Медицинское устройство с поверхностью, содержащей металл противомикробного действия
MEDICAL DEVICE WITH SURFACE CONTAINING ANTIMICROBIAL METAL

Область техники
Настоящее изобретение относится к медицинскому устройству, имеющему поверхностный слой, содержащий металл противомикробного действия, и к способу получения такого устройства.
Уровень техники
Для любого типа медицинского устройства, предназначенного для контакта с живой тканью, важнейшей проблемой является биосовместимость. Вероятность возникновения реакции на чужеродное тело, образования тромбов и возникновения инфекции, наряду с множеством других факторов, должна быть изучена и минимизирована, чтобы избежать вредных воздействий, как местных так и систематических, которые в противном случае могут ухудшить здоровье пациента и/или привести к неисправности устройства. Это особенно относится к постоянным имплантатам.
Заживление или регенерация ткани часто является крайне необходимым для того, чтобы закрепить имплантат и обеспечить его длительное функционирование. Это особенно важно для несущих нагрузку имплантатов, таких как зубные или ортопедические имплантаты.
Зубные имплантационные системы широко используют для замены поврежденных или утраченных натуральных зубов. В таких имплантационных системах зубной фиксатор (винт), обычно выполненный из титана или титанового сплава, устанавливают в челюстную кость пациента, чтобы заменить корень натурального зуба. Затем к фиксатору прикрепляют конструкцию абатмента, чтобы создать штифт для части протезируемого зуба, выступающей из костной ткани через десну в ротовую полость пациента. На указанный абатмент в конечном итоге можно установить протез или коронку.
Для зубных фиксаторов необходимо сильное скрепление между костной тканью и имплантатом. Для имплантатов, предназначенных для контакта с мягкой тканью, таких как абатменты, которые должны быть частично расположены в мягкой десневой ткани, совместимость является также важной для полного функционирования имплантата. Обычно после имплантации зубной имплантационной системы абатмент частично или полностью окружен десневой тканью. Желательно, чтобы десневая ткань заживлялась быстро и вплотную вокруг имплантата, как по медицинским, так и эстетическим соображениям. Непроницаемое уплотнение между слизистой оболочкой полости рта и зубным имплантатом служит в качестве барьера для микробной среды ротовой полости и является решающим для удачной имплантации. Это особенно важно для пациентов с плохой гигиеной полости рта и/или недостаточным качеством костной ткани или слизистой оболочки. Плохое заживление или плохое скрепление между мягкой тканью и имплантатом повышает риск возникновения инфекции и периимплантита, что в конечном итоге может привести к резорбции костной ткани и отторжению имплантата.
Существует несколько приемов повышения шансов успешной имплантации медицинского устройства, например, увеличение скорости образования новой ткани и/или, в случаях, когда желательно обеспечить соединение ткань-имплантат, увеличение скорости прикрепления ткани к поверхности имплантата, или снижение риска возникновения инфекции. Ускорения образования новой ткани можно достичь, например, путем различной модификации поверхности и/или осаждения биоактивных агентов на поверхность.
В настоящее время риск возникновения инфекции в связи с зубными имплантатами в первую очередь предупреждают превентивными мерами, такими как поддержание хорошей гигиены полости рта. После образования биопленки на поверхности зубного имплантата, ее трудно удалить путем нанесения бактерицидных агентов. В случае возникновения инфекции в костной или мягкой ткани, окружающей имплантат (периимплантит), основной операцией является механическая санация, иногда в сочетании с обработкой антибиотиками, антисептиками и/или ультразвуковой или лазерной обработкой.
Краткое описание изобретения Целью настоящего изобретения является преодоление этой проблемы и обеспечение медицинского устройства, такого как имплантат, имеющего поверхность, которая снижает риск возникновения инфекции при контакте медицинского устройства с живой тканью.
Согласно первому аспекту изобретения, этой и других целей достигают посредством медицинского устройства, предназначенного для контакта с живой тканью, включающего основу, имеющую поверхностный слой, содержащий одно или более соединений нетоксичного постпереходного металла.
Слой, содержащий одно или более соединений нетоксичного постпереходного металла, например, соединение (соединения) галлия, может иметь атомную концентрацию (атомн. %) постпереходного металла, например, галлия и/или висмута, по меньшей мере 5 атомн. %. В воплощениях по изобретению концентрация галлия в указанном слое составляет по меньшей мерее 10 атомн. %, например, по меньшей мере 15 атомн. %, например, по меньшей мере 20 атомн. %. Однако в других воплощениях изобретения содержание постпереходного металла может составлять менее 5%, например, по меньшей мере 0,05 атомн. %. Слой может содержать галлий в количестве вплоть до 50 атомн. %.
В воплощениях изобретения соединение нетоксичного постпереходного металла составляет основную часть слоя.
Поверхность медицинского устройства, содержащая слой, включающий нетоксичный постпереходный металл, такой как галлий или висмут, показала эффективность против разнообразных бактериальных штаммов, и продемонстрировала способность подавлять образование биопленки in vitro. Медицинское устройство по изобретению может также быть эффективным против других микробов, таких как грибки.
В воплощениях изобретения такая живая ткань является мягкой тканью. Альтернативно, такая живая ткань может представлять собой хрящевую или костную ткань.
В воплощениях изобретения указанное одно или более соединений нетоксичного постпереходного металла также содержит дополнительный металл, например, биосовместимый металл, такой как титан. Известно, что живая ткань хорошо переносит титан, и многие годы его используют в качестве материала имплантата. Путем включения биосовместимого металла, например, титана, в галлийсодержащий слой, получают поверхность, которая более сходна с поверхностями установленного имплантата и которую даже с большей вероятностью хорошо переносит живая ткань.
В воплощениях изобретения поверхностный слой может представлять собой металлический слой. Соединение, содержащее нетоксичный постпереходный металл может представлять собой металлическое соединение.
В воплощениях изобретения нетоксичный постпереходный металл выбран из висмута или галлия. Следовательно, соединение (соединения) нетоксичного постпереходного металла могут быть выбраны из соединения (соединений) висмута и соединения (соединений) галлия.
Соединение галлия может быть выбрано из группы, состоящей из оксида галлия и титана, нитрида галлия, нитрида галлия и титана, карбида галлия, селенида галлия, и сульфида галлия, хлорида галлия, фторида галлия, йодида галлия, оксалата галлия, фосфата галлия, мальтолата галлия, ацетата галлия и лактата галлия. Соединение висмута может быть выбрано из группы, состоящей из висмут-титана, оксида висмута и титана, нитрида висмута и титана, нитрида висмута, карбида висмута, селенида висмута, и сульфида висмута, хлорида висмута, фторида висмута, йодида висмута, оксалата висмута, фосфата висмута, мальтолата висмута, ацетата висмута и лактата висмута. Эти соединения нетоксичных постпереходных металлов в общем хорошо переносятся живой тканью млекопитающего и могут быть нанесены на поверхность с использованием технологии осаждения тонких пленок.
В воплощениях соединение представляет собой нитрид по меньшей мере одного нетоксичного постпереходного металла, например, нитрид галлия или нитрид висмута, возможно также содержащий титан. Нитриды, содержащие нетоксичные постпереходные металлы, такие как галлий или висмут, особенно пригодны в настоящем изобретении, в частности для применений в области зубных имплантатов, поскольку такие соединения могут обеспечить поверхностный слой, предпочтительный с эстетической точки зрения, в частности, в отношении цвета. Такие нитриды могут быть нанесены на поверхность с использованием технологии осаждения тонких пленок. Нитрид нетоксичного постпереходного металла может быть выбран из группы, состоящей из нитрида галлия и титана, нитрида галлия, нитрида висмута и титана, нитрида висмута и нитрида галлия, висмута и титана.
В воплощениях изобретения слой, содержащий соединение нетоксичного постпереходного металла, может дополнительно содержать соль нетоксичного постпереходного металла, например соль галлия или соль висмута. Соль может быть осаждена на поверхностный слой, содержащий соединение нетоксичного постпереходного металла. Например, соль галлия или соль висмута может быть осаждена на первый слой, содержащий первое соединение галлия или висмута. Осажденная соль может повышать высвобождение постпереходного металла противомикробного действия с поверхности в короткий срок после контакта с живой тканью, таким образом временно дополнительно усиливая бактерицидное или противомикробное действие слоя.
В общем, слой, содержащий соединение нетоксичного постпереходного металла, может иметь толщину от 10 нм до 1,5 мкм. Слой толщиной по меньшей мере 10 нм может быть достаточным для обеспечения требуемого бактерицидного действия, тогда как толстые слои, имеющие толщину вплоть до 1 мкм могут быть предпочтительными из эстетических соображений, поскольку они имеют цвет, подходящий, например, для зубных имплантатов.
Обычно в воплощениях по изобретению слой, содержащий соединение нетоксичного постпереходного металла, может представлять собой однородный слой. Слой также может быть беспористым слоем. Беспористый слой обычно менее подвержен росту бактерий и образованию биопленки, по сравнению с пористым слоем.
Основа, на которой обеспечивают слой, содержащий по меньшей мере одно соединение галлия, может состоять из металлического материала, обычно биосовместимого металла или сплава, например, титана или титанового сплава. Альтернативно, основа может состоять из керамического материала. В других воплощениях основа может состоять из полимерного материала или композиционного материала.
Медицинское устройство по изобретению обычно представляет собой имплантат, предназначенный для долгосрочного контакта с живой тканью или имплантации в нее. В одном воплощении медицинское устройство представляет собой имплантат, предназначенный для имплантации, по меньшей мере частично, в мягкую ткань. В еще одном воплощении медицинское устройство может быть предназначено для краткосрочного или пролонгированного контакта с живой тканью, обычно с мягкой тканью.
Например, медицинское устройство может представлять собой зубной имплантат, в частности, зубной абатмент. В другом воплощении медицинское устройство может представлять собой фиксированный на кости слуховой аппарат. В другом воплощении медицинское устройство может представлять собой ортопедический имплантат. В другом воплощении медицинское устройство может представлять собой стент. В другом воплощении медицинское устройство может представлять собой шунт. В качестве другого примера, медицинское устройство может представлять собой катетер, приспособленный для вставления в телесную полость, такую как кровеносный сосуд, желудочно-кишечный тракт или мочевыделительная система.
В другом аспекте изобретение обеспечивает способ изготовления описанного здесь медицинского устройства, включающий:
а) обеспечение основы, содержащей поверхность, и
б) нанесение соединения нетоксичного постпереходного металла на указанную поверхность для образования слоя.
Обычно соединение нетоксичного постпереходного металла представляет собой нитрид нетоксичного постпереходного металла, такой как нитрид галлия и/или висмута.
В некоторых воплощениях стадия (б) включает одновременное или последовательное нанесение нетоксичного постпереходного металла и дополнительного металла или соединения металла на указанную поверхность. Дополнительный металл или соединение металла может представлять собой титан. Нанесение постпереходного металла и, возможно, дополнительного металла или соединения металла можно обеспечить с использованием технологии осаждения тонких пленок.
Вышеописанное медицинское устройство можно использовать для предотвращения образования биопленки и/или бактериальной инфекции окружающей ткани, в частности, мягкой ткани. В частности, медицинское устройство по изобретению можно использовать для предотвращения бактериальной инфекции десневой ткани и/или периимплантита.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, изложенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 показан боковой вид медицинского устройства в соответствии с одним воплощением изобретения, где медицинское устройство представляет собой зубной абатмент.
На Фиг. 2 проиллюстрирована в поперечном сечении часть медицинского устройства в соответствии с воплощениями изобретения, где показан материал основы и слой, содержащий соединение галлия.
Подробное описание изобретения
Было обнаружено, что медицинское устройство, имеющее поверхностный слой, содержащий соединение постпереходного металла, в частности, нетоксичного постпереходного металла противомикробного действия, такого как галлий и/или висмут, обеспечивает эффекты, дающие значительные преимущества в показателях снижения риска возникновения инфекции, улучшенного заживления ткани и/или эстетической характеристики. Было продемонстрировано, что титановое тело, имеющее поверхностное покрытие, включающее галлий (Ga), может предотвратить рост бактерий на поверхности и вокруг нее, и таким образом может быть пригодным для предотвращения вредоносной инфекции вокруг, например, зубного абатмента, имплантированного в десну. Было также продемонстрировано, что титановое тело, имеющее поверхностное покрытие, включающее висмут (Bi), может предотвратить рост бактерий на поверхности и вокруг нее, и таким образом может быть пригодным для предотвращения вредоносной инфекции вокруг, например, зубного абатмента, имплантированного в десну.
Согласно настоящему изобретению поверхность контакта с тканью поверхности медицинского устройства содержит соединение постпереходного металла. Обычно постпереходный металл является нетоксичным для клеток млекопитающего при концентрациях, которые оказывают смертельное действие на бактериальные клетки.
Термин «постпереходный металл» в общем относится к металлическим элементам, находящимся в группах 13-16 и в 3-6 периодах Периодической таблицы. Обычно к постпереходным металлам относят алюминий, галлий, индий, таллий, олово, свинец, висмут и полоний. В противоположность этому, переходные металлы принадлежат к группам 3-12 элементов. Германий и сурьма не считаются постпереходными металлами, а относятся к металлоидным элементам.
Группа 16 Периодической таблицы содержит только один постпереходный металл, полоний, который является токсичным. Следовательно, в настоящем изобретении предпочтительными являются постпереходные металлы групп 13-15 и 3-6 периодов.
В воплощениях изобретения используемый постпереходный металл является нетоксичным.
Как используют в этом документе, «нетоксичный» означает, что рассматриваемое вещество (например, соединение или элемент) не повреждает клетки млекопитающего при концентрациях, которые оказывают смертельное действие на бактериальные клетки.
Примеры постпереходных металлов, которые являются токсичными, включают таллий (Ti), свинец (Pb) и полоний (Po). Другие постпереходные металлы (например, индий (In) и олово (Sn)) можно считать нетоксичными в форме чистого металла, но они могут быть токсичными в других формах, или когда они образуют соединения с другими элементами.
Нетоксичный постпереходный металл, используемый в настоящем изобретении, обычно является нетоксичным, когда присутствует в элементарной форме, в виде ионов металла и/или в виде одного из соединений, приведенных в качестве примеров в этом документе.
Кроме того, постпереходный металл, используемый в настоящем изобретении, обычно обладает противомикробным или бактерицидным действием. Постпереходные металлы, которые считаются обладающими некоторым противомикробным или бактерицидным действием (включая любое олигодинамическое действие), включают по меньшей мере галлий, олово, свинец и висмут.
В свете вышесказанного, в изобретении можно использовать по меньшей мере один нетоксичный постпереходный металл противомикробного действия, который предпочтительно выбирают из галлия и висмута.
Например, на медицинское устройство может быть нанесено соединение галлия в виде поверхностного слоя. Альтернативно, соединение галлия может быть внедрено по меньшей мере в часть тела, образующего медицинское устройство, так что по меньшей мере одна поверхность устройства содержит соединение галлия.
В качестве другого примера, на медицинское устройство может быть нанесено соединение висмута в виде поверхностного слоя. Альтернативно, соединение висмута может быть внедрено по меньшей мере в часть тела, образующего медицинское устройство, так что по меньшей мере одна поверхность устройства содержит соединение висмута.
3
3
3
3
Галлий используют в медицине по меньшей мере с 1940-х годов, главным образом в качестве радиоактивного агента для медицинской визуализации. Противомикробные свойства галлия были изучены в ряде исследований. В работе Kaneko et al (2007 г) было установлено, что нитрат галлия Ga(NO)) подавляет рост Pseudomonas aeruginosa в порционных культурах. Olakanmi et al (2010 г. ) было обнаружено, что Ga(NO) подавляет рост Francisella novicida. Галлий действует посредством нарушения метаболизма железа. Можно полагать, что галлий также является эффективным против других микробов, например, грибков, таких как дрожжи или плесневые грибы.
Известно, что висмут обладает бактерицидным действием. Соединения висмута ранее использовали для лечения сифилиса, и субсалицилат висмута и субцитрат висмута в настоящее время используют для лечения язвенных болезней, вызываемых Helicobacter pylori. Механизм действия этого вещества еще не вполне понятен. Биброкатол представляет собой органическое висмутсодержащее соединение, используемое для лечения глазных инфекций, и субсалицилат висмута и субкарбонат висмута используют в качестве ингредиентов противодиарейных лекарственных средств.
В Директивном документе 2007/47/ec медицинское устройство определено как «любой прибор, аппарат, приспособление, программное обеспечение, материал или другое изделие, используемое отдельно или в сочетании, включая программное обеспечение, предназначенное его изготовителем для использования специально в диагностических и/или терапевтических целях и необходимое для его надлежащего применения, предназначенное производителем для использования для человека». В контексте настоящего изобретения рассматриваются только медицинские устройства, предназначенные для контакта с живой тканью, т.е. любой прибор, аппарат, приспособление, программное обеспечение, материал или другое изделие физического характера, предназначенное для нанесения, внедрения, имплантации или иного приведения в контакт с телом, частью тела или органом. Кроме того, указанное тело, часть тела или орган может быть таковым, принадлежащим человеку или животному, обычно млекопитающему. Однако предпочтительно медицинское устройство предназначено для человека. Медицинские устройства, попадающие под приведенное выше определение, представляют собой, например, имплантаты, катетеры, шунты, трубки, стенты, внутриматочные устройства и протезы.
В частности, медицинское устройство может представлять собой медицинское устройство, предназначенное для имплантации в живую ткань или для внедрения в тело или часть тела пациента, включая внедрение в телесную полость.
Медицинское устройство по настоящему изобретению может быть предназначено для краткосрочного, пролонгированного или длительного контакта с живой тканью. «Краткосрочный» означает длительность менее 24 часов, согласно определениям, приведенным в ISO 10993-1 для биологической оценки медицинских устройств. Далее, «пролонгированный», согласно тому же стандарту, относится к длительности от 24 часов вплоть до 30 суток. Соотвественно, согласно тому же стандарту, «длительный» означает продолжительность более 30 суток. Таким образом, в некоторых воплощениях медицинское устройство по изобретению может представлять собой постоянный имплантат, который должен оставаться в течение месяцев, годов, или даже в течение всей жизни в теле пациента.
Как используют в этом документе, термин «имплантат» охватывает любое устройство, по меньшей мере часть которого предназначена для имплантации в тело позвоночного животного, в частности, млекопитающего, например, человека. Имплантаты можно использовать для замены анатомических элементов и/или восстановления любой функции тела. В общем, имплантат состоит из одной или нескольких частей имплантата. например, зубной имплантат обычно включает зубной фиксатор, сопряженный со вторичными частями имплантата, такими как абатмент и/или восстановленный зуб. Однако любое устройство, такое как зубной фиксатор, предназначенное для имплантации, можно отдельно отнести к имплантату, даже если к нему должны быть присоединены другие части.
«Биосовместимый» означает материал, который при контакте с живой тканью сам по себе не вызывает неблагоприятной ответной биологической реакции (например, воспаление или другие иммунологические реакции) указанной ткани.
«Мягкая ткань» означает любой тип ткани, в частности, типы ткани млекопитающего, который не является костной или хрящевой тканью. Примерами мягкой ткани, для которой подходит медицинское устройство, включают, но не ограничены перечисленным, соединительную ткань, фиброзную ткань, эпителиальную ткань, сосудистую ткань, мышечную ткань, слизистую оболочку, десну и кожу.
Как используют в этом документе, термин «соединение постпереходного металла» относится к химической структурной единице, содержащей по меньшей мере один постпереходный металл и по меньшей мере один дополнительный элемент. Неограничивающие примеры таких соединений включают оксиды, содержащие постпереходный металл, нитриды, содержащие постпереходный металл, сплавы по меньшей мере одного постпереходного металла и соли, содержащие постпереходный металл. Соединение может включать два или более постпереходных металлов. Термин «соединение (соединения) постпереходного металла» также относится к соединениям, включающим один или более других металлов, в частности, биосовместимые металлы, такие как титан, помимо одного или более постпереходных металлов. Следовательно, как используют в этом документе, термин «соединение галлия» относится к химической структурной единице, содержащей галлий и по меньшей мере один дополнительный элемент. Неограничивающие примеры соединений галлия включают оксид галлия, нитрид галлия и соли галлия. Галлий и по меньшей мере один дополнительный элемент могут быть связаны посредством ковалентной связи или ионной связи. Термин «соединение галлия» также включает соединения, включающие один или более других металлов, помимо галлия, в частности, титан. Таким образом, определение «соединение галлия» также охватывает оксиды галлия и титана, нитриды галлия и титана и т.д.
По аналогии, термин «соединение висмута» относится к химической структурной единице, содержащей висмут и по меньшей мере один дополнительный элемент. Неограничивающие примеры соединений висмута включают оксид висмута, нитрид висмута и соли висмута. Висмут и по меньшей мере один дополнительный элемент могут быть связаны посредством ковалентной связи или ионной связи. Термин «соединение висмута» также включает соединения, включающие один или более других металлов, помимо висмута, в частности, титан. Таким образом, определение «соединение висмута» также охватывает оксиды висмута и титана, нитриды висмута и титана и т.д.
Как используют в этом документе, «металлическое соединение» относится к соединению, которое содержит по меньшей мере один металл и обладает одним или более свойствами, присущими металлам, например, металлический блестящий цвет. Металлическое соединение может быть образовано из металла и неметалла, или из двух или более металлов. Следовательно, металлическое соединение может не содержать неметаллические элементы, но может быть образовано только из металлических элементов. В контексте настоящего изобретения, по меньшей мере следующие соединения считаются металлическими соединениями: нитрид галлия, нитрид галлия и титана, галлий-титан, галлий-висмут-титан, нитрид галлия, висмута и титана, нитрид висмута, нитрид висмута и титана и висмут-титан.
Как используют в этом документе, «однородный слой» означает слой, имеющий единообразный химический состав во всех направлениях (трех направлениях).
На Фиг. 1 и 2 проиллюстрировано воплощение согласно настоящему изобретению, в котором медицинское устройство представляет собой зубной абатмент. Зубной абатмент 100 содержит тело материала 102 основы, покрытое слоем 101, содержащим соединение галлия. Слой 101 образует поверхность абатмента, которая после имплантации должна быть обращена к десневой ткани и контактировать с ней.
Медицинское устройство по изобретению может быть выполнено из любого подходящего биосовместимого материала, например, из материалов, используемых для имплантируемых устройств. Обычно медицинское устройство содержит основу, имеющую поверхность, которая содержит соединение постпереходного металла, например, соединение галлия или соединение висмута. Основа может быть выполнена, например, из биосовместимого металла или металлического сплава, включая один или более материалов, выбранных из группы, состоящей из титана, циркония, гафния, ванадия, ниобия, тантала, кобальта и иридия, и их сплавов. Альтернативно, основа медицинского устройства может быть выполнена из биосовместимого керамического материала, такого как оксид циркония, оксид титана, металлокерамические материалы с памятью формы и их сочетаний. В воплощениях, в которых медицинское устройство используют в качестве зубного абатмента, или оно образует часть зубного абатмента, основа предпочтительно выполнена из металлического материала.
2
2
3
3
4
В контакте с кислородом такие металлы, как титан, цирконий, гафний, тантал, ниобий и их сплавы, мгновенно вступают в реакцию с образованием инертного оксида. Таким образом, поверхности изделий из этих материалов фактически всегда покрыты тонким оксидным слоем. Естественный оксидный слой титановой основы главным образом состоит из диоксида титана (IV) (TiO) с небольшим количеством TiO, TiO и TiO.
Таким образом, в воплощениях, в которых медицинское устройство содержит один или более таких металлов, как титан, цирконий, гафний, тантал, ниобий, или сплав любого из них, медицинское устройство обычно имеет поверхностный слой из естественного оксида металла. Такой слой из естественного оксида металла может быть, в свою очередь, покрыт тонкой пленкой, содержащей соединение галлия. Альтернативно, слой из естественного оксида металла может быть модифицирован или замещен модифицированным поверхностным слоем, включающим постпереходный металл, такой как галлий или висмут, например, слоем из оксида титана и галлия или слоем из оксида титана и висмута.
В других воплощениях настоящего изобретения медицинское устройство, в частности, основа, может быть выполнено из биосовместимого полимера, обычно выбранного из группы, состоящей из полиэфирэфиркетона (ПЭЭК), полиметилметакрилата (ПММА), полимолочной кислоты (ПМК) и полигликолевой кислоты (ПГК), и любых их сочетаний и сополимеров.
В воплощениях изобретения медицинское устройство предназначено для краткосрочного, пролонгированного или длительного контакта с живой тканью. Например, медицинское устройство по изобретению может представлять собой имплантат, обычно предназначенный для временного или постоянного замещения или восстановления функции или структуры тела.
Обычно по меньшей мере часть поверхности медицинского устройства предназначена для контакта с мягкой тканью, и по меньшей мере часть этой поверхности контакта с мягкой тканью имеет слой, содержащий соединение постпереходного металла, например соединение галлия или соединение висмута. Например, медицинское устройство может представлять собой имплантат, предназначенный для контакта главным образом или исключительно с мягкой тканью, например, зубной абатмент. Альтернативно, медицинское устройство может представлять собой имплантат, предназначенный для внедрения частично в кость и частично в мягкую ткань. Примеры таких имплантатов включают цельные зубные имплантаты и закрепляемые на кости слуховые устройства (также называемые закрепляемыми на кости слуховыми аппаратами). Когда только часть имплантата предназначена для контакта с мягкой тканью, предпочтительно слой, содержащий соединение постпереходного металла, например, соединение галлия или висмута, обеспечивают по меньшей мере на части поверхности контакта с мягкой тканью.
Медицинское устройство также может быть пригодно для контакта с хрящевой тканью.
В других воплощениях медицинское устройство может быть предназначено для контакта с костной тканью, например, челюстной костью, бедром или черепом млекопитающего, в частности, человека. Примеры таких медицинских устройств включат зубные фиксаторы и ортопедические имплантаты.
В воплощениях изобретения соединение постпереходного металла может представлять собой соединение галлия и/или соединение висмута. Подходящие соединения, в частности, включают соединения, которые можно наносить на поверхность с использованием технологии осаждения тонких пленок.
Примеры подходящих соединений галлия включают оксид галлия, нитрид галлия, карбид галлия, селенид галлия, сульфид галлия и другие соли галлия, которые можно нанести с использованием осаждения тонких пленок, например, хлорид галлия, фторид галлия, йодид галлия, оксалат галлия, фосфат галлия, мальтолат галлия, ацетат галлия и лактат галлия.
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
2
3
В воплощениях изобретения соединение галлия содержит по меньшей мере оксид галлия (GaO). Оксид галлия может присутствовать в аморфной или кристаллической форме. Кристаллические формы оксиды галлия включают α-GaO, β-GaO, γ-GaO, δ-GaO и ε-GaO.
Примеры подходящих соединений висмута включают оксид висмута, нитрид висмута, карбид висмута, селенид висмута, сульфид висмута и другие соли висмута, которые можно нанести с использованием осаждения тонких пленок, например, хлорид висмута, фторид висмута, йодид висмута, оксалат висмута, фосфат висмута, мальтолат висмута, ацетат висмута и лактат висмута.
Соединение постпереходного металла может включать по меньшей мере один дополнительный металл, такой как титан. Следовательно, в воплощениях изобретения соединение галлия может быть выбрано из группы, состоящей из оксида галлия, оксида галлия и титана, нитрида галлия, нитрида галлия и титана, галлий-титана, галлий-висмут-титана и нитрида галлия, висмута и титана. Подобным образом, соединение висмута может быть выбрано из группы, состоящей из оксида висмута, оксида висмута и титана, нитрида висмута, нитрида висмута и титана, висмут-титана, висмут-галлий-титана оксида висмута, галлия и титана и нитрида висмута, галлия и титана.
Не желая связывать себя с какой-либо конкретной теорией, полагают, что при контакте с живой тканью и/или жидкостями организма, слой, например, оксида галлия или нитрида галлия (возможно содержащий дополнительный металл, такой как титан) обеспечивает медленное, пролонгированное высвобождение ионов галлия. Такое высвобождение может быть более медленным и более длительным по сравнению с высвобождением ионов галлия из осажденной соли галлия, и таким образом может обеспечивать более длительный эффект в отношении образования биопленки. Кроме того, поверхностный слой, осажденный с использованием метода осаждения тонких пленок, используемый в воплощениях изобретения, прочно прикрепляется к нижележащей основе, и таким образом, избегают проблем, связанных с отслаиванием и шелушением поверхностного слоя. Отслаивание и шелушение может вызывать неблагоприятную воспалительную реакцию окружающей ткани, и помимо этого, может ослаблять эффект предотвращения образования биопленки, оказываемый поверхностным слоем.
В зависимости от целевого назначения медицинского устройства, могут требоваться различные свойства высвобождения. Например, более высокая скорость высвобождения постпереходного металла противомикробного действия может быть более благоприятной для краткосрочного применения, т.е. для медицинского устройства, предназначенного для краткосрочного контакта с живой тканью, по сравнению с устройством, предназначенным для пролонгированного или длительного контакта. На скорость высвобождения могут оказывать влияние различные факторы, например, степень кристалличности соединения.
При необходимости, в воплощениях изобретения медицинское устройство может дополнительно содержать соль постпереходного металла, например, соль галлия, выбранную из группы, состоящей из ацетата галлия, карбоната галлия, хлорида галлия, цитрата галлия, фторида галлия, формиата галлия, йодида галлия, лактата галлия, мальтолата галлия, нитрата галлия, оксалата галлия, фосфата галлия и сульфата галлия. Альтернативно, соль может представлять соль висмута, образованную с любым из этих противоионов. Такая соль может быть обеспечена в виде отложения, например, полученного посредством осаждения, на слое, содержащем соединение постпереходного металла.
Как отмечено выше, соединение постпереходного металла, например, соединение галлия или соединение висмута обычно содержится в нанесенном поверхностном слое. В воплощениях изобретения соединение, возможно включающее дополнительный металл, такой как титан, может составлять основную часть указанного слоя. Атомная концентрация (атомн. %) элементов, совместно образующих соединение постпереходного металла, составляет по меньшей мере 50 атомн. % слоя, предпочтительно, по меньшей мере 70 атомн. % и более предпочтительно, по меньшей мере 80 атомн. % элементов слоя.
Атомная концентрация постпереходного металла, например, галлия в слое может составлять от 5 атомн. % до 50 атомн. %, например, по меньшей мере 10 атомн. %, по меньшей мере 15 атомн. %, по меньшей мере 20 атомн. %, по меньшей мере 35 атомн. % или по меньшей мере 30 атомн. %, вплоть до, например, 50 атомн. %, например, вплоть до 45 атомн. % или вплоть до 40 атомн. %. Однако в воплощениях изобретения атомная концентрация постпереходного металла может составлять менее 5 атомн. %. Например, атомная концентрация постпереходного металла может составлять от 0,01 до 20 атомн. %, например, от 0,05 до 15 атомн. %, например, от 0,1 до 15 атомн. %. Например, в воплощениях, в которых соединение постпереходного металла включает галлий, содержание галлия в слое может составлять по меньшей мере 0,05 атомн. % или по меньшей мере 0,1 атомн. %, например, по меньшей мере 0,3 атомн. % или по меньшей мере 0,5 атомн. %. В воплощениях, в которых соединение постпереходного металла включает висмут, содержание висмута в слое может составлять, например, по меньшей мере 0,1 атомн. %, по меньшей мере 0,2 атомн. %, например, по меньшей мере 1 атомн. % или по меньшей мере 1,5 атомн. %.
2
3
Когда соединение галлия представляет собой по существу чистый оксид галлия (GaO), максимальное содержание галлия в слое составляет 40 атомн. %, а максимальное содержание кислорода в слое составляет 60 атомн. %. Однако, могут присутствовать примеси и загрязняющие вещества, например, углерод, в количестве вплоть до 20 атомн. %. Если соединение галлия представляет собой оксид галлия и титана, часть галлия замещена титаном, и таким образом, общее содержание галлия и титана составляет 40 атомн. %.
Когда соединение галлия представляет собой по существу чистый нитрид галлия (GaN), максимальное содержание галлия в слое составляет 50 атомн. %, и максимальное содержание азота составляет 50 атомн. %. Как описано выше, могут присутствовать загрязняющие вещества. Если часть галлия замещена другим металлом, таким как титан, общее содержание галлия и другого металла может все так же составлять 50 атомн. %, или оно может быть выше, вплоть до 75 атомн. %, если содержание азота низкое. В качестве примера, слой может содержать 50 атомн. % азота, 25 атомн. % титана и 25 атомн. % галлия.
Атомную концентрацию можно измерить, например, на глубине 40 нм или мене, и предпочтительно не большей, чем толщина слоя. Атомную концентрацию можно измерять с использованием рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС).
Как отмечено выше, при контакте с живой тканью, часть постпереходного металла, такого как галлий или висмут, может высвобождаться с поверхности медицинского устройства с течением времени. Следовательно, после имплантации содержание постпереходного металла и, возможно, других материалов, присутствующих на поверхности медицинского устройства, может изменяться с течением времени.
В некоторых воплощениях слой может включать, помимо соединения постпереходного металла, один или более других элементов или соединений (допирующую добавку), например при содержании 10 атомн. % или менее, как более подробно описано ниже. Слой, содержащий соединение галлия или другое соединение постпереходного металла может также содержать примеси или загрязняющие вещества, например, углерод, обычно в количестве 20 атомн. % или менее, и предпочтительно 15 атомн. % или менее, или 10 атомн. % или менее. Такие загрязняющие вещества могут попадать при упаковке. Следует отметить, что влажная упаковка, при которой поверхность может быть защищена водой, этанолом или т.п., снижает степень загрязнения углеродом, по сравнению с сухой упаковкой, когда поверхность подвергается воздействию воздуха, который обычно содержит летучие углеводороды. Загрязняющие вещества могут также присутствовать на поверхности основы перед нанесением слоя, содержащего соединение галлия. Степень загрязнения, обычно выражаемая в атомной концентрации углерода, может быть снижена посредством очистки поверхности перед нанесением соединения постпереходного металла, и возможно, после нанесения соединения постпереходного металла и/или посредством предотвращения дополнительного загрязнения поверхности перед измерением атомной концентрации элементов на поверхности.
В таблице 1 представлены возможные интервалы атомной концентрации для слоя, содержащего нитрид висмута, нитрид висмута и титана, оксид галлия, оксид галлия и титана, нитрид галлия или нитрид галлия и титана, соотвественно.
В воплощениях изобретения соединение постпереходного металла может главным образом содержать постпереходный металл и дополнительный металл, такой как титан. Например, поверхностный слой может содержать титан-галлий или титан-висмут в качестве соединения постпереходного металла. В таких воплощениях содержание постпереходного металла может составлять от 0,01 до 20 атомн. %, например, от 0,05 до 15 атомн. %, например, от 0,1 до 15 атомн. %, как описано выше. Кроме того, содержание титана может составлять от 10 до 99,9 атомн. %, например, от 10 до 60 атомн. % или от 10 до 30 атомн. %. Слой может дополнительно содержать азот при содержании от 0 до 15 атомн. %. Например, содержание азота в слое может обычно составлять от 0 до 5 атомн. %. Кроме того, в зависимости от обработки (например, стадий очистки) и/или аналитического оборудования, используемого для определения химического состава поверхности, слой может дополнительно иметь относительно высокое, но поверхностное, содержание кислорода, например, от 0 вплоть до 60 атомн. %.
В некоторых воплощениях поверхностный слой по существу состоит из одного или более соединений постпереходного металла, указанных выше. В соответствии с вышеизложенным, выражение «по существу состоит из» здесь означает, что слой не содержит материала (допирующие агенты, загрязняющие вещества и т.д.), отличного от одного или более соединений постпереходного металла, или содержит небольшое количество такого материала, например, только вплоть до 10 атомн. %, предпочтительно вплоть до 5 атомн. %, более предпочтительно вплоть до 2 атомн. %, а еще более предпочтительно вплоть до 1 атомн. % другого материала.
В общем, слой, содержащий соединение постпереходного металла, например, соединение галлия или соединение висмута, не содержит материала-носителя, такого как полимеры, растворители и т.д.
Слой, содержащий соединение постпереходного металла, такое как соединение галлия или соединение висмута, может иметь толщину от 1 нм до 1,5 мкм, например, от 0,1 до 1 мкм, в частности, от 0,3 до 1 мкм. Слой, имеющий толщину по меньшей мере 1 нм, может обеспечить достаточное противомикробное действие. Увеличение толщины слоя может обеспечить белую окраску, которая может быть предпочтительной для применений в стоматологии. Однако слой, имеющий толщину от приблизительно 10 нм также может иметь преимущество с эстетической точки зрения, по сравнению с выпускаемыми в настоящее время зубными абатментами. Например, слой оксида галлия толщиной 40 нм имеет насыщенный бронзовый цвет, который менее заметен на десне пациента, чем существующие абатменты из титана серого металлического цвета.
Когда требуется в основном противомикробное действие, слой, содержащий соединение постпереходного металла, может иметь толщину от 10 до 100 нм или возможно вплоть до 300 нм. С другой стороны, когда эстетический внешний вид, например, зубного абатмента, имеет большое значение, может быть предпочтительным слой толщиной от 0,5 до 1,5 мкм, например, от 0,7 до 1,5 мкм или от 0,7 до 1 мкм. Однако, более тонкие слои также могут обеспечить приемлемый внешний вид в отношении цвета, и он может быть по меньший мере более преимущественным, чем в случае зубных абатментов предшествующего уровня техники.
Слой может быть плотным, т.е. беспористым.
В воплощениях изобретения поверхность медицинского устройства может содержать единственный слой. Альтернативно, в других воплощениях изобретения, медицинское устройство может содержать различные слои, где, по меньшей мере, один слой включает соединение постпереходного металла, такого как соединение галлия или соединение висмута.
В воплощениях изобретения соль нетоксичного постпереходного металла, возможно образующая дополнительный слой, может быть обеспечена по меньшей мере на части слоя, осажденного в виде тонкой пленки и содержащего вышеуказанное соединение нетоксичного постпереходного металла. Например, раствор по меньшей мере одной соли галлия можно нанести на осажденный в виде тонкой пленки слой соединения постпереходного металла и обеспечить его выпаривание. Такие воплощения могут обеспечить высокую начальную скорость высвобождения галлия при контакте с живой тканью, что может иметь преимущество во многих случаях, для краткосрочного, пролонгированного, а также и для длительного контакта с тканью.
В воплощениях изобретения поверхностный слой медицинского устройства может содержать по меньшей мере один дополнительный элемент или соединение, например, биоактивный элемент или соединение, который может дополнительно улучшать заживление ткани или функционирование. Такие элементы или соединения могут быть включены в качестве допирующего агента в слой, содержащий соединение постпереходного металла, обычно при содержании 10 атомн. % или менее. Альтернативно, такой элемент (элементы) или соединение (соединения) можно наносить в качестве отдельного слоя, например, на слой, содержащий соединение постпереходного металла.
В воплощениях изобретения основа может иметь шероховатую поверхность, на которой расположен слой, содержащий соединение постпереходного металла. Поскольку слой, содержащий соединение постпереходного металла, может быть тонким, например 100 нм или менее, он может характеризоваться хорошей конформностью ступенчатого нанесения, и это означает, что слой повторяет шероховатость нижележащей поверхности и по существу сохраняет ее, не сглаживая эту поверхность. Однако, в тех воплощениях изобретения, где слой, содержащий соединение постпереходного металла, является относительно толстым, он может снижать шероховатость поверхности нижележащей основы.
Поверхность основы, и следовательно, возможно и поверхность медицинского устройства, образованная слоем, содержащим галлиевое соединение постпереходного металла, может иметь среднюю шероховатость Ra по меньшей мере 0,05 мкм, обычно по меньшей мере 0,1 мкм, например, по меньшей мере 0,2 мкм. Поскольку полагают, что поверхности, имеющие среднюю шероховатость (Ra) по меньшей мере 0,2 мкм, более склонны к образованию биопленки, слой, содержащий соединение постпереходного металла, например, соединение галлия или соединение висмута, как описано здесь, может иметь особенное преимущество для медицинских устройств, имеющих шероховатость поверхности по меньшей мере 0,2 мкм, и может быть еще в большей степени полезным для предотвращения образования биопленки на медицинских устройствах, имеющих еще более высокую шероховатость поверхности. В качестве примера, зубной абатмент, содержащий титановую основу, может иметь шероховатость поверхности примерно 0,2-0,3 мкм. Поверхностный слой, например, из галлиевого соединения, имеющий толщину приблизительно 40 нм, может по существу сохранить эту шероховатость поверхности (которая может требоваться, например, для облегчения прочной фиксации имплантата в окружающей ткани), но может предотвращать образование биопленки на поверхности имплантата и, следовательно, снижать риск возникновения инфекции и периимплантита.
Слой, содержащий соединение постпереходного металла, может быть образован посредством нанесения соединения постпереходного металла на поверхность медицинского устройства с образованием поверхностного слоя. Соединение постпереходного металла можно нанести с использованием известных методов осаждения, в особенности, методов осаждения тонких пленок. Подходящие методы могут включать физическое осаждение, химическое осаждение и физико-химическое осаждение. Одним примером таких методов является осаждение атомных слоев (ОАС), которое можно использовать для обеспечения, например, слоя оксида галлия на поверхности основы (Nieminen et al, 1996; Shan et al, 2005). Другие методы, которые можно использовать для осаждения, включают химическое осаждение из паровой фазы (Pecharroman et al, 2003; Kim et al, 2010), осаждение распылительным пиролизом (Kim & Kim, 1987; Hao et al, 2004), осаждение дуговым разрядом (Heikman et al, 2006), осаждение электронным пучком (Al-Kuhaili et al, 2003), импульсное лазерное осаждение (Orita et al, 2002), осаждение напылением (Karaagac & Parlak, 2011), осаждение распылением (Kim & Holloway, 2004) и осаждение молекулярным пучком (Passlack et al, 1995). Физаческое осаждение, химическое осаждение и физико-химическое осаждение также можно использовать для введения дополнительного элемента(ов) постпереходного металла, например в качестве легирующих добавок, для повышения лечения или регенерации тканей, находящихся в контакте с медицинским устройством.
ОАС и другие методы осаждения тонких пленок имеют ряд преимуществ для осаждения соединения (соединений) постпереходного металла, такие как регулируемая толщина слоя, регулируемый состав, высокая степень чистоты, конформность ступенчатого нанесения, хорошая равномерность (в результате обеспечивающая однородный слой) и хорошая адгезия. В частности, физическое осаждение из паровой фазы (ФОП) может обеспечить плотные слои с отличной адгезией к нижележащей основе.
Примеры
Пример 1А. Получение образцов, покрытых оксидом галлия
2
3
3
2
Были изготовлены таблетки из титана технической чистоты (т.ч., сорт 4) и очищены перед осаждением слоя аморфного GaO толщиной 40 нм посредством метода осаждения атомных слоев (Picosun, Finland) с использованием предшественников GaCl и HO, соответственно. После этого образы упаковывали в пластмассовые контейнеры и стерилизовали посредством облучения электронным пучком.
Пример 1В. Определение характеристик поверхности образцов, покрытых оксидом галлия
2
3
2
3
Для всех экспериментов по определению характеристик поверхности по восемь образцов из титана технической чистоты (т.ч.), из покрытого GaO титана т.ч., полученные как описано выше, и из выпускаемого покрытого TiN титана т.ч., готовили как описано в примере 1 (очищали, покрывали с использованием метода ОАС, в случае образцов, покрытых GaO, запаковывали и стерилизовали). Образцы, покрытые TiN, были включены для сравнения, поскольку известно, что покрытие из TiN обеспечивает слабое противомикробное действие.
Было обнаружено, что морфология поверхности и шероховатость поверхности не изменялись при нанесении покрытия методом ОАС, но слегка усиливались гидрофобные свойства.
а) Химия поверхности
2
3
2
3
Морфологию поверхности и химию поверхности исследовали с помощью средовой сканирующей электронной микроскопии (XL30 ESEM, Phillips, Netherlands) / энергодисперсионной спектроскопии (Genesis System, EDAX Inc., USA) при ускоряющем напряжении 10-30 кВ. На поверхности покрытых GaO образцов были обнаружены следующие элементы: кислород (О), галлий (Ga) и титан (Ti). Концентрация галлия составляла от 4 до 9 атомн. %, как измерено с использованием ускоряющего напряжения при 30 кВ и 10 кВ, соответственно. По оценке, глубина анализа с использованием этого метода составляет приблизительно 1 мкм, т.е. она гораздо больше, чем толщина слоя. Не было обнаружено никаких различий в показателях морфологии поверхности между контрольными образцами титана технической чистоты и покрытого GaO титана.
Дополнительно химию поверхности исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) (XPS, Physical Electronics, USA), которая является более чувствительным методом исследования поверхности, чем энергодисперсионная спектроскопия. В качестве источника рентгеновских лучей использовали монохроматический AlKα. Пучок фокусировали до 100 мкм. Были обнаружены следующие элементы: кислород (О), галлий (Ga) и углерод (С). Концентрация галлия составляла от 34 до 37 атомн. %. Концентрация кислорода составляла от 47 до 50 атомн. %. По оценке, глубина анализа с использованием этого метода составляет приблизительно 5-10 нм. Результаты представлены в таблице 2.
б) Морфология поверхности Шероховатость поверхности определяли с помощью профилометриу поверхности (Hommel Т1000 wave, Hommelwerke GmbH, Germany).
a
Использовали диапазон по вертикали 320 мкм и длину оценки 4,8 мм. Анализировали по два образца каждого типа и выполняли по три измерения на образец. Шероховатость поверхности R рассчитывали после использования процесса фильтрации с отсечкой при 0,800 мм. Результаты представлены в таблице 3.
в) Смачиваемость
Для определения смачиваемости измеряли угол смачивания, используя систему для определения угла смачивания (Drop Shape Analysis System DSA 100, Kruss GmbH, Germany). Измерения выполняли с использованием деионизированной воды. Результаты показывают, что все образцы оказались гидрофобными (>90°), как видно из таблицы 4.
Пример 1С. Противомикробное действие покрытых оксидом галлия поверхностей
Было обнаружено, что титановое тело, имеющее поверхность, содержащую галлий (Ga) в форме оксида галлия может предотвращать рост Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus на и вокруг поверхности, и таким образом, оно может быть пригодным для предотвращения пагубных инфекций вокруг, например, зубного абатмента, имплантированного в десну.
а) Подавление бактериального роста в чашке Петри со штриховой культурой
В первом эксперименте таблетки из титана технической чистоты (∅ 6,25 мм), с покрытием из оксида галлия и без него, помещали в чашки Петри с агаром, содержащие однородно распределенные колонии Pseudomonas aeruginosa. После инкубации в течение 24 часов при 37°C была обнаружена не содержащая колоний видимая зона 4 мм шириной, которая окружала таблетки с оксидом галлия, в то время как титановые таблетки были окружены колониями бактерий.
б) Подавление роста бактерий с использования метода контакта с пленкой
6
Во втором эксперименте использовали метод контакта с пленкой (Yasuyuki et al, 2010). Были приготовлены чашки Петри со штриховой культурой Pseudomonas aeruginosa (РА01) или устойчивых к метилицину Staphylococcus aureus (YMSA) и 1 колонию засевали в 5 мл триптического соевого бульона (ТСБ) в культуральные пробирки и выращивали при встряхивании в течение 18 часов. Плотность клеток измеряли в спектрофотометре при OD 600 нм и количество клеток считали с использованием камеры подсчета клеток. Клеточную культуру доводили до плотности 1-5⋅10 клеток/мл с помощью стерильного ТСБ. Образцы в виде таблеток (∅ 6,25 мм) из титана технической чистоты (т.ч.), таблеток из титана т.ч. с покрытием из оксида галлия или таблеток из титана т.ч. с известным покрытием из нитрида титана (TiN) приготавливали в стерильных условиях и помещали в соответствующую лунку 12-луночного планшета. Вырубали тонкую прозрачную полимерную пленку и стерилизовали, используя 70% этанол и УФ облучение на каждой стороне. Каплю бактерий в ТСБ объемом 15 мкл наносили на каждый образец. Одну тонкую полимерную пленку помещали на каждый образец поверх бактерий, так что бактериальный раствор равномерно распределялся по поверхности образца, что обеспечивало хороший контакт. После инкубации в течение 24 при 30±1°C с каждого образца удаляли пленку в стерильных условиях и промывали ее посредством нанесения пипеткой 1 мл фосфатного буферного раствора (PBS, ФБР) на поверхность в отдельной микропробирке эппендорфа емкостью 2 мл для каждого образца. Образцы перемещали в те же микропробирки эппендорфа, что и используемые при промывки пленке. Сначала поверхность каждого образца промывали посредством нанесения пипеткой точно такого же ФБР, как используемый для промывки пленки. Затем образцы обрабатывали ультразвуком в течение 1 мин и интенсивно перемешивали в течение 1 мин в точно такой же пробирке, которую ранее использовали для промывки пленки. Затем выполняли последовательные разбавления и определение количества микроорганизмов посевом в чашках Петри. Чашки выдерживали в течение 24 ч и подсчитывали и записывали число колоний. Было определено, что противобактериальная активность покрытого оксидом галлия титана против РА01 приводила к 92% снижению, а против YMSA - к 71% снижению, по сравнению с титаном, как видно из таблиц 5 и 6.
в) Влияние на биопленку in situ

6

В третьем эксперименте противомикробное действие дисков из титана, с покрытием из оксида галлия или без него, оценивали in situ, используя контрастное вещество Live/Dead BacLight™ (Life Technologies Ltd, UK). Были приготовлены чашки Петри со штриховой культурой Pseudomonas aeruginosa (РА01) и 1 колонию засевали в 5 мл ТСБ в культуральные пробирки и выращивали при встряхивании в течение 18 часов. Плотность клеток измеряли в спектрофотометре при OD 600 нм и ее доводили до 1⋅10 клеток/мл с помощью стерильного ТСБ. 400 мкл бактерий были распределены в равном количестве на стекла с восемью ячейками. Была обеспечена возможность образования биопленки в течение 24 ч при 35±°C. Образцы таблеток (∅ 6,25 мм) из титана технической чистоты (т.ч.), таблеток из титана т.ч. с покрытием из оксида галлия или таблеток из титана т.ч. с покрытием из нитрида титана (TiN) приготавливали в стерильных условиях и накладывали на биопленку. Противомикробное действие исследовали in situ, используя контрастное вещество Live/Dead.
Исследования in situ показали, что как покрытие из нитрида титана, так и покрытие из оксида галлия препятствуют образованию биопленки, по сравнению с непокрытым титаном, в показателях жизнеспособности. При анализе через 24 часа было наглядно обнаружено, что типичная грибовидная структура биопленок исчезла в случаях с нитридом титана и оксидом галлия. Также оказалось, что на оксиде галлия было заметно большее количество мертвых клеток, чем на нитриде титана.
Пример 2А. Получение образцов, покрытых нитридом или металлом Были изготовлены таблетки из титана технической чистоты (т.ч., сорт 4) и очищены перед осаждением слоя толщиной 0,5-1 мкм из титан-висмута (TiBi), нитрида титана с висмутом (TiNBi), титан-галлия (TiGa) или нитрида титана с галлием (TiNGa) с использованием физического осаждения из паровой фазы (ФОПФ). Для TiBi/TiNBi и TiGa/TiNGa использовали мишени из TiBi и TiGa, соотвественно. После этого образы упаковывали в пластмассовые контейнеры и стерилизовали посредством облучения электронным пучком.
Пример 2В. Определение характеристик поверхности образцов, покрытых нитридом или металлом
Для этих экспериментов по определению характеристик поверхности использовали образцы титана технической чистоты (т.ч.), покрытого TiBi титана, покрытого TiNBi титана, покрытого TiGa титана и покрытого TiNGa титана, полученные как описано в примере 2А.
Было обнаружено, что морфология поверхности и шероховатость поверхности не изменялись при нанесении покрытия методом ФОПФ, и как непокрытый титан, так и покрытые образцы имели гидрофильные свойства.
Нитридные образцы (TiNGa, TiNBi) имели золотистый цвет, похожий на цвет поверхностей из TiN на имеющихся в продаже зубных имплантатах. Предполагается, что поверхностный слой из BiN или GaN также имеет золотистую окраску. В противоположность этому образцы из TiBi и TiGa имеют серый металлический цвет, похожий на цвет непокрытых образцов титана.
а) Морфология поверхности и химия поверхности
Морфологию поверхности и химию поверхности исследовали с помощью средовой сканирующей электронной микроскопии (XL30 ESEM, Phillips, Netherlands) / энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) (Genesis System, EDAX Inc., USA) при ускоряющем напряжении 10 кВ. Было обнаружено, что концентрация висмута (Bi) и галлия (Ga) на образцах с покрытием (TiBi, TiNBi, TiGa, TiNGa) составляет вплоть до 12,6 атомн. % для Bi и 1,1 атомн. % для Ga, как измерено с использованием ускоряющего напряжения при 10 кВ. Другие элементы, обнаруженные на поверхностях, представляли собой титан (Ti), азот (N), кислород (О) и углерод (С). По оценке, глубина анализа с использованием этого метода составляет приблизительно 1 мкм, т.е. она возможно больше, чем толщина слоя. Не было обнаружено никаких различий в показателях морфологии поверхности между контрольными образцами выпускаемого титана технической чистоты и титана с покрытием (TiBi, TiNBi, TiGa, TiNGa).
Дополнительно химию поверхности исследовали с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) (XPS, Physical Electronics, USA), которая является более чувствительным методом исследования поверхности, чем энергодисперсионная спектроскопия. В качестве источника рентгеновских лучей использовали монохроматический AIKα. Пучок фокусировали до 100 мкм. Были обнаружены следующие элементы: титан (Ti), азот (N), углерод (С) и кислород (О), а также висмут (Bi) (для образцов TiBi и TiNBi) и галлий (Ga) (для образцов TiGa и TiNGa). Были определены концентрации Bi и Ga вплоть до 3,3 атомн. % и 0,4 атомн. %, соотвественно. По оценке, глубина анализа с использованием этого метода составляет приблизительно 5-10 нм. Результаты представлены в таблице 7.
a
б) Шероховатость поверхности Шероховатость поверхности образцов по примеру 2А определяли с помощью профилометрии поверхности (Hommel Т1000 wave, Hommelwerke GmbH, Germany). Использовали диапазон по вертикали 320 мкм и длину оценки 4,8 мм. Анализировали по три образца каждого типа и выполняли по три измерения на образец. Шероховатость поверхности в показателях среднего значения вертикальных отклонений профиля шероховатости от средней линии (R) рассчитывали после использования процесса фильтрации с отсечкой при 0,800 мм. Результаты представлены в таблице 8.
в) Смачиваемость
Для определения смачиваемости образцов по примеру 2А измеряли угол смачивания, используя систему для определения угла смачивания (Drop Shape Analysis System DSA 100, Kruss GmbH, Germany). Измерения выполняли с использованием деионизированной воды. Результаты показывают, что все образцы оказались гидрофильными (<90°), хотя между испытательными образцами наблюдались расхождения, как видно из таблицы 9.
Пример 2С. Высвобождение галлия и висмута из поверхностных покрытий
Высвобождение галлия (Ga) и висмута (Bi) из всех поверхностных покрытий (TiBi, TiNBi, TiGa, TiNGa) было подтверждено экспериментами. При рН равном 7,4 высвобождалось небольшое количество Ga и Bi, соответственно, но при рН равном 5,0 высвобождение Bi значительно увеличивалось.
Для всех экспериментов по высвобождению использовали образцы титана технической чистоты (т.ч.), покрытого TiBi титана, покрытого TiNBi титана, покрытого TiGa титана и покрытого TiNGa титана, полученные как описано в примере 2А.
Эксперименты по высвобождению выполняли посредством погружения образцов либо в фосфатный буферный раствор (рН=7,4) либо в ацетатный буферный раствор (рН=5,0). рН равный 7,4 был предназначен для воспроизведения физиологических нейтральных условий (рН=7,4). рН равный 5,0 был предназначен для воспроизведения условий, которые могут возникать локально в ткани, в случае воспаления и/или инфекции. Использовали стеклянные колбы, содержащие 10 мл буферного раствора, причем в одну колбу помещали один образец. Колбы помещали на вибростенд при температуре 37°C в течение эксперимента. Спустя 1, 4, 7 и 24 суток отбирали образцы жидкости и определяли концентрации Bi и Ga с использованием масс-спектроскопии с секторальным полем и индуктивно связанной плазмой (МССП-ИСП). Результаты представлены в таблице 10.
Пример 2D. Противомикробное действие образцов, покрытых нитридом или металлом
Было обнаружено, что титановое тело, имеющее поверхность, содержащую галлий (Ga) или висмут (Bi) в форме TiGa, TiNGa, TiBi или TiNBi, может предотвращать рост Pseudomonas aeruginosa и Staphylococcus aureus на и вокруг поверхности, и таким образом, оно может быть пригодным для предотвращения пагубных инфекций вокруг, например, зубного абатмента, имплантированного в десну.
а) Противомикробное действие висмута (Bi) и галлия (Ga) относительно различных видов бактерий
3
3
3
Были подготовлены чашки Петри со штриховой культурой и проведено определение характеристик с использованием окрашивания по Грамму. YMSA и РА01 выращивали в чашках с триптическим соевым агаром (ТСА) и S. sanguinis в чашках с лошадиной кровью в течение 24 ч, тогда как P. gingivalis выращивали за период от 4 до 5 суток в чашках с агаром для требовательных анаэробных микроорганизмов (АТА). Было проведено пятикратное разбавление по меньшей мере за пять стадий нитрата галлия (Ga(NO)) или хлорида висмута (BiCl). Соль висмута необходимо было суспендировать в диметилсульфоксиде (ДМСО, DMSO), чтобы обеспечить растворение соли в культуральных средах.
Равные количества бактериального раствора и соли противомикробного действия (пятикратно разбавленной) смешивали и выдерживали при 35±2°C: YMSA, РА01 и S. sanguinis в течение 24 ч, а P. gingivalis в течение 4 или 5 суток. После инкубации была зафиксирована концентрация, где не было заметного роста. Результаты представлены в таблице 11.
3
3
Значения МИК показывают, что как Ga, так и Bi оказывают противомикробное действие в отношении различных видов бактерий, хотя это действие различно для различных видов. Колебания значений МИК для BiCl в отношении YMSA и РА01 вероятно было вызвано неудовлетворительным разбавлением BiCl (высокие значения показывают, что соль не была полностью растворена и, таким образом, не могла оказывать ингибирующий эффект).
б) Подавление роста бактерий с использования метода контакта с пленкой
6
В другом эксперименте использовали метод контакта с пленкой (Yasuyuki et al, 2010). Были приготовлены чашки Петри со штриховой культурой Pseudomonas aeruginosa (РА01) и 1 колонию засевали в 5 мл триптического соевого бульона (ТСБ) в культуральные пробирки и выращивали при встряхивании в течение 18 часов. Плотность клеток измеряли в спектрофотометре при OD 600 нм и количество клеток считали с использованием камеры подсчета клеток. Клеточную культуру доводили до плотности 1-5⋅10 клеток/мл с помощью стерильного ТСБ. Образцы в виде таблеток (∅ 6,25 мм) из титана технической чистоты (т.ч.) и таблеток из титана т.ч. с покрытием из TiBi, TiNBi, TiGa или TiNGa приготавливали в стерильных условиях и помещали в соответствующую лунку 12-луночного планшета. Вырубали тонкую прозрачную полимерную пленку и стерилизовали, используя 70% этанол и УФ облучение на каждой стороне. Каплю бактерий в ТСБ объемом 15 мкл наносили на каждый образец. Одну тонкую полимерную пленку помещали на каждый образец поверх бактерий, так что бактериальный раствор равномерно распределялся по поверхности образца, что обеспечивало хороший контакт. После инкубации в течение 24 при 30+1°C с каждого образца удаляли пленку в стерильных условиях и промывали ее посредством нанесения пипеткой 1 мл ФБР на поверхность в отдельной микропробирке эппендорфа емкостью 2 мл для каждого образца. Образцы перемещали в те же микропробирки эппендорфа, что и используемые при промывке пленки. Сначала поверхность каждого образца промывали посредством нанесения пипеткой точно такого же ФБР, как используемый для промывки пленки. Затем образцы обрабатывали ультразвуком в течение 1 мин и интенсивно перемешивали в течение 1 мин в точно такой же пробирке, которую ранее использовали для промывки пленки. Затем выполняли последовательные разбавления и определение количества микроорганизмов посевом в чашках Петри. Чашки выдерживали в течение 24 ч и подсчитывали и записывали число колоний. Было определено, что противобактериальная активность образцов титана, покрытого TiBi, TiNBi, TiGa или TiNGa против РА01 приводила к >99,5% снижению по сравнению с титаном, как видно из таблицы 12.
Пример 2Е. Цитотоксичность образцов, покрытых нитридом или металлом
При испытании на цитотоксичность было обнаружено, что все поверхностные покрытия (TiBi, TiNBi, TiGa, TiNGa) усиливают митохондриальную активность фибробластов, т.е. жизнеспособность клеток, по сравнению с непокрытыми титановыми поверхностями.
Цитотоксичность оценивали с помощью теста (3-(4,5-диметилтиазол-2-ил)-5-(3-карбокси метоксифен и л)-2-(4-сул ьфофен ил)2Н-тетразолиума (MTS) с использованием человеческих фибробластов (MRC-5). Тест MTS определяет митохондриальную активность в клетках и приводит ее в соответствие с жизнеспособностью/количеством клеток. Для экспериментов на цитотоксичность использовали образцы титана технической чистоты (т.ч.), покрытого TiBi титана, покрытого TiNBi титана, покрытого TiGa титана и покрытого TiNGa титана, полученные как описано в примере 2А.
5
Клетки пересевали согласно методическим рекомендациям Американской коллекции типовых культур. Клетки достигли приблизительно 80%-ной конфлюентности, когда их использовали в эксперименте. По шесть таблеток каждого образца помещали в стерильных условиях в 24-луночный планшет, по 1 таблетке на лунку. К каждому диску и контрольным образцам добавляли 100 мкл клеток MRC-5 при плотности 1⋅10 клеток/мл. Затем планшеты выдерживали в течение одного часа, чтобы обеспечить возможность прикрепления клеток перед добавлением в каждую лунку культуральной среды с целыми клетками. Затем, перед анализом, планшеты выдерживали в течение 24 ч. Для теста MTS по 4 таблетки каждого образца перемещали из 24-луночных планшетов в 48-луночные планшеты. 500 мкл реагента теста MTS добавляли в каждую лунку и выдерживали в течение 4 ч. Затем записывали поглощение при 490 нм. Величины поглощения для каждого образца приводили к этой величине для контрольного образца непокрытого титана, принятой за 100% (таблица 13).
Таким образом, было продемонстрировано с помощью экспериментов, что поверхностный слой, содержащий соединение постпереходного металла, в данном случае, соединение галлия, висмута или обоих элементов, может быть нанесен на основу из биосовместимого металла (титана), чтобы обеспечить противомикробное действие в отношении ряда видов бактерий. Также было показано, что происходит высвобождение постпереходного металла из поверхностного слоя в физиологически нейтральных условиях. Кроме того, в кислых условиях, которые могут существовать очень локализовано в ткани, в случае воспаления/инфекции, высвобождение постпереходного металла может даже значительно возрастать. Наконец, испытанные поверхностные слои являются нетоксичными для клеток человеческих фибробластов и, фактически, могут усиливать митохондриальную активность фибробластов.
Специалисту в данной области техники понятно, что настоящее изобретение никоим образом не ограничено описанными выше предпочтительными воплощениями. Напротив, возможно множество модификаций и вариантов в пределах области защиты изобретения, определенной приложенной формулой изобретения.
Кроме того, варианты раскрытых воплощений могут быть понятны специалисту из изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения и реализованы при применении на практике настоящего изобретения. В формуле изобретение слово «содержащий» не исключает другие элементы или стадии, и указание элемента в единственном числе не исключает наличия множества элементов. Сам по себе факт, что некоторые признаки указаны в отличных друг от друга зависимых пунктах не означает, что сочетание этих признаков нельзя использовать для достижения преимущества.
Литература
1. М.F. Al-Kuhaili, S.М.A. Durrani, Е.Е. Khawaja. Appl Phys Lett 83 (2003) 4533-4535.
2. J. Hao, Z. Lou, I. Renaud, M. Cocivera. Thin Sold films 467 (2004) 182-185.
3. S. Heikman, S. Keller, U. K. Mishra. J Crystal Growth 293 (2006) 335-343.
4. Y. Kaneko, M. Thoendel, O. Olakanmi, В.E. Britigan and P.K. Singh, The Journal of Clinical Investigation, Vol 117 (2007) 877-888.
5. H. Karaagac, M. Parlak. J Mater Sci Mater Electron 22 (2011) 1426-1432.
6. HG. Kim, W.T. Kim. J Appl Physics 62 (1987) 2000-2002.
7. J.H. Kim, P.H. Holloway. J Appl Physics 95 (2004) 4787-4790.
8. Y.H. Kim, H. Ruh, Y.K. Noh, M.D. Kim, J.E. Oh. J Appl Physics 107 (2010) 063501-1-4.
9. M. Nieminen, L. Niinisto and E. Rauhala. J Mater Chem 6 (1996) 27- 31.
10. O. Olakanmi J.S. Gunn, S.Su, S. Soni, D.J. Hassett, В.E. Britigan. Antimicrobial agents and Chemotherapy 54 (2010) 244-253.
11. M. Orita, H. Hiramatsu, H. Ohta, M. Hirano, H. Hosono. Thin solid films 41 1 (2002) 134-139.
12. M. Passlack, M. Hong, E.F. Schubert, J.R. Kwo, J.P. Mannaerts et al. Appl Phys Lett 66 (1995) 625-627.
13. C. Pecharroman, F. Gracia, J.P. Holgado, M. Ocana, A.R. Gonzalez-Elipe et al. J Appl Physics 93 (2003) 4634-4645.
14. F.K. Shan, G.X. Liu, W.J. Lee, G.H. Lee, I.S. Kim et al. J Appl Physics 98 (2005) 023504-1-6.
15. M. Yasuyuki, K. Kunihiro, S. Kurissery, N. Kanavillil, Y. Sato, Y. Kikuchi. Biofouling 26 (2010) 851-858.