CC BY
155
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.793.7; 616-089.843; 616.31
А.В. Лясникова, А.В. Лепилин, В.Н. Лясников,
Д.А. Смирнов, О.С. Мостовая
КОМПЛЕКСНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И МЕДИКО-БИОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ АНТИМИКРОБНЫХ БИОКОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ
Одной из главных причин несостоятельности имплантированных внутрикостных конструкций в дентальной имплантологии является микробная инвазия в периимплантатную область. Предлагается нанесение на поверхность внутрикостного имплантата антимикробных биокомпозици-онных покрытий на основе серебра, что позволит сократить сроки реабилитации пациентов и повысить эффективность имплантации в целом.
Дентальный имплантат, немедленная имплантация, антимикробные свойства, серебросодержащий гидроксиапатит, электроплазменное напыление, ультразвук.
A.V. Lyasnikova, A.V. Lepilin, V.N. Lyasnikov,
D.A. Smirnov, O.S. Mostovaya
COMPLEX RESEARCHES OF PHYSICAL-CHEMICAL AND BIOMEDICAL PROPERTIES BIOCOMPOSITE ANTIMICROBIAL COATING ON DENTAL IMPLANTS
One of the main problem in dental implantology is a rejection implants after microbial invasion to near implant zone. The authors offer spray biocomposite antimicrobial coating with silver on dental implants, which would shorten the period of rehabilitation patients and improve the efficiency of implantation in general.
Dental implants, immediate implants, antimicrobial properties, silver-hydroxyapatite, plazma spraying, ultrasound.
Современная стоматология все чаще использует метод дентальной имплантации для восстановления отсутствующих зубов. Г лавным условием длительного функционирования имплантата является выраженность эффекта остеоинтеграции, т.е. непосредственного контакта челюстной кости с поверхностью имплантата [1]. Одним из необходимых критериев при установке имплантатов является полноценная костная ткань, которая формируется в течение 6-9 месяцев по-
сле удаления зуба в альвеоле челюсти. За это время возможно появление деформаций зубных рядов. Также имеется риск убыли кости, связанной с отсутствием функциональной нагрузки [2]. В последнее время перспективной считается установка имплантатов как можно раньше после удаления зуба (например, через 6 недель) или же непосредственно в альвеолу челюсти [3]. Известно, что удаленные зубы часто являются очагом хронической инфекции и в области установленного непосредственно в лунку имплантата может возникнуть воспаление, которое приведет к нарушению процессов остеоинтеграции и образованию мягкотканого фиброзного слоя вокруг имплантированной конструкции, появлению подвижности и отторжению в последующем (Barzi-lay, 1993, Heitz-Mayfield, 2004, Kesting, 2008).
Необходимо, наряду с назначением профилактического курса антибиотиков, применение противомикробных препаратов непосредственно в зоне контакта имплантат - костная ткань. Перспективным считается использование препаратов серебра, введенных в поверхностный слой имплантата [4].
Механизм бактерицидного действия ионов серебра объясняет множество теорий. Наиболее популярна адсорбционная теория: микробная клетка гибнет при взаимодействии электростатических сил, которые возникают между отрицательно заряженными бактериальными клетками и имеющими положительный заряд ионами серебра, причем последние адсорбируются микробной клеткой [5, 6].
Ряд исследователей указывают на значительное влияние физико-химических процессов, катализатором которых является серебро. Речь идет об окислении кислородом протоплазмы бактерий. Вораз и Тоферн (1957) объясняли олигодинамический эффект серебра блокировкой ферментов, содержащих SH- и СООН-группы, а K. Тонли, H. Вилсон - нарушением осмотического равновесия микробной клетки [7].
Имеются данные, что ионы серебра способны увеличивать количество свободных радикалов внутри бактериальной клетки, которые снижают концентрацию внутриклеточных активных соединений кислорода. Противомикробная активность серебра также является следствием ингибирования серебром трансмембранного транспорта №+ и Са2+ [8].
В связи с вышеизложенным, представляется весьма актуальной разработка технологии нанесения антибактериальных биокомпозиционных покрытий на поверхность дентальных имплантатов с последующим комплексным исследованием их свойств in vitro и in vivo с целью установления бактерицидной активности, безвредности для живых организмов и остеоинтеграционного потенциала.
Наиболее целесообразным методом создания таких покрытий, по нашему мнению, является внедрение серебра в пористую структуру исходных частиц порошка гидроксиапатита перед их напылением. Для оценки возможности реализации данного метода проведены теоретические исследования процесса насыщения гидроксиапатита серебром и плазменного напыления такого материала [9].
С помощью метода ртутной порометрии были выявлены параметры пористой структуры порошка гидроксиапатита (ГА), получаемого на кафедре «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» СГТУ «мокрым» гидроаммиачным способом. Установлено, что его частицы характеризуются преимущественно нанопористой структурой: суммарный объем пор размерами 10-100 нм составляет около 26%, объем пор меньшего размера доходит до 74%, поры размером 1 мкм (1000 нм) и более практически отсутствуют. Суммарный объем пор (У^)
3 2
составляет 0,4 см /г, удельная поверхность (S) - 52 м /г. Это позволяет сделать вывод, что порошок ГА является хорошим адсорбентом. Насыщение ГА проводилось путем погружения порошка в водный раствор нитрата серебра, который являлся адсорбатом.
Насыщение пор серебросодержащим компонентом происходило вследствие того, что после извлечения порошка из раствора (адсорбтива) часть раствора остается в объеме пор.
Для получения серебросодержащего гидроксиапатита (СГА) использовали 0,02%-ный раствор AgNO3 и порошок гидроксиапатита, которые перемешивали и выдерживали при
комнатной температуре 48 часов. Далее осадок фильтровали при помощи воронки Бюхнера, промывали горячей водой, высушивали при температуре 200°С в течение 6 часов и отжигали при температуре 600°С в течение 2 часов (С.М. Баринов, В.С. Комлев, 2005).
Порошок СГА исследовался при помощи лазерного микроспектрального анализа на установке «СПЕКТР-2000». Результаты исследования приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты исследования состава порошка СГА
Элемент Основные Примеси
Ca P Ag Mo Si Mg
Содержание, % 48 24 28 0,007 0,003 0,003 0,004 0,010
Напыление покрытий осуществлялось при разных режимах на титановые образцы размеров 10x10x2 мм. Далее полученные покрытия были проанализированы при помощи компьютеризированного комплекса АГПМ-6М. Исследовались морфология покрытий, пористость и связанные с ними характеристики. В результате были отобраны образцы с покрытиями, обладающие оптимальной для взаимодействия с костной тканью структурой (рис. 1).
Рис. 1. Наиболее оптимальная для взаимодействия с костной тканью структура СГА покрытия (а) (х2500) и результаты ее статистической обработки (б)
В табл. 2 приведены результаты обработки двух микрофотографий антимикробных покрытий, нанесенных на разных дистанциях напыления. Видно, что покрытие, напыленное на дистанции 80 мм, является значительно более рельефным (количество элементов в поле зрения больше почти в 3,7 раза). В то же время это покрытие и более однородное по морфологии, т.к. дисперсия размеров его элементов меньше почти на 30%, чем при напылении на дистанции 120 мм. Остальные параметры покрытий практически сходны, поскольку средний размер наиболее часто встречающихся частиц составляет в обоих случаях 2,9 мкм.
Далее проводилось исследование отобранных образцов методом лазерного микро-спектрального анализа. Наличие серебра в плазмонапыленном ^/ГА-покрытии фиксировалось по линии 3280,6 А в спектрах лазерного микроанализа. Результаты количественного анализа покрытий, полученных при разных дистанциях напыления, показаны в табл. 3.
С учетом анализа результатов исследований разработана технология нанесения антимикробных покрытий на дентальные имплантаты, особенностями которой являются использование при подготовке поверхности перед напылением ультразвуковой воздушноабразивной обработки на режимах, исключающих размерную эрозию (избыточное давление 0,65 МПа, амплитуда УЗ 8-10 мкм, время обработки 30-40 с), и введение дополнительной
операции УЗ химического травления этой поверхности с целью получения равномерного рельефа при увеличенной шероховатости в растворе 2М ИМ03 + 1М ИБ в течение 5 минут с интенсивностью УЗ 9,6 Вт/см . Дополнительно при напылении титана подложке сообщаются ультразвуковые колебания малой амплитуды (5-6 мкм), способствующие более полному (до 90%) заполнению лунок микрорельефа и увеличению вследствие этого адгезии. При напылении СГА амплитуду УЗК увеличивают до 12-15 мкм. Рекомендуемые режимы плазменного напыления серебросодержащих гидроксиапатитовых покрытий приведены в табл. 4.
Таблица 2
Влияние метода и технологических режимов напыления на параметры морфологии поверхности покрытия серебросодержащего ГА (А = 90 мкм, I = 450 А), (х200)
Режимы напыления Параметры морфологии покрытия
мм Рг, л/мин количество элементов в поле зрения сред- ний размер, мкм диспер- сия размеров, 2 мкм минималь- ный размер элемента, мкм содержание элемента минимального размера, % наиболее часто встреча- ющийся размер, мкм содержание наиболее часто встречающегося размера, %
120 70 702 9,56 32,14 1,54 5,85 2,9 40,98
80 70 2653 8,51 25,37 1,54 3,9 2,9 36,34
Таблица 3
Количественный анализ серебросодержащего плазмонапыленного ^/ГА-покрытия
Режим напыления Содержание, %
Ca P Ag
/.=80 мм 72 14 0,8 13,132
/_=120 мм 73 13 0,7 13,133
Таблица 4
Режимы плазменного напыления титан-СГА покрытий
Технологический параметр Единицы измерения Значение
при напылении титана при напылении СГА
Ток плазменной дуги А 350 540
Дистанция напыления мм 100-105 80
Дисперсность порошка мкм 60-100 40-70
Время напыления мин 0,35 0,13
Для обеспечения равномерного микрорельефа антимикробных покрытий рекомендуются следующие режимы их финишной размерной обработки в ультразвуковом поле: амплитуда ультразвуковых колебаний излучателя 15.. .20 мкм при резонансной частоте 22 кГ ц; частота вращения образцов 10.20 об/мин, скорость их возвратно-поступательного перемещения относительно излучателя - 30.40 мм/мин. Образцы помещаются в дистиллированную воду на расстоянии 5.10 мм от торца излучателя. Время обработки должно быть не менее 20 с, т.к. в противном случае результат обработки будет практически не виден. Для получения однородного микрорельефа на поверхности целесообразно сузить зону воздействия ультразвука. Для осуществления данного процесса нами создана специальная установка с системой фокусировки ультразвукового поля. В этом случае для обеспечения обрабатываемости всей поверхности изделия необходимы его согласованное вращение и возвратно-86
поступательное движение. С целью снижения массогабаритных характеристик ультразвуковой преобразователь выполнен на пьезокерамических элементах ЦТС-19 размерами 52x22x8 мм. Питание преобразователя может осуществляться от тиристорного генератора УГТ-901 или УГТ-902 мощностью соответственно 250 и 150 Вт. Рабочая частота преобразователя - 22 кГц (меньшие частоты нецелесообразны вследствие высокой шумности, а генераторы, работающие на частотах 44 кГц и более, имеют меньший КПД). Требуемая производительность обеспечивается многоместной обработкой.
Для проведения исследований in vitro были изготовлены образцы в виде пластин (1x5x5 мм) из титана ВТ1-00. Все образцы были разделены на пять групп: с плазмонапыленным гидроксиапатитовым покрытием, нанесенным по традиционной технологии (1) [10], с плазмонапыленным СГА покрытием, нанесенным по новой технологии без воздействия УЗ-колебаний (0,02%, без УЗ) (2), с плазмонапыленным СГА покрытием, нанесенным по новой технологии с воздействием УЗ-колебаний (0,02%, с УЗ) (3), с плазмонапыленным СГА покрытием, нанесенным по новой технологии без воздействия УЗ-колебаний (0,04%, без УЗ) (4), с плазмонапыленным СГА покрытием, нанесенным по новой технологии с воздействием УЗ-колебаний (0,04%, с УЗ) (5). Каждый образец был отдельно упакован, пронумерован и подвергнут стерилизации в автоклаве Euronda Е9 (132°С, 2,2 атм., 20 минут).
Оценка влияния антимикробного покрытия на микрофлору зоны потенциальной имплантации (лунки удаленного зуба) проведена совместно сотрудниками Саратовского государственного аграрного университета к.в.н., доцентом А.В. Красниковым и к.б.н., ст. преподавателем Е.С. Красниковой.
Материалом для исследования послужила микрофлора, полученная из лунки удаленного зуба по поводу хронического периодонтита, потенциально воздействующая на операционную рану непосредственно после установки инфраструктуры. Таким образом, мы хотели определить влияние антимикробного покрытия на микроорганизмы, полученные из зоны потенциальной имплантации.
Были проведены посевы микрофлоры из 50 лунок удаленных зубов. Необходимым условием было отсутствие острого воспаления.
Методы оценки влияния биокомпозиционного антимикробного покрытия были следующими:
1) метод «дисков»;
2) метод регистрации показаний роста микроорганизмов на спектрофотометре.
При методе «дисков» исследуемую суточную бульонную культуру в объеме 0,2 мл заселяли сплошным газоном на мясо-пептонный агар (МПА). На МПА помещали титановые пластины таким образом, чтобы покрытие имело непосредственный контакт с флорой (покрытием на агар), инкубировали в термостате при температуре 37°С аэробы, регистрировали зону сдерживания роста по периметру пластины через 24 часа.
Для метода регистрации показаний спектрофотометра была приготовлена милиарная взвесь суточной культуры микроорганизмов в стерильном физиологическом растворе. По
0,2 мл взвеси было внесено в пробирку с 5 мл стерильного бульона с концентрацией ?
4x10 м.т./мл. В каждую пробирку были добавлены пластины с различными видами покрытия, то есть нами был получен ряд из 5 различных видов контактирующего покрытия. Шестая пробирка была оставлена без пластины и являлась контрольной.
Сразу после начала контакта пластины с взвесью микроорганизмов и через каждый час на протяжении 5 часов производили забор 0,2 мл раствора из каждой пробирки в стерильную полистироловую плашку и замеряли показания спектрофотометра. В результате нами были получены цифровые значения роста микрофлоры в присутствии различных покрытий и без него.
При оценке зоны сдерживания роста методом «дисков» нами были получены следующие данные (табл. 5, рис. 2):
Таблица 5
Диаметр зоны сдерживания роста микроорганизмов
Покрытие Зона (диаметр) через 24 часа, мм
1 0
2 B,1 ± 2,2
3 10,3 ± 1,B
4 15,9 ± 2,4
5 17,0 ± 2,б
Данные, определенные на спектрофотометре, регистрировались в шестичасовом временном промежутке - начало опыта, через один час, через два, три, четыре и пять часов. Начиная с шестого часа, отмечали резкое (до 60%) возрастание числовых показателей спектрофотометра, что связывали с увеличением количества и повышенной адсорбцией микроорганизмов на поверхности пластины. Этот факт считали невозможным in vivo, так как в организме присутствуют явления фагоцитоза и происходит очищение операционной раны. Моделирование подобной ситуации in vitro не представляется возможным.
Средние значения, полученные при регистрации роста микроорганизмов спектрофотометром, представлены в табл. 6 и на рис. 3.
При оценке результатов были получены следующие данные: взаимодействие микрофлоры и поверхностей с различным содержанием серебра приводит к ингибированию роста микроорганизмов, что наглядно представлено в опыте, проведенном методом «дисков», и при определении показаний спектрофотометра. Также отметили существование зависимости угнетения роста микроорганизмов во времени по отношению к количеству введенного в пластину серебра. Если при воздействии покрытия № 1 произошло увеличение показателей спектрофотометра через 5 часов в среднем на 37,6%, то при контакте покрытия № 5 с микроорганизмами - на 18,07%.
Таким образом, считаем перспективным использовать антимикробное покрытие с целью местного (непосредственно в операционной ране) воздействия на микрофлору, в том числе и при операциях немедленной дентальной имплантации.
Таблица 6
Значения показаний спектрофотометра при воздействии антибактериального покрытия с различным содержанием серебра на микрофлору зоны потенциальной имплантации
Время Пл. № 1 Пл. № 2 Пл. № 3 Пл. № 4 Пл. № 5
0 0,B03 0,795 0,7B9 0,79B 0,791
1 0,B36 0,B26 0,B19 0,B11 0,B02
2 0,90B 0,901 0,BB5 0,B64 0,B34
3 0,9B3 0,935 0,913 0,B9B 0,B73
4 1,097 1,057 1,041 0,934 0,902
5 1,105 1,09B 1,0B4 1,055 0,934
Рис. 2. Зоны сдерживания роста микроорганизмов по периметру пластин с антимикробным покрытием с различным содержанием серебра
5
Рис. 3. Значения показаний спектрофотометра при воздействии антибактериального покрытия с различным содержанием серебра на микрофлору зоны потенциальной имплантации
View field: 3.39 mm Det: SE 1 mm
SEM MAG: 78 x Date(m/d/y): 01/27/10 Performance in nanospace |
а
View field: 612.1 |jm Det: SE 100 |jm
SEM MAG: 432 x Date(m/d/y): 01/27/10 Performance in nanospace
б
Рис. 4. Микрофотографии имплантатов с СГА покрытием, установленных в костную ткань подопытных животных (крыс): (х78) (а) и (х432) (б)
Для оценки остеоинтеграционного потенциала полученных антимикробных биокомпозиционных покрытий нами были проведены исследования на подопытных животных (рис. 4).
Полученные результаты свидетельствуют о безвредности разработанных покрытий для живых организмов, а также о высоком остеоинтеграционном потенциале. По данным исследований, скорость и качество остеоинтеграции полученных покрытий не уступают аналогичным параметрам биоактивных гидроксиапатитовых покрытий, нанесенных по традиционной технологии. При этом предложенные нами покрытия обладают антимикробной активностью, что значительно расширяет потенциальные возможности их клинического применения.
B9
ЛИТЕРАТУРА
1. Branemark P.-I. Introduction to osseointegration I P.-I. Branemark, G.A. Zarb, T. Albrektsson, eds. II Tissue-integrated Prostheses: Osseointegration in Clinical Dentistry. Chicago: Quintessence, 1985. Р. 11-76.
2. Misch C. Density of bone, effect on treatment plans, surgical approach, and healing I C. Misch II Oral Implantol. 1990. N° 6. Р. 23-31.
3. Immediate implantation of a pure titanium implant into extraction sockets: report of a pilot procedure I I. Barzilay, G. Graser, B. Iranpour, J. Natiella II Oral Maxillofac Implant. 1991. М 6. Р. 277-284.
4. Албректсон Т. Поверхности дентальных имплантатов. Обзор литературы, посвященной клинической эффективности различных поверхностей I Т. Албректсон,
Э. Венеберг II Prosthodont. 2004. М 17. С. 544-564.
5. Белеванцев В.И. Очерк свойств серебра и его соединений. Применение препаратов серебра в медицине I В.И. Белеванцев, И.В. Бондарчук. Новосибирск: Институт неорганической химии СО РАН, 1994. С. 89-95.
6. Некоторые экспериментальные и клинические результаты применения катионов серебра в борьбе с лекарственно-устойчивыми микроорганизмами. Серебро в медицине, биологии и технике I В.Н. Иванов, Г.М. Ларионов, Н.И. Кулиш и др. Новосибирск: Сиб. отд. РАМН, 1995. С. 53-62.
7. Савадян Э.Ш. Современные тенденции использования серебросодержащих антисептиков I Э.Ш. Савадян II Антибиотики и химиотерапия. 1989. М 11. С. 874-878.
8. Уэбб Л. Ингибиторы ферментов и метаболизма I Л. Уэбб. М.: Мир, 1966. 550 с.
9. Лясникова А.В. Теоретические исследования физико-химических процессов формирования и функционирования серебросодержащих наноструктурированных покрытий I А.В. Лясникова II Вестник Саратовского государственного технического университета. 2009. М 2 (38). С. 80-86.
10. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство, клиническое применение I А.В. Лясникова, А.В. Ленилин, Н.В. Бекренев, Д.С. Дмитриенко. Саратов: СГТУ, 2006. 254 с.
Лясникова Александра Владимировна -
кандидат технических наук, доцент, профессор кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Лепилин Александр Викторович -
доктор медицинских наук, профессор, заведующий кафедрой «Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия» Саратовского государственного медицинского университета
Лясников Владимир Николаевич -
доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Lyasnikova Aleksandra Vladimirovna -
Candidate of Technical Sciences,
Assistant Professor, Professor of the Department of «Materials Science and High-efficiency Treatment Processes» of Saratov State Technical University
Lepilin Aleksandr Viktorovich -
Doctor of Medical Sciences, Professor, Head of the Department of «Surgical Dentistry and Maxillofacial Surgery» of Saratov State Medical University
Lyasnikov Vladimir Nikolayevich -
Doctor of Technical Sciences, Professor,
Head of the Department
of «Materials Science and High-efficiency
Treatment Processes»
of Saratov State Technical University
Смирнов Дмитрий Александрович -
кандидат медицинских наук, ассистент кафедры «Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия» Саратовского государственного медицинского университета
Smirnov Dmitriy Aleksandrovich -
Candidate of Medical Sciences,
Junior Teaching Staff Member
of the Department of «Surgical Dentistry and
Maxillofacial Surgery»
of Saratov State Medical University
Мостовая Ольга Сергеевна -
клинический ординатор кафедры «Хирургическая стоматология и челюстно-лицевая хирургия»
Саратовского государственного медицинского университета
Статья поступила в редакцию 03.12.09, принята к опубликованию 27.01.10
Mostovaya Olga Sergeyevna -Clinical Intern
of the Department of «Surgical Dentistry and Maxillofacial Surgery» of Saratov State Medical University
