Технологическая установка для нанесения наноуглеродных покрытий на поверхности медицинских изделий или их частей, обладающих антибактериальными и биосовместимыми свойствами
PROCESSING UNIT FOR APPLYING NANOCARBON COATINGS ON SURFACES OF MEDICAL DEVICES OR PARTS THEREOF HAVING ANTIBACTERIAL AND BIOCOMPATIBLE PROPERTIES

Область техники
Настоящее изобретение относится к медицине и медицинской технике, а именно к технологии нанесения биосовместимого покрытия на основе углерода или углерода и серебра на медицинские имплантируемые устройства, размещаемые внутри тела пациента.
Уровень техники
Создание новых биосовместимых материалов, обладающих антибактериальными свойствами, способов их получения и нанесение на поверхности различных имплантатов является актуальной задачей. Благодаря использованию таких покрытий происходит снижение плотности и предотвращение образования биопленки, что представляет собой профилактику развития инфекционных осложнений. Известно, что частота осложнений (вторичных инфекций) при применении медицинских изделий (ортопедические имплантаты, катетеры) связанных с формированием биопленок, доходит до 10-20% случаев. Известны способы и материалы, в той или иной степени решающие эту задачу.
Хорошо известным примером твердых неорганических материалов для покрытия имплантатов является углерод. Известны различные способы получения углеродных покрытий, которые относятся к покрытиям, имеющим высокую биологическую совместимость и бактериостатичность и т.д. (например, RU2651837, RU2651836).
Еще одним известным примером твердых неорганических бактерицидных покрытий, давно и широко используемых на практике, являются соединения, содержащие серебро. Серебро непосредственно влияет на бактерии, подавляя их рост. Известно, что ионы серебра ингибируют рост бактерий и других микроорганизмов. Кроме того, известны покрытия для имплантатов на основе углерода и серебра (например, RU2632702), а также покрытия содержащие антибактериальные препараты.
Однако существующие покрытия и способы их нанесения характеризуются рядом недостатков и ограничений, как следствие разработка новых способов нанесения покрытий на имплантаты является актуальной задачей. В частности, покрытия содержащие антибиотики и ионы серебра расходуют антибактериальное вещество со временем, что ограничивает их использование в имплантах, устанавливаемых на длительный срок. Развитие методов нанесения длительно существующих покрытий на импланты поможет перейти к решению важнейших теоретических и практических задач в области медицинских имплантируемых устройств.
Раскрытие изобретения
Задачей данного изобретения является разработка нового эффективного способа нанесения покрытия на медицинские изделия или их части, в частности на имплантат, на основе углерода или углерода и серебра, а также создание медицинского изделия, в частности импланта, с устойчивым биосовместимым и антибактериальным покрытием.
Техническим результатом данного изобретения является разработка нового и эффективного способа нанесения равномерного покрытия на медицинские изделия или их части, который позволяет получить антибактериальное покрытие, препятствующее образованию бактериальных биопленок. В частности, техническим результатом данного изобретения является разработка способа нанесение покрытия на имплантат, обладающего высокой биосовместимостью и препятствующего образованию бактериальной биопленки на поверхности покрытия. Кроме того, медицинское изделие, в частности имплантат, на поверхность которого нанесено покрытие согласно способу по изобретению, может быть установлено субъекту на длительный срок без потери свойств, в частности способности препятствовать образованию бактериальной биопленки, со временем.
Указанный технический результат достигается посредством осуществления способа нанесения наноуглеродного покрытия на поверхность медицинского изделия, включающий следующие этапы:
-5
-6
-4
-3
- очищение поверхности медицинского изделия путем ионного травления в герметичной вакуумной технологической камере, где осуществляют вакуумирование до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10Торр, заполняют камеру аргоном до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр и осуществляют ионное травление поверхности медицинского изделия ионами аргона с энергией 0,5 - 3,0 кэВ в течение 5 - 10 минут;
-5
-6
- вакуумирование до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10Торр;
- заполнение вакуумной технологической камеры смесью газов кислорода и азота;
- нанесение на поверхность медицинского изделия наноуглеродного покрытия импульсно-плазменным дуговым распылением графитового катода при длительности импульса 0,1 - 1,0 мсек и частоте их следования 0,1 - 30 Гц.
В частных вариантах воплощения изобретения соотношение газов кислорода и азота в смеси составляет (1:10): (1:10).
-3
-3
В частных вариантах воплощения изобретения заполнение вакуумной технологической камеры смесью газов кислорода и азота осуществляется при остаточно давлении 1⋅10 - 5⋅10Торр.
В частных вариантах воплощения изобретения наноуглеродное покрытие представляет собой аморфный алмазоподобный углерод или тетраэдрический алмаз типа ta-С.
В частных вариантах воплощения изобретения катод представляет собой катод марки МПГ-6, МПГ-7, АРВ или ВЧ.
В частных вариантах воплощения изобретения за один импульс разряда импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы наносят слой толщиной 5 - 50 ангстрем при напряжении разряда 100 - 900 В.
2
3
В частных вариантах воплощения изобретения наноуглеродное покрытие имеет соотношение sp/sp фаз гибридизированного углерода менее 1.
В частных вариантах воплощения изобретения наноуглеродное покрытие имеет содержание кислорода от 4 - 30 %.
В частных вариантах воплощения изобретения наноуглеродное покрытие имеет содержание азота от 3 - 20%.
В частных вариантах воплощения изобретения медицинское изделие представляет собой имплантат.
В частных вариантах воплощения изобретения имплантат представляет собой эндопротез крупных или мелких суставов.
В частных вариантах воплощения изобретения медицинское изделие представляет собой металлическое, полимерное или текстильное медицинское изделие.
Указанный технический результат также достигается посредством осуществления способа нанесения наноуглеродного покрытия с наночастицами серебра на медицинское изделие или его часть, включающий следующие этапы:
-5
-6
-4
-3
- очищение поверхности медицинского изделия путем ионного травления в герметичной вакуумной технологической камере, где осуществляют вакуумирование до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10Торр, заполняют камеру аргоном до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр и осуществляют ионное травление поверхности медицинского изделия ионами аргона с энергией 0,5 - 3,0 кэВ в течение 5 - 10 минут;
-4
-3
- вакуумирование до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр;
- нанесение на поверхность медицинского изделия наноуглеродного покрытия с частицами серебра ионно-ассистированным импульсно-плазменным распылением графитового катода с установленным в катод серебряным стержнем при длительности импульса 0,1 - 1,0 мсек и частоте их следования 0,1 - 30 Гц.
В частных вариантах воплощения изобретения серебряный стержень из высокочистотного серебра не менее 99.9 %.
В частных вариантах воплощения изобретения серебряный стержень занимает 1-30 % распыляемой площади катода.
В частных вариантах воплощения изобретения за один импульс разряда импульсно-плазменного источника углеродной плазмы наносят слой толщиной 5 - 50 ангстрем при напряжении разряда 100 - 900 В.
В частных вариантах воплощения изобретения дополнительная ионная стимуляция осуществляется с помощью ионного источника, расположенного под углом 45° относительно источника углеродной плазмы, и регулируется в диапазоне энергий ионов от 100 до 1000 эВ.
В частных вариантах воплощения изобретения размер серебряных наночастиц составляет от 30 до 1 нм.
В частных вариантах воплощения изобретения катод представляет собой катод марки МПГ-6, МПГ-7, АРВ или ВЧ.
В частных вариантах воплощения изобретения медицинское изделие представляет собой имплантат.
В частных вариантах воплощения изобретения имплантат представляет собой эндопротез крупных или мелких суставов.
В частных вариантах воплощения изобретения медицинское изделие представляет собой металлическое, полимерное или текстильное медицинское изделие.
Подробное раскрытие изобретения
Определение и термины
Различные термины, относящиеся к объектам настоящего изобретения, используются выше и также в описании и в формуле изобретения. Если иное не оговаривается, все технические и научные термины, используемые в данной заявке, имеют то же самое значение, которое понятно для специалистов в данной области. Ссылки на методики, используемые при описании данного изобретения, относятся к хорошо известным методам, включая изменения этих методов и замену их эквивалентными методами, известными специалистам.
включает
включающий
В описании данного изобретения термины «» и «» интерпретируются как означающие «включает, помимо всего прочего». Указанные термины не предназначены для того, чтобы их истолковывали как «состоит только из».
медицинское изделие
Под термином «» в настоящем документе понимаются любые инструменты, аппараты, приборы, оборудование, материалы и прочие изделия, применяемые в медицинских целях отдельно или в сочетании между собой, а также вместе с другими принадлежностями, необходимыми для применения указанных изделий по назначению, включая специальное программное обеспечение, и предназначенные производителем для профилактики, диагностики, лечения и медицинской реабилитации заболеваний, мониторинга состояния организма человека, проведения медицинских исследований, восстановления, замещения, изменения анатомической структуры или физиологических функций организма, предотвращения или прерывания беременности, функциональное назначение которых не реализуется путем фармакологического, иммунологического, генетического или метаболического воздействия на организм человека. Не ограничивающими примерами медицинского изделия по изобретению является имплантат эндопротезов крупных или мелких суставов, например имплантаты эндопротезов плечевого, локтевого, лучезапястного суставов, суставов стопы, ножка тазобедренного сустава. В частных вариантах воплощения изобретения медицинское изделие представляет собой металлическое, полимерное или текстильное медицинское изделие.
Осуществление изобретения
Возможность объективного достижения технического результата при осуществлении изобретения подтверждена достоверными данными, приведенными в примерах, содержащих сведения экспериментального характера. Следует понимать, что эти и все приведенные в материалах заявки примеры не являются ограничивающими и приведены только для иллюстрации настоящего изобретения.
-5
-6
-4
-3
Покрытие способом по изобретению может быть нанесено на разные виды медицинских изделий или их части, в том числе на изделия, выполненные из различных материалов. Покрытие по изобретению получают следующим образом. Поверхность медицинского изделия (в частности, имплантат или его часть), в частности металлического, подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере. При этом медицинское изделие или его часть размещают в камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10Торр, заполняют камеру аргоном и вакуумируют до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр. Ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,5 - 3,0 кэВ в течение 5 - 10 минут. Во время процесса ионной очистки поверхности может осуществляться планетарное вращение держателя медицинского изделия.
-3
-3
2
3
Затем в заполненной смесью газов азота и кислорода и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10 - 5⋅10Торр камере на поверхность изделия наносят наноуглеродное покрытие в виде аморфного алмазоподобного углерода или тетраэдрического алмаза типа ta-С импульсно-плазменным дуговым распылением при длительности импульса 0,1 - 1,0 мсек и частоте их следования 0,1 - 30 Гц. При этом в качестве материала источника атомов углерода при импульсно-плазменном распылении используют графит, в частности, марки МПГ-6, МПГ-7, АРВ или ВЧ. За один импульс разряда импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы наносят слой толщиной 5 - 50 ангстрем при напряжении разряда 100 - 900 В. При этом соотношение sp/sp фаз гибридизированного углерода по данным РФЭС (рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия) составляет значение меньше 1. Содержание кислорода при этом в наноуглеродных пленках (покрытии) составляет от 4 - 30 %, а азота от 3 - 20 %. Указанный способ позволяет получить равномерное покрытие на поверхности изделия в виде углеродной пленки, а также приводит к блокированию инжекции ионов металла изделия сквозь покрытие в среду организма (в случае же поликристаллических покрытий - возможна диффузия ионов металла вдоль границ нанокристаллов), отсутствию механических напряжений в самом покрытии (что в случае поликристаллических покрытий, со временем, приводит к их отшелушиванию). Наличие кислорода и азота создает функциональные группы на поверхности и в объеме покрытия (пленки), приводящие к снижению бактериального роста.Во время процесса нанесения наноуглеродного покрытия осуществляется планетарное вращение держателя медицинского изделия.
-5
-6
-4
-3
Другой вариант осуществления способа по изобретению следующий. Поверхность медицинского изделия или его части(в частности, имплантат или его часть), в частности металлического, подвергают очистке методом ионного травления в герметичной технологической вакуумной камере. При этом изделие медицинского назначения размещают в камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9⋅10 - 1⋅10Торр, заполняют камеру аргоном и вакуумируют до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр. Ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,5 - 3,0 кэВ в течение 5 - 10 минут. Во время процесса ионной очистки поверхности может осуществятся планетарное вращение держателя медицинского изделия.
-4
-3
Затем в заполненной газом аргоном технологической камере и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10 - 3⋅10Торр на поверхность изделия наносят наноуглеродное покрытие с серебряными наночастицами, включенными в матрицу из аморфного алмазоподобного углерода или тетраэдрического алмаза типа ta-С ионно-стимулированным импульсно-плазменным распылением композитного углеродного катода, при длительности импульса 0,1 - 1,0 мсек и частоте их следования 0,1 - 30 Гц. При этом в качестве материала источника атомов при ионно-стимулированном импульсно-плазменном распылении используют графит, в частности, марки МПГ-6, МПГ-7, АРВ или ВЧ, с включенным в него серебряным стержнем с чистотой не ниже 99,9 % и с занимаемой площадью в центре катода от 1 - 30 %. За один импульс разряда импульсно-плазменного источника углерод-серебряной плазмы наносят слой толщиной 5 - 50 ангстрем при напряжении разряда 100 - 900 В. Дополнительная ионная стимуляция осуществляется с помощью ионного источника, расположенного под углом 45° относительно источника углеродной плазмы, и регулируется в диапазоне энергий ионов от 100 до 1000 эВ. При этом размер серебряных наночастиц меняется от 30 до 1 нм. Во время процесса нанесения наноуглеродного покрытия с серебряными частицами может осуществляться планетарное вращение держателя медицинского изделия.
Пример 1
На три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления имплантатов широкого профиля титана марки ВТ - 16 толщиной 1,0 мм, нанесли способом согласно изобретению антибактериальное, биосовместимое наноуглеродное покрытие.
-5
-4
Поверхность трех плоских образцов из титана марки ВТ- 16 очистили методом ионного травления в технологической вакуумной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 9⋅10Торр, заполнили камеру аргоном до остаточного давления 8⋅10Торр. Ионное травление осуществляли ионами аргона с энергией 1,0 кэВ в течение 5 минут.
-3
Процесс нанесения антибактериального биосовместимого покрытия продолжили в заполненной смесью газов азота и кислорода в соотношении 2/3 и вакуумированной до остаточного давления 2⋅10Торр камере. На очищенную поверхность трех образцов из титана марки ВТ- 16 нанесли импульсно-плазменным распылением с графитового катода наноуглеродное антибактериальное биосовместимое покрытие углерода в виде аморфного алмаза. Причем использовали импульсно-плазменный источник углеродной плазмы из графита марки АРВ при длительности импульса 0,8 мсек и частоте их следования 3 Гц. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 1000 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 10 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного источника углеродной плазмы с напряжением разряда 400 В.
Пример 2
На три образца, выполненных из используемого для изготовления полипропиленового сетчатого эндопротеза материала, нанесли способом согласно изобретению антибактериальное, биосовместимое покрытие.
-5
-3
Поверхность трех сетчатых образцов из полипропилена очистили методом ионного травления в герметичной вакуумной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 9⋅10Торр, после, осуществили напуск в рабочую камеру газ аргон до остаточного давления 1⋅10Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 1,5 кэВ в течение 8 минут. При этом, во время очистки поверхности, осуществляли вращение трех образцов вокруг оси с частотой 1 Гц.
-3
Процесс нанесения антибактериального биосовместимого покрытия продолжили в заполненной смесью газов азота и кислорода в соотношении 2/3 и вакуумированной до остаточного давления 1⋅10Торр камере. На очищенную поверхность трех сетчатых образцов из полипропилена нанесли методом импульсно-плазменным распылением с графитового катода антибактериальное биосовместимое покрытие углерода в виде аморфного алмаза. Причем использовали импульсно-плазменный источник углеродной плазмы из графита марки МПГ-7 при длительности импульса 0,5мсек и частоте их следования 1 Гц. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 500 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 5 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного источника углеродной плазмы с напряжением разряда 300 В.
Пример 3
На три плоских образца, выполненных из используемой для изготовления имплантатов широкого профиля нержавеющей стали медицинского назначения толщиной 0,8 мм, нанесли способом согласно изобретению антибактериальное, биосовместимое покрытие.
-6
-4
Поверхность трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения предварительно очистили методом ионного травления в герметичной вакуумной камере, которую сначала вакуумировали до остаточного давления 5⋅10Торр, затем заполнили камеру газом аргоном до остаточного давления 3⋅10Торр. Ионное травление выполнили ионами аргона с энергией 2 кэВ в течение 5 минут.
-4
Процесс нанесения антибактериального, биосовместимого покрытия продолжили в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 5⋅10Торр камере. На очищенную поверхность трех плоских образцов из нержавеющей стали медицинского назначения нанесли методом ионно-стимулированногоимпульсно-плазменногораспыления с графитового катода антибактериальное, биосовместимое наноуглеродноепокрытие в виде тетраэдрического алмаза типа ta-Ссвключенными в его матрицу серебряными наночастицами со средним размером порядка 5 нм, при этом длительность импульса разряда составляла 0.8 мсек, частота следования импульсов - 2 Гц, а энергия ионного ассистирования составляла 200 эВ. Причем использовали импульсно-плазменный источник углеродной плазмы из графита марки МПГ-7 с включенным в него серебряным стержнем с чистотой 99,9 % с занимаемой площадью в центре катода от 10 %. При этом нанесли покрытие углерода толщиной 1000 ангстрем при нанесении слоя покрытия толщиной 5 ангстрем за один импульс импульсно-плазменного дугового источника углеродной плазмы с напряжением разряда 200 В.
Для биомедицинских материалов наиболее важной является проблема биологической совместимости, которая охватывает как влияние биологической среды на материал, так и воздействие материала на окружающие ткани.
В этой связи материал не должен:
а) вызывать нежелательные, клинически проявляющиеся изменения в органах и тканях организма;
б) подвергаться значительным механическим или химическим изменениям за время имплантации;
в) подвергаться разрушению, при котором продукты износа, внедряясь в окружающие ткани, могут вызывать местные или общие изменения.
Какова бы ни была функция медицинского изделия, в частности имплантата, и необходимая длительность его функционирования, желательно, чтобы его характеристики оставались стабильными в течение всего периода пребывания в организме, т.е. любое относительное движение между имплантатом и окружающими тканями, исключая движения, необходимые для выполнения предназначенных ему функций, должно быть исключено.
Оценка цитотоксичности и образования биопленок
invitro
S. aureus
Экспериментальные исследования проведены на базе лабораторий ЦИТО имени А. М. Приорова, ОП «ЦПИ» АНО «ИМБИИТ» и ООО «Национальная биотехнологическая компания» заявляемого способа нанесения антибактериального, биосовместимого наноуглеродного покрытия на металлические изделия медицинского назначения. Способ нанесения антибактериального, биосовместимого наноуглеродного покрытия на металлические изделия медицинского назначения в ходе исследований показал, что покрытие, полученное способом по изобретению, не обладает цитотоксичностью в тесте цитотоксичности  методом непосредственного контакта с использованием витального красителя, а также снижает плотность бактериальной биопленки  используемого в эксперименте.
Методика проведения исследований цитотоксичности
2
2
in vitro
В асептических условиях клетки (фибробласты мыши линии L929) высевали в культуральные плоскодонные 6-луночные планшеты, инкубировали в течение (24 ± 2) ч при температуре 37°С, во влажной атмосфере, содержащей (5 ± 1) % СО до образования примерно (80 ± 10) % монослоя, затем изделие целиком помещали непосредственно на слой клеток. Через (24 ± 2) ч инкубации при температуре 37°С, во влажной атмосфере, содержащей (5 ± 1) % СО, оценивали морфологию и лизис клеток под и вокруг образца. В ходе работы показано, что покрытия, нанесенные способом по изобретению, не обладают цитотоксичностью в исследовании в отношении клеточной культуры мышиных фибробластов. Покрытия могут использоваться в контакте с тканями организма.
Методика проведения исследованийобразования биопленки
7
Предварительно стерилизованные в спирте опытные образцы с наноуглеродным покрытием, полученным способ по изобретению, и образцы без покрытия помещали в различные пробирки с суспензией стафилококков с концентрацией 10 КОЕ/мл в жидкой питательной среде. Пробирки вместе с образцами, покрытыми суспензией золотистого стафилококка, помещали в инкубатор стационарный без перемешивания на 24 часа при температуре 37°С.
Далее осуществлялось снятие биопленки с опытных образцов с помощью ультразвуковой обработки и ее количественный анализ микробиологическими методами. Делали посев на поверхность чашки Петри с твердой питательной средой для подсчета колоний (количество стафилококков биопленки, снятых с поверхности диска). Чашки Петри с посевами помещали в инкубатор на 48 часов при температуре 37°С. Через 48 часов проводили подсчет выросших колоний на чашках Петри в расчете на 1 мл жидкости, в которой производилась ультразвуковая обработка образца. После ультразвуковой обработки образцы из пробирок доставали, фиксировали и окрашивали для контроля полноты удаления биопленки.
При исследовании влияния покрытия, полученного способом по изобретению, на образование биопленки на поверхности этого покрытия продемонстрировали существенное снижение бактериальной концентрации в биопленке (в несколько раз).
Несмотря на то, что изобретение описано со ссылкой на раскрываемые варианты воплощения, для специалистов в данной области должно быть очевидно, что конкретные подробно описанные эксперименты приведены лишь в целях иллюстрирования настоящего изобретения и их не следует рассматривать как каким-либо образом ограничивающие объем изобретения. Должно быть понятно, что возможно осуществление различных модификаций без отступления от сути настоящего изобретения.