Титановый имплантат с поверхностью, модифицированной для усиления клеточной адгезии, и способ его изготовления
TITANIUM IMPLANT WITH A SURFACE MODIFIED TO ENHANCE CELL ADHESION AND THE METHOD FOR ITS MANUFACTURE

Изобретение относится к медицине и ветеринарии, а именно, к ортопедии, челюстно-лицевой хирургии, ортодонтии и травматологии. Также может быть использовано при остеореконструкции для замещения дефектов костной ткани, разрушенной вследствие развития опухоли.
Титан и его сплавы широко используются в медицинских имплантатах, таких как эндопротезы для искусственных суставов, устройства для фиксации переломов и зубные имплантаты из-за их высокой твердости и превосходной биосовместимости. Однако известно, что титан слабо стимулирует адгезию и пролиферацию стромальных остеогенных клеток, что ингибирует его остеоинтеграцию и может привести к остеолизу с последующим повторным переломом. Известны различные методы изменения топографии границы раздела имплантат/кость для улучшения внутрикостной интеграции имплантата. Эти методы включают плазменное напыление и электрохимическое анодирование поверхности сопряжения имплантат/кость.
Известно изобретение, описывающее биоимплант на основе металла, керамики или пластика с термически нанесенной пленкой из фосфата кальция с серебром (0,02 до 3,00 мас.%.) [US 20130138223 A1]. Известно изобретение, описывающее остеоиндуктивный металлический имплантат, имеющее слой из оксида металла и слой из биоактивного материала на поверхности [US 20150209480 A1]. Известно предложение удалять слой естественного оксида с поверхности устройств из титана и выполнять дальнейшую обработку поверхности в отсутствие непрореагировавшего кислорода [US 7857987 B2].
Проблемы, связанные с плазменным напылением и электрохимическим анодированием, включают образование границы раздела имплантат/кость с низкой усталостной прочностью, которая демонстрирует плохую адгезию к имплантату и разлагается, расслаивается или трескается во время длительной имплантации.
Известно изобретение, которые относится к биоактивным поверхностным покрытиям, нанесенным на выбранные подложки, и предполагает модификацию поверхности для усиления ее адгезионных свойств. Для улучшения адгезии тканей и клеток предлагается использовать поверхностные наноструктурированные пленочные покрытия, нанесенные на металлические или неметаллические подложки [US 20170112962 A1].
Кроме того, было предложено дополнять наносимые покрытия биоактивными соединениями для усиления адгезионных и цитоиндуктивных свойств. Например, предложено использовать имплантат, который включает титан и имеет одну или несколько поверхностей, которые стимулируют рост кости за счет образования в оксидном слое депо для веществ, инициирующих рост костей, типа рекомбинантных белков семейства BMP [US 8349009 B2]. Известен имплантат из костной ткани, поверхность которого покрыта оксидным слоем, содержащим ионы стронция для локальной стимуляции остеогенеза [US 9744263 B2]. Однако такой подход чреват развитием негативных побочных эффектов со стороны иммунной системы, ведущих к активации аллергических реакций, а также реакций отторжения чужеродных белков.
Обычно используемый метод улучшения прорастания тканей в ортопедические имплантаты это модификация поверхности имплантата абразивными частицами. Этот метод обеспечивает рельеф поверхности микронного размера за счет нанесения абразивных частиц на поверхность имплантата. Известен способ изготовления титанового имплантата, когда на металлическую титановую основу имплантата наносят биологически инертное покрытие, имеющее сложный рельеф. Например, было предложено наносить поверхностный слой методом распыления наноструктурированного чистого титана, что обеспечивает получение на имплантатах биосовместимого покрытия из чистого титана, имеющего микро- и нанорельефную поверхность, а также способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции [RU 2679604 C1]. Было показано, что такие шероховатые поверхности способствуют адгезии клеток и, следовательно, улучшают физическое соединение между имплантатом и костью. Кроме того, увеличение площади шероховатой поверхности означает, что большее количество клеток может прилипнуть к границе раздела имплантат/кость, что улучшает физическую связь между имплантатом и костью.
Прототипом заявляемого изобретения является применение модифицированных металлических материалов для имплантации и/или замены кости, а также способ модификации поверхностных свойств металлических субстратов для усиления клеточной адгезии (интеграции ткани) и обеспечения антимикробных свойств [US 9777381 B2]. Некоторые варианты реализации этого изобретения включают поверхностные покрытия для металлических имплантатов, таких как материалы на основе титана (чистый титан, сплав Ti-Al-Nb или оксид титана), с использованием методов электрохимической обработки, окисления, лазерной обработки, механической обработки и/или пескоструйной обработки, или любой их комбинации. После физического формирования первичного слоя рекомендовано проводить химическую обработку для вторичной модификации поверхности. Этап химической обработки физически сформированного первичного слоя включает этап погружения подложки в щелочной раствор при температуре примерно от 30 до 90°С. Титан или титановый сплав реагирует с щелочным раствором с образованием на поверхности титаната. Этот метод обработки поверхности предложено применять в качестве средства повторной обработки поверхности металлических устройств, таких как тазобедренные, коленные и спинномозговые имплантаты, а также винтов, штифтов и пластин. Обработанный таким образом поверхностный слой имплантата имеет шероховатую, неровную структуру поверхности, а именно - пики, впадины, ямки и борозды, увеличивающие область поверхности изделия, доступную для прикрепления клеток. Указано, в частности, что применение подобного подхода позволяет получить рельеф поверхности, характеризуемый развитием подпорок, волокон или фибрилл. Было установлено, что 80% фибрилл имеют диаметр в диапазоне от 5 до 12 нанометров. Длина фибрилл составляет от 200 до 300 нанометров. Может быть получен вариант рельефа поверхности, отличающийся наличием фибрилл шириной от 2 до 20 нм и длиной 200-300 нм.
Недостатки данного подхода:
1) использование метода струйной очистки абразивными частицами может вызвать неоднородность химического состава поверхности из-за присутствия абразивных частиц, включенных в поверхность имплантата; загрязнение поверхности имплантата отрицательно сказывается на качестве контакта между имплантатом и костью. Кроме того, абразивные частицы могут отделяться от поверхности имплантата, что приводит к повышенному износу кости, имплантатов и мест имплантации. Абразивные частицы, внедренные в основу материала, при отделении от поверхности имплантата, могут вызывать локальный тремор, подвижность имплантата относительно места имплантации и нарушение нарастания ткани на поверхность имплантата. Известно, что до 40% поверхности имплантатов, подвергнутых пескоструйной очистке, может быть загрязнено абразивными частицами, которые могут вызвать проблемы на границе раздела имплантат/кость, снижение биосовместимости имплантата и воспаление рядом с имплантатом;
2) изобретение не содержит точной информации о размерных характеристиках микрорельефа изделия, что не позволяет прогнозировать селективность адгезионных свойств конечного изделия относительно клеток различных типов;
3) отсутствие информации о точных размерах микро- и нанорельефа готового изделия не позволяет обеспечивать воспроизводимость эффективности клеточной адгезии у изделий различных партий;
4) рельеф поверхности, характеризуемый широким диапазоном величин, не способен обеспечить селективность биоактивных свойств готового изделия, стимулируя адгезию не только остеогенных стромальных клеток, но и опухолевых клеток, а также микроорганизмов;
5) снижение коррозионной стойкости титанового сплава после обработки щелочью опосредует сокращение периода эффективной эксплуатации изделия.
Задачей изобретения является создание имплантата для остеореконструктивных операций, способного выполнять опорную и каркасную функцию, обеспечивая полноценное восполнение механических свойств реконструированной кости, и обладающего высокими остеоинтегральными свойствами за счет поверхностной стимуляции адгезии остеогенных клеток.
Задача решается тем, что создан титановый имплантат с поверхностью, модифицированной для усиления клеточной адгезии, характеризующийся однородным составом основы, представленной коррозионностойким сплавом Ti-4%Fe, с поверхностью, обработанной шлифованием, для образования микрорельефа, представленного параллельно расположенными бороздами, с расстоянием между бороздами и глубиной 10±2 мкм, что обеспечивает стимуляцию адгезии мультипотентных стромальных клеток (МСК), обладающих остеогенным потенциалом.
Получение образцов заявляемого изделия осуществляют следующим образом. В качестве основы изделия используют заготовку, изготовленную из сплава Ti-4%Fe методом, характеризуемым наличием ω-фазы, выплавленную в вакуумной левитационной установке и выпиленную с помощью электро-эрозионной резки. Затем поверхность изделия шлифуют с использованием ряда шлифовальных бумаг с последовательно уменьшающимся размером зерна на вращающемся диске, а затем наносят микрорельеф однонаправленной шлифовкой без вращения с использованием абразивной бумаги №2000 с размером абразивных зерен 10 мкм.
Технический результат
Вследствие изготовления из сплава Ti-4%Fe, широко применяемого в клинической практике для остеореконструкции, изделие характеризуется микротвердостью, плотностью и модулем Юнга, эффективными для замещения дефектов костной ткани. При этом, за счет модификации поверхности в виде микрорельефа, представленного параллельно расположенными бороздами глубиной 10±2 мкм, изделие способно селективно стимулировать адгезию клеток с остеогенным потенциалом размером 13±3 мкм в суспензии и колонизацию ими поверхности имплантата, ингибируя адгезию микроорганизмов размером 2±1 мкм, что в перспективе способствует неоостеогенезу и ускоренной остеоинтеграции после имплантации.
Изобретение иллюстрируется фиг. 1-3.
На фиг. 1 - вид поверхности имплантата, полученной методом сканирующей электронной микроскопии.
На фиг. 2 - рельеф имплантата, изученный методом световой конфокальной микроскопии.
На фиг. 3 - мультипотентные стромальные клетки с остеогенным потенциалом, колонизировавшие поверхность изделия (окраска Live/Dead, Sigma-Aldrich, USA).
Изобретение иллюстрировано двумя примерами.
Пример №1. Исследование биоактивных свойств
Изготавливали заготовки изделий в виде дисков диаметром 1 см. Поверхность модифицировали, как описано выше. Микрорельеф характеризовался множественными бороздами глубиной и шириной 10 мкм, ориентированными параллельно друг другу. В качестве контроля использовали образцы с немодифицированной поверхностью. Часть образцов колонизировали мультипотентными стромальными клетками (МСК) и опухолевыми клетками рака молочной железы линии SKBR3, чьи размеры в ошаренном состоянии в суспензии соответствовали 13±3 мкм и 9±2 мкм, соответственно. Часть образцов колонизировали микроорганизмами S.aureus (размер одной бактерии в среднем соответствовал 2 мкм). Исследование адгезии и колонизации производили в одинаковых условиях при температуре 37°С в атмосфере 5% углекислого газа. Было установлено, что образцы с модифицированной поверхностью достоверно стимулировали адгезию и колонизацию поверхности МСК в сравнении с контролем (р<0,05), тогда как количество опухолевых и бактериальных клеток на поверхности было таким же или меньше.
Пример №2. Исследование механических свойств
Изготавливали заготовки изделий в виде дисков диаметром 1 см. Поверхность модифицировали, как описано выше. Микрорельеф характеризовался множественными бороздами глубиной и шириной 10 мкм, ориентированными параллельно друг другу. В качестве контроля использовали образцы аналогичной формы из сплава ВТ6, разрешенного для клинического применения. Проводили исследования микротвердости по Бринелю Н и модуля Юнга Е с помощью наноиндентирования индентором Берковица. Согласно полученным данным, образцы заявляемого изделия характеризовались следующими величинами Н=5 ГПа и Е=120 ГПа. Полученные значения близки к значениям означенного параметра сплава ВТ6, разрешенного для клинического применения в качестве основы металлоконструкций и имплантатов для остеореконструктивных операций (р>0,05). Следовательно, механические свойства изготовленных образцов отвечают требованиям, предъявляемым к материалам для остеореконструкции.
Пример №3
Изготавливали заготовки изделий в виде штифтов диаметром 2-3 мм, длиной 4 мм. Поверхность модифицировали, как описано в примере №1. Микрорельеф характеризовался множественными бороздами глубиной и шириной 10 мкм, ориентированными параллельно друг другу. У крыс линии Wistar формировали искусственный сегментарный дефект стенки и костномозгового канала большеберцовой кости в проксимальной области ее диафиза. У крыс опытной группы дефект замещали стерильным имплантатом, располагая его перпендикулярно оси реконструированной кости. В контрольной группе реконструкцию костного дефекта не проводили. Результат оценивали через 21 день. Было установлено, что все животные опытной группы демонстрировали полную опороспособность конечности с реконструированной костью, что по данным микрокомпьютерной томографии было обеспечено плотной внутрикостной фиксацией имплантата и полноценным остеосинтезом в области контакта его поверхности с костью. У животных контрольной группы наблюдалась хромота, укорочение оперированной конечности и рентгенологически были выявлены признаки перелома кости в дефектной области. Полученные результаты доказывают, что за счет своих прочностных свойств и адгезивной поверхности, стимулирующей быстрое приживление и фиксацию в области дефекта, заявляемый имплантат способен обеспечить эффективную остеореконструкцию и быстрое восстановление опороспособности поврежденной конечности.