Способ лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантанта связки коленного сустава
METHOD FOR LASER TREATMENT OF NANOCOMPOSITE COATING OF KNEE JOINT LIGAMENT IMPLANT

Изобретение относится к области лазерной медицины и, конкретно, к травматологии. Изобретение предназначено для лазерной обработки хирургических имплантатов, используемых при реконструкции связок и сухожилий.
Одной из распространенных хирургических операций на конечностях человека является реконструкция (восстановление) связки коленного сустава. Показаниями к такой операции могут служить нестабильность сустава, ведущая к мышечной атрофии, либо травматический разрыв связки, например, вследствие удара в область коленной чашечки или силового воздействия на голень.
Применяемые хирургические имплантаты связок коленного сустава достаточно разнообразны. Это могут быть искусственные вязанные или тканные бесшовные полимерные изделия трубочного или ленточного вида, аллотрансплантаты, взятые у животных или из банка тканей, а также аутотрансплантаты сухожилий или связок самого пациента со второстепенными функциями, изымаемые во время основной операции. Предварительная обработка покрытия имплантатов осуществляется с целью минимальной травматизации оперируемого коленного сустава, избегания отторжения имплантата и снижения риска инфекции после трансплантации [1, 2]. В процессе реконструкции связки имплантат должен быть максимально надежно зафиксирован в специально сформированных отверстиях бедра и большеберцовой кости (костных каналах), с созданием оптимальных условий для биологической самофиксации имплантата [3].
Известен способ закрепления имплантата связки коленного сустава в отверстиях берцовых костей человека или животного, с передачей энергии во вспомогательный затвердевающий плавкий материал, проникающий в костную ткань [4].
Недостатком такого способа закрепления имплантата связки коленного сустава является неполная физиологичность предлагаемого плавкого материала, что может иметь следствием разрушение или отторжение имплантата.
Известен способ заселения имплантата связки коленного сустава фибробластами, с пропитыванием имплантата вспомогательным веществом - коллагеном, волокна которого ориентируют вдоль продольной оси связки с целью ее заполнения живой соединительной тканью [5].
Существенным недостатком такого способа заселения имплантата связки коленного сустава является возможность возникновения аллергической реакции на использование коллагена в пропитке имплантата.
Наиболее близким техническим решением заявляемого способа лазерной обработки являются способ изготовления и применения искусственных связок суставов и сухожилий с использованием вспомогательных веществ - нановолокон, включающих графен, его производные и углеродные нанотрубки [6].
Недостаток такого способа изготовления и применения имплантатов связок заключается в отсутствии функциональной обработки применяемых углеродосодержащих материалов, которая только может придавать материалу имплантата связки остеиндуктивные свойства, определяющие устойчивую фиксацию имплантата в костном канале.
Все указанные способы технически просты и обеспечивают первичную фиксацию имплантата связки коленного сустава в костном канале. Для дальнейшего осуществления эффективного контакта имплантата с материалом костного канала, желательно, использовать остеоиндуктивные свойства имплатированного материала. Вместе с тем, возможности и вероятность надежной биологической самофиксации трансплантата связки коленного сустава в результате врастания соединительной ткани или кости в трансплантат со стороны стенок канала в вышеописанных способах остаются спорными.
Задача предлагаемого изобретения состоит в повышении надежности первичной и вторичной фиксации имплантата связки в костном канале и биологической совместимости материала имплантата с организмом пациента, что позволит обеспечить условия достижения улучшенных результатов при оперативном лечении повреждений связок коленного сустава.
Предложенная лазерная обработка нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава осуществляется путем нанесения на поверхность заготовки имплантата слоя вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, включающей белковую компоненту, в котором формируют нанокомпозитное покрытие имплантата связки коленного сустава путем водоиспаряющего воздействия лазерным излучением, направленным преимущественно по нормали к поверхности заготовки имплантата.
В слое водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок в процессе испарения водной компоненты происходит самоорганизация ансамбля нанотрубок под действием электрического поля направленного лазерного излучения. Сформированный при этом в слое на поверхности заготовки имплантата прочный нанотрубочный каркас представляет собой аналог естественной биологической матрицы, в которой могут обеспечиваться условия самоорганизации клеточного материала костного канала [7].
Тем самым создаются условия биологического сочленения создаваемого имплантата связки коленного сустава с поверхностью костного канала, при фиксации имплантата связки в костном канале.
Предлагаемая лазерная обработка нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава состоит из следующих стадий. Первая стадия обработки заключается в подготовке поверхности заготовки имплантата связки путем обезвоживания заготовки имплантата связки в 70% водном растворе этилового спирта в течение 30-60 мин, с целью удаления жиров и масел с поверхности заготовки имплантата, ее промывки в дистиллированной воде в течение 30-50 мин в ультразвуковой ванне, с целью устранения остаточных загрязнений, и сушки в сушильном шкафу в течение 60-80 мин.
В качестве заготовок имплантатов связки коленного сустава могут быть использованы бесшовные трубки или плоские ленты (связки лент) для пластики связок, изготовленные из полиэфирной ткани, в частности из полиэтилентерефталата.
Вторая стадия обработки предусматривает изготовление вспомогательного вещества, представляющего собой водную дисперсию белков и углеродных нанотрубок при следующем количественном соотношении компонент (в мас. %):
Белок
19-50
Углеродные нанотрубки
0,001-0,1
Вода
Остальное
Вспомогательное вещество изготавливают путем перемешивания углеродных нанотрубок в воде с использованием магнитной мешалки и ультразвуковой ванны (гомогенизатора) в течение 60-90 мин для осуществления равномерного объемного распределения углеродных нанотрубок. После этого к полученному составу добавляют белок. В качестве белка используют альбумин, в т.ч. бычий сывороточный альбумин. Полученный состав обрабатывают последовательно с использованием магнитной мешалки в течение 80-120 мин и далее с использованием ультразвуковой ванны (гомогенизатора) в течение 50-80 мин.
На третьей стадии обработки производят нанесение на поверхность заготовки имплантата связки коленного сустава со стадии 1 слоя вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок со стадии 2. С этой целью используют ультразвуковую ванну с резервуаром 2, заполненным водой, в которую помещают сосуд с водно-белковой дисперсией углеродных нанотрубок и заготовкой имплантата связки коленного сустава. Концентрация белковой компоненты в водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок может составлять от 20 до 50 мас. %, концентрация углеродных нанотрубок может составлять от 0,001 до 0,1 мас. %, вода - остальное. Мощность генератора ультразвука ультразвуковой ванны может составлять от 10 до 50 Вт. Температуру воды в сосуде, которая может составлять от 40 до 80°C, контролируют с помощью термометра. В процессе нанесения водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок на поверхность заготовки имплантата связки коленного сустава может осуществляться ее перемещение и(или) поворот (по необходимости). Для обеспечения равномерности распределения водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок по поверхности заготовки имплантата используют ультразвуковую ванну с мощностью генератора ультразвука от 10 до 50 Вт.
Заключительная четвертая стадия лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава предусматривает формирование нанокомпозитного покрытия в слое вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок на заготовке имплантата связки коленного сустава, полученного на 3 стадии обработки. Формирование слоя дисперсии углеродных нанотрубок производят с использованием источника лазерного излучения, луч которого направлен преимущественно по нормали к поверхности слоя дисперсии нанотрубок, нанесенного на заготовку имплантата связки коленного сустава. Заготовку имплантата связки с нанесенным на заготовку слоем дисперсии углеродных нанотрубок для этого размещают на стеллаже с регулированной высотой и пошаговым перемещением в направлении, перпендикулярном к лазерному лучу. Источник коллимированного лазерного излучения с пространственным профилем лазерного пучка π-образного вида размещают на штативе. Для лазерного облучения внутренней поверхности трубочной и(или) ленточной заготовки имплантата связки коленного сустава с нанесенным на нее слоем водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок может использоваться световод с кольцевой диаграммой диффузно рассеянного излучения, с длиной диффузной части световода, которая может соответствовать длине костного канала.
Предложенный способ лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава предусматривает нанесение на поверхность заготовки имплантата слоя вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок. В слое дисперсии углеродных нанотрубок путем водоиспаряющего воздействия лазерного излучения, пучок которого направлен по нормали к поверхности заготовки имплантата, формируется нанокомпозитное покрытие имплантата связки коленного сустава. Длина волны источника лазерного излучения может составлять от 0,5 до 1,1 мкм. Мощность источника лазерного излучения может составлять от 3 до 20 Вт. Пространственный профиль пучка коллимированного лазерного излучения может быть π-образного вида (подробно см. [8]). Концентрация белковой компоненты во вспомогательном веществе - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, может находиться в пределах от 20 до 50 мас. %. Концентрация углеродных нанотрубок во вспомогательном веществе - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, может находиться в пределах от 0,001 до 0,1 мас. %. В качестве белковой компоненты вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, может быть использован альбумин, в т.ч. бычий сывороточный альбумин.
В процессе лазерного облучения слоя вспомогательного вещества - дисперсии углеродных нанотрубок на заготовку имплантата связки - может осуществляться пошаговое перемещение лазерного пучка вдоль поверхности заготовки имплантата. Также может осуществляться пошаговое перемещение заготовки имплантата преимущественно перпендикулярно направлению лазерного пучка, с поворотом заготовки имплантата (по необходимости) либо пошаговое перемещение заготовки имплантата с поворотом заготовки имплантата. Для лазерного облучения внутренней поверхности трубочной и(или) ленточной заготовки имплантата связки с нанесенным на нее слоем вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок, может использоваться волоконный световод с кольцевой диаграммой диффузно рассеянного излучения.
Предлагаемая лазерная обработка нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава иллюстрируется следующим графическим материалом. Фиг. 1 иллюстрирует третью стадию обработки, в которую входит нанесение слоя вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок 4 на поверхность заготовки имплантата связки коленного сустава 5. Заготовка имплантата связки коленного сустава 5 находится в сосуде 3, заполненном вспомогательным веществом - дисперсией углеродных нанотрубок 4. Сосуд 3 помещен в резервуар 2, заполненный водой, находящийся внутри ультразвуковой ванны 1. При этом жидкости резервуара 2 и сосуда 3 изолированы друг от друга.
Четвертая стадия лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава, в которую входит формирование слоя водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок 4, размещенного на заготовке имплантата связки коленного сустава, иллюстрируется фиг. 2. Заготовка имплантата связки коленного сустава, покрытая нанесенным на нее слоем вспомогательного вещества - дисперсии углеродных нанотрубок 7, размещена на стеллаже 6 и закреплена в зажимных держателях 11. Источник лазерного излучения 8 с коллиматорным объективом 9 размещен на штативе 12. Пошаговое перемещение лазерного пучка 10 вдоль поверхности заготовки заготовки имплантата 7 может осуществляться с использованием шаговых двигателей 18, 19, 20 вдоль осей X, Y, Z соответственно. Оси X и Z лежат в плоскости фиг. 2, а ось Y перпендикулярна этой плоскости.
Пошаговое перемещение заготовки имплантата 7, преимущественно перпендикулярно направлению лазерного пучка 10 (не показано), может происходить с поворотом заготовки имплантата, при использовании поворотного двигателя 17 (по необходимости).
Фиг. 3 иллюстрирует строение волоконного световода с кольцевой диаграммой диффузно рассеянного излучения 14, который может быть использован для облучения внутренней поверхности трубочной и(или) ленточной заготовки имплантата, покрытой нанесенным на нее слоем вспомогательного вещества - дисперсии углеродных нанотрубок 7. На фиг. 3 показаны также оправка световода 13 и диффузная часть световода 15. Длина диффузной части световода 15 может соответствовать длине костного канала. Она может быть отделенной от остальной части световода 13 и оставаться в костном канале после проведения хирургической операции по реставрации связки коленного сустава.
Фиг. 4 иллюстрирует вид топограмм образцов имплантатов связки коленного сустава с нанокомпозитным покрытием, полученных с использованием сканирующего зондового микроскопа Solver Р47. Гранулированная структура приведенных топограмм с элементами упорядоченности характеризует наличие объемного нанотрубочного каркаса, сформированного в нанокомпозитном слое углеродных нанотрубок на поверхности имплантата связки коленного сустава под водоиспаряющим воздействием лазерного излучения на стадии 4 лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантата. Данные фиг. 4,а относятся к результатам, полученным с однослойными нанотрубками, которые были изготовлены в Rice University (US). Данные фиг 4,б относятся к результатам, полученным с однослойными нанотрубками, которые были изготовлены в ИОФАН РФ.
Выбор вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок для нанесения на поверхность имплантата связки коленного сустава - определяется возможностью формирования в слое вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава, что осуществляется путем водоиспаряющего воздействия лазерным излучением, пучок которого направлен преимущественно по нормали к поверхности заготовки имплантата. При этом в нанокомпозитном покрытии имплантата связки коленного сустава реализуются условия возникновения прочного объемного нанотрубочного каркаса, на котором, в свою очередь, может быть достигнута самоорганизация клеточного материала костного канала.
Выбор длины волны источника лазерного излучения для облучения поверхности заготовки имплантата связки коленного сустава в пределах от 0,5 до 1,1 мкм определяется доступностью и приемлемой стоимостью лазеров с такими свойствами, а также эффективным поглощением излучения вышеуказанного диапазона длин волн в слое водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок.
Использование коллиматорного объектива, обеспечивающего получение π-образного вида пространственного профиля лазерного пучка, обеспечивает условия формирования однородного слоя нанокомпозитного покрытия на заготовке имплантата связки коленного сустава. Ориентирование лазерного луча источника излучения преимущественно по нормали к поверхности заготовки имплантата оптимально для формирования на заготовке имплантата связки коленного сустава нанокомпозитного покрытия.
Выбор диапазона мощности лазерного облучения поверхности заготовки имплантата связки коленного сустава в пределах от 3 до 20 Вт определяется скоростью формирования самоорганизованного нанокомпозитного слоя углеродных нанотрубок на поверхности заготовки имплантата связки коленного сустава.
Выбор концентрации белковой компоненты в водной дисперсии углеродных нанотрубок в пределах от 20 до 50 мас. % позволяет обеспечить высокую прочность возникаемого на поверхности имплантата связки наноуглеродного каркаса - аналога естественной биологической матрицы. Аналогичную роль играет выбор концентрации углеродных нанотрубок в вспомогательном веществе - водной дисперсии углеродных нанотрубок от 0,001 до 0,1 мас. %.
Выбор диапазона мощности генератора ультразвука ультразвуковой ванны от 10 до 50 Вт позволяет обеспечить равномерное распределение вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок по поверхности заготовки имплантата связки коленного сустава.
Выбор альбумина, в т.ч. бычьего сывороточного альбумина, в качестве белковой компоненты вспомогательного вещества - дисперсии углеродных нанотрубок - определяется высокой лазерной прочностью и биологической совместимостью этих транспортных белков с тканями человеческого организма.
Пошаговое перемещение лазерного пучка по площади заготовки имплантата связки коленного сустава перпендикулярно направлению лазерного пучка, с поворотом заготовки имплантата (по необходимости), а также пошаговое перемещение заготовки имплантата связки коленного сустава преимущественно перпендикулярно к направлению лазерного пучка, с поворотом заготовки имплантата, позволяют обеспечить однородность и качественность формирования нанокомпозитного слоя углеродных нанотрубок при лазерной обработке покрытия имплантата связки коленного сустава.
Использование световода с кольцевой диаграммой диффузно рассеянного излучения и длиной диффузной части световода, соответствующей длине костного канала, позволяет обеспечить однородное лазерное облучение внутренней поверхности трубочной и(или) ленточной заготовки имплантата связки коленного сустава с нанесенным на нее слоем вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок.
Благодаря новому техническому решению по способу лазерной обработки нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава, включающего нанесение на поверхность заготовки имплантата слоя вспомогательного вещества - водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок для формирования нанокомпозитного покрытия имплантата связки коленного сустава путем водоиспаряющего воздействия лазерным излучением, пучок которого направлен преимущественно по нормали к поверхности заготовки имплантата, обеспечивается возможность повышения надежности размещения имплантата связки коленного сустава в костном канале, при осуществлении эффективного контакта имплантата с материалом костного канала.
Использование в хирургической практике предлагаемых имплантатов связки коленного сустава с нанокомпозитным покрытием создаст условия решения задач восполнения утерянной функции связки коленного сустава и будет способствовать улучшению результатов оперативного лечения повреждений связок крупных суставов.
Источники информации
1. А.И. Неворотин. Введение в лазерную хирургию // С.-П.: Спецлит, 2002, 175 с.
2. Н.А. Шестерня, О.В. Оганесян, С.В. Иванников. Лазерная артроскопическая хирургия: Дегенеративно-дистрофические поражения коленного сустава // М.: Медицина, 2002, 160 с.
3. MIS of the hip and the knee, ed. G.R. Scuderi, A.J. Jr. Tria. // N.Y., Springer-Verlag, 2004, p. 203.
4. Патент РФ 2567603.
5. Патент Франции 2.651.99.
6. Патент США 8142501 - прототип.
7. А.Ю. Герасименко, Л.П. Ичкитидзе и др. Лазерный метод создания биосовместимых наноматериалов с углеродными нанотрубками. - В «Нанотехнологии в электронике», вып. 2, под ред. Ю.А. Чаплыгина // М.: Техносфера, 2013, 688 с., с. 407-448.
8. Патент EP 0955752.