ПОЛИЭТИЛЕНОВЫЙ ВКЛАДЫШ ОРТОПЕДИЧЕСКОГО ИМПЛАНТАТА

Полезная модель относится к медицине, а именно к имплантатам и может быть использована в травматологии и ортопедии при изготовлении имплантатов для оперативного лечения суставов различной этиологии.
К имплантатам или вспомогательным элементам, которые находятся в организме постоянно или в течение длительного периода и заменяют поврежденную часть тела полностью или частично, предъявляют очень высокие требования.
Известные имплантаты из биосовместимых материалов значительно различаются по материалу и внешнему виду, в зависимости от локализации применения, и могут состоять, например, из металла, металлических сплавов, пластмасс или полимеров, а также из их комбинаций. В зависимости от локализации применения они могут иметь шероховатую или гладкую, микропористую или макропористую, гидрофильную или гидрофобную поверхность с нанесенным покрытием или предварительно обработанную любым другим способом. Для покрытия имеет значение материал этого элемента, поскольку разные способы покрытия могут быть обусловлены свойствами этого материала.
Оптимально эффективное покрытие поверхности имплантата должно увеличивать запланированный ресурс работы эндопротеза или, по меньшей мере, увеличивать необходимое время пребывания в организме, и такое покрытие должно предотвращать ревизию протеза, которая может быть необходимой, несмотря на оптимальную подгонку протеза и отсутствие осложнений при его введении. С помощью покрытия должна осуществляться адаптация имплантата к окружающим тканям. Покрытие должно способствовать процессу заживления без осложнений, содействовать принятию инородного тела в организме и предотвращать или уменьшать потенциальные посторонние факторы, которые могут препятствовать и предотвращать процесс заживления.
Известны различные конструкции ортопедических имплантатов из титана и нержавеющей стали, в том числе с покрытиями с антибактериальным эффектом (см. патент РФ №2582980, МПК А61В 17/74, патент РФ №2580978, МПК А61В 17/76, патент РФ №2361623, МПК A61L 27/06, патент РФ №2472532, МПК A61L 27/30, 20.01.2013 г.)
Известны имплантаты суставов, например, по патентам РФ 208515, 2257871, с модульными компонентами.
Известны конструкции имплантатов, изготовленные из титана или титановых сплавов, с покрытиями на основе углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C или карбинового типа.(патент RU №2722277 МПКA61L 27/06), на основе углеродного материала и серебра, входящих в материал покрытия, из осажденного на покрываемые устройства биосовместимого бактерицидного покрытия в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 (патент RU №2697855 МПКA61L 15/06). Конструкция из металла по патенту RU №2697855 характеризуется надежным покрытием, проявляющим одновременно свойства биосовместимости с тканями организма, с минимизацией опасности возникновения воспалительных процессов, свойство бактерицидности.
Известны различные конструкции имплантатов, например, имплантат коленного сустава (патент РФ 2204359, 2003), в которых модульные компоненты могут быть представлены металлическими конструкциями, например, бедренным и большеберцовым компонентом, а также полиэтиленовыми, - например, полиэтиленовым вкладышем между бедренным и большеберцовым компонентом. Однако, различные исследования привели к заключению, что износ полиэтиленовых компонентов имплантата может привести к высвобождению сверхмелких частиц полиэтилена в окружающие имплантат ткани. Было высказано предположение, что абразивное истирание растягивает последовательно фальцованные кристаллиты для образования на суставной поверхности анизотропных волокнистых структур. Растянутые волокна могут затем разорваться, приводя к образованию частиц микроскопического размера. В ответ на прогрессирующее проникновение этих полиэтиленовых частиц между протезом и костью начинается вызванная макрофагами резорбция кости вокруг протеза. Макрофаги, часто неспособные переварить эти полиэтиленовые частицы, синтезируют и высвобождают большое количество цитокинов и факторов роста, которые в конечном счете могут привести к резорбции кости остеокластами и моноцитами. Этот остеолизис может способствовать механическому разбалтыванию компонентов протеза, требуя таким образом повторной операции с ее сопутствующими проблемами. Кроме того, известные полиэтиленовые компоненты ортопедических имплантатов не обеспечивают высокие антибактериальные свойства, а также высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является техническое решение по патенту RU № 2211008, МПК A61L27/06, представляющее собой имплантат, который может, в том числе, быть частью, например, вкладышем в составе имплантата. Данная конструкция изготовлена из поперечно сшитого по поверхности полиэтилена, имеющего поперечные сшивки, полученные обработкой облучением при нагревании. Процесс сшивки влияет на прочностные свойства полиэтиленового имплантата, что способствует сохранению его целостности. Однако, такой вкладыш имплантата также не обеспечивает высоких антибактериальных свойств и высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента. При этом имплантат из материала с антибактериальным и антиадгезионным покрытием, но с вкладышем или другим компонентом из сшитого полиэтилена, в целом не обладает антибактериальными, биосовместимыми  антиадгезивными свойствами, так как совокупностью таких свойств не обладает вкладыш из такого материала. Необходимо также отметить, что сшивка при нагревании является достаточно сложным процессом.
Задачей изобретения является создание вкладыша ортопедического имплантата из полиэтилена, поверхность которого имеет антиадгезивные и антибактериальные свойства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение арсенала техническихсредств, относящихся к конструкциям ортопедических имплантатов с покрытием, конструкции которых содержат, кроме металлических, полиэтиленовые элементы, с высокими антиадгезивными свойствами, надежно препятствующим в процессе его эксплуатации образованию бактериальной биопленки на поверхности, высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента. При этом, благодаря таким свойствам, должна обеспечиваться надежная защита поверхности имплантированного ортопедического имплантата от возникновения перипротезной инфекции.
Этот результат достигается тем, что во вкладыше ортопедического имплантата, выполненном из полиэтиленового материала с поперечно сшитой в наружном слое материала поверхностью, эта поверхность выполнена путем бомбардировки предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5-2 кВ, кроме того, вкладыш содержит на наружной поверхности  биосовместимый бактерицидный слой материала покрытия, представляющий собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 с атомами серебра, осажденный на сшитую поверхность наружного слоя полиэтиленового материала, сформированный импульснымм дуговымм разрядом между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, с частотой следования импульсов разряда
12
13
-3
-2
-4
1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·10-1·10 сми включенных в этот поток атомовсеребра, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-1·10Па.
12
13
-3
-2
-4
Отличительными существенными признаками полезной модели являются то, что поперечно сшитая полиэтиленовая поверхность вкладыша, содержащаяся  в наружном слое вкладыша, получена обработкой бомбардировкой, после предварительного очищения поверхности, ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5-2 кВс. Кроме того, наружная поверхность вкладыша покрыта материалом биосовместимого бактерицидного покрытия в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковыхфорсгустков плазмы плотностью 5·10-1·10сми включенных в этот поток атомовсеребра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-1·10Па, а также осаждении на покрываемую сшитую поверхность имплантата
Полиэтиленовые вкладыши используются в ортопедических эндопротезах, например, в имплантатах коленного или тазобедренного сустава.
Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, представленными на фигурах:
Фиг. 1, 2, на которых представлены имплантаты коленного сустава (фиг.1) и тазобедренного сустава (фиг.2), где 1- бедренный компонент, 2 – полиэтиленовый вкладыш, 3 – большеберцовый компонент, 4 – искусственная вертлужная впадина, 2 - полиэтиленовый вкладыш, 5 – головка имплантата, 6 – ножка имплантата.
На фиг. 3 изображена вакуумная камера 7, в корпусе которой размещены цилиндрический катод 8, для изготовления которого может быть использован графит марки МПГ-6 или АПВ с вставленными заподлицо с рабочей поверхностью 16 катода серебряными вставками 14, например, в виде цилиндрических стержней из серебра марки Ср 999. При этом наиболее оптимально для получения покрытия в виде двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1 с равномерно распределенным в нем серебром серебряные вставки устанавливают заподлицо с графитовой поверхностью катода так, что они образуют серебряные включения, равномерно распределенные по графитовой поверхности катода, что облегчает возможность подбора концентрации серебра в покрытии при необходимости. Устройство также содержит анод 13 с подложкой 10 для размещения полиэтиленового вкладыша 2, ионно-лучевой источник 9, натекатель инертного газа 15. На рисунке также изображены направление потока ионов инертного газа 11, используемого для очистки полиэтиленовой поверхности и для ее бомбардировки, направление потока кластеров плазмы 12 углеродного материала.
На фиг. 4 представлен графически спектр комбинационного рассеяния монохроматического света, который свидетельствует о том, что произошла сшивка молекул в поверхностном слое, а в пленке присутствует структура двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1.
На фиг. 5 изображена капля воды на поверхности сшитого ПЭ
12
13
-3
n
Для нанесения покрытия после предварительной очистки поверхности инертным газом и сшивки поверхностного слоя ПЭ путем бомбардировки ионами инертного газа с энергией 500-2000 эВ формируют импульсный дуговой разряд между катодом 2 и анодом 7 с частотой следования импульсов дугового разряда 1-5 Гц и длительностью импульса 200-600 мкс. При этом образуются кластеры углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·10-1·10 см. При формировании плазменного форсгустка углерода в результате импульсного нагрева поверхности графита до температуры 3000°С происходит испарение с поверхности катода углерода в виде цепочек C(где n=1, 2, 3, 5, 7) и ионно-плазменное испарение серебра в импульсном катодном разряде. Образующиеся цепочки поступают на поверхность подложки 4, на которой размещен покрываемый вкладыш 2, происходит их поликонденсация на поверхности вкладыша, то есть образование более длинных цепочек за счет объединения.
-2
-4
При этом проводят стимуляцию углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов. Ионный источник (3) позволяет получать пучок ионов любых газов с энергией от 150 до 2000 эВ, которые используются и для ионной стимуляции процесса конденсации углеродной плазмы на изделие. Углеродная плазма распространяется нормально по отношению к пучку ионов газа в вакууме при давлении 1·10-1·10 Па, осаждая на покрываемые устройства биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1. Большое межцепочечное расстояние в линейно-цепочечном углероде обеспечивает его высокие адсорбционные свойства, в том числе и по отношению к серебру.
В процессе сшивки полиэтилена в поверхностном слое при бомбардировке ионами инертного газа атомы Н отрываются от CH групп на концах молекул полиэтилена, а атомы С образуют химическую связь между собой. Таким образом, происходит сшивка. Подтверждением сшивки является изменение смачиваемости поверхности, у ПЭ – гидрофобная, а у сшитого ПЭ – гидрофильная. На фиг. 5 изображена капля воды на поверхности сшитого ПЭ, изображение свидетельствует, что поверхность гидрофильная, т.е. после облучения и до нанесения ЛЦУ происходит в том числе аморфизация поверхности ПЭ. Сами линии ПЭ узкие и находятся в области от 1000 до 1500 см-1 и 2300-3000 см-1. Полуширина линий ПЭ практически не изменяется, - это значит, что структура ПЭ дальше модифицированного поверхностного слоя не меняется.
После сшивки и роста ЛЦУ на спектрах 1-4 появляется широкая полоса в области 1450-1700 см-1 характерная для Sp1 связей в углероде и для ЛЦУ.
Сшивка поверхностного слоя позволяет увеличить прочность материала, также она необходима для увеличения качества нанесения углеродного серебросодержащего материала.
Известно, что в основе любой органической молекулы лежит цепочка углеродных атомов, а углеродные материалы инертны по отношению к организму человека. Особая роль по биосовместимости принадлежит аллотропной форме углерода в так называемой Sp1- гибридизации. Абсолютная биологическая совместимость углерода с Sp1-гибридизацией атомов предсказана Rouf R. EtWilliams D. еще в 1975 году. Было высказано предположение, что углерод с отсутствующими свободными ковалентными связями не может оказывать химического и физического влияния на живые ткани и не будет вызывать клеточных реакций на инородное тело.
Известно, что в условиях живого организма система линейно-цепочечных форм углерода Sp1-гибридизацией (ЛЦУ) может стать самоорганизующейся, подстраивающейся под структуру нарастающего на неё белка за счет внедрения ионов из организма, в целях наиболее полной ассимиляции ее живым организмом (Бюллетень секции физики Академии Естественных наук России - 1993, N 1,с.12.)
Для исследования полученных свойств устройства вкладыша использовали образцы, выполненные из ультравысокомолекулярного ПЭ в соответствии с параметрами ГОСТ Р ИСО 5834-2.
-2
-4
12
13
-3
n
Каждый из полиэтиленовых образцов помещали в вакуумированную камеру фиг. 3 и проводили предварительную очистку поверхности инертным газом, после чего обрабатывали с помощью потока ионов инертного газа с энергией 500-2000 эВ, сформированного ионно-лучевым источником с ускоряющим напряжением 0,5-2 кВ, при токе соленоида 1,5-2А и токе пучка 100-200 мА, создавая бомбардировку полиэтилена ионами инертного газа в течение 5 мин. После этого проводят стимуляцию углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов от ионного источника, позволяющего получать пучок ионов любых газов с энергией от 150 до 2000 эВ, которые используются для ионной стимуляции процесса конденсации углеродной плазмы на изделие. Углеродная плазма распространяется нормально по отношению к пучку ионов газа в вакууме при давлении 1·10-1·10 Па при формировании импульсного дугового разряда между катодом 2 и анодом 7 с частотой следования импульсов дугового разряда 1-5 Гц и длительностью импульса 200-600 мкс с образованием кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·10-1·10 см. При формировании плазменного форсгустка углерода в результате импульсного нагрева поверхности графита до температуры 3000°С происходит испарение с поверхности катода углерода в виде цепочек C(где n=1, 2, 3, 5, 7) и ионно-плазменное испарение серебра в импульсном катодном разряде. Образующиеся цепочки поступают на поверхность подложки 10, на которой размещено покрываемое устройство, где происходит их поликонденсация, то есть образование более длинных цепочек за счет объединения.
На фиг.4 представлен спектр комбинационного рассеяния монохроматического света, который свидетельствует о том, что произошла сшивка молекул в поверхностном слое и в пленке присутствует структура двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1.
После сшивки и роста ЛЦУ на спектрах 1-4 появляется широкая полоса в области 1450-1700 см-1 характерная для sp2 связей в углероде и для ЛЦУ. Т.е. после облучения и до нанесения ЛЦУ происходит, в том числе, аморфизация поверхности полиэтиленового образца (фиг.4, 5). Структура полиэтилена дальше модифицированного поверхностного слоя не меняется.
Сшивка поверхностного слоя позволяет увеличить прочность материала, а также она необходима для увеличения качества нанесения углеродного серебросодержащего материала
Все полученные образцы были испытаны на антимикробную активность (Фиг.6).
-2
13
-3
-40
Пример 1. Три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления полиэтиленового вкладыша ортопедического имплантата, ультравысокомолекулярного полиэтилена ГОСТ Р ИСО 5834-2 толщиной 1,0 мм, поместили в камеру, в которой размещены также катод из графита диаметром 30 мм с одной серебряной вставкой в виде стержней диаметром 2 мм. Вставки выполнены из серебра марки Ср 999,9 ГОСТ 6836-80. После этого вакуумировали камеру до давления 1·10Па. Выполнили поперечную сшивку наружного слоя вкладыша бомбардировкой предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5кВ. Нанесли на сшитую поверхность биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 1 Гц и с длительностью импульса 200 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 1·10 сми включенных в этот поток атомовсеребра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10Па.
-2
12
-3
-2
Пример 2. Три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления полиэтиленового вкладыша ортопедического имплантата, ультравысокомолекулярного полиэтилена ГОСТ Р ИСО 5834-2 толщиной 1,0 мм, поместили в камеру, в которой размещены также катод из графита диаметром 30 мм с двумя серебряными вставками в виде стержней диаметром 2 мм. Вставки выполнены из серебра марки Ср 999,9 ГОСТ 6836-80. После этом вакуумировали камеру до давления 1·10Па. Выполнили поперечную сшивку наружного слоя образцов бомбардировкой предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 2000 эВ и при ускоряющем напряжении 2кВ. Нанесли на сшитую поверхность биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 5 Гц и с длительностью импульса 600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·10 сми включенных в этот поток атомовсеребра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 1900 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10Па.
Пример 3. На плоский образец, выполненный из такого же, как в примерах 1и 2, материала не наносили никакого покрытия.
Как указывалось выше, каждую из подготовленных тест-культур штаммов: Staphylococcus aureus ATCC 25923; Enterococcus faecalis ATCC 29212 и экстремально-антибиотико-резистентный изолят Pseudomonas aeruginosaP-142, выделенный от пациента с посттравматическим остеомиелитом, в определенном количестве наносили на контрольные образцы (пример 3) из полиэтилена и опытные образцы, подготовленные в соответствии с заявляемым техническим решением в соответствии с представленными примерами 1, 2.
При этом разместили на поверхности каждого из трех образцов, изготовленных в соответствии с примерами, колониеобразования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus ATCC 25923; Enterococcus faecalis ATCC 29212 и Pseudomonas aeruginosa P-142. Для примеров 1, 2 после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, Enterococcus faecalis и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из нержавеющей стали медицинского назначения. Выявили отсутствие роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний, что свидетельствует о высокой антиадгезивности предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия в виде пленки на основе двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода  Sp1 с серебром. Предложенное устройство обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента. Количество серебряных вставок в графитовом катоде выбирают эмпирически, исходя из размеров, технических условий использования установки и устройств, ее составляющих. В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия образца по примеру 3 без покрытия образцов было выявлено отсутствие у образца антиадгезивных и бактерицидных свойств поверхности образцов.