Способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы
METHOD OF ANTI-ADHESIVE, BIO-COMPATIBLE, AND BACTERIOSTATIC COATING ON THE BASIS OF CARBON APPLICATION FOR MEDICAL PURPOSE PRODUCTS FROM MATERIAL WITH THERMOMECHANICAL SHAPE MEMORY

Изобретение относится к области медицины, а именно к способу нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы, и может быть использовано при изготовлении и использовании изделий медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы в условиях травматолого-ортопедических, хирургических, стоматологических и других стационаров.
Известен материал на основе никелида титана с эффектом памяти формы с нанесенным ионной имплантацией поверхностным слоем (см. патент РФ №2095464, МПК С23С 14/12, 10.11.1997 г.). Он имеет следующие недостатки:
- недостаточно обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента,
- не обеспечивает высокие антиадгезивность и бактериостатичность поверхности имплантированного медицинского изделия из материала с термомеханической памятью формы в различных физиологических средах организма пациента,
- не препятствует образованию бактериальной биопленки на поверхности металлических, полимерных и текстильных изделий медицинского назначения,
- не обеспечивает надежную защиту поверхности имплантированного медицинского изделия от возникновения процессов инфекции.
Задачей изобретения является создание способа нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы.
Техническим результатом является надежное обеспечение высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента, надежное предотвращение образования бактериальной биопленки на поверхности изделия медицинского назначения, обеспечение высокой антиадгезивности и бактериостатичности поверхности имплантированного медицинского изделия в различных физиологических средах организма пациента, а также обеспечение надежной защиты поверхности имплантированного медицинского изделия из материала с термомеханической памятью формы от возникновения процессов инфекции.
-5
-6
-4
-3
-4
-3
Технический результат достигается тем, что предложен способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы, включающий распыление графита в вакууме и конденсацию углерода на изделия с использованием импульсного разряда, при этом предварительно поверхность упомянутого изделия очищают путем ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумируют до остаточного давления 9⋅10-1⋅10 Торр, заполняют аргоном, затем вакуумируют до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр и осуществляют ионное травление ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин, после чего в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр камере на поверхность изделия наносят покрытие на основе углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C или карбиноподобной структуры импульсно-плазменным дуговым распылением графита марок МПГ-7, АРВ или ВЧ при длительности импульса 0,1-1,0 мсек и частоте следования 0,1-30 Гц, причем за один импульс разряда импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы наносят покрытие углерода толщиной слоя 5-50 ангстрем за один импульс при использовании с напряжением разряда 150-810 В. При этом покрытие наносят на изделие из материала с прочностью на изгиб в пределах 25-85 Н/мм и модулем упругости 15-20 ГПа на основе интерметаллида никелида титана или из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля.
-5
-6
-4
-3
Способ осуществляют следующим образом. Поверхность изделия из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана или из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля с их прочностью на изгиб в пределах 25-85 Н/мм и модулем упругости 15-20 ГПа подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере. При этом изделие медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы размещают в камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10-1⋅10 Торр, заполняют камеру аргоном и вакуумируют до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр. Ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин.
-4
-3
Затем в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр камере на поверхность изделий медицинского изделия из материала с термомеханической памятью формы наносят антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие на основе углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C или карбиноподобной структуры импульсно-плазменным дуговым распылением графита при длительности импульса 0,1-1,0 мсек и частоте их следования 0,1-30 Гц с графитового катода. При этом в качестве материала дугового источника атомов углерода при импульсно-плазменном дуговом распылении используют графит марки МПГ-7, АРВ или ВЧ.
Наносят на поверхность медицинского изделия из материала с термомеханической памятью формы антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие углерода заданной и необходимой толщины, при этом наносят покрытие слоем 5-50 ангстрем за один импульс при использовании импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы с напряжением разряда 150-810 В.
Среди существенных признаков, характеризующих предложенный способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы, отличительными являются:
-5
-6
-4
-3
- предварительная очистка поверхности упомянутого изделия путем ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумируют до остаточного давления 9⋅10-1⋅10 Торр, заполняют аргоном, затем вакуумируют до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр и осуществляют ионное травление ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин,
-4
-3
- нанесение в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10-3⋅10 Торр камере на поверхность изделия покрытия на основе углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C или карбиноподобной структуры импульсно-плазменным дуговым распылением графита марок МПГ-7, АРВ или ВЧ при длительности импульса 0,1-1,0 мсек и частоте следования 0,1-30 Гц,
- нанесение за один импульс разряда импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы покрытия углерода толщиной слоя 5-50 ангстрем за один импульс при использовании с напряжением разряда 150-810 В,
- нанесение покрытия на изделие из материала с прочностью на изгиб в пределах 25-85 Н/мм и модулем упругости 15-20 ГПа на основе интерметаллида никелида титана или из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля.
Экспериментальные исследования предложенного способа нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы показали его высокую эффективность. Способ нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы при своем использовании надежно обеспечил высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента, надежное предотвращение образования бактериальной биопленки на поверхности изделия медицинского назначения, обеспечил высокую антиадгезивность и бактериостатичность поверхности имплантированного медицинского изделия в различных физиологических средах организма пациента, а также обеспечил надежную защиту поверхности имплантированного медицинского изделия из материала с термомеханической памятью формы от возникновения процессов инфекции.
Реализация предложенного способа нанесения антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода на изделия медицинского назначения из материала с термомеханической памятью формы иллюстрируется следующими практическими примерами.
Пример 1. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления фиксирующих стержней металлофиксации деформированного позвоночника материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана толщиной 1,3 мм, нанесли предложенным способом антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие. При этом использовали материал с термомеханической памятью формы с прочностью на изгиб в пределах 48 Н/мм и модулем упругости 18 ГПа.
-6
-3
Поверхность трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 3⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 2,8 кэВ в течение 6 мин.
-3
Процесс нанесения антиадгезивного, биосоместимого и бактериостатичного покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 3⋅10 Торр камере. На очищенную поверхность трех образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана нанесли импульсно-плазменным дуговым распылением с графитового катода антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали импульсно-плазменный дуговой источник углеродной плазмы из графита марки АРВ при длительности импульса 1,0 мсек и частоте их следования 0,1 Гц. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 500 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 50 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы с напряжением разряда 810 В.
7
Затем на поверхность антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия каждого из трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана в лабораторных условиях нанесли по 1 мл физиологического раствора с тест-культурами микроорганизмов, выделенных от пациентов с инфекционными осложнениями после эндопротезирования крупных суставов и относящихся к виду Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa, в концентрациях, содержащих 10 клеток каждой тест-культуры, соответствующей стандарту мутности 0,5 МакФарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов диско-диффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 час.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода. При этом установили отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода для фиксирующих стержней металлофиксации деформировааного позвоночника из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана. Предложенное антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента.
Пример 2. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления применяемых во время пульмонологических хирургических вмешательствах фиксаторов грудины из материала с термомеханической памятью формы толщиной 1,0 мм, нанесли предложенным способом антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие. При этом использовали материал из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля с прочностью на изгиб в пределах 25 Н/мм и модулем упругости 15 ГПа.
-5
-4
Поверхность трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 9⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 5⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 0,7 кэВ в течение 8 мин.
-4
Процесс нанесения антиадгезивного, биосоместимого и бактериостатичного покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 5⋅10 Торр камере. На очищенную поверхность трех образцов из материала с термомеханической памятью формы из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля нанесли импульсно-плазменным дуговым распылением с графитового катода антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие углерода карбиноподобной структуры. Причем использовали импульсно-плазменный дуговой источник углеродной плазмы из графита марки МПГ-7 при длительности импульса 0,6 мсек и частоте их следования 30 Гц. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 600 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 30 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы с напряжением разряда 540 В.
7
Затем на поверхность антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия каждого из трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля в лабораторных условиях нанесли по 1 мл физиологического раствора с тест-культурами микроорганизмов, выделенных от пациентов с инфекционными осложнениями после эндопротезирования крупных суставов и относящихся к виду Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa, в концентрациях, содержащих 10 клеток каждой тест-культуры, соответствующей стандарту мутности 0,5 МакФарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов диско-диффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 час.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода. При этом установили отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода для применяемых во время пульмонологических хирургических вмешательствах фиксаторов грудины из материала с термомеханической памятью формы из сплава системы медь - 14 мас. % алюминия - 4 мас. % никеля. Предложенное антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента.
Пример 3. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления стента коронарных сосудов сердца из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана толщиной 1,3 мм, нанесли предложенным способом антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие. При этом использовали материал с термомеханической памятью формы с прочностью на изгиб в пределах 85 Н/мм и модулем упругости 20 ГПа.
-6
-4
Поверхность трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 3,0 кэВ в течение 4 мин.
-4
Процесс нанесения антиадгезивного, биосоместимого и бактериостатичного покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10 Торр камере. На очищенную поверхность трех образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана нанесли импульсно-плазменным дуговым распылением с графитового катода антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали импульсно-плазменный дуговой источник углеродной плазмы из графита марки АРВ при длительности импульса 0,1 мсек и частоте их следования 10 Гц. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 500 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 5 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы с напряжением разряда 150 В.
7
Затем на поверхность антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия каждого из трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана в лабораторных условиях нанесли по 1 мл физиологического раствора с тест-культурами микроорганизмов, выделенных от пациентов с инфекционными осложнениями после эндопротезирования крупных суставов и относящихся к виду Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa, в концентрациях, содержащих 10 клеток каждой тест-культуры, соответствующей стандарту мутности 0,5 МакФарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов диско-диффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 час.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода. При этом установили отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из материала с термомеханической памятью формы на основе интерметаллида никелида титана образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E. Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия на основе углерода для стента коронарных сосудов сердца. Предложенное антиадгезивное, биосовместимое и бактериостатичное покрытие обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента.