированием протекания нормальных процессов заживления раны и биоинтеграции фиксатора.
f-tti-марк. Pgl Ір/РдПп-ФП ТаЬ-насшт. Ins-лин. F1 —фон F2 — спр. F3 — табя. F4-rpa?
Рис. 4. Спектрограммы четырех участков оксидного покрытия титанового фиксатора:
(белым атласом обозначены спектральные линии Ьа с различной интенсивностью в отн. ед., остальные линии принадлежат элементам титанового сплава)
На основании результатов проведенных исследований можно заключить, что биопокрытия чрескостных фиксаторов, полученные за счет разработанных технологических способов по предложенной методике, обеспечивают эффективную остеоинтеграцию и биологическую активность при минимизации послеоперационных осложнений. Это значительно улучшает условия функционирования фиксаторов в биотканях и нормализует биомеханику аппарата остеосинтеза при лечении костных патологий опорно-двигательного аппарата.
Выводы
1. Путем экспериментального исследования определены составы электролитов, позволяющие за счет анодирования и катодного внедрения формировать на титановых чрескостных фиксаторах оксидные биопокрытия с антисептическими и антитромбогенными свойствами.
2. Разработана методика создания биопокрытий с заданными качествами, предусматривающая поэтапное включение активных элементов в структуру оксидного слоя.
3. С помощью лазерного микроспектрального анализа установлено присутствие в составе оксидного покрытия ионов Си и Ьа, что указывает на принципиальную возможность внедрения выбранных химических элементов в титанооксидный слой фиксаторов для выполнения антисептических и антитромбогенных функций.
ЛИТЕРАТУРА
1. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза / О.В. Бейдик, К.Г. Бутовский, Н.В. Островский, В.Н. Лясников. Саратов: Изд-во СГМУ, 2002. 198 с.
2. Вильямс Д.Ф. Имплантаты в хирургии / Д.Ф. Вильямс, Р. Роуф; пер. с англ. М.: Медицина, 1978. 552 с.
3. Родионов И.В. Основные функциональные свойства парооксидных биопокрытий костных титановых имплантатов / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский // Инженерная физика. 2006. № 5. С. 37-46.
4. Родионов И.В. Коррозионное поведение оксидных биопокрытий костных титановых имплантатов, получаемых паротермическим оксидированием / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский // Технологии живых систем. 2006. Т. 3. № 5-6. С. 74-78.
5. Родионов И.В. Сравнительная оценка параметров биосовместимости титанооксидных покрытий чрескостных фиксаторов / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский, О.В. Бейдик // Современные техника и технологии: сб. статей 13-й Междунар. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых: в 2 т. Томск, 2007. Т. 1. С. 534-537.
6. Родионов И.В. Парооксидные биопокрытия стержневых фиксаторов при
чрескостном остеосинтезе / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский, О.В. Бейдик //
Полифункциональные химические материалы и технологии: сб. статей Общерос. с междунар. участием науч. конф. Томск, 2007. С. 238-241.
7. Родионов И.В. Морфологические характеристики оксидных биопокрытий, получаемых паротермическим оксидированием костных титановых имплантатов / И.В. Родионов, К.Г. Бутовский // Технологии живых систем. 2006. Т. 3. № 5-6. С. 66-73.
Родионов Игорь Владимирович -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Бутовский Константин Георгиевич -
кандидат технических наук,
доцент кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Бейдик Олег Викторович -
доктор медицинских наук,
профессор кафедры «Травматология, ортопедия и военно-полевая хирургия»
Саратовского государственного медицинского университета
Статья поступила в редакцию 21.06.07, принята к опубликованию 05.09.07
