ИМПЛАНТАТ С ПРОТИВОМИКРОБНЫМ ПОКРЫТИЕМ
IMPLANT WITH ANTIMICROBIAL COATING

Данное изобретение относится к имплантату, имеющему покрытие, которое выделяет ионы серебра в организм человека и в результате оказывает противомикробное воздействие.
При вживлении имплантатов в тело человека существует риск развития инфекции. Спусковым механизмом для распространения инфекции могут быть микроорганизмы, которые попадают в тело человека вместе с имплантатом или которые находятся на поверхности имплантата. Известно, что риск развития инфекции можно снизить посредством предоставления имплантата, имеющего покрытие, которое выделяет ионы серебра в окружающее пространство. Как известно, ионы серебра обладают противомикробными свойствами. Кроме того, их преимущество состоит в том, что в случае, если они не встречаются с микроорганизмом и не оказывают на данный микроорганизм воздействия, они комбинируются с хлоридом из электролитов тела человека с целью образования AgCl и могут выделяться из организма в данной форме. В отличие от других веществ, имеющих противомикробные свойства, ионы серебра, таким образом, не накапливаются в организме.
Известные серебряные покрытия выделяют ионы серебра лишь в определенных пределах. Выделенные ионы серебра, кроме того, перемещаются произвольно поблизости от имплантата. Таким образом, велика вероятность того, что ионы серебра скомбинируются в электролите тела с образованием AgCl и, в результате, утратят свою противомикробную эффективность прежде, чем встретятся с микроорганизмом.
Основная цель данного изобретения заключается в обеспечении имплантата, покрытие которого имеет улучшенную противомикробную эффективность. На основании вышеупомянутого известного уровня техники указанная цель достигается посредством признаков по п.1 Формулы изобретения. Предпочтительные варианты осуществления можно найти в зависимых пунктах Формулы изобретения.
Согласно данному изобретению первый участок поверхности упомянутого покрытия формируется из серебросодержащего анодного материала, который обеспечен для того, чтобы выделять ионы серебра. Катодный материал обеспечивается для второго участка поверхности. Катодный материал располагается выше в электрохимическом ряду напряжений, чем анодный материал. Катодный материал и анодный материал соединяются друг с другом токопроводящим способом.
Прежде всего, следует пояснить несколько терминов. Термин «имплантат» включает в себя все типы объектов, подлежащих внедрению в тело человека. К ним относятся, например, эндопротезы для костей и суставов, а также вживляемые в ткани организма имплантаты других типов, такие как, например, стенты для сердечно-сосудистой системы. Кроме того, сюда же относятся имплантаты, которые лишь частично внедряются в тело человека и частично выдаются из него, такие как зубные имплантаты или аппараты наружной фиксации, которые формируют непрямой стабилизирующий остеосинтез, внешние по отношению к телу человека, что иногда встречается в случае натягивающего устройства.
Термины «первый участок поверхности» и «второй участок поверхности» выражают то, что катодный материал в составе покрытия пространственно отделен от анодного материала. Это не означает, таким образом, что в указанном покрытии множество материалов равномерно перемешаны друг с другом. Возможно, хотя не крайне необходимо, что второй участок поверхности интенсивно покрыт катодным материалом.
В электрохимическом ряду напряжений вещества расположены по порядку их стандартного электродного потенциала. Чем выше позиция вещества в электрохимическом ряду напряжений, тем ниже его упругость растворения, то есть его способность выделять ионы в воду, находящуюся в окружающем пространстве. Металл, который находится выше в электрохимическом ряду напряжений, называется благородным металлом; металл, расположенный ниже в электрохимическом ряду напряжений, называется основным металлом. Позиции в электрохимическом ряду напряжений известны для большинства веществ, и соответствующее значение может быть найдено по специальным таблицам. Если позиция вещества в электрохимическом ряду напряжений неизвестна, ее можно определить путем формирования гальванического элемента с известным веществом и измерения получаемой в результате разницы потенциалов. Позиция в электрохимическом ряду напряжений может быть установлена на основании разницы потенциалов. Термины «анодный материал» и «катодный материал» служат для демонстрации относительной позиции используемых материалов относительно друг друга в электрохимическом ряду напряжений. Анодный материал и катодный материал являются токопроводящими материалами.
При внедрении имплантата в тело человека анодный материал и катодный материал покрытия образуют локальный гальванический элемент с электролитом тела, который находится вблизи имплантата. Способность анодного материала выделять ионы серебра в окружающее пространство тем самым увеличивается. Электроны, которые остаются в анодном материале после выделения ионов серебра, могут перейти в катодный материал в результате электрической связи. Вследствие разности потенциалов ионы серебра притягиваются по направлению к катодному материалу.
Покрытие согласно данному изобретению, следовательно, имеет двойное действие. Во-первых, благодаря локальному гальваническому элементу анодный материал обладает увеличенной способностью выделять ионы серебра в окружающий электролит тела человека. По сравнению с покрытием, состоящим исключительно из соответствующего анодного материала, большее количество ионов серебра, таким образом, выделяется, в результате чего противомикробная эффективность возрастает. Кроме того, перемещение выделенных ионов серебра более не происходит в произвольных направлениях; напротив, ионы серебра двигаются в направлении разницы потенциалов между двумя веществами, то есть в направлении катодного материала. Увеличивается вероятность того, что ионы серебра действительно окажут влияние на микроорганизмы, находящиеся на поверхности имплантата, вместо того чтобы комбинироваться в электролите тела человека для образования AgCl и, таким образом, терять противомикробную эффективность. Действие покрытия, в соответствии с данным изобретением, следовательно, сосредотачивается на поверхности имплантата. Указанное покрытие является особенно подходящим для борьбы с опасной биопленкой, которая может образовываться на поверхности имплантатов.
Описываемое покрытие может охватывать всю поверхность имплантата полностью. Этот вариант подходит для многих имплантатов, которые вживляются в тело целиком. Также может быть обеспечено, в частности, в случае эндопротезов суставов, чтобы лишь часть поверхности имела покрытие. Покрытие может быть нанесено на ту часть поверхности, которой упомянутый протез контактирует с тканями тела во вживленном состоянии, тогда как другая часть поверхности, предназначенная, например, действовать вместе с другим протезом или, как в случае с аппаратом фиксации, находящаяся снаружи относительно тела человека, не имеет покрытия.
Анодный материал может представлять собой чистое серебро. При стандартном электродном потенциале приблизительно +0,8 В серебро является относительно благородным металлом, который принадлежит к верхнему диапазону электрохимического ряда напряжений. Стандартный водородный электрод является исходным параметром для значений напряжений стандартного электродного потенциала.
Катодный материал, который действует вместе с чистым серебром, должен иметь стандартный электродный потенциал более +0,8 В. Если катодным материалом является металл, он, следовательно, принадлежит к числу более благородных, чем серебро. К катодным материалам, которые подходят для действия вместе с чистым серебром, относится, например, золото, имеющее стандартный электродный потенциал +1,5 В. Даже в случае, когда в качестве анодного материала используется не чистое серебро, а сплав серебра с другим веществом, стандартный электродный потенциал катодного материала должна быть больше +0,8 В. Стандартный электродный потенциал катодного материала, предпочтительно, по меньшей мере, на 0,3 В, более предпочтительно, по меньшей мере, на 0,5 В и еще более предпочтительно, по меньшей мере, на 0,7 В выше стандартного электродного потенциала анодного материала.
Чем больше разность между стандартным электродным потенциалом анодного материала и стандартным электродным потенциалом катодного материала, тем сильнее действие локального гальванического элемента. В предпочтительном варианте осуществления в качестве анодного материала, следовательно, используется серебросодержащий материал, стандартный электродный потенциал которого меньше, чем +0,8 В. Анодный материал, таким образом, также содержит другие компоненты в дополнение к компонентам серебра, которые, как предполагается, выделились из анода. Стандартный электродный потенциал, установленный для анодного материала, имеет отношение к упругости растворения для ионов серебра. Преимущественно, в качестве анода выбирается материал, который не выделяет никаких других веществ, кроме ионов серебра, в электролит тела человека. Если выделяются другие вещества в дополнение к ионам серебра, существует риск того, что указанные другие вещества могут оказать нежелательное воздействие на организм человека. Более того, как для анода, так и для катода следует выбирать материал, который является биологически совместимым.
Противомикробное действие покрытия согласно данному изобретению зависит от ионов серебра, которые выделяются из катодного материала. Чем больше участок поверхности покрытия, занятый анодным материалом, тем выше количество выделяемых ионов серебра. Участок поверхности покрытия, занятый анодным материалом, таким образом, составляет, предпочтительно, больше 50%, более предпочтительно, больше 70% и еще более предпочтительно больше 80%. Для сравнения участок поверхности покрытия, занятый катодным материалом, имеет меньшее значение. Однако участок катодного материала не может быть слишком мал, если необходимо достигнуть высокой эффективности гальванических элементов. Участок катодного материала на поверхности покрытия составляет, предпочтительно, больше 0,1%, более предпочтительно, больше 1% и еще более предпочтительно больше 5%.
Для ионов серебра необходимо, как только они покинули анодный материал, чтобы они были способны преодолеть некоторое расстояние до того, как они встретятся с катодным материалом. Во время данного перемещения ионы серебра могут оказывать противомикробное воздействие. Участки поверхности покрытия, занятые анодным материалом и катодным материалом, следовательно, должны быть отделены друг от друга таким способом, чтобы ионы серебра необязательно сразу же встретились с катодным материалом. Покрытие, таким образом, предпочтительно, имеет множество округлых областей поверхности с диаметром больше 1 мкм, более предпочтительно, больше 5 мкм, более предпочтительно, больше 15 мкм, более предпочтительно, больше 50 мкм, которые формируют исключительно анодный материал и не содержат катодного материала. С другой стороны, также не является полезным для эффективности покрытия, если свободная траектория, по которой перемещаются ионы серебра, слишком длинна. Поэтому диаметр округлых областей поверхности должен быть меньше 5 мм, предпочтительно, меньше 1 мм и еще более предпочтительно меньше 0,5 мм. Предпочтительно, больше 30%, более предпочтительно, больше 50% поверхности покрытия занято такими областями поверхности.
Ионы серебра, выходящие в центр такой области, должны преодолеть некоторое расстояние перед тем, как они встретятся с катодным материалом. В то время как они перемещаются на указанное расстояние, ионы серебра могут оказывать противомикробное воздействие. Свободная траектория, по которой должны перемещаться ионы серебра, находится в зависимости от диаметра бактерий, порядок которого также составляет мкм. Можно предположить, что ионы серебра перемещаются по дугообразной траектории и что наибольшее расстояние до поверхности, которое ионы серебра проходят на своем пути, имеет величину того же порядка, что и расстояние, на которое они перемещаются параллельно поверхности. Таким образом, если свободная траектория, по которой необходимо пройти ионам серебра, соответствует приблизительно диаметру бактерий, получается, что ионы серебра могут оказывать воздействие на бактерии, находящиеся на поверхности по всей траектории их движения.
Покрытие может быть выполнено таким образом, чтобы катодный материал был внедрен в анодный материал в виде зон или нанесен на анодный материал в виде зон. Катодный материал даже может быть нанесен в виде связанных областей поверхности, имеющих диаметр, например, в несколько мкм. Не исключается, что катодный материал наносится на вторую область поверхности в виде индивидуальных частиц, без интенсивного покрытия анодного материала в данной области.
Во многих случаях, предполагается, что поверхность имплантата гладкая. Этого можно достигнуть, если анодный материал и катодный материал находятся на одном уровне друг с другом. В альтернативном варианте осуществления катодный материал может выдаваться относительно анодного материала. Тогда ионы серебра перемещаются на малом расстоянии от поверхности покрытия, и, таким образом, достигается значительное воздействие на микроорганизмы в непосредственной близости от покрытия. Для данной цели подходит нанесение, прежде всего, анодного материала равномерным слоем и затем нанесение катодного материала на покрытие в избранных областях. Толщина указанного слоя анодного материала может быть от 100 нм до 10000 нм, предпочтительно, от 200 нм до 400 нм. Данный диапазон, в особенности, применим, если анодным материалом является чистое серебро. Толщина слоя катодного материала, наносимого на анодный материал, также может быть от 100 нм до 10000 нм, предпочтительно, от 200 нм до 400 нм.
Также является возможным интенсивное нанесение, в первую очередь, слоя катодного материала. На катодный материал может быть нанесен слой анодного материала, в котором содержатся отверстия, для того чтобы к катодному материалу имелся доступ снаружи, сквозь анодный материал. Если анодный материал наносится с использованием способа плазменного нанесения покрытия, указанные отверстия могут быть сформированы путем нацеливания на более крупные фрагменты имеющие диаметр, например 20 мкм на поверхности при нанесении слоя, причем указанные фрагменты удаляют часть наносимого слоя, см. также документ WO 2009/036846. При использовании данного способа толщина слоев составляет также, предпочтительно, от 100 нм до 10000 нм, предпочтительно, от 200 нм до 400 нм.
Далее данное изобретение будет описываться в качестве примера посредством предпочтительных вариантов осуществления и со ссылкой на прилагаемые чертежи:
Фиг.1 иллюстрирует первый вариант осуществления имплантата в соответствии с данным изобретением.
На Фиг.2 изображен компонент имплантата, представленного на Фиг.1.
Фиг.3 иллюстрирует первый вариант осуществления имплантата, в соответствии с данным изобретением.
На Фиг.4 изображен участок корпуса имплантата, в соответствии с данным изобретением, на котором имеется покрытие.
Фиг.5 иллюстрирует вид сверху покрытия, представленного на Фиг.4.
Фиг.6 иллюстрирует вид, представленный на Фиг.4, для другого варианта осуществления данного изобретения.
Фиг.7 иллюстрирует вид, представленный на Фиг.5, для варианта осуществления, изображенного на Фиг.6.
На Фиг.8 изображен вид, представленный на Фиг.4, для еще одного варианта осуществления данного изобретения.
На Фиг.9 изображен вид, представленный на Фиг.5, для еще одного варианта осуществления данного изобретения.
Имплантат, изображенный на Фиг.1, предназначен заменять часть скелета человека, которая проходит от тазобедренного сустава до области ниже колена. Шарообразная головка 10 сустава образует поверхность сустава, которая сконструирована для взаимодействия с вертлужной впадиной. Головка 10 сустава соединена с верхней деталью 11 имплантата посредством винтового соединения. Часть имплантата, которая заменяет тело бедренной кости, содержит три компонента 12, 13, 14 имплантата. Компоненты 12, 13, 14 имплантата соединены между собой и с верхней деталью 11 также посредством винтовых соединений. Коленная деталь 15 образует шарнирное соединение со стержнем 16, который предназначен для соединения имплантата с большеберцовой костью.
Компоненты 12, 13, 14 имплантата производятся различных длин, так что описываемый имплантат может быть приспособлен к бедренной кости любой длины. На Фиг.2 изображен увеличенный вид компонента 17 имплантата, который соответствует компонентам 12, 13, 14 имплантата. Компонент 17 имплантата содержит болт 18, а также резьбовое отверстие 19 под болт, которое обозначено пунктирной линией. Посредством болта 18 и резьбового отверстия 19 компонент 17 имплантата может быть присоединен с обоих концов к другим компонентам имплантата. Болт 18, резьбовое отверстие 19 и прилегающие торцевые поверхности 20 и 21, следовательно, не примыкают к тканям тела пациента во вживленном состоянии компонента 17 имплантата, а примыкают вплотную к другим компонентам имплантата. Наружная поверхность 22 компонента 17 имплантата, с одной стороны, сконструирована для того, чтобы контактировать с тканями тела человека во вживленном состоянии. Наружная поверхность 22 снабжена противомикробным покрытием 23, которое обозначено точками. Остальная поверхность описываемого компонента имплантата не имеет покрытия 23.
На Фиг.4 и 5 изображен увеличенный вид покрытия 23. Покрытие 23 в основном состоит из чистого серебра, которое интенсивно покрывает наружную поверхность. Как изображено на Фиг.5, золотой материал внедряется в слой серебра в виде множества прямоугольных зон. Золотой материал встраивается в слой серебра таким способом, чтобы два материала примыкали друг к другу на одном уровне и образовывалась гладкая поверхность. Гладкая поверхность требуется, поскольку необходимо свести к минимуму раздражение окружающих тканей организма вследствие трения. Покрытие 23 имеет первый участок 28 поверхности, сформированный серебряным материалом, и второй участок 29 поверхности, сформированный золотым материалом. Участок 28 поверхности, который сформирован серебряным материалом, занимает более 80% поверхности покрытия 23. Как обозначено пунктирной линией на Фиг.5, между зонами остаются округлые области 27 поверхности, в которых поверхность покрытия 23 целиком состоит из серебряного материала и не прерывается золотым материалом. Область 27 поверхности имеет диаметр более 0,1 мм.
Серебро и золото соединены друг с другом токопроводящим способом в покрытии 23. Серебро является менее благородным металлом, чем золото, и располагается ниже в электрохимическом ряду напряжений, чем золото. В соответствии со смыслом назначения покрытия, согласно данному изобретению, серебро, таким образом, представляет собой анодный материал 25, а золото представляет собой катодный материал 26.
После имплантации покрытие 23 оказывается окруженным электролитом тела человека. Серебряный материал имеет способность выделять положительно заряженные ионы серебра в электролит тела человека. Данная способность называется упругостью растворения. Когда ионы серебра выделяются из покрытия, в покрытии остаются избыточные электроны и образуется излишек отрицательно заряженных носителей. Поскольку серебряный материал и золотой материал соединены друг с другом токопроводящим способом, избыточные электроны могут свободно двигаться в направлении золотого материала. Золотой материал также зависит от упругости растворения в том, чтобы выделять ионы в электролит тела человека. Хотя золото является более благородным металлом, чем серебро, и располагается выше в электрохимическом ряду напряжений, его упругость растворения, однако, ниже упругости растворения серебра. Ионы серебра, выделяемые в большей концентрации, перемещаются в направлении золотого материала. Таким образом, электролит тела человека, в сочетании с серебром в качестве анодного материала 25 и золотом в качестве катодного материала 26, образует локальные гальванические элементы. Ионы серебра покидают анодный материал 25 и двигаются параллельно покрытию 23 в направлении катодного материала 26. Таким образом, ионы серебра могут оказывать противомикробное воздействие на микроорганизмы, находящиеся на поверхности покрытия 23.
Зубной имплантат, изображенный на Фиг.3, представляет собой альтернативный вариант осуществления данного изобретения. Корпус 30 имплантата нижним концом ввинчивается в челюстную кость 31. Верхний конец корпуса 30 имплантата выступает в направлении вверх из челюстной кости 31 и десны 32, которая окружает челюстную кость 31. Опорный штифт 34, покрытый искусственной коронкой 33 зуба, ввинчивается в свободный конец корпуса 30 имплантата. Зубной имплантат заменяет натуральный зуб данным способом. Корпус 30 имплантата, в свою очередь, снабжен покрытием 23, которое обозначено с помощью точек.
На Фиг.6 и 7 покрытие 23 изображено в увеличенном виде. Серебряное покрытие, в первую очередь, наносится на поверхность имплантата 30, и оно имеет равномерную толщину, составляющую приблизительно 400 нм. Золотой материал наносится на поверхность серебряного покрытия в виде сетки, и он также имеет ширину слоя, равную приблизительно 400 нм. Области, заключенные в ячейки сетки, в которых поверхность покрытия 23 сформирована из серебряного материала, образуют в совокупности первый участок 28 поверхности покрытия 23. Сетчатое расположение золотого материала образует второй участок 29 поверхности покрытия 23. Сетчатая форма золотого материала имеет такие размеры, что остаются свободные от золотого материала округлые области 27 поверхности, диаметр которых более 50 мкм.
В варианте покрытия, изображенном на Фиг.8, компонент 17 имплантата, в первую очередь, интенсивно покрывается слоем золота как катодного материала 26. Слой серебра, нанесенный на него в качестве анодного материала 25, содержит множество отверстий. Данные отверстия в совокупности образуют второй участок 29 поверхности, в котором к катодному материалу 26 имеется доступ с внешней стороны через анодный материал 25.
В варианте осуществления согласно Фиг.9 катодный материал 26 не наносится интенсивно на второй участок 29 поверхности, а наносится в виде множества индивидуальных частиц. Это никак не влияет на противомикробное действие покрытия в соответствии с данным изобретением.
Как уже было пояснено выше, серебро представляет собой анодный материал 25, в соответствии со смыслом данного изобретения, а золото представляет собой катодный материал 26. Вместе с электролитом тела человека вблизи корпуса 30 имплантата покрытие 23 образует множество локальных гальванических элементов. Поскольку золото как катодный материал 26 выдается из поверхности относительно анодного материала 25, ионы серебра также могут перемещаться на небольшое расстояние от серебряного слоя в направлении катодного материала 26.
В случае зубного имплантата противомикробное покрытие 23 имеет конкретное назначение, заключающееся в том, чтобы оказывать воздействие на микроорганизмы на участке перехода между корпусом 30 имплантата и десной 32 и/или челюстной костью 31. Широко известно, что в среде полости рта присутствует ряд микроорганизмов и что риск развития инфекции в области, окружающей корпус 30 имплантата, высок. Если противомикробное покрытие 23 может предотвратить проникновение микроорганизмов между корпусом 30 имплантата и десной 32, пациент может избежать неприятных воспалительных процессов.