CC BY
28
УДК 615.46; 621.793
ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ФОРМИРОВАНИЯ НАНОСТРУКТУР В ПЛАЗМОНАПЫЛЕННОМ La-СОДЕРЖАЩЕМ
ПОКРЫТИИ ИМПЛАНТАТОВ
А.В. Лясникова, Д.Е.Суетенков, Д.Е.Смирнов
Саратовский государственный технический университет Саратовский государственный медицинский университет им. В.И.Разумовского
Резюме
Описаны механизмы антимикробного и антитромбогенного действия лантана, внедренного в нанопоры плазмонапыленного
гидроксоапатитового покрытия. Показана теоретическая возможность формирования наноструктурированного биокомпозиционного покрытия на основе гидроксоапатита, насыщенного лантаном.
Ключевые слова: имплантат, биокомпозитное покрытие, лантан.
Summary
The mechanisms of antibacterial and anticlotting lanthanum's action, adopted in nanopores of plasma-evaporated HA-coating are described. Theoretical possibility of nano-structured biocompositional coating formation, based on lanthanum saturated HA is shown.
Key words: implant, biocompositional coating, lanthanum.
Литература
1. Химическая энциклопедия ; под ред. И.Л. Кнунянца. - М.: Советская энциклопедия. - Т.1. - 1988. - 623 с.
2. Серянов Ю.В. Биофизика / [Серянов Ю.В., Фоменко Л.А., Суркова
А.Н., Варакин А.И. ]. - Саратов: СГТУ, 2007. - 162 с.
3. Аксельруд Г. А. Растворение твердых веществ / Аксельруд Г. А., Молчанов А.Д. - М.: Химия, 1977.- 272 с.
4. Райгородский Ю.М. Форетические свойства физических полей и приборы для оптимальной физиотерапии в урологии, стоматологии и офтальмологии / Райгородский Ю.М., Серянов Ю.В., Лепилин А.В. -Саратов: СГУ, 2000. - 268 с.
5. Протасова Н.В. Управление формообразованием и свойствами при плазменном напылении биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов: автореф. дис. на соискание науч. степени канд. техн. наук / Протасова Н.В. - Саратов, 2000. - 24 с.
Данное исследование, проведенное в ходе выполнения работ по Гранту Президента РФ № МК-449.2008.8, было направлено на разработку теории формирования наноструктур в плазмонапыленном антибактериальном покрытии на основе гидроксоапатита и лантана, а также описание механизма антисептического и антикоагуляционного действия у данного покрытия.
Лантан, лантаноиды и их соединения обладают антисептическим действием, которое основано на образовании прочных комплексов La с углеводами, аминокислотами, оксикислотами, нуклеотидами,
фосфатидами, витаминами и т.д. Эти комплексообразования приводят к нарушениям в синтезе пептидов и белков, а также к сбоям в работе основных биохимических циклов функционирования патологичных микроорганизмов. Кроме этого, катионы La способны замещать катионы Са2+ и Mg2+, дезактивируя тем самым деятельность рибосом и митохондрий в цитоплазме микробов, а также ингибируя мембраносвязанную К+, №+-АТФ-азу, отвечающую за поддержание биоэлектрохимического потенциала покоя клеток микроорганизмов. По некоторым данным, наличие в электронных оболочках атомов и катионов лантаноидов /-электронов обусловливает образование магнитных
микрополей, которые повышают фагоцитарную активность лейкоцитов крови [1].
Летальная антисептическая концентрация La , согласно ряду исследований, составляет величину, меньшую С* = 10-4 г/л. Помимо антисептического лантан обладает и антитромбоцитным эффектом, основанном на ингибировании синтеза протромбина на поверхности тромбоцитов, что приводит к элиминированию ключевого фермента системы свертывания крови - тромбина и, следовательно, к устранению образования сетевого полимера - фибрина, являющегося основой тромбообразования. Кроме этого, La вытесняет Са из белковых
факторов коагуляции [2]. Следствием антитромбоцитного действия в случае применения La-содержащего биокомпозиционного покрытия является улучшение трофики границы кость-имплантат, ускорение остеоинтеграции и предотвращение воспалительных осложнений.
Если применять хорошо водорастворимый треххлористый лантан LaQ3 (семиводный кристаллогидрат LaQ3 • 7H2O), то после абсорбции его в нанопорах гидроксоапатитового порошка и последующей
термообработки образуется секвиоксид лантана по реакции:
2LaCl3 + 3H2O « La2O3 + 6HCl (1)
Получаемые при этом нанотрубки из секвиоксида лантана при взаимодействии с плазмой крови активно (с выделением тепла) реагируют с водой, образуя малорастворимый гидроксид:
La2O3 + 3H2O «2La (OH)3 (2)
Химическое растворение последнего протекает по схеме:
La (OH)3 + 3Н+ « La3+ + 3H2O (3)
и пропорционально концентрации протонов СН в плазме крови [3]. Поэтому величина концентрации катионов La в пространстве между костью и имплантатом может быть определена следующим образом:
С0 крСн т,
(4)
где kp - константа скорости химического растворения гидроксида лантана.
Применяя модель «рыхлого квазикристалла» [4] для определения
Л і
цитоплазменной концентрации La в случае вегетативных форм условнопатогенных микроорганизмов, можно записать:
С1
= Х С о • е
11
2 Dx t
F j a
RT
е
(5)
где С0 - определенная выше концентрация La3+ в плазме крови, X - доля
5 і
катионов La , затрачиваемая на дезинфицирующий эффект, ja -потенциал электрической асимметрии биологической мембраны микроорганизмов, который равен потенциалу покоя клетки.
Подставляя в (5) значение ja и С0 из (4), получаем:
я
Ся =tk£H t^ • е"2 Dlt 1 Sl p H Ск (1X)
(6)
3+
Здесь величина D1 отвечает коэффициенту диффузии La через мембрану микроорганизма.
Если С\ - летальная концентрация катиона La3+ в цитоплазме микроорганизма, то время контакта, обеспечивающее его гибель, определяется в виде:
*
1 ln XkpCнт*Ск (0)
2D n Ск (Я)
-1
(7)
Это трансцендентное уравнение, решаемое численными методами.
Если См1 - концентрация условно-патогенных микроорганизмов в пространстве между костью и имплантатом, то скорость гибели этих микроорганизмов под воздействием катионов La отвечает дифференциальному уравнению:
- ^ = kXC0 (8)
dt
с начальным условием См1 (т = 0) = С°М1, к1 - константа скорости гибели вегетативного микроорганизма, которую можно определить из соотношения:
к
C
M1
1 z^min _* 5 CM1 Т1
(9)
3+
где т относится к летальному времени контакта с катионами La находящимися в плазме крови. Подставляя величину С0 из уравнения (4) и интегрируя (8), получаем квадратичный закон антисептического действия
3+
La в отношении микроорганизмов:
С = С0 - 1/ к X к С Т
СМ1 СМ1 /О /v1b1/vр^н1
(10)
0
1
2
Для спороносных форм условно-патогенных микроорганизмов
3+
имеем следующее выражение концентрации катионов La в цитоплазме:
С і =ХС*-ё3*, (11)
0_|_
где Х2 - доля катионов La , затрачиваемая на дезинфицирующий эффект в отношении спороносной патогенной флоры.
3+
Для оценки летального времени контакта микроорганизма с La -содержащей плазмой крови имеем:
*
Т2
JL
2D,
, XкрСнт*
'*—С-
(12)
это также трансцендентное уравнение, решаемое численными методами.
3+
Здесь D2 - коэффициент диффузии La через оболочку микроорганизма.
Если См2 - концентрация условно-патогенных микроорганизмов в вышеупомянутом пространстве между тканями пародонта и имплантатом, то скорость их гибели под действием катионов La описывается дифференциальным уравнением:
- = к2 X 2С0 (13)
ат
с начальным условием CM 2(т = 0) = C°M2. к2 - константа скорости
наступления дезинфицирующего эффекта, которую можно определить из соотношения:
C0 1
к = ^М 2 1
2 min _* 5
CM 2 *2
(14)
где т2* определяется по уравнению (12). Подставляя величину С0 из (4) и интегрируя (13), получаем квадратичный закон антисептического действия
3+
La на микроорганизмы:
С = С0 - 1/ к X к С т2
СМ2 СМ2 /2 п2?2прСн1 •
(15)
Можно предположить, что антикоагулянтный эффект связан с
3+
адсорбцией La на мембранах тромбоцитов. Поэтому для оценки антитромбоцитного действия La можно воспользоваться динамической изотермой адсорбции Лэнгмюра [1]:
0 = 0¥[1 -
(кадс +кдес )т
],
(16)
3+
где 0 < 1 - степень заполнения поверхности тромбоцита катионами La ,
к, к
падс? пдес
3+
константы скорости адсорбции и десорбции La , 0¥ < 1 -
стационарная степень заполнения.
Из динамической изотермы Лэнгмюра следует, что
т = ■
1
(
к + к
л адс ~ л дес
• ln
1
V
0
0¥
(17)
При 0¥ < 0.2 справедлива стационарная изотерма адсорбции Генри в
виде:
0¥= КГ$ЪС, = крХ КгСнт, (18)
где Кг - адсорбционная константа Генри и Х3 - доля катионов La3+, затрачиваемая на эффект. Если 0* - пороговое заполнение поверхности тромбоцита, оказывающее антикоагулянтное действие, то из
вышеизложенного следует, что время достижения антитромбоцитного эффекта составит:
л
f
-3 = -
k + k
л адс ^ п'дес
ln
1 -v ‘-p-
0*
*
— J
(19)
kpX K ГС н —
Это трансцендентное уравнение может быть решено относительно -3* численными методами. Если СТ - концентрация тромбоцитов между костью и имплантатом, то скорость их инактивирования может определяться дифференциальным уравнением:
1
*
--f- = к&С., (20)
d-
с начальным условием CT (- = 0) = С°.
Здесь СТ - исходная концентрация активных тромбоцитов и k3 -константа скорости инактивации тромбоцитов, определяемая по соотношению:
k з
C0
C min
1_
* ? -3
(21)
где CTmin - минимальная концентрация активных тромбоцитов, не вызывающая тромбообразования.
Подставляя величину С0 из уравнения (4) и интегрируя (20), получаем квадратичный закон инактивации тромбоцитов при адсорбции на
3+
них катионов La :
СТ = СТ0
(22)
La-содержащие гидроксоапатитовые покрытия внутрикостных имплантатов должны обладать биоактивностью в сочетании с пролонгированным антисептическим и антикоагулянтным действием, основанном на медленной биокоррозии нанотрубок из гидроксида лантана в порах напыленных частиц гидроксоапатита, раздробленных на нанофрагменты плазменным термоударом [5]. Содержание вегетативных и споровых форм патологичных микроорганизмов, а также активных тромбоцитов в пространстве между костью и имплантатом убывает со
временем по квадратичным законам и уменьшается с концентрацией катионов водорода в плазме крови.
Таким образом, мы считаем обоснованным изучение описанных моделей с La-содержащими биоактивными покрытиями in vitro с целью установления их бактерицидного потенциала, а также влияния на активность клеточных культур.
