Способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали
METHOD FOR ANTI-ADHESIVE ANTIBACTERIAL COATING APPLICATION ON ORTHOPEDIC IMPLANTS FROM TITANIUM AND STAINLESS STEEL

Изобретение относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, к способу нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали, в том числе внутрикостные, имплантаты тазобедренных, локтевых, плечевых, коленных суставов, а также элементы крепления позвоночника и костей скелета пациента, и может быть использовано при хирургическом лечении пациентов в условиях травматолого-ортопедических, хирургических и других стационаров.
Известен способ изготовления внутрикостного имплантата с ионно-лучевой модификацией, включающий нанесение покрытия на предварительно обработанную поверхность металлического имплантата (см. патент РФ №2530568, МПК А61L 27/02, 10.10.2014 г.).
Однако известный способ при своем использовании обладает следующими недостатками:
- не обеспечивает высокие антиадгезивные свойства подготовленного к применению металлического ортопедического имплантата,
- не препятствует образованию бактериальной биопленки на поверхности металлического ортопедического имплантата,
- не обеспечивает высокие антибактериальные свойства подготовленного к применению металлического ортопедического имплантата,
- не обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента,
- не обеспечивает надежную защиту поверхности имплантированного металлического ортопедического имплантата от возникновения процессов перипротезной инфекции.
Задачей изобретения является создание способа нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали.
Техническим результатом является надежное обеспечение высоких антиадгезивных свойств подготовленного к применению металлического ортопедического имплантата, надежное препятствие образованию бактериальной биопленки на поверхности металлического ортопедического имплантата, обеспечение высоких антибактериальных свойств подготовленного к применению металлического ортопедического имплантата, надежное обеспечение высокой биосовместимости в различных физиологических средах организма пациента, а также обеспечение надежной защиты поверхности имплантированного металлического ортопедического имплантата от возникновения процессов перипротезной инфекции.
-5
-6
-4
-3
-4
-3
Технический результат достигается тем, что предложен способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали, включающий нанесение покрытия на предварительно обработанную поверхность металлического имплантата, при этом поверхность металлических имплантатов из титана и из нержавеющей стали подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10 Торр, с последующим заполнением камеры аргоном и вакуумированием камеры до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр, а ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 минут, затем на поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали наносят дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C, причем используют магнетронный источник углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, источник атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ, а процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжают в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр камере, при этом наносят на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм. При этом в качестве магнетронного источника атомов углерода при дуальном распылении с двух магнетронных источников используют графит марки МПГ-7, АРВ или ВЧ.
-5
-6
-4
-3
Способ осуществляют следующим образом. Поверхность металлических имплантатов из титана и из нержавеющей стали подвергают очистке методом ионного травления. При этом металлический имплантат размещают в герметичной камере, которую затем вакуумируют до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10 Торр, заполняют камеру аргоном и вакуумируют до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр. Ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 минут.
-4
-3
Затем на очищенную поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали наносят дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем используют магнетронный источник углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ. Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжают в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр камере. При этом наносят на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм. При этом в качестве магнетронного источника атомов углерода при дуальном распылении с двух магнетронных источников используют графит марки МПГ-7, АРВ или ВЧ.
Среди существенных признаков, характеризующих предложенный способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали, отличительными являются:
-5
-6
-4
-3
- выполнение очистки поверхности металлических имплантатов из титана и из нержавеющей стали методом ионного травления в герметичной камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10 Торр, с последующим заполнением камеры аргоном и вакуумированием камеры до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр,
- выполнение ионного травления ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 минут,
- нанесение на поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивного антибактериального покрытия в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C, причем использование магнетронного источника углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, источника атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионного источника стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ,
-4
-3
- продолжение процесса нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10 - 1⋅10 Торр камере,
- нанесение на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентного антиадгезивного антибактериального биосовместимого нанопокрытия толщиной от 9 до 1180 нм, содержащего наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм,
- использование в качестве магнетронного источника атомов углерода при дуальном распылении с двух магнетронных источников графита марки МПГ-7, АРВ или ВЧ.
Реализация предложенного способа нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали иллюстрируется следующими практическими примерами.
Пример 1. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления ортопедических имплантатов титана марки ВТ-6, нанесли предложенным способом антиадгезивное антибактериальное покрытие.
-6
-4
Поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-6 очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 4⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 1,75 кэВ в течение 4 минут.
Затем на очищенную поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-6 нанесли дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали магнетронный источник углеродной плазмы из графита марки МПГ-7 с мощностью 108 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 18 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона 0,1 кэВ.
-4
Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4⋅10 Торр камере. При этом нанесли на металлическую поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-6 двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной 870 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 1,2 нм.
7
Затем на поверхность антиадгезивного антибактериального покрытия каждого плоского образца из титана марки ВТ-6 в лаборатории ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» 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 Мак Фарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов дискодиффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 ч.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из титана марки ВТ-6 образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из титана марки ВТ-6.
Пример 2. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления ортопедических имплантатов титана марки ВТ-16, нанесли предложенным способом антиадгезивное антибактериальное покрытие.
-5
-3
Поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-16 очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 9⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 0,7 кэВ в течение 8 минут.
Затем на очищенную поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-16 нанесли дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали магнетронный источник углеродной плазмы из графита марки ВЧ с мощностью 95 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона 1,0 кэВ.
-3
Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10 Торр камере. При этом нанесли на металлическую поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ-16 двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной 460 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 7,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4 нм.
7
Затем на поверхность антиадгезивного антибактериального покрытия каждого плоского образца из титана марки ВТ-16 в лаборатории ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» 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 MRS A, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa, в концентрациях, содержащих 10 клеток каждой тест-культуры, соответствующей стандарту мутности 0,5 Мак Фарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов дискодиффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 ч.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из титана марки ВТ-16 образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRS A, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из титана марки ВТ-16.
Пример 3. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления ортопедических имплантатов титана марки ВТ1-0, нанесли предложенным способом антиадгезивное антибактериальное покрытие.
-6
-4
Поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-0 очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 6⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 3,0 кэВ в течение 4 минут.
Затем на очищенную поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-0 нанесли дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали магнетронный источник углеродной плазмы из графита марки АРВ с мощностью 102 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 2 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона 1,5 кэВ.
-3
Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 5⋅10 Торр камере. При этом нанесли на металлическую поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-0 двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 1,0 нм.
7
Затем на поверхность антиадгезивного антибактериального покрытия каждого плоского образца из титана марки ВТ1-0 в лаборатории ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» 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 Мак Фарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов дискодиффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 ч.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из титана марки ВТ1-0 образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из титана марки ВТ1-0.
Пример 4. На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления ортопедических имплантатов титана марки ВТ1-00, нанесли предложенным способом антиадгезивное антибактериальное покрытие.
-5
-4
Поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-00 очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 9⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 9⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 2,25 кэВ в течение 5 минут.
Затем на очищенную поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-00 нанесли дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали магнетронный источник углеродной плазмы из графита марки МПГ-7 с мощностью 98 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 10 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,9 кэВ.
-4
Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 9⋅10 Торр камере. При этом нанесли на металлическую поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ1-00 двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной 145 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 6,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,8 нм.
7
Затем на поверхность антиадгезивного антибактериального покрытия каждого плоского образца из титана марки ВТ1-00 в лаборатории ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» 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 MRS A, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa, в концентрациях, содержащих 10 клеток каждой тест-культуры, соответствующей стандарту мутности 0,5 Мак Фарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов дискодиффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 ч.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из титана марки ВТ1-00 образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRS A, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из титана марки ВТ1-00.
Пример 5. На три плоских образца, выполненных из используемой для изготовления ортопедических имплантатов нержавеющей стали медицинского назначения, нанесли предложенным способом антиадгезивное антибактериальное покрытие.
-6
-3
Поверхность трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения очистили методом ионного травления в герметичной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 1⋅10 Торр, заполнили камеру аргоном и вакуумировали до остаточного давления 8⋅10 Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 1,25 кэВ в течение 7 минут.
Затем на очищенную поверхность трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения нанесли дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C. Причем использовали магнетронный источник углеродной плазмы из графита марки ВЧ с мощностью 103 Вт, магнетронный источник атомов серебра с мощностью 14 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона 1,2 кэВ.
-3
Процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 8⋅10 Торр камере. При этом нанесли на металлическую поверхность трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной 9 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,6 нм.
7
Затем на поверхность антиадгезивного антибактериального покрытия каждого плоского образца из нержавеющей стали медицинского назначения в лаборатории ФГБУ «ЦИТО им. Н.Н. Приорова» 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 Мак Фарланд.
Нанесенные растворы каждой тест-культуры равномерно распределяли на поверхности одного образца, поверхность подсушили идентично способу определения антибиотикорезистентности микроорганизмов дискодиффузионным методом. Образцы инкубировали в термостате при температуре 36°С в течение 24 ч.
В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия каждого образца после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, E.Coli и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из нержавеющей стали медицинского назначения.