ОСТЕОИНТЕГРАЦИОННОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОРТОПЕДИЧЕСКИЕ И СТОМАТОЛОГИЧЕСКИЕ ТИТАНОВЫЕ ИМПЛАНТАТЫ
OSTEOINTEGRATION COATING OF ORTHOPAEDIC AND DENTAL TITANIUM IMPLANTS

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к покрытиям имплантатов из титана и его сплавов, и может использоваться при изготовлении внутрикостных и чрескостных имплантатов для стоматологии, травматологии и ортопедии с остеоинтеграционным оксидным покрытием, обладающим биоактивными и бактерицидными свойствами.
Приживляемость и эффективность функционирования имплантатов из титана
2
2
3
3
5
ВТ1-0, ВТ1-00 и титановых сплавов ВТ6, ВТ16 существенно зависит от наличия на их поверхности покрытия, обладающего способностью интеграционного взаимодействия с костной тканью. Материалами такого покрытия могут являться титанооксидные соединения TiO, TiO, TiO, TiO, обладающие высоким уровнем биологической совместимости и способностью срастания с костью при определенной морфологической структуре и открытой пористости поверхности оксидов.
Существенным недостатком применяемых титанооксидных покрытий является отсутствие в их составе биоактивных и бактерицидных компонентов, благодаря которым происходит ускорение остеоинтеграции имплантатов за счет стимулирования репаративного остеогенеза на контактной границе «имплантат - костная ткань» без опасности протекания гнойно-воспалительных процессов в окружающих биоструктурах. Решение данной проблемы может быть достигнуто путем разработки остеоинтеграционного оксидного покрытия, содержащего гидроксиапатит как компонент, обладающий биоактивными свойствами и являющийся стимулятором остеоинтеграционных процессов, и медь как компонент, обладающий бактерицидными свойствами.
2
2
3
3
5
Известно оксидное покрытие на титановых имплантатах, состоящее, в основном, из нестехиометрического диоксида TiO при весьма малом содержании низших оксидов TiO и TiO [Газотермическое оксидирование как метод получения биосовместимых покрытий на изделиях медицинского назначения / Сб. трудов XVI Междунар. научно-практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии». Томск: Изд-во ТПУ, 2010. Т.2. С.74-76]. Недостатком данного оксидного покрытия является отсутствие его биоактивных свойств, ускоряющих остеоинтеграцию, и бактерицидных свойств, обеспечивающих безопасное приживления имплантатов без протекания гнойно-воспалительных процессов в тканях, из-за отсутствия в своем составе гидроксиапатита как модифицирующего компонента с биоактивными свойствами и меди как модифицирующего компонента с бактерицидными свойствами.
2
Известно покрытие на имплантат из титана и его сплавов [патент РФ №2361623. Опубл. 20.07.2009], содержащее оксиды титана и состоящее их двух слоев, первый слой толщиной 20-30 мкм - из оксидов титана, в основном TiO, второй слой толщиной 2-5 мкм из смеси оксидов титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов, мас.%:
2
оксид титана (TiO) - 65-75,
оксид меди - 15-25,
3
5
остальное - другие типы оксидных фаз титана (TiO, TiO).
Данное покрытие содержит в составе бактерицидный компонент в виде оксида меди и обеспечивает прочное сцепление имплантата с окружающей костной тканью при отсутствии воспалительных явлений в зоне имплантации. Однако покрытие не обладает биоактивностью из-за отсутствия в его компонентном составе гидроксиапатита, ускоряющего остеоинтеграцию, что приводит к увеличению продолжительности срастания поверхности имплантата с костью.
Ближайшим прототипом, по мнению автора, является остеоинтеграционное покрытие на имплантаты из титана и его сплавов [патент РФ №2154463. Опубл. 20.08.2000]. Данное покрытие содержит оксид титана и дополнительно содержит кальцийфосфатные соединения при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксид титана - 52-74,
оксид кальция - 6-12,
оксид фосфора - 20-36.
Данное покрытие является биосовместимым, способным срастаться с костной тканью, но не обладает высокими биоактивными свойствами за счет того, что содержит в своем компонентном составе кальцийфосфатные соединения в виде оксида кальция и оксида фосфора, которые сами не являются биоактивными компонентами, а обладают лишь способностью образовывать покрытия с высокой биоактивностью, такие как гидроксиапатитсодержащие покрытия. Кроме того, существенным недостатком такого покрытия является отсутствие в его составе меди как компонента с эффективными бактерицидными свойствами, обеспечивающими противомикробное действие в процессе приживления имплантата.
Задачей изобретения является создание остеоинтеграционного оксидного покрытия, модифицированного компонентами с биоактивными и бактерицидными свойствами для ускорения остеоинтеграции титановых имплантатов без опасности протекания гнойно-воспалительных процессов в тканях.
Технический результат изобретения заключается в создании остеоинтеграционного гидроксиапатит- и медьсодержащего оксидного покрытия с биоактивными и бактерицидными свойствами, обеспечивающими ускоренную остеоинтеграцию и безопасное приживление титановых имплантатов.
Поставленная задача достигается за счет того, что остеоинтеграционное покрытие на ортопедические и стоматологические титановые имплантаты, состоящее из оксида титана и дополнительно содержащее кальцийфосфатные соединения, согласно предлагаемому техническому решению содержит в качестве кальцийфосфатных соединений гидроксиапатит как модифицирующий компонент с биоактивными свойствами и дополнительно содержит медь как модифицирующий компонент с бактерицидными свойствами при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксид титана - от 70 до 80,
гидроксиапатит - от 18 до 25,
медь - от 2 до 5.
Отличие данного покрытия от прототипа заключается в том, что оно содержит в качестве кальцийфосфатных соединений гидроксиапатит как модифицирующий компонент с биоактивными свойствами и дополнительно содержит медь как модифицирующий компонент с бактерицидными свойствами при следующем соотношении компонентов, мас.%:
оксид титана - от 70 до 80,
гидроксиапатит - от 18 до 25,
медь - от 2 до 5.
10
4
6
2
Сущность изобретения заключается в следующем. Для выполнения остеоинтеграционного покрытия, обладающего биоактивными и бактерицидными свойствами, с целью клинически эффективного применения на титановых ортопедических и стоматологических имплантатах на их внутрикостной поверхности формируют покрытие в виде коррозионностойкого и нетоксичного оксида титана, которое модифицируют гидроксиапатитом (Са(PO)(ОН)), обладающим высокими биоактивными свойствами, и медью, обладающей высокой бактерицидной активностью. Соотношение компонентов покрытия следующее, мас.%:
оксид титана - от 70 до 80,
гидроксиапатит - от 18 до 25,
медь - от 2 до 5.
Компонентный состав заявленного покрытия позволяет обеспечить наиболее важные показатели эффективности клинического применения титановых имплантатов, а именно: ускоренную их остеоинтеграцию за счет содержания в составе покрытия гидроксиапатита, стимулирующего репаративный остеогенез; безопасное ускоренное приживление имплантатов благодаря содержанию в покрытии меди с бактерицидными свойствами, обеспечивающими подавление деятельности патогенных микробных агентов; прочное закрепление имплантатов в кости.
Для пояснения сущности изобретения приведены конкретные примеры.
Пример 1. Берут титановый (ВТ6, ВТ16) ортопедический стержневой имплантат, поверхность которого перед нанесением покрытия предварительно подготавливают с помощью пескоструйной обработки корундовым абразивом и ультразвуковой очистки в моющем растворе. Имплантат помещают в электропечь паротермического оксидирования, в рабочий объем которой под давлением подают перегретый водяной пар и получают оксидное покрытие. Процесс оксидирования ведут до достижения формируемым оксидным покрытием толщины 40 мкм, открытой пористости 30% и размера пор 10 мкм для эффективного интеграционного взаимодействия с костной тканью. Затем имплантат с оксидным покрытием, состоящим из оксида титана, охлаждают, промывают и сушат, после чего электрохимическим путем осуществляют модифицирование покрытия двумя компонентами: сначала гидроксиапатитом с биоактивными свойствами, затем медью с бактерицидными свойствами. При этом соотношение компонентов получаемого покрытия следующее, мас.%:
оксид титана - 70,
гидроксиапатит - 25,
медь - 5.
Пример 2. Берут титановый (ВТ1-0, ВТ1-00) стоматологический пластинчатый имплантат, поверхность которого перед нанесением покрытия предварительно подготавливают с помощью пескоструйной обработки корундовым абразивом и ультразвуковой очистки в моющем растворе. Имплантат помещают в электропечь сопротивления, в рабочий объем которой под давлением подают технологическую реакционную смесь из аргона и кислорода, взятую в определенном процентном соотношении, и получают оксидное покрытие. Процесс получения покрытия осуществляют до момента формирования его толщины со значением 100 мкм, открытой пористости - 50% и размера пор - 25 мкм для прорастания костных клеток и эффективного интеграционного взаимодействия с костной тканью. Затем имплантат с оксидным покрытием, состоящим из оксида титана, охлаждают, промывают и сушат, после чего электрохимическим путем осуществляют модифицирование покрытия двумя компонентами: сначала гидроксиапатитом с биоактивными свойствами, затем медью с бактерицидными свойствами. При этом соотношение компонентов получаемого покрытия следующее, мас.%:
оксид титана - 80,
гидроксиапатит - 18,
медь - 2.
Заявленный технический результат, заключающийся в создании остеоинтеграционного гидроксиапатит- и медьсодержащего оксидного покрытия с биоактивными и бактерицидными свойствами, обеспечивающими ускоренную остеоинтеграцию и безопасное приживление титановых имплантатов, был определен путем клинических испытаний с использованием лабораторных кроликов породы «черный великан», массой тела 4,5-5,0 кг. Каждому животному в большеберцовые кости на 50 суток вводились опытные титановые стержни с винтовой внутрикостной частью, имеющей оксидное покрытие по прототипу и оксидное покрытие заявленного состава, т.е. модифицированное гидроксиапатитом и медью, и содержащее данные компоненты в заявленном соотношении. Стержни имели диаметр 2 мм, общую длину 25 мм, длину винтовой внутрикостной части 5 мм.
Клинико-биологическая оценка биоактивных и бактерицидных свойств покрытий стержневых имплантатов проводилась по характеру образования и толщине костного регенерата на поверхности имплантатов с использованием оптической микроскопии и гистосрезов границы «имплантат с покрытием - кость», а также по признакам развития гнойно-воспалительных процессов в зоне введения стержней с использованием микробиологического исследования мазков экссудата. При этом в зону введения стержней дополнительно вводились микроорганизмы с патогенным потенциалом (гемофильные палочки, кишечные палочки, золотистый и эпидермальный стафилококк) для экспериментального повышения микробной активности, усугубления воспалительных процессов и выявления эффективности бактерицидных свойств покрытий имплантатов.
Результаты испытаний приведены в таблице. В ходе испытаний было установлено, что стержневые имплантаты с оксидным покрытием по прототипу и с оксидным покрытием, содержащим гидроксиапатит менее 18 мас.% и медь менее 2 мас.%, не способствовали полному предотвращению воспаления окружающих тканей и проявляли слабые признаки биоактивности поверхности, о чем свидетельствуют появление выраженной микробной флоры вокруг имплантатов в отдаленном периоде их приживления (на 20-25 сутки) и небольшая толщина слоя образованного костного регенерата (табл.).
Имплантаты с оксидным покрытием, заявленного состава, проявили высокую биоактивность поверхности, благодаря которой происходил стимулированный рост новообразованной костной ткани и осуществлялась ускоренная остеоинтеграция имплантатов при полном отсутствии гнойно-воспалительных явлений тканей и предотвращении деятельности патогенных микроорганизмов в течение всего периода клинического испытания.
Таким образом, оксидное покрытие по прототипу и оксидное покрытие, содержащее гидроксиапатит менее 18 мас.% и медь менее 2 мас.%, не оказали бактерицидного действия на патогенную микрофлору, не способствовали предотвращению развития микроорганизмов, что вызвало протекание воспалительных реакций тканей. Поэтому в случае инфицирования имплантационной зоны данные покрытия не могут предотвратить деятельность микроорганизмов и обеспечить безопасное приживление имплантатов.
Процентное содержание гидроксиапатита в оксидном покрытии как модифицирующего компонента с биоактивными свойствами, свыше 25 мас.%, является нецелесообразным вследствие того, что, во-первых, содержание гидроксиапатита в пределах 18-25 мас.% придает покрытию достаточно высокие биоактивные свойства, способствующие его ускоренной остеоинтеграции и прочному закреплению имплантата в кости, во-вторых, содержание гидроксиапатита, превышающее 25 мас.%, является экономически нецелесообразным, т.к. гидроксиапатит относится к числу высокодорогостоящих биокерамических материалов.
Процентное содержание меди в оксидном покрытии как модифицирующего компонента с бактерицидными свойствами, превышающее 5 мас.%, является экономически нецелесообразным вследствие достаточно эффективного бактерицидного действия данного компонента в пределах от 2 до 5 мас.%.
Таблица 1
Протокол клинических испытаний титановых имплантатов с оксидными покрытиями по прототипу и заявленного состава
Оксидное покрытие
Клинико-биологические характеристики испытаний
Морфологический анализ гистосрезов кости на границе с имплантатами после 50 суток испытания
Микробиологический анализ мазков экссудата
Визуальный и оптический анализ поверхности имплантатов после 50 суток испытания
по прототипу
наличие тонкого фрагментарного слоя костного регенерата, толщиной 20 мкм
появление воспаления тканей и выраженной микробной флоры в зоне имплантации на 20-е сутки
присутствие отдельных мелких фрагментов костной ткани, распределенных по поверхности покрытия сильно неравномерно
с содержанием гидроксиапатита менее 18 мас.% и меди менее 2 мас.%
наличие слоя костного регенерата, толщиной 35 мкм
появление выраженной микробной флоры с небольшим негнойным воспалением тканей на 25-е сутки
присутствие тонкого слоя костной ткани, равномерно интегрированной с поверхностью покрытия
заявленный состав
наличие слоя костного регенерата, толщиной 300 мкм
полное отсутствие микробной флоры на 3 сутки и гнойно-воспалительных явлений тканей в течение всего периода испытания
присутствие значительного объема новообразованной костной ткани, равномерно интегрированной с поверхностью покрытия
Таким образом, испытания титановых имплантатов с остеоинтеграционным покрытием, состоящим из оксида титана, модифицированного кальцийфосфатными соединениями в виде гидроксиапатита с биоактивными свойствами и медью с бактерицидными свойствами при соотношении компонентов, мас.%: оксид титана - от 70 до 80, гидроксиапатит - от 18 до 25, медь - от 2 до 5, показали, что заявляемое покрытие обеспечивает ускоренную остеоинтеграцию и безопасное приживление имплантатов.