Способ обработки кальций-фосфатных покрытий на имплантатах

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к покрытию имплантатов биологически активными соединениями, и может быть использовано в травматологии, ортопедии и стоматологической практике.

Одной из актуальных проблем травматологии, ортопедии и стоматологии являются создание новых костно-пластических материалов и применение различных имплантатов для остеосинтеза.

В РФ ежегодно регистрируется около 6 млн случаев различных травм и заболеваний костных тканей. Более 1 млн пациентов нуждаются в операциях с использованием имплантатов для остеосинтеза. В настоящее время эти имплантаты в основном поставляют из зарубежных стран, изготовленных из керамики или титана. Тяжесть травматических повреждений осложняется развитием специфической инфекции, в частности посттравматическим остеомиелитом, что влечет за собой необходимость проведения повторных операций, увеличивает расходы на восстановительное лечение и реабилитацию, направленных на восстановление опороспособности поврежденных конечностей и производство изделий медицинского назначения, включая эндопротезы, имплантаты и др. В пожилом и старческом возрасте развиваются деформирующие остео- и спондилоартрозы и патологические переломы костей, возникающие, прежде всего, из-за развивающихся системных метаболических нарушений и остеопороза [член-корреспондент РАН, В.Шевцов с соавт. Углерод - новые грани его использования в медицине. Медицинская газета, №86 от 19.11.2014 г.].

В последние годы широко используются титановые имплантаты, позволяющие формировать биоактивную поверхность за счет содержания на поверхности кальций-фосфатных соединений. Поверхность на имплантатах имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью, обладающей адгезивными и остеосинтезирующими свойствами.

Описано несколько способов нанесения кальций-фосфатных покрытий на имплантаты. Предложены способы: микродугового оксидирования [Патент RU №2385740 от 10.04.2010 г.], в вакуумной камере в атмосфере аргона [Патент RU №2400423 от 27.09.2010; патент RU №2372101 от 10.11.2009 г.], в вакууме с использованием искрового или дугового разряда [Патент RU №2507316 от 20.02.2014], в плазме высокочастотного магнетронного разряда в атмосфере аргона [Патент RU №2523410 от 20.07.2014 г.], в условиях импульсного тока с искровым разрядом [Патент RU №2291918 от 20.01.2007 г.], в растворе электролита с воздействием микродуговых разрядов [Патент RU №2206642 от 20.06.2003 г.]. С целью гетерогенного образования центров кристаллизации фосфата кальция предлагают добавлять в покрытие ряд химических элементов [Патент RU №2124329 от 10.01.1999 г.], в режиме искрового или вакуумно-дугового разряда предложено наносить двухслойное покрытие [Патент RU №2423150 от 10.07.2011 г.]. Описан способ получения кальций-фосфатного покрытия на сплавах титана из модельного раствора синовиальной жидкости человека [Патент RU №2532350 от 10.11.2014 г.].

Одним из существенных недостатков предложенных выше технических решений является невозможность регулирования физико-механических характеристик кальций-фосфатных покрытий в зависимости от назначения имплантата и физиологических требований к имплантату при использовании в травматологии, ортопедии и стоматологии. В предложенных способах не предусмотрена антимикробная защита имплантатов от условно-патогенной и патогенной микрофлоры (микробиоты) организма пациента в постоперационном периоде.

В качестве прототипа выбран способ гальванического нанесения биосовместимых покрытий на основе гидроксиапатита на имплантаты [Патент RU №2394501 от 20.10.2010 г.], позволяющий получить развитую поверхностную структуру покрытия толщиной 14±2 мкм и пористостю 15±3% с заранее заданным значением микротвердости в пределах от 150 до 300 Мпа в зависимости от изменения концентрации биоактивной добавки гидроксиапатита в щелочном электролите при нанесении покрытия методом микродугового оксидирования в течение 15 минут. В предложенном способе нанесение покрытия на имплантат осуществляют в определенном гальваностатическом режиме при определенных значениях тока, длительности анодного и катодного импульсов, частоте и паузами между импульсами, что ограничивает широкое применение имплантатов в зависимости от их назначения в травматологии, ортопедии, стоматологии и предъявляемых требований к имплантатам. В способе не предусмотрена защита имплантата от условно-патогенной и патогенной микробиоты организма пациента. Стерильность имплантата не препятствует проникновению в имплантат микробов, персистирующих в организме пациента.

Задачей настоящего изобретения является создание биологически устойчивого к микробной контаминации покрытия имплантатов, отвечающих требованиям, предъявляемым к имплантатам в травматологии, ортопедии, стоматологии в зависимости от их назначения.

Целью технического решения является изменение технологии изготовления кальций-фосфатных покрытий за счет создания условий, препятствующих размножению бактерий в имплантате и расширения условий гальванического нанесения фосфата кальция на имплантат, позволяющих использовать изделие в травматологии, ортопедии и стоматологии в зависимости от назначения изготовленного изделия.

Технический результат - простой, не требующий больших материальных затрат и основан на создании условий препятствующих контаминации и размножению бактерий в имплантате в результате обработки покрытия на изделиях медицинского назначения метаболитами эубиотиков (пробиотиков), обладающих способностью исключать возможность размножения патогенной и условно-патогенной микрофлоры в имплантатах в послеоперационном периоде, а также на расширении условий гальванического нанесения кальций-фосфатных покрытий на имплантатах, позволяющих получать покрытия различной толщины, пористости, плотности, шероховатости, эластичности, а также предполагаемой нагрузки на изделие в зависимости от назначения изделия в травматологии, ортопедии и стоматологии.

Технический результат предложенного нами способа обработки имплантатов метаболитами бактерий основан на использовании общебиологической закономерности роста бактерий в жидкой питательной среде, включающей начальную - лаг-фазу, экспоненциальную, стационарную и фазу отмирания. В стационарной фазе и фазе отмирания выделяется наибольшее количество метаболитов бактерий, препятствующих размножению микробиоты. Установлено, что эти метаболиты не обладают видовой специфичностью и действуют фактически на различные виды условно-патогенных микроорганизмов [Бухарин О.В., Перунова Н.Б., Иванова Е.В. Бифидофлора при ассоциативном симбиозе человека. - Екатеринбург: УрО РАН, 2014. - 212 с.]. Чтобы исключить возможность проникновения в макроорганизм патогенных микробов - продуцентов метаболитов и их патогенного действия на макроорганизм, использованы в качестве продуцентов метаболитов бактерии, являющиеся представителями нормальной микрофлоры организма человека (пробиотики). В стационарной фазе или в фазе отмирания бактерий жидкую питательную среду с бактериями пропускали через бактериальный фильтр для удаления микробных клеток бактерий и получения стерильной взвеси метаболитов лактобактерий и колибактерий.

Технический результат достигается тем, что согласно изобретению вносят фосфат кальция в 5-20% раствор ортофосфорной кислоты до насыщения, имплантат помещают в этот раствор и проводят гальваническое нанесение кальция-фосфатного покрытия при напряжении 80-400 В, частоте импульсов 50-150 Гц, плотности тока 0,2-1,0 А/мм², в течение 10-60 мин, времени импульсов 50-300 мкс, рН электролита 6,5-8,0 и температуре электролита 25-40°С, изделие промывают дистиллированной водой, проводят обжиг изделия при температуре 400-1200°С в течение 30-60 мин до образования коралловидной разветвленной структуры покрытия толщиной 5-80 мкм, затем изделие помещают в раствор с метаболитами лактобактерий (или колибактерий) на 10-30 мин при температуре 18-25°С, а раствор с метаболитами лактобактерий (или колибактерий) получают следующим образом: жидкую питательную среду с лактобактериями (или колибактериями) в стационарной фазе и/или фазе отмирания бактерий пропускают через бактериальный фильтр для получения стерильных метаболитов бактерий.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образам.

Фосфат кальция вносили до насыщения в 5-20% раствор ортофосфорной кислоты. Имплантат помещали в этот раствор и проводили гальваническое нанесение кальция-фосфатного покрытия при напряжении 80-400 В, частоте импульсов 50-150 Гц, плотности тока 0,2-1,0 А/мм², в течение 10-60 мин, времени импульсов 50-300 мкс, рН электролита 6,5-8,0 и температуре электролита 25-40°С. Изделие промывали дистиллированной водой, а затем обжигали при температуре 400-1200°С в течение 30-60 мин до образования коралловидной разветвленной структуры покрытия толщиной 5-80 мкм. Готовое изделие помещали в раствор с метаболитами лактобактерий (или колибактерий) на 10-30 мин при температуре 18-25°С, который получали следующим образом: жидкую питательную среду с бактериями в стационарной и/или фазе отмирания бактерий пропускали через бактериальный фильтр для получения стерильных метаболитов бактерий.

Примеры практического использования предлагаемого способа

Проведены доклинические испытания применения способа обработки кальций-фосфатных покрытий на имплантате на кроликах породы «шиншилла» массой 2000-3000 грамм. Здоровых кроликов содержали в клетках в соответствии с требованиями санитарных правил (Утв. Главным Государственным санитарным врачом №1045-73). В виварии поддерживали температуру воздуха 24-26°С в соответствии с приказом МЗ РФ №267 от 19.06.2003 и требованиями Европейской конвенции (Страсбург, 1986) по содержанию, кормлению и уходу за подопытными животными, выводу их из эксперимента и последующей утилизации. Операции проводили под общим наркозом.

Пример 1

Кролику породы «шиншилла» массой 2500 грамм проведена операция на подвздошной кости по установке инплантата с кальций-фосфатным покрытием обработанного метаболитами бактерий коммерческого препарата «лактобактерин», созданного на основе лактобактерий Lactobacillus plantarum 8Р-А3, или L. plantarum38, или L. fermentum 90Т-С4, или L. fermentum 39. В сформированное отверстие в подвздошной кости кролика установлен имплантат диаметром 6 мм. Обработку кальций-фосфатного покрытия на имплантате проводили следующим способом.

Фосфат кальция вносили до насыщения в 5-20% раствор ортофосфорной кислоты. Имплантат помещали в этот раствор и проводили гальваническое нанесение кальция-фосфатного покрытия при напряжении 80-400 В, частоте импульсов 50-150 Гц, плотности тока 0,2-1,0 А/мм², в течение 10-60 мин, времени импульсов 50-300 мкс, рН электролита 6,5-8,0 и температуре электролита - 25-40°С. Изделие промывали дистиллированной водой, а затем обжигали при температуре 400-1200°С в течение 30-60 мин до образования коралловидной разветвленной структуры покрытия толщиной 5-80 мкм. Готовое изделие помещали в раствор с метаболитами бактерий коммерческого препарата «лактобактерин» (серия Н46, производство ФГУП «НПО «Микроген», Россия, г. Нижний Новгород) на 10-30 мин при температуре 18-25°С. Метаболиты получали следующим образом: жидкую питательную среду с бактериями в стадии отмирания (через 72 часа роста бактерий на тиогликолевой среде) пропускали через бактериальный фильтр для получения стерильных метаболитов бактерий.

Операция прошла без особенностей. В течение 21 дня проводили клиническое наблюдение за животным. Признаков развития инфекционного процесса не установлено. При вскрытии животного через 21 день проведено исследование периимплантационной зоны. Признаков воспалительного процесса в данной зоне не обнаружено. При микробиологическом исследовании периимплантационной зоны выделить патогенных и условно патогенных микроорганизмов не удалось.

Пример 2

Кролику породы «шиншилла» массой 2800 грамм проведена операция на подвздошной кости по установке инплантата с кальций-фосфатным покрытием обработанного метаболитами бактерий коммерческого препарата «колибактерин» (Серия Н 18/0914, ИмБИО - Нижегородское ГП по производству бак. препаратов. «Микроген»).

В сформированное отверстие в подвздошной кости кролика установлен имплантат диаметром 6 мм. Обработку кальций-фосфатного покрытия на имплантате проводили следующим способом.

Фосфат кальция вносили до насыщения в 5-20% раствор ортофосфорной кислоты. Имплантат помещали в этот раствор и проводили гальваническое нанесение кальция-фосфатного покрытия при напряжении 80-400 В, частоте импульсов 50-150 Гц, плотности тока 0,2-1,0 А/мм², в течение 10-60 мин, времени импульсов 50-300 мкс, рН электролита 6,5-8,0 и температуре электролита 25-40°С. Изделие промывали дистиллированной водой, а затем обжигали при температуре 400-1200°С в течение 30-60 мин до образования коралловидной разветвленной структуры покрытия толщиной 5-80 мкм. Готовое изделие помещали в раствор с метаболитами бактерий коммерческого препарата, «колибактерин» на 10-30 мин при температуре 18-25°С, который получали следующим образом: бактерии культивировали в жидкой питательной среде в течение 48 часов (стационарная фаза репродукции бактерий). Взвесь бактерий пропускали через бактериальный фильтр для получения стерильных метаболитов бактерий.

Операция прошла без особенностей. В течение 21 дня проводили клиническое наблюдение за животным. Признаков развития инфекционного процесса не установлено. При вскрытии животного через 21 день проведено исследование периимплантационной зоны. Признаков воспалительного процесса в данной зоне не обнаружено. При микробиологическом исследовании периимплантационной зоны выделить условно-патогенную и патогенную микрофлору (микробиоту) не удалось.

Преимущества предложенного способа по сравнению с прототипом представлены в таблице.

Предложенный способ обработки кальций-фосфатных покрытий на имплантатах метаболитами лактобактерий (или колибактерий) апробирован на кроликах массой 2000 - 3000 грамм породы «шиншилла». Проведены доклинические испытания на 12 лабораторных животных. Исследования показали, что обработка метаболитами лактобактерий (или колибактерий) кальций-фосфатных покрытий исключает возможность развития инфекционного процесса в послеоперационном периоде.