Интрамедуллярный антимикробный фиксатор

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, а именно к спиралевидным имплантатам на основе титановых сплавов, и может быть использована для остеосинтеза, стимуляции остеогенеза и снижения риска инфекционных осложнений при хирургическом лечении околосуставных переломов трубчатых костей, в том числе, осложненных остеопорозом и высоким риском развития имплантат-ассоциированной инфекции.
Уровень техники
Актуальность разработки заявляемой полезной модели обусловлена распространенностью развития инфекции после установки постоянного или временного имплантата, которая может привести к хроническому постимплантационному остеомиелиту и инвалидизации больного. Инфекции, связанные с имплантатами, как правило, вызываются микроорганизмами, растущими в форме биопленки. В настоящее время в ортопедии, как и во всех направлениях хирургии, на первый план выходят проблемы образования микробных биопленок на медицинских имплантатах, катетерах, протезах, сердечных клапанах и технических конструкциях, имплантированных во время операций. Образование биопленок при этом ведет к возникновению тяжелых имплантат-ассоциированных инфекционных осложнений, сепсисов, т.к. они препятствует проникновению антибактериальных препаратов. Накопление микроорганизмов на поверхности имплантатов в виде биопленок и их дальнейшее распространение по организму может служить причиной развития хронического воспаления, имплантат-ассоциированной инфекции, что в свою очередь приводит к необходимости удаления металлоконструкций, дестабилизации костных отломков, отсутствию консолидации или формированию ложного сустава.
Вследствие этого разработка и применение биосовместимых и антимикробных имплантатов найдет широкое применение для ортопедии и травматологии.
+
Известна спица для остеосинтеза (Патент RU 189427, опубл. 22.05.19), которая выполнена в виде стержня, имеющего на всем протяжении наружной поверхности резьбовую нарезку и биологически активное покрытие из гидроксиапатита (ГАП). Поверхность покрытия модифицирована ионами серебра (Ag) в процессе дополнительной ионно-лучевой обработки для придания антимикробных свойств.
Основными недостатками этого технического решения являются сложность и трудоемкость формирования антимикробных свойств наружного биоактивного слоя, так как слой наносится в два этапа: сначала газоплазменная обработка (нанесение биоактивного покрытия из гидроксиапатита), затем - ионно-лучевая обработка (модифицирование слоя гидроксиапатита ионами серебра). Это снижает антимикробную эффективность наружного слоя, поскольку ионная имплантация серебра позволяет инкорпорировать металл не на всю глубину наружного слоя. Также проблемой использования серебра в медицинских устройствах является токсичность, ограничивающая его клиническое применение.
Известен интрамедуллярный фиксатор для хирургического и профилактического лечения околосуставных переломов трубчатой кости на фоне остеопороза (патент RU №164485, опубл. 10.09.2016 г.), который выполнен в виде спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины, витки которой параллельны друг другу и расположены под углом 30-50°. Три дистальных витка выполнены в виде пружины конической формы, которая нисходит до диаметра спицы, а конечная часть проксимального витка заканчивается спицей. Тело спицы содержит промежуточный упрочненный слой, внутренний диэлектрический биоинертный слой, наружный диэлектрический биоактивный слой.
Наружный слой состоит из слоя в виде кальций-фосфатного покрытия и слоя в виде покрытия с гиалуроновой кислотой.
К недостаткам данного фиксатора относятся отсутствие у него антимикробных свойств и высокий риск присоединения патогенных возбудителей на фоне остеопороза. Кроме того, наличие гиалуроновой кислоты в составе фиксатора ограничивает возможности термической стерилизации фиксатора (сухим жаром, автоклавированием).
Известен титановый спиралевидный фиксатор (патент RU №174809, опубл. 02.11.2017), который выполнен в виде спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины и содержит дистальную и проксимальную части. Тело спицы многослойное и включает внутренний диэлектрический биоинертный слой, на который последовательно нанесены промежуточный упрочненный слой и наружный диэлектрический биоактивный слой.
Недостатком данного фиксатора является отсутствие антимикробных свойств.
Сущность полезной модели
Техническая задача направлена на создание интрамедуллярного фиксатора, обладающего антимикробными свойствами.
Технический результат достигается тем, что в интрамедуллярном антимикробном фиксаторе, включающем тело спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины, содержащей дистальную и проксимальную части и наружный биоактивный слой, согласно предложенному решению, наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита (ГАП) с концентрацией Zn в его составе 0,2-0,3 ат. %, при этом толщина наружного слоя равна 0,5 мкм - 2,0 мкм.
Краткое описание чертежей и таблиц
На фиг. 1 представлены результаты 24-часового роста Staphylococcusaureus (SA) штамм 209Р на питательном агаре для культивирования микроорганизмов (ПАКМ) после предварительного 2-часового сокультивирования с 0,9% раствором хлорида натрия и средой DMEM/F12 (пропорция хлорид натрия/среда 1:1) (контроль роста).
На фиг. 2 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р на ПАКМ после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами образцов для испытаний, выполненных из титанового сплава Ti6Al4V с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП.
На фиг. 3 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р на ПАКМ после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами образцов для испытаний, выполненных из титанового сплава Ti6Al7Nb с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП.
На фиг. 4-5 приведены цифровые изображения, характеризующие состояние культуры клеток и морфологию мезенхимных стволовых клеток (МСК) после 21-суточного культивирования с образцами для испытаний на подложке из сплава титана с покрытием на основе стехиометрического ГАП (фиг. 4), с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП (фиг.5). Окраска 2% водным раствором ализарина красного; увеличение ×200, об. 20, ок. 10.
В таблице 1 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р после предварительного 2-часового сокультивирования с 7-дневными экстрактами образцов для испытаний с ГАП покрытиями, Me(Q1-Q3).
2
В таблице 2 представлены значения площади центров минерализации (μм) и общее количество центров минерализации в условиях 21-дневного культивирования МСК с разными группами образцов, Me (Q1-Q3).
Осуществление полезной модели
Интрамедуллярный фиксатор, выполненный в виде тела спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины из медицинских титановых сплавов, включает дистальную и проксимальную части и наружный биоактивный слой. Наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного биоактивного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита. Толщина покрытия равна 0,5 мкм - 2,0 мкм, а концентрация Zn в составе наружного слоя составляет 0,2-0,3 ат. %.
10-x
x
4
6
2
Антимикробный наружный слой наносят на тело спицы, например, методом высокочастотного магнетронного распыления мишени из цинк-замещенного ГАП СаZn(PO)(ОН), при этом поверхность тела спицы предварительно подвергают вакуумированию с целью дегазации. За счет присутствия Zn в составе молекулы ГАП достигается равномерное распределение Zn не только в поверхности, но и по объему наружного слоя, что обеспечивает его антимикробные свойства на протяжении всего срока службы наружного слоя.
При толщине менее 0,5 мкм прочность покрытия возрастает, однако вследствие малой концентрации цинка в составе покрытия чрезмерно тонкий слой утрачивает антимикробные свойства.
При толщине покрытия более 2,0 мкм ухудшается прочность сцепления покрытия (уменьшается адгезия) с металлической поверхностью имплантата.
Примеры конкретного выполнения
Пример 1
Антимикробные свойства интрамедуллярного антимикробного фиксатора.
В качестве стандартного штамма тест-культуры микроорганизма (тестовой бактериальной культуры) использовали патогенный штамм 209Р SA. Чистая (по ГОСТ 9.102-91) культура штамма 209Р проявляет типовые морфологические, биохимические, гемолитические и плазмокоагулирующие свойства патогенных золотистых стафилококков, формирует гладкие (с ровными краями) колонии с золотистой пигментацией. Выбор SA обусловлен тем, что он является основным возбудителем инфекций опорно-двигательного аппарата, остеомиелита, артритов, поскольку имеет высокую тропность к костной ткани; заселяется активно на эндопротезах суставов, сосудистых протезах и способен формировать микробные биопленки.
Для исследования in vitro потенциального антимикробного эффекта в пластиковых стерильных конических пробирках с крышкой объемом 15 мл было проведено разведение чистой культуры SA путем смешивания в пропорции 1:1 исходной взвеси SA в жидкой среде DMEM/F12 (0,5 мл) и экстрактов объектов исследования (0,5 мл), с достижением концентрации бактерий 500 микробных тел/мл смеси. Культура SA, смешанная в пропорции 1:1 с чистым стерильным 0,9% раствором хлорида натрия, считалась позитивным контролем роста патогенного микроорганизма in vitro. Приготовленные взвеси культивировали после перемешивания при 37°С в течение 2 часов и переносили на ПАКМ в концентрации 100 микробных тел на 1 чашку Петри. Через 24 ч культивирования при 37°С и 100% влажности оценивали in vitro потенциальный антибактериальный эффект экстрактов образцов для испытаний. Проводили цифровую съемку культур SA, выросших на ПАКМ, с помощью цифрового фотоаппарата.
Результаты исследования in vitro антимикробного эффекта образцов для испытаний показали заметное снижение площади роста микробных колонеобразующих единиц (КОЕ) на ПАКМ (фиг. 1-3).
Результаты морфометрического анализа цифровых фотографий подтвердили полученные результаты (табл. 1) при контроле роста на агаре - после 2-часового культивирования SA в 0,9% растворе NaCl и среде DMEM/F12 (пропорция хлорид натрия/среда 1:1), Р1-Р2 - (статистические различия с соответствующими группами исследования) согласно U-критерию Манна-Уитни.
Экстракты цинк-замещенного ГАП покрытия на подложках Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb статистически значимо уменьшали (в сравнении с покрытием на основе стехиометрического ГАП) площадь бактериальных КОЕ в 5,5 и 3,8 раза, соответственно.
Пример 2
Остеогенные свойства интрамедуллярного антимикробного фиксатора
В плане приближения исследования in vitro к тканевому уровню, характерному для живого организма, специфическим морфологическим критерием остеогенности клеточной культуры является окраска ализариновым красным, который окрашивает минерализованные (кальцифицированные) участки в межклеточном матриксе, формируемые остеобластами, образующимися из мезенхимных стволовых клеток (МСК). Чем больше число и площадь таких участков, тем больше образуется и созревает активных (секретирующих) остеобластов в культуре МСК, тем активнее протекает синтез костного минерализованного матрикса.
2
Для определения остеогенных свойств наружного биоактивного слоя на подложке из титанового сплава Ti6A17Nb выделяли МСК из жировой ткани человека, культивировали при 37°С, 100% влажности и 5% СО 21 день при смене полной культуральной среды (ПКС), состоящей из αМЕМ («Sigma-Aldrich», США), с содержанием 10% FBS (Sigma-Aldrich, США), 100 Е/мл пенициллина, 100 мкг/мл стрептомицина (Thermo Fisher Scientific, США), 280 мг/л L-глютамина (Sigma-Aldrich, США), каждые 3-4 дня.
2
Идентификация участков минерализации в культурах МСК с образцами для испытаний и в контролях проводилась через 21 сутки методом окрашивания с использованием красителя 2% водного раствора ализарина красного. Результаты общей площади минерализации выражали в квадратных микрометрах (μм).
На фиг. 4-5 приведены примеры цифровых изображений, характеризующие состояние культуры клеток и морфологию МСК после 21-суточного культивирования с образцами для испытаний на подложке из сплава титана Ti6Al7Nb с покрытием на основе стехиометрического ГАП (фиг. 4), с наружным биоактивным слоем в виде покрытия из цинк-замещенного ГАП (фиг. 5). Окраска 2% водным раствором ализарина красного; увеличение ×200, об. 20, ок. 10.
На основании полученных данных была сформирована сводная таблица 2. Образцы с цинк - содержащим наружным слоем незначительно (статистически недостоверно) меняли параметры минерализации (увеличивали число, но снижали общую площадь центров минерализации).
Таким образом, предлагаемая конструкция за счет наружного биоактивного слоя в виде покрытия из цинк-содержащего ГАП создает условия для эффективного антимикробного действия при сохранении остеогенных свойств фиксатора, что позволяет снизить риск послеоперационных инфекционных осложнений и стимулировать ремоделирование костной ткани поврежденного сегмента у лиц с явлениями первичного остеопороза (сохранить остеоинтеграцию с костной тканью, в том числе, в условиях остеопороза).
Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение соответствует критериям «Новизна» и «Промышленная применимость».