ИМПЛАНТАТ ИЗ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ ТИТАНА С ПОКРЫТИЕМ

Полезная модель относится к медицинской технике, а именно к имплантатам, изготовленным из титана и его сплавов, снабженным биосовместимым и биоактивным покрытием для использования в травматологии и ортопедии.
Устройства, которые применяют для погружения в ткани человека, для временного или постоянного пребывания принято называть имплантатами (имплантат).
В настоящее время существует большое количество имплантатов, применяемых в ортопедии и травматологии [Свидетельства на полезные модели РФ 42417, 54769 71537, 71547]. Для изготовления имплантатов, подверженным значительным нагрузкам, используют биологически инертные коррозионно-стойкие металлы, в частности, титан и его сплавы. Титан и его сплавы, обладая достаточной механической прочностью, являются наиболее биологически совместимыми с тканями организма металлическими материалами. Однако, фиксация монолитных металлических имплантатов к нативной (собственной) кости пациента остается проблемой.
Для бесцементной фиксации имплантатов используют пористые материалы, способные к остеоинтеграции, при которой в порах имплантата и на границе имплантат - нативная кость формируется полноценная в структурном и функциональном аспектах кость [G.Ryan et al. Fabrication mrthods of porous metals for use in orthopaedic applications // Biomaterials, 2006, v.27, p.2651-2670, Патенты РФ 2333010, 2341293]. Для опорно-двигательной системы металлические пористые имплантаты по сравнению с керамикой и полимерами имеют большой потенциал вследствие наличия у них наилучшего сочетания механических свойств (твердости, пластичности и т.д.).
Для прорастания костной ткани имплантат должен иметь пористость (желательно сквозную) с размером пор не менее 150 мкм. При этом поверхность имплантата должна активно взаимодействовать с окружающими тканями с образованием непосредственной связи с ними, т.е. обладать биологической активностью [С.М.Баринов, В.С.Комлев. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М:. Наука, 2005]. Для этого биологически инертную поверхность металлов модифицируют биосовместимыми и биологически активными покрытиями.
Известен имплантат из титана или его сплавов с биосовместимым кальций - фосфатным покрытием толщиной от 40 до 80 мкм [Патент РФ 2291918]. Это покрытие содержит, масс.%: титанат кальция 7-9, пирофосфат титана 16-28, кальций - фосфатные соединения - остальное. Покрытие обладает хорошими остеоиндуктивными и механическими свойствами. Однако, покрытие такой толщины непригодно для пористых имплантатов из титана и его сплавов из-за невозможности получения хорошей сцепляемости покрытия с пористой поверхностью. Кроме того, покрытие толщиной 40-80 мкм перекрывает сечение входа в поры, что тормозит процесс врастания костной ткани в известный имплантат на начальных стадиях процесса остеоинтеграции и увеличивает вследствие этого постоперационный период медицинского сопровождения пациента.
-6
3
Известен также имплантат, выполненный из титанового сплава ВТ 1-0, или никелевого сплава Целит-Н, или кобальтового сплава Целит-К или никелида титана с биосовместимым многокомпонентным наноструктурным покрытием [Патент РФ 2281122] с соотношением компонентов (ат.%): Тi (30-50), С (15-40), N (0,5-30), О (5-25), Ca (0-7), Zr (0-20), Si (0-30), P 0-1,5), Mn (0-1,0), К (0-1,0). Покрытия обладают высокой твердостью (15-35 ГПа), низким модулем упругости (150-300 ГПа), высокой прочностью сцепления с подложкой, низким коэффициентом трения (0,1-0,25) и низкой скоростью износа (<5×10 мм/Нм), биоактивной поверхностью и биосовместимостью Эти имплантаты являются имплантатами длительного действия и предназначены для работы под нагрузкой.
Однако, длительный контакт имплантата с живой средой организма неизбежно приводит к деградации свойств покрытия за счет растворимости в живой среде компонентов покрытия, и ухудшает тем самым биологическую совместимость и биологическую активность поверхности имплантата.
Известен также имплантат с покрытием на основе соединений кальция, фосфора и кислорода, получаемого в процессе синтеза пористого титан-кобальтового материала с гидроксиапатитом [Патент РФ 2341293]. Этот имплантат обладает лучшей биологической совместимостью по сравнению с титан-кобальтовым имплантатом [Патент РФ 2281122].
Недостатком данного имплантата является постепенная резорбция его покрытия при нахождении имплантата в организме пациента, после чего на границе имплантат-нативная кость в процессе ремоделирования костной ткани могут образовываться нежизнеспособные ткани [А.И.Иголкин. Титан в медицине. Титан, 1992, №1, с.86-90], что приводит к ухудшению биологической совместимости и биологической активности поверхности имплантата, снижает его остеоинтеграцию с тканями организма.
Наиболее близким к заявляемой полезной модели является имплантат из пористого материала на основе титана (сплав Ti-6A1-4V) с биосовместимым покрытием из гидроксиапатита. [H.Oonishi, M.Yamamoto, H.Ishimaru et al. Effect of hydroxyapatite coating on bone growth into porous titanium alloy implants. J. Bone Joint Surg., 1989, V.71(2), p.213-216].
Имплантат имеет поры размером 150-250 мкм. Толщина покрытия из гидроксиапатита составляет 10-20 мкм.
Этот имплантат имеет большую силу сцепления с костью только на ранних стадиях его фиксации. При длительной фиксации покрытие резорбируется и процесс интеграции имплантата с покрытием становится идентичным процессу интеграции имплантата без покрытия. Кроме того, выход из гранул сплава Ti-6A1-4V алюминия, не обладающего толерантностью к живой ткани, в близлежащие к имплантату ткани организма и последующее накопление его в этих тканях в период нахождения имплантата в теле пациента, ухудшает биологическую совместимость материала имплантата.
В основу предлагаемой полезной модели положена задача улучшения остеоинтеграции имплантата с тканями организма путем повышения его биологической совместимости и биологической активности.
x
Поставленная задача решается тем, что в имплантате из пористого материала на основе титана с покрытием, с размером пор в материале 150-250 мкм, согласно полезной модели, покрытие выполнено из алмазоподобного нанокомпозита CN, где 0<x<0,4, с толщиной 20-50 нм, а в качестве материала на основе титана используют компакт из гранул титана губчатого.
При этом компакт гранул титана губчатого имеет дополнительные поры размером 2-5 мкм.
Гранулы титана губчатого, изготовлены по ГОСТ 17746-96.
Выполнение имплантата из компакта гранул титана губчатого, соответствующих ГОСТ 17746-96, исключает наличие нежелательных для организма примесей, диффундирующих в прилежащие ткани при контакте имплантата с живой средой организма.
Выполнение имплантата из компакта гранул титана губчатого, соответствующих ГОСТ 17746-96 создает систему пор, которая помимо пор основных размером 150-250 мкм включает и дополнительные поры размером 2-5 мкм. Поры размером 150-250 мкм обеспечивают прорастание костной ткани в имплантат. Дополнительные поры размером 2-5 мкм обеспечивают снабжение питательными веществами новообразованные ткани и выведение продуктов метаболических процессов, что способствует нормальному функционированию тканей в имплантате и повышает биосовместимость имплантата.
x
x
Алмазоподобный нанокомпозит CN, являясь химически инертным, обеспечивает максимальную нейтральность к окружающим тканям организма [R.Hauert. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials, 2003, v.12, p.583-589, Т.Yokota, Т.Terai, Т.Kobayashi et al. Cell adhesion to nitrogen-doped DLCs fabricated by plasma-based ion implantation and deposition method using toluene gas, Surface and Coating technology, 2007, v.201, p.8048-8051] и поэтому покрытия из алмазоподобного нанокомпозита CN(0<x<0,4) являются биологически совместимыми с окружающими тканями.
x
Снабжение имплантата покрытием из алмазоподобного нанокомпозита CN(0<x<0,4) толщиной 20-50 нм повышает адгезию клеток к имплантату за счет быстрого покрытия углерод-азотсодержащей поверхности молекулами, содержащимися в питательной среде и активирует метаболические процессы в этих клетках и их пролиферацию, что повышает биоактивность имплантата.
Это покрытие улучшает качество врастающей костной ткани в поры имплантата, ускоряя созревание и минерализацию костной ткани.
Технический результат полезной модели заключается в повышении биосовместимости и биоактивности заявляемого имплантата из пористого материала на основе титана с покрытием, и, как следствие, улучшении остеоинтеграции имплантата с тканями организма.
x
Для исследований были изготовлены опытные имплантаты путем компактирования в специальных прессформах гранул титана губчатого (ГОСТ 17746-96) и спекания в вакууме с последующим нанесением покрытия из алмазоподобного нанокомпозита CN(0<x<0,4) толщиной 20-50 нм. Использовали имплантаты в виде пластин (испытания in-vitro) и цилиндров (испытания in-vivo).
Покрытия имеют хорошее сцепление с подложкой. После 100 циклов термоциклирования (жидкий азот - кипящая вода) отслоения покрытия не обнаружено. Отслоение покрытий также не наблюдалось после внедрения имплантатов в костную ткань у животных (кроликов) в течение 4-х месяцев наблюдения.
2
Для испытаний in-vitro имплантаты помещали в лунки специальных стерильных планшетов. Для культивирования использовали полную культуральную среду с клетками костного мозга, полученными из крыла подвздошной кости 8-10 месячных кроликов массой 4-5 кг. Культивирование проводили в полной культуральной среде (МсСоу,5А, 20% эмбриональной телячьей отборной сыворотки, L-глютамин, β-глицерофосфата Na, L-аскорбината-2 фосфата, гентамицин, гепарин) в инкубаторе СO CELL 48 (стандартная линия) при 37°С, 4% содержании С02 и абсолютной влажности. Максимальный срок культивирования составил 32 суток.
На селективном биохимическом анализаторе Express Plus унифицированными методами определяли активность термолабильной щелочной (ЩФк) и тартратрезистентной кислой фосфатаз (КФк). Концентрацию пропептида коллагена I типа (СIСР) - методом иммуноферментного анализа ИФА (Metra™). Площадь, занятую культурой фибробластоподобных клеток, осажденных на дно лунки планшета, оценивали с помощью аппаратно-программного комплекса видео Тест. Изучение организации клеточного слоя на имплантатах проводилось с помощью растровой электронной микроскопии.
Для испытания in-vivo имплантаты вводили в сформированные каналы в скатах мыщелков болышеберцовых и бедренных костей кроликов. В качестве контроля у каждого животного использовали имплантат без покрытия. Состав костной ткани, образованной в порах имплантата, определяли на шлифах методом рентгеноспектрального анализа на микроскопе «QUANTA», оснащенном приставкой EDAX для микроанализа.
В экспериментах in-vitro выявлено, что клетки хорошо сцепляются с поверхностью имплантатов, они жизнеспособны и способны к размножению.
x
Количество адгезировавших клеток больше на имплантатах с покрытием по сравнению с имплантатом без покрытия и растет при увеличении концентрации азота в покрытии. Пролиферация прилипающей фракции клеток костного мозга активнее происходит на имплантате с CN(О<x<0,4) покрытием по сравнению с имплантатом без покрытия. На поверхности имплантатов образуются фибробластоподобные клетки, предшественники двух остеогенных линий: остеокластов и остеобластов, необходимых для формирования костной ткани. Их количество увеличивается при увеличении срока культивирования до 28 дней, при этом количество на имплантатах с покрытиями превышает количество на имплантатах без покрытия.
x
x
Во всех лунках планшета после культивирования в присутствии имплантатов с CN(0<x<0,4) покрытиями основная масса клеток имеет фибробластоподобную морфологию, часть располагается упорядочение, образуя многослойные тяжистые структуры. Площадь, занятая клетками при культивировании в присутствии имплантата с CN(x=0) покрытием, в несколько раз превышает площадь, занятую клетками при культивировании в присутствии имплантата без покрытия.
x
В экспериментах in-vivo установлено: имплантаты, выполненные из компакт гранул титана губчатого с алмазоподобными нанокомпозитными CN(0<x<0,4) покрытиями не вызывают воспалительных реакций и признаков отторжения, что свидетельствует об их биосовместимости. После 4-х месяцев наблюдения происходит сквозное заполнение пор новообразованной костной тканью. В порах имплантатов с покрытиями образуется более плотная, зрелая костная ткань, по сравнению с имплантатом без покрытия. Протяженность прочного сращивания с материнским ложем больше у имплантатов с покрытием, по сравнению с имплантатом без покрытия. Это свидетельствует о повышении остеоинтеграции имплантата за счет улучшения биоактивных свойств.