УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПРЕССНОЙ ОЦЕНКИ БИОСОВМЕСТИМОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СПЛАВОВ И ИМПЛАНТАТОВ

Техническое решение относится к медицинской технике, точнее к технике лабораторных исследований, в частности к способам проведения анализа биосовместимости имплантируемых материалов.
Одним из важнейших критериев отбора имплантируемых материалов является биосовместимость - отсутствие негативного влияния на организм. Т.к. ортопедические имплантаты в настоящее время изготавливаются чаще всего из металлов, металлических сплавов и керамики, то после введения в организм имплантата, он и/или его компоненты вступают в контакт, как с клетками окружающих тканей, так и со всей внутренней средой организма. Наиболее перспективными способами доклинической оценки биосовместимости имплантируемых материалов считаются исследования их токсичности в опытах in vitro, которые позволяют оценивать степень токсичности материалов медицинского назначения. Известно, что одним из индукторов воспалительных реакций организма, а также сигнальной молекулой хемотаксиса для иммунных клеток является перекись водорода [1], которая образуется при контакте водных растворов, содержащих молекулярный кислород, с поверхностью различных металлов [2].
Известно устройство для оценки биосовместимости металлических сплавов и имплантатов [3] состоящее из светового микроскопа, предназначенного для анализа тканей контактирующих с металлами или имплантатами. Для чего имплантат предварительно вводится в экспериментальное животное, выдерживается там несколько месяцев, а затем исследуется, что не позволяет проводить экспресс анализ на биосовместимость.
Наиболее близким является устройство для анализа люминесценции растворов [4], которое может быть использовано для оценки биосовместимости металлических сплавов и имплантатов, состоящее из корпуса с крышкой, образующих герметичную полость, причем на крышке установлены штатив и емкость с раствором, содержащим реагенты для хемилюминесцентного обнаружения перекиси водорода, а также блока управления, ФЭУ, АЦП, ПК и блока питания, соединенных по электрической цепи, однако такое устройство достаточно трудоемко в обслуживании при измерении на биосовместимость и не предназначено для непосредственного проведения экспресс анализа на биосовместимость до имплантации в организм, более того, это устройство не позволяет тестировать готовые имплантаты размером больше пробирки, в которую помещают исследуемый имплантат, т.е. устройство не универсально и оператор вынужден проводить дополнительные операции вручную.
Задачей полезной модели является проведение экспресс анализа до имплантации в организм, а также универсализация и удешевление устройства и упрощение его обслуживания.
Поставленная задача решается следующим образом.
2
Устройство для экспрессной оценки биосовместимости металлических сплавов и имплантатов, состоящее из корпуса с крышкой, образующих герметичную полость, в которой установлен штатив, снабженное ФЭУ, АЦП, ПК и блоком питания, соединенных по электрической цепи, электронным блоком и емкостью с раствором, содержащим реагенты для хемилюминесцентного обнаружения перекиси водорода, снабжено шейкером с термостатирующим устройством и штуцером для подачи газа, закрепленным на корпусе, при этом на крышке установлены сливной патрубок для вывода отработавшего раствора, проточная кювета, выпускной клапан и манометр, а в герметичной полости установлены патрубок для забора тестирующей среды, электрический клапан, соединенный с АЦП, а также кислородный электрод Кларка и pH - электрод, которые закреплены на штативе с возможностью перемещения на заданный уровень погружения в тестирующую среду и электрически соединены с электронным блоком, предназначенным для регистрации pH и O, и емкость с раствором, содержащим реагенты для хемилюминесцентного обнаружения перекиси водорода, выполненная открытой и снабженной коническим дном, при этом емкость с раствором гидравлически соединена с патрубком для забора тестирующей среды и электрическим клапаном, который гидравлически соединен с проточной кюветой и сливным патрубком, причем ФЭУ расположен над проточной кюветой, а штатив закреплен на крышке.
Кроме того, корпус и крышка выполнены металлическими с внутренним фторопластовым покрытием, что позволяет выдерживать избыточное давление в полости, являющейся реактором и предотвращать окисление перекиси водорода на поверхности металла. Кроме того, нижняя часть корпуса выполнена конусообразной.
Полезная модель иллюстрируется чертежом, где на фиг. 1 изображено устройство для экспрессной оценки биосовместимости металлических сплавов и имплантатов.
Устройство состоит из шейкера 1 с термостатирующим устройством, стального корпуса 2 с внутренним фторопластовым покрытием, причем нижняя часть корпуса 2 выполнена конусообразной. В корпусе 2 находится тестирующая среда 3 с исследуемым изделием 4, открытой цилиндрической емкостью 5, выполненной с коническим дном и раствором 6, содержащим реагенты для хемилюминесцентного обнаружения перекиси водорода, пластиковым соединительным патрубком 7, один конец которого опущен в тестирующую среду 3, а другой соединен с цилиндрической емкостью 5, причем патрубок 7 гидравлически соединен через электрический клапан 8 с проточной кюветой 9 и сливным патрубком 10 для вывода отработанного раствора 11. Над проточной кюветой 9 расположен фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) 12, электрически соединенный с аналого-цифровым преобразователем (АЦП) 13, блоком питания 14 и персональным компьютером (ПК) 15. Крышка 16 выполнена металлической и для предотвращения окисления на ее поверхности имеет фторопластовое покрытие на поверхности обращенной в полость корпуса 2 и герметично крепится винтами 17 к корпусу 2, в котором расположен штуцер 18 для подвода газа 19 (азот, кислород или воздух). В тестирующую среду 3 помещены кислородный электрод Кларка 20 и комбинированный стеклянный pH - электрод 21, которые установлены на штативе 22 с возможностью регулирования их уровня погружения, причем электроды 20 и 21 электрически соединены с электронным блоком 23 для измерения и регистрации pH и концентрации кислорода. На крышке 16 установлены: цилиндрическая емкость 5, проточная кювета 9, штатив 22, манометр 24 и выпускной клапан 25 (предохранитель).
Устройство работает следующим образом.
Готовится тестирующая среда 3, которая заливается в корпус 2 устройства, на корпусе 2 закрепляется 16 и закручиваются крепежные вины 17. Штатив 22 для крепления и регуляции уровня погружения электродов 20 и 21 выставляется в нужное положение. Включается шейкер 1 с термостатирующим устройством, установленным на заданную температуру. После того, как температура тестирующей среды достигнет заданной, через штуцер 18 подается газ 19 и в объеме устройства создается избыточное давление газа (например, воздуха), контролируемое манометром 24. При достижении установившихся значений концентрации кислорода и pH в тестирующей среде 3, измеряется концентрация перекиси водорода в тестирующей среде 3 в течение заданного времени. Согласно заданной программе происходит периодическое открытие электрического клапана 8 на заданное время (10÷15 с), за которое в проточную кювету подается раствор, состоящий из смеси тестирующей среды 3 и счетного раствора 6. Эти растворы подаются от пластикового патрубка 7 и емкости 5. При взаимодействии компонентов раствора 6 с перекисью водорода, содержащейся в тестирующей среде, происходит хемилюминесцентная реакция, свечение которой регистрируется ФЭУ 12. Сигнал от ФЭУ 12 блоком АЦП 13 преобразуется в цифровые данные, которые передаются в ПК 15 для обработки программой, осуществляющей расчет концентрации перекиси водорода и построения ее временной зависимости. Таким образом, получается контрольная зависимость изменения перекиси водорода в тестирующей среде при заданных значениях ее температуры, pH и концентрации растворенного кислорода. Далее, с помощью выпускного клапана 25 давление в устройстве понижается до атмосферного, снимается крышка 16 и выливается тестирующий раствор. Затем в устройство помещается исследуемое изделие 4 (металлический имплантат), и все операции, описанные выше, повторяются в той же последовательности. В результате на основании полученных данных при сравнении контроля и данных исследования рассчитывается степень биосовместимости данного имплантата.
Пример конкретного применения.
Готовится тестирующая среда 3 (фосфатно-солевой буферный раствор с pH=7.3÷7.5 содержащем 0.01 М фосфат ионов, 0.137 М NaCl, 0.0027 М KCl, выпускаемый фирмой Биолот, (www.biolot.ru) в количестве достаточном для полного погружения исследуемого изделия 4 (металлического имплантата), которая заливается в корпус 2, устанавливается крышка 16 и закручиваются крепежные вины 17. Штатив 22 для крепления и регуляции уровня погружения в тестирующую среду электродов 20 и 21 выставляется в нужное положение. Включается шейкер 1 с термостатирующим устройством, установленным на заданную температуру. После того, как температура тестирующей среды достигнет заданной, через штуцер 18 подается воздух 19 и в объеме устройства создается избыточное (порядка 1 Атм) давление газа, контролируемое манометром 24. При достижении постоянных значений концентрации кислорода (7 мг/л) и pH (7,3÷7,5) в тестирующей среде 3, (контролируемых с помощью электронного блока 23, измерения pH и концентрации кислорода), включается программа измерения концентрации перекиси водорода в тестирующей среде 3 в течение 30 мин. Согласно данной программе происходит периодическое открытие электрического клапана 8 на время 10÷15 с, за которые в проточную кювету подается раствор, состоящий из смеси тестирующей среды 3 и раствора 6. При взаимодействии этой смеси с перекисью водорода, содержащейся в тестирующей среде, происходит хемилюминесцентная реакция, свечение которой регистрируется ФЭУ 12. В результате на основании полученных данных при сравнении контроля и данных исследования рассчитывается биосовместимость исследуемого имплантата.
Источники информации
1. Hidenori Hattori, Kulandayan К. Subramanian, Jiro Sakai and Hongbo R. Luo «Reactive oxygen species as signaling molecules in neutrophil chemotaxis» Communicative & Integrative Biology 3:3, 278-281; May/June 2010; © 2010 Landes Bioscience.
2. Пилипенко П.Н. «Образование перекиси водорода при контакте воды с поверхностью металлов», Труды XX Международной конференции и дискуссионного клуба «Новые информационные технологии в медицине, биологии, фармакологии и экологии», Крым, Ялта-Гурзуф, 05-15 июня 2012 года, стр. 260-261.
3. Раздорский В.В. Оценка биосовместимости имплантатов из никелида титана в эксперименте на животных. СТОМАТОЛОГИЯ, 6, 2008.
4. Патент РФ на полезную модель №152424 «Устройство для анализа люминесценции растворов», 2015.