Материал бактерицидного покрытия
Владельцы патента RU 2554773:
Общество с ограниченной ответственностью Научно- производственный центр "Технополис" (RU)
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к материалам для травматологии и ортопедии, и предназначено для изготовления медицинских имплантатов остеосинтеза. Бактерицидное покрытие для медицинских изделий состоит из конденсатов, образованных при ионной бомбардировке в процессе вакуумного электродугового испарения металлов в присутствии реагирующего газа - азота, на основе нитрида титана, и дополнительно содержит в своем составе нитрид гафния при следующем соотношении элементов, мас.%: Ti - 17-24, Hf - 70-80 и N - 3-6. Использование изобретения позволяет получить покрытие для медицинских изделий долговременного контакта с тканями живого организма, с повышенной твердостью и бактериостатическими свойствами, что препятствует размножению патогенных микроорганизмов вблизи имплантата. 2 табл., 3 пр.
Изобретение относится к области материалов для медицинской техники, в частности травматологии и ортопедии, и может быть использовано при изготовлении медицинских имплантатов остеосинтеза. Материал покрытия должен обладать устойчивостью к средствам стерилизации, высокой твердостью, коррозионной стойкостью в условиях живого организма, антибактериальными свойствами, что определит его биосовместимость.
Известны биоинертные, биосовместимые покрытия из оксидов металлов для медицинских изделий: покрытие (RU 2465015, A61L 27/04, 2012), состоящее из смеси оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti) с содержанием меди при следующем соотношении компонентов: смесь оксидов металлов (Cr, Ni, Fe, Ti) от 95 до 98%, медь от 2 до 5%; покрытие (RU 2361623, A61L 27/06, 2009) на имплантат, содержащее смесь оксидов титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: оксид титана (TiO2) 65-75, оксид меди 15-25, остальное другие типы оксидных фаз титана (TiO, Ti3O5); покрытие (RU 2502526, A61L 27/06, 2013) на имплантат, состоящее из двух слоев, где первый слой состоит из оксидов титана, второй слой состоит из оксида алюминия гамма-модификации, в соотношении компонентов, мас.%: оксид титана в пересчете на TiO2 - 10-30; гамма-оксид алюминия - 70-90.
Однако известные оксидные покрытия не обладают достаточной бактерицидной активностью в отношении микроорганизмов, что ограничивает применение в травматологии. Также недостатками являются высокая хрупкость материала покрытия, что приводит к растрескиванию, сдиранию, соскабливанию покрытия и потере в целом медицинских свойств, поэтому покрытие не может использоваться в винтах и других костных имплантатах, имплантируемых в костную ткань с большими усилиями.
Известен многокомпонентный тонкопленочный материал (RU 2281122, A61L 27/02, 2006), используемый в качестве покрытий при изготовлении имплантатов, работающих под нагрузкой. Состав покрытия следующий, ат.%: Ti - 30÷50; C - 15÷40; N - 0,5÷30; O - 5÷25; Ca - 0÷7; Zr - 0÷20; Si - 0÷30; P - 0÷1,5; Mn - 0÷1,0; K - 0÷1,0. Основными элементами в покрытии являются Ti, C, N получаемые ионно-плазменной конденсацией материала композиционной мишени «TiC0.5 с неорганическими добавками» в атмосфере реакционноспособного газа - азота. При этом неорганические добавки, например гидроксилапатит (Ca10(PO4)6(OH)2), CaO, ZrO2, KMnO4 и TiO2, могут вводиться на этапе получения композиционных катодов-мишеней для ионно-плазменного и/или ионно-лучевого распыления и электродов для электроискрового осаждения.
Недостатком данного материала покрытия является то, что многокомпонентный карбонитрид сложного состава при его конденсации и процесс распыления мишени очень чувствителен к изменению технологических параметров, отклонение от которых неконтролируемо изменяет скорость распыления мишени, что приводит к неповторяемости состава и требуемых функциональных свойств покрытия. Кроме того, покрытие не обладает бактерицидными свойствами.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является материал покрытия нитрида титана стехиометрического состава - Ti1N1 (Ti - 77,5 мас.%, N - 22,5 мас.%), полученный ионно-плазменной конденсацией электродугового испарения (RU 2497977, C23C 14/02, 2013).
Существенным недостатком прототипа является отсутствие бактерицидных свойств поверхности, благодаря которым происходит ускорение остеоинтеграции имплантатов за счет стимулирования репаративного остеогенеза на контактной границе «имплантат - костная ткань» без опасности протекания гнойно-воспалительных процессов в окружающих биоструктурах и особенно биопленках. Также покрытие не имеет достаточной твердости, в результате этого подвергается износу на имплантатах для остеосинтеза.
Технической задачей изобретения является создание биосовместимого нитридного покрытия для ортопедических имплантатов долговременного контакта с тканями живого организма с повышенной твердостью и бактерицидными, бактериостатическими свойствами, препятствующими размножению патогенных микроорганизмов вблизи имплантата, и уменьшение риска отторжения.
Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что ионно-плазменное покрытие электродугового испарения на основе нитрида титана в условиях ионной бомбардировки дополнительно содержит в составе нитрид гафния, который придает покрытию бактерицидные, бактериостатические свойства и повышает микротвердость поверхности при следующем соотношении компонентов покрытия, мас.%:
Ti - 17-24;
Hf - 70-80;
N - 3-6.
Состав материала отличается от стехиометрического Ti1N1 и Hf1N1, однако этот состав представляет из себя смесь нитридов титана и гафния, соответствующих области гомогенности в % по массе по содержанию азота нитрида титана - 10-22%, нитрида гафния - 5,40-7,85% (Самсонов Г.В., Эпик А.П. Тугоплавкие соединения. - М.: Металлургия, 1973, с.28).
Выбор материала основы металлического имплантата определен медико-техническими требованиями к нему и в настоящее время ограничен сплавами титана.
Введение в состав покрытия нитрида гафния препятствует размножению бактерий, снижает жизнеспособность микроорганизмов, наиболее часто встречающихся в условиях стационара: стафилококка, синегнойной палочки, кишечной палочки и клебсиеллы (см. табл.2). Тем самым создаются благоприятные условия для купирования воспалительного процесса и протекания процесса остеогенеза и остеосинтеза. При этом с уменьшением концентрации гафния в покрытии ниже 70 мас.%, бактерицидное и бактериостатичекое действие уменьшается. С увеличением концентрации гафния свыше 80% ухудшаются физико-механические свойства и повышается количество мигрирующих ионов в водную среду, в результате чего может проявится токсичное действие покрытия (см. табл.1 и 2).
Ниже приведены конкретные примеры осуществления изобретения.
Пример 1.
Осаждение покрытия (Ti, Hf)N осуществляли в вакуумной ионно-плазменной установке, снабженной тремя дуговыми испарителями, методом конденсации из пароплазменной фазы в условиях ионной бомбардировки.
Ионную очистку поверхности подложки проводили двумя испарителями с титановым катодом в вакууме остаточного давления 0,01÷0,02 Па. После ионной очистки наносили покрытие испарением одного гафниевого и двух титановых катодов в течение 20 мин. Нанесение покрытий осуществляли при токе дуги на титановых катодах 60 А, на гафниевым катоде 75 А, давлении азота в камере 0,2÷0,3 Па. Необходимое соотношение массовых долей элементов на поверхностном слое покрытия (1 мкм) выдерживали за счет нанесения верхнего слоя покрытия в течение 20 мин испарением металла с одного гафниевого и одного титанового катода. Общее время процесса непрерывного осаждения покрытия составило 40 мин. Элементный анализ поверхностного слоя полученного покрытия на сканирующем электронном микроскопе Carl Zeiss EVO LS 10 с аналитической приставкой показал следующее соотношение элементов, мас.%:
Ti- 19,1;
Hf - 77,8;
N - 3,1.
Для измерения физико-механических и микробиологических свойств покрытия (Ti, Hf)N его осаждали на подложки из титанового сплава ВТ6. Твердость покрытия определяли по ГОСТ 9450-76 на микротвердомере HMV-2 фирмы Shimadzu. Стойкость к циклам обработки оценивали по методическим указаниям института дезинфектологии, утвержденным Росздравнадзором МУ 287-113 «Методические указания по дезинфекции, предстерилизационной очистке и стерилизации изделий медицинского назначения, 1998 года утверждения» и отраслевым стандартом на циклы обработки ОСТ 42-21-2-85. Параметр шероховатости измеряли по ГОСТ 2789-73 на профилометре TR-200.
Исследования антимикробных свойств образцов проводили методом секторных посевов на музейных культурах: синегнойная палочка (Pseudomonas aeruginosa АТСС -9027), кишечная палочка (Escherichia coli 055). Плотность культуральной взвеси перед внесением в колбу была 5×104 микробных тел/мл. Высев для учета роста выполняли методом калиброванной петли с количественным определением микрофлоры. Использовали калиброванную петлю диаметром 3 мм. На сектор А наносили 40 штрихов, петлю прожигали. Из сектора А на первый I проводили 4 штриха с отрывом, петлю прожигали. Аналогичным образом делали посевы с первого на второй сектор II и со второго на третий - III, прожигая петлю после каждого пересева с каждого сектора. В качестве питательной среды использовали мясопептонный агар. О результатах судили по количеству жизнеспособных клеток, выросших на питательной среде. Подсчет количества жизнеспособных клеток микроорганизмов как в опыте, так и контроле вели относительно внесенного материала с последующим сравнением.
Для определения биологической инертности исследовали миграцию ионов металлов из конденсатов в водную среду ферментным методом с использованием биохимических сенсоров-датчиков иммобилизованной холинэстеразой.
Исследование цитотоксичности образцов материала проводили по определению индекса пролиферации, который подсчитывают по отношению выросших клеток к посеянным. Подсчет проводили в камере Горяева. Использованы перевиваемые линии культур клеток невринома Гессерова узла крысы (НГУК), который состоит из фибробластоподобных клеток, и трахея эмбриона крупного рогатого скота (TP), которая состоит из эпителиоподобных клеток.
Пример 2.
Осаждение покрытия осуществляли испарением одного гафниевого и двух титановых катодов при режимах аналогичных примеру 1. Получено покрытие следующего состава, мас.%:
Ti - 32,1;
Hf - 62,2;
N - 5,7.
Пример 3 аналогичен примеру 1, но в конце процесса нанесения в течение 20 мин осаждение покрытия осуществляли испарением одного гафниевого катода в среде газа - азота. Получено покрытие следующего состава, мас.%:
Ti - 11,1;
Hf - 86,1;
N - 2,6.
Характеристики полученных покрытий приведены в таблицах 1 и 2.
Исследования показывают что, покрытия из смеси нитридов титана и гафния неоптимального состава, которые находятся за пределами заявляемых диапазонов, не обладают совокупностью свойств, необходимых для материалов и имплантатов остеосинтеза: высокой твердостью и коррозионной стойкостью; низким параметром шероховатости поверхности; наличием антимикробных свойств; бактерицидной поверхностью; биосовместимостью и отсутствием токсичности.
Из приведенных в таблице 1 данных видно, что твердость и стойкость к циклам обработки (дезинфекция, предстерилизационноя очистка и стерилизация) покрытия предлагаемого состава превышают твердость и стойкость к циклам обработки покрытия из нитрида титана TiN.
Эксперименты по определению индекса роста перевиваемых культур показали, что покрытие TiN провоцирует ненормированный (ускоренный) рост клеток, что повышает вероятность перерождения клеток в раковые (быстрорастущие) при использовании покрытия в остеосинтезе. Плазменные конденсаты смеси нитрида гафния и нитрида титана не способствуют их ускоренному росту, а также не оказывают угнетающего воздействия на рост культур клеток.
| Таблица 1 - Элементный состав и физико-механические свойства покрытия | ||||||
| № примера | Элементный состав, мас.% | Стойкость в циклах обработки до появления первых признаков коррозии, количество циклов обработки | Твердость, ГПа | Параметр шероховатости Ra, (Raисходн=0,05), мкм | ||
| Ti | N | Hf | ||||
| 1 | 19,1 | 3,1 | 77,8 | 51 | 38±5 | 0,06 |
| 2 | 32,1 | 5,7 | 62,2 | 48 | 31±3 | 0,05 |
| 3 | 11,3 | 2,6 | 86,1 | 20 | 36±5 | 0,08 |
| Прототип | 77,5 | 22,5 | - | 38 | 28±4 | 0,05 |
| Таблица 2 - Элементный состав и микробиологические свойства покрытия | |||||||||
| № примера | Элементный состав, мас.% | Миграция ионов, моль/л | Антимикробные свойства. Количество жизнеспособных клеток через 4 часа, % | Индекс роста перевиваемых культур |
|||||
| Ti | N | Hf | Ti+ | Hf+ | ЕС | РА | НГУК | TP | |
| 1 | 19,1 | 3,1 | 77,8 | <10-10 | 1·10-9 | 19 | 18 | 1,7 | 1,4 |
| 2 | 32,1 | 5,7 | 62,2 | 1·10-8 | 1·10-9 | 65 | 30 | 1,9 | 1,7 |
| 3 | 11,3 | 2,6 | 86,1 | <10-10 | 5·10-6 | 19 | 18 | 1,7 | 1,2 |
| Прототип | 77,5 | 22,5 | - | 1·10-5 | - | спл. рост | 87 | 2,5 | 2,0 |
| ЕС - синегнойная палочка, РА - кишечная палочка, НГУК - невринома Гессерова узла крысы, TP - трахея эмбриона крупного рогатого скота. |
Бактерицидное покрытие для медицинских изделий, состоящее из конденсатов, образованных при ионной бомбардировке в процессе вакуумного электродугового испарения металлов в присутствии реагирующего газа - азота, на основе нитрида титана, отличающееся тем, что материал дополнительно содержит в своем составе нитрид гафния при следующем соотношении элементов, мас.%:
Ti - 17-24;
Hf - 70-80;
N - 3-6.
