CC BY
133
УДК 620.1:691.175.3
И. Ш. Абдуллин, М. М. Миронов, А. И. Рафф,
Н. И. Шаймиева, М. М. Гребенщикова, Э. Б. Гатина
ИОННО-ПЛАЗМЕННОЕ ПОКРЫТИЕ ПРУЖИНЯЩИХ ПЛОСКОСТЕЙ ШИН ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКОГО ЛЕЧЕНИЯ ПЕРЕЛОМОВ ЧЕЛЮСТЕЙ
Ключевые слова: плазма, нитрид титана, нитрид гафния, антимикробные свойства, бактерицидность.
Предложена методика использования ионо-плазменного покрытия нитридом титана и гафния для придания бактерицидных свойств металлическим конструктивным элементам функциональных назубно-десневых шин, для лечения переломов челюстей. Показаны антимикробные свойства покрытий и их нетоксичность для живого организма.
Keywords Plasma, nitride of the titan, hafnium nitride, antimicrobic properties, bacterial action.
The technique of use of an iono-plasma covering of nitrides of titan and hafnium for giving the bactericidal properties of metal constructive elements of functional teeth and gum tires, for treatment of crises of jaws is offered. Antimicrobic properties of coverings and their non toxicity for a live organism are shown.
Практическая медицина предъявляет все более высокие требования к функциональным свойствам медицинских инструментов и имплантатов, которые в значительной мере зависят от свойства материала. Предпочтение отдают биоинертным материалам с большой механической прочностью и биологически безопасным.
Важным аспектом является наличие антимикробных свойств материала, т.к. иногда симптомы проявления бактериальной зараженности и биологической несовместимости сходны.
Медицинские изделия работают в специфических условиях постоянного контакта с биологически активными средами живого организма (кровь, лимфа, слюна, желчь и др.), дезинфицирующими, стерилизующими средствами. Несмотря на то, что они изготовлены из коррозионностойких материалов, инструмент и имплантаты подвергаются интенсивной коррозии и теряют функциональные свойства.
Вследствие коррозии и растворения материала, его ионы и даже частицы попадают внутрь живого организма, что может вызвать осложнения, такие как металлоз, интоксикацию, спровоцировать развитие инфекционного процесса. Одним из перспективных способов защиты поверхности медицинской техники от коррозии, является нанесение на поверхность металлических инструментов и имплантов защитных покрытий. Метод нанесения покрытий в вакууме - конденсацией из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки.
Покрытия могут улучшать биосовместимость с тканями живого организма, предотвратить процессы нагноения и отторжения. В итоге, эти мероприятия приводят к уменьшению доли послеоперационных осложнений, устранению необходимости повторных операций.
К покрытиям для медицинских изделий предъявляются следующие медикотехнические требования:
1) Твердость материала покрытия должна быть выше, чем у подложки.
2) Толщина покрытия не должна изменять существенно геометрических размеров изделий, увеличивая их свыше допусков.
3) Параметр шероховатости поверхности с покрытием должен находиться в пределах, определенных для изделия без покрытия.
4) Покрытие (технология) не должно ухудшить физико-механических и физикохимических характеристик изделий.
5) Покрытие должно иметь адгезионную прочность, достаточную для эксплуатации изделий по назначению в период всего срока службы. Шелушение, скалывание покрытия, его смыв участками или полностью, не допустимы.
6) Цветовой оттенок изделия с покрытием не должен ухудшать эстетического восприятия изделия в целом.
Из специальных требований к покрытиям для имплантатов, можно выделить следующие:
1) Нетоксичность покрытия на подложке
2) Устойчивость к средствам бактерицидной обработки.
3) Биоинертность к средам и тканям живого организма.
4) Отсутствие отрицательного воздействия на живой организм на длительных сроках эксплуатации (немутагенность, неканцерогенность и т.д.).
5) Наличие положительного эффекта от покрытия для изделия, живого организма, здравоохранения в целом.
6) Минимальная пористость покрытия.
Говоря обобщенно, материал покрытия в составе имплантата не должен наносить вред живому организму.
Для нанесения покрытий выбран метод КИБ (конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки) с очисткой поверхности изделий ионными потоками. Метод позволяет конденсировать покрытия как из индивидуальных материалов (металлы), так и из электропроводной керамики (нитриды, карбиды) в вакууме. Карбиды, нитриды конденсируются обычно в виде столбчатых кристаллов в сверхтвердом состоянии. Исследования показали наличие упрочняющей нанофазы в структуре, например, нитридных покрытий, повышающей твердость покрытия до 40 ГПа.
Биологические (токсичность для живых организмов), антимикробные и медикобиологические свойства материалов покрытий определяли на подложке из стали 12Х18Н9Т. Исследовали покрытия из металлов - циркония, гафния, тантала, титана, хрома и их смесей, а так же их нитридов.
Для экспериментальных исследований изготавливали образцы из холодно -катанной ленты аустенитной стали марки 12Х18Н10Т в состоянии поставки, нагартованной до твердости 300- 400 кгс/мм2. Толщина ленты 0,5 + 0,05 мм. Параметр шероховатости поверхности 0,3 - 0,2 мкм. В зависимости от методики эксперимента размеры образцов изменялись от 5х5мм с отверстием до 20х20. Для биоиспытаний вживлением в брюшину половозрелых лабораторных животных - белых крыс с массой тела 0,20-0,22 кг имплантаты изготавливали из проволоки шлифовальной марки 12Х18Н9Т диаметром 0,5мм. Микротвердость покрытий и подложки (основы) измеряли на микротвердомере ПМТ-3 при нагрузках 100 и 200 грамм-сила для подложек и нагрузке 20 грамм-сила для покрытий. Микротвердость измеряли только у покрытий из сверхтвердых соединений, т. е. нитридов. Толщину покрытия мерили на измерительном микроскопе микротвердомера ПТМ-3. Адгезионная прочность оценивалась методом царапанья иглой. Процесс покрытия состоял из двух стадий. Очистка бомбардировкой ионами титана при давлении 10"4 - 10"5 мм рт.ст., токе дугового испарителя 60 А, напряжение очистки 500-600 В. При этом температура образцов контролировалась пирометром и не допускалось ее превышение 450 °С. Нанесение покрытий из металлов осуществлялось без натекания газа в камеру при давлении 10-4 мм рт.ст. Ток дуговых испарителей составлял при этом 60-70 А для титанового и циркониевого катода. Смеси металлов и нитридов получались при одновременном испарении нескольких катодов из различных металлов. Для конденсации нитридов в камеру установки натекали азот при давлении 10"3 мм рт.ст. Ток дуговых испарителей при этом оставался на том же пределе, опорное напряжение составляло 220-260В. Время конденсации покрытия изменялось от 30 до 60 мин. Равномерное покрытие достигалось за счет планетарного вращения образцов в камере.
Исследование антимикробных свойств образцов проводили на клинических культурах микроорганизмов, полученных из детской Республиканской клинической больницы (г. Казань). Использованы следующие тест культуры: золотистый стафилококк (ST AUREUS), кишечная палочка (E coli), синегнойная палочка (Ps aeruginosa), протей (Proteus mirabilis), Morganella morgani, Klebsiella.
Для определения антимикробного действия покрытий экспериментально была отобрана методика, в основе которой лежит воздействие вытяжки исследуемого образца на микробную взвесь.
О результатах антимикробного действия судили по количеству жизнеспособных клеток выросших на питательной среде. Подсчет количества жизнеспособных клеток микроорганизмов как в опыте, так и контроле вели относительно внесенного материала, с последующим сравнением.
В качестве питательной среды использовали мясопептонный агар (МПА) с добавлением 0,5 % глюкозы.
Предварительную очистку и стерилизацию образцов проводили в соответствии с ОСТ 42-21-2-85 паровым методом (120+) С (1,1 +0,2) МПА в течение 45 +3 мин.
При описании результатов использовалась следующая терминология при отсутствии роста микроорганизмов на питательных средах, отсутствие жизнеспособных клеток, отсутствие бактериальных клеток в таблице выражалось «0».
При указаниях цифровых данных в таблице имелся в виду процент жизнеспособных клеток. Расчет процента вели относительно внесенного материала.
Проводилось 3 серии опытов:
В первой серии опытов исследуемый образец, физраствор и 24-х часовая культуральная взвесь выбранного штамма смешивались одновременно и высеивались через 4 и 48 часов, после термостатирования при 37 °С. Результаты приведены в таблицах 1, 2, 3.
Как и предполагалось, наиболее сильное антимикробное действие показали образцы с медным покрытием. Уже через 4 часа контакта количество жизнеспособных клеток морганеллы составило 6 процентов, а через 48 часов у всех культур, кроме клебсиеллы, отмечалось полное отсутствие роста. Снижение количества жизнеспособных клеток у клебсиеллы в пределах исследуемого срока мы не наблюдали. Это, по-видимому, связано с культуральными особенностями.
Что касается остальных образцов, то результаты исследования показали: количество жизнеспособных клеток через 4 часа составляло: у стафилококка N(Ti+Hf), 9%; N(Ti+Zr)- 15%, сталь-25%; у кишечной палочки N(Ti+Hf)-19%, N(Ti+Zr) -37%, сталь- 18,8%, у синегнойной палочки - N(Ti+Hf) -18,5%, у морганеллы —N(Ti+Hf)- 22,3%, сталь - 42%. Клебсиелла оказалась не чувствительной к вытяжкам из образцов.
При увеличении срока контакта культуральной взвеси с образцами до 48 часов наблюдалось незначительное количество жизнеспособных клеток у стафилококка с материалом N(Ti+Hf) N(Ti+Zr) как в опыте, так и контроле; у синегнойной палочки отсутствуют жизнеспособные клетки при контакте с материалом N(Ti+Hf), в то время как в контроле наблюдается сплошной рост; у морганеллы при контакте с материалом N(Ti+ Hf), сталь, у стафилококка (сталь) жизнеспособные клетки отсутствуют как в опыте, так и контроле.
Во второй серии опытов работали с 24-х часовой вытяжкой, которую получали при термостатировании образцов. Вытяжку смешивали с культуральной взвесью и через 4 и 48 часов контакта в термостате при 37°С пробы высевали на питательные среды (табл.2). Наиболее заметное снижение бактериальных клеток наблюдалось у стафилококка и синегнойной палочки через 4 часа контакта с вытяжкой из материала N(Ti+Hf). Количество жизнеспособных клеток этих культур составляло 17,5% и 14% соответственно.
В третьей серии опытов рассматривали действие 30 суточной вытяжки из образцов на культурную взвесь. Вытяжку получали путем термостатирования образцов в течение 30 суток
при 37°С. Затем, убрав образцы, смешивали ее с культуральной взвесью и помещали в термостат. Отбор проб вели через 8 и 48 часов (табл.3).
Таким образом, на основании полученных результатов, нами было установлено, что вытяжки из покрытий N(^+4^, N(11+71-), Ы(Т1+Та) обладают определенным антимикробным действием.
Антимикробное действие материала может быть связано с его токсичностью в отношении одноклеточных и теплокровных.
Исследование цитотоксичности проводили на перевиваемых культурах: эпителиоподобных и фибробластоподбных клетках, находящихся в питательных средах. Подсчет клеточных культур и характер слоев культур, выросших на образцах, позволил определить индекс пролиферации для различных материалов покрытия в сравнении с контролем по стеклу и подложке из стали 12Х18Н9Т и меди. Величина этого индекса у всех нитридных покрытий находилась в диапазоне от 1 до 2, как и у стекла и стали. Медь, как токсичный металл, угнетал рост клеток, и индекс пролиферации составил по меди много меньше единицы.
Токсичность на теплокровных исследовали на белых лабораторных мышах внутрибрюшинной имплантацией исследуемых материалов. Исследовали поведенческие реакции животных, массу внутренних органов, характер заживления ран, состав крови.
По всем параметрам и состоянию животных установлено, что токсическое действие у образцов с покрытием из смеси нитридов гафния и титана при имплантации в брюшину отсутствует на сроках наблюдения 90 суток. На покрытии из нитрида циркония наблюдался летальный исход одного животного.
Покрытия из нитридов гафния и титана были нанесены на поверхность образцов из титановых сплавов марок ВТ-16 и ВТ1-0, а также на стали 12Х18Н9 и 20Х13. Получено официальное токсикологическое заключение об отсутствии токсических свойств изделий с покрытием и возможности использования медицинской техники и имплантов с покрытием в медицинской практике при длительном контакте.
Разработанное нетоксичное покрытие с антимикробным эффектом выполняет защитную функцию для металлических инженерных имплантируемых конструкций и обеспечивает биологическую совместимость их с тканями живого организма не нанося ему вреда.
Покрытие может быть использовано в стоматологии, где осуществляется массовая имплантация и протезирование металлическими конструкциями. Разработана шина для лечения переломов челюстей с металлическими конструктивными элементами из стали, покрытой смесью нитридов гафния и титана. Металлические элементы шины обладают бактерицидным эффектом в отношении патогенных микроорганизмов, таких как стафилококк, протей, клебсиелла, синегнойная палочка и др. Покрытие является барьером для проникновения к металлу активных реагентов, вызывающих коррозию (кислород, хлор, биоактивные белки) с одной стороны и выходу продуктов коррозии в полости тканей живого организма с другой стороны. Долговременный бактерицидный и бактериостатический эффект от материала покрытия исключает отрицательные послеоперационные явления, связанные с установкой шины. Это блокирование продуктов коррозии, размножение на поверхности микрофлоры, абсцессы, нагноение, вторичные эффекты отторжения, резорбцию.
Исследования на токсичность по биологической пробе и наличие официального токсикологического заключения позволяют рекомендовать материал биосовместимого покрытия смеси нитридов гафния и титана для производства медицинских изделий.
Выводы
1. В результате исследований выявлены антимикробные свойства покрытия из смеси нитрида титана и гафния.
2. Применение биологически совместимого материала покрытия из нитридов гафния и титана в металлических элементах в конструкции шин для лечения переломов челюстей позволяет уменьшить послеоперационные осложнения и предупредить появление вторичной инфекции.
Литература
1. Студеникина, Ф.Г. Исследование антимикробных свойств некоторых металлов и покрытий для медицинских изделий/ Ф.Г. Студеникина, М.М.Миронов, В.П. Денисов и др.// Медицинская техника. -1993. -№ 5 . - С.6-8.
2. Роуэр Э. Химическая микробиология / Роуэр Э. - М.,1971.
3. Вельховер, Е.С. Применение меди и ее солей в лечебной практике/Е.С. Вельховер, Ф.Н.Ромашов, В.В.Селюкова//М.: Университет дружбы народов им. Патриса Лумумбы. - 1982. - 44 с.
4. Каспина, А.И. Профилактика осложнений при переломах нижней челюсти / Каспина А.И., Златина К.М., Федоров Ю.А.//У11 Всесоюзный съезд стоматологов Тез.Докладов.-М.,1981.-С.155-156.
5. Каспина, А.И. Профилактика осложнений при переломах нижней челюсти / Каспина А.И., Златина К.М., Федоров Ю.А. //VII Всесоюзный съезд стоматологов Тез.Докладов.-М.,1981.-С.155-156.
© И. Ш. Абдуллин - д-р техн. наук, проф., зав. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ; М. М. Миронов - канд. техн. наук, доц., ст. науч. сотр. той же кафедры [email protected]; А. И. Рафф - канд. мед. наук, асс. каф. ортопедической стоматологии КГМА, :га11а1@гатЬ1ег.ги; Н. И. Шаймиева - канд. мед. наук, зав. каф. ортопедической стоматологии КГМА; М. М. Гребенщикова - асп. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ, [email protected]; Э. Б. Гатина - канд. мед. наук, ст. науч. сотр. каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов КНИТУ.
