RU2693468C1

RU2693468C1 - Method of producing modified biocoating on titanium implant (versions)

Info

Publication number: RU2693468C1
Application number: RU2019108503A
Authority: RU
Inventors: Юрий Петрович Шаркеев; Мария Борисовна Седельникова; Екатерина Геннадьевна Комарова; Валентина Вадимовна Чебодаева; Татьяна Викторовна Толкачева; Ольга Владимировна Бакина
Priority date: 2019-03-25
Filing date: 2019-03-25
Publication date: 2019-07-03

Abstract

FIELD: biotechnology.

SUBSTANCE: invention relates to four versions of a method for producing modified biocoating on an implant of titanium. One of the versions of the method involves anodising the implant with pulse current in conditions of spark microdischarge in a water solution of orthophosphoric acid containing compounds of calcium and phosphorus, which differs from known designs in that anodic electrolyte is used for anodising. Electrolyte contains calcium compound with phosphorus with additionally added zinc ions at the following component ratio, wt %: H₃PO₄ 26.9 ± 0.1; CaCO₃ 7.2 ± 0.1; Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂ 4.8 ± 0.1; balance – H₂O. Modified biocoatings obtained by different versions of the method additionally have higher antibacterial and osteoinductive properties; high biological activity and good adhesion to the implant material.

EFFECT: technical result is production of modified biocoats with porous structure on implant from titanium with developed rough surface and increased osteointegration with bone tissue.

6 cl, 4 ex, 4 tbl

Description

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к способу обработки поверхности титанового имплантата, позволяющему формировать биопокрытие с развитым рельефом и дополнительными функциональными свойствами для имплантации в костную ткань для улучшения его биологической совместимости с живым организмом и может быть использовано при изготовлении поверхностно-пористых дентальных имплантатов, имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии. The invention relates to the field of medical technology, in particular to a method of processing the surface of a titanium implant, which allows to form a biocover with a developed relief and additional functional properties for implantation into bone tissue to improve its biological compatibility with a living organism and can be used in the manufacture of surface-porous dental implants , implants for traumatology, orthopedics and various types of plastic surgery.

Известны биоактивное покрытие на имплантате из титана и способ его получения, RU2385740, опубл. 10.04.2010 г.Known bioactive coating on the titanium implant and method for its production, RU2385740, publ. 04/10/2010

Биоактивное покрытие на имплантате из титана содержит кальций-фосфатные соединения и имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью, Покрытие имеет толщину 10-40 мкм, общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм, шероховатость 2,5-5 мкм, адгезионную прочность 30-35 МПа. Покрытие содержит кальций-фосфаты в рентгеноаморфном состоянии. Описан способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана, который заключается в нанесении покрытия микродуговым оксидированием, но перед нанесением покрытия поверхность титанового имплантата подвергают механической и химической обработке, затем проводят микродуговое оксидирование с получением многоуровневой пористой структуры кальций-фосфатного покрытия. The bioactive coating on the titanium implant contains calcium-phosphate compounds and has a multi-level porous structure with a rough surface. The coating has a thickness of 10-40 microns, a total porosity of 35-45% with an average pore size of 3-8 microns, a roughness of 2.5-5 microns , adhesive strength of 30-35 MPa. The coating contains calcium phosphate in the X-ray amorphous state. A method for producing a bioactive coating on a titanium implant is described, which consists in applying a coating by microarc oxidation, but before coating the surface of the titanium implant is subjected to mechanical and chemical treatment, then microarc oxidation is carried out to obtain a multilevel porous structure of calcium phosphate coating.

Недостатком известного способа является наличие стадии кислотного травления в кипящей смеси кислот, что переводит технологический процесс в разряд опасных химических производств и налагает ряд соответствующих требований и ограничений. Также необходимо отметить используемые высокие концентрации химических веществ в составе электролита. The disadvantage of this method is the presence of the stage of acid etching in a boiling mixture of acids, which translates the process into the category of hazardous chemical plants and imposes a number of relevant requirements and restrictions. It is also necessary to note the high concentrations of chemicals used in the electrolyte.

Известны кальций-фосфатное покрытие на титане и титановых сплавах и способ его нанесения, RU2291918, опубл. 20.01.2007 г. Known calcium phosphate coating on titanium and titanium alloys and the method of its application, RU2291918, publ. 01.20.2007

Покрытие содержит, мас.%: титанат кальция 7-9; пирофосфат титана 16-28; кальций-фосфатные соединения - остальное. Способ включает анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в растворе ортофосфорной кислоты, содержащем гидроксиапатит и карбонат кальция, при этом анодирование ведут импульсным током со следующими параметрами: время импульса 50-200 мкс; частота следования импульсов 50-100 Гц; начальная плотность тока 0,2-0,25 А/мм2; конечное напряжение 100-300 В. Технический результат: получение покрытия, составом аналогичным составу костной ткани с высоким содержанием кальция, обладающего хорошими остеоиндуктивными и механическими свойствами, толщиной от 40 до 80 мкм. The coating contains, wt%: calcium titanate 7-9; titanium pyrophosphate 16-28; calcium phosphate compounds - the rest. The method includes implant anodizing by pulsed current under conditions of a spark microdischarge in a solution of orthophosphoric acid containing hydroxyapatite and calcium carbonate, while anodizing is carried out by pulsed current with the following parameters: pulse time 50–200 μs; pulse repetition frequency 50-100 Hz; initial current density of 0.2-0.25 A / mm2; final voltage 100-300 V. Technical result: obtaining a coating with a composition similar to that of bone tissue with a high calcium content, with good osteoinductive and mechanical properties, with a thickness of 40 to 80 microns.

Недостатком известного изобретения является недостаточный антимикробный эффект покрытия на имплантате из титана, которая не исследовалась авторами, особенно в случае покрытий с высокими значениями шероховатости (Ra до 8 мкм).The disadvantage of the known invention is the insufficient antimicrobial effect of the coating on the titanium implant, which has not been studied by the authors, especially in the case of coatings with high roughness values (Ra up to 8 μm).

Известны кальций-фосфатное покрытие на титане и титановых сплавах и способ его нанесения, RU2221904, опубл. 20.01.2004 г. Known calcium phosphate coating on titanium and titanium alloys and the method of its application, RU2221904, publ. 01.20.2004

Предложен способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов, включающий анодирование имплантата импульсным или постоянным током в условиях искрового разряда с частотой следования импульсов 0,5-10,0 Гц в растворе ортофосфорной кислоты в течение 10-30 мин при постоянном перемешивании, причем анодирование ведут при напряжении 90-200 В и температуре 20-35 °С в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния, или в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния и дополнительно 5-10% суспензии гидроксиапатита дисперсностью менее 70 мкм для создания суспензии. Изобретение позволяет удешевить и упростить способ получения биоактивного покрытия.A method of applying a coating to an implant made of titanium and its alloys is proposed, including anodizing the implant with pulsed or direct current under conditions of a spark discharge with a pulse repetition rate of 0.5-10.0 Hz in a solution of orthophosphoric acid for 10-30 minutes with constant stirring Anodizing is carried out at a voltage of 90-200 V and a temperature of 20-35 ° C in a solution of phosphoric acid with a concentration of 5-25%, containing CaO powder to a supersaturated state, or in a solution of phosphoric acid with a concentration of 5-25%, containing CaO powder to ne a saturated state and an additional 5-10% suspension of hydroxyapatite with a dispersion of less than 70 microns to create a suspension. The invention allows to reduce the cost and simplify the method of obtaining a bioactive coating.

Недостатком покрытия, полученного этим способом, является также низкое содержание кальция в нем. Также недостатком этого способа является то, что при его реализации получают покрытие толщиной не более 30 мкм.The disadvantage of the coating obtained by this method is also low calcium content in it. Also the disadvantage of this method is that when it is realized, a coating is obtained with a thickness of not more than 30 microns.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов, RU2348744, опубл. 10.03.2009 г.Closest to the proposed invention is a method of applying a calcium phosphate coating on implants made of titanium and its alloys, RU2348744, publ. 03/10/2009

При нанесении кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов осуществляют плазменно-электролитическую обработку имплантата импульсным током в электролите, содержащем цитрат кальция и фосфат натрия. Обработку проводят импульсным током с длительностью анодных и катодных импульсов 0,0033-0,02 с первоначально в монополярном гальваностатическом режиме при эффективном значении плотности тока 3-5 А/см² и конечном напряжении формирования 350-380 В в течение 10-15 мин. Затем в течение 3-5 мин имплантат обрабатывают в биполярном режиме с потенциодинамической анодной составляющей при напряжении до 280-300 В и гальваностатической катодной составляющей с эффективной плотностью тока 1,0-1,5 А/см². Полученное покрытие обладает высокой биоактивностью и остеоиндуктивностью благодаря качественному и количественному составу, близкому к минеральному составу костной ткани, соотношению кальций/фосфор, сравнимому с соотношением, присущим костной ткани, а также своей пористой структуре.When a calcium phosphate coating is applied to implants made of titanium and its alloys, plasma-electrolytic treatment of the implant is carried out with a pulsed current in an electrolyte containing calcium citrate and sodium phosphate. The treatment is carried out with a pulse current with an anodic and cathodic pulse duration of 0.0033-0.02 s, initially in a monopolar galvanostatic mode at an effective value of a current density of 3-5 A / cm ² and a final formation voltage of 350-380 V for 10-15 minutes. Then within 3-5 minutes the implant is treated in a bipolar mode with a potentiodynamic anodic component at voltages up to 280-300 V and a galvanostatic cathodic component with an effective current density of 1.0-1.5 A / cm ² . The resulting coating has a high bioactivity and osteoinductiveness due to the qualitative and quantitative composition close to the mineral composition of bone tissue, calcium / phosphorus ratio, comparable to the ratio inherent in bone tissue, as well as its porous structure.

Технологической проблемой предлагаемого изобретения является разработка способа получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана (варианты).The technological problem of the present invention is to develop a method of obtaining a modified biocovering on an implant of titanium (options).

Техническим результатом изобретения является получение модифицированных биопокрытий с пористой структурой на имплантате из титана с развитой шероховатой поверхностью и повышенной остеоинтеграцией с костной тканью, при этом модифицированное биопокрытие: The technical result of the invention is to obtain modified biocoatings with a porous structure on a titanium implant with a developed rough surface and increased osseointegration with bone tissue, with the modified biocoating:

- полученное по первому и второму вариантам способа обладает дополнительно антибактериальными свойствами; - obtained by the first and second variants of the method has additional antibacterial properties;

- полученное по третьему варианту обладает дополнительно высокой биологической активностью и хорошей адгезией к материалу имплантата;- obtained according to the third variant has an additional high biological activity and good adhesion to the implant material;

- полученное по четвертому варианту способа обладает дополнительно повышенными остеоиндуктивными и антибактериальными свойствами.- obtained by the fourth variant of the method has additionally enhanced osteoinductive and antibacterial properties.

Указанный технический результат достигается тем, что способ (первый вариант) получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, при этом для анодирования используют электролит, в составе которого соединение кальция с фосфором с дополнительно введенными ионами цинка. В первом варианте способа используют электролит состава, масс.%: H₃PO₄ - 26,9±0,1; CaCO₃ – 7,2±0,1; Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂ – 4,8±0,1; остальное Н₂О.This technical result is achieved by the fact that the method (the first option) of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulsed current in a spark discharge in an aqueous solution of orthophosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, while using electrolyte for anodizing, consisting of which compound is calcium with phosphorus with additionally introduced zinc ions. In the first variant of the method, the electrolyte of the composition, wt.%: H ₃ PO ₄ - 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ - 7.2 ± 0.1; Ca _9.9 Zn _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ - 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

Указанный технический результат также достигается тем, что способ (второй вариант) получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, при этом для анодирования используют электролит, в составе которого соединение кальция с фосфором с дополнительно введенными ионами меди. This technical result is also achieved by the method (the second option) of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulsed current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of phosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, while using electrolyte for anodizing The composition of which is a calcium compound with phosphorus with additionally introduced copper ions.

Во втором варианте способа используют электролит состава, масс.%: H₃PO₄ – 26,9±0,1; CaCO₃ – 7,2±0,1; Ca_9.9Cu_0.1(PO₄)₆(OH)₂ – 4,8±0,1; остальное Н₂О. In the second variant of the method, the electrolyte of the composition, wt.%: H ₃ PO ₄ - 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ - 7.2 ± 0.1; Ca _9.9 Cu _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ - 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

Указанный технический результат также достигается тем, что способ (третий вариант) получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, при этом для анодирования используют электролит в составе которого соединение кальция с кремнием.This technical result is also achieved by the method (the third option) of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulsed current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of orthophosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, while using an electrolyte for anodizing whose compound is calcium with silicon.

В третьем варианте способа используют электролит используют электролит состава, масс.%: H₃PO₄ - 27,3±0,1; CaSiO₃ – 6,1±0,1; Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂– 4,8±0,1; остальное Н₂О.In the third variant of the method, the electrolyte is used; the electrolyte of the composition, wt.%: H ₃ PO ₄ - 27.3 ± 0.1; CaSiO ₃ - 6.1 ± 0.1; Ca ₁₀ (PO4) ₆ (OH) ₂ - 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

Указанный технический результат также достигается тем, что способ (четвертый вариант) получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, при этом сначала наносят кальций-фосфатное биопокрытие, а затем проводят дополнительное модифицирование биопокрытия наноразмерными частицами оксигидроксида алюминия. В четвертом варианте способа для нанесения кальций-фосфатного биопокрытия используют электролит состава, масс.%: H₃PO_{4 -}26,9±0,1; CaCO₃ – 7,2±0,1; Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂ – 4,8±0,1; остальное Н₂О.This technical result is also achieved by the method (fourth option) of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulsed current in a spark discharge in an aqueous solution of orthophosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, while first applying a calcium phosphate biocoating , and then carry out additional modification of the biocoating nanosized particles of aluminum oxyhydroxide. In the fourth embodiment of the method for the application of calcium-phosphate biocoatings use the electrolyte composition, wt.%: H ₃ PO _{4 -} 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ - 7.2 ± 0.1; Ca ₁₀ (PO4) ₆ (OH) ₂ - 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

Дополнительное модифицирование биопокрытия наноразмерными частицами оксигидроксида алюминия проводят ультразвуковой обработкой имплантата в суспензии следующего состава: дистиллированная H₂O – 25 мл, AlN – 30 мг, а затем суспензию с имплантатом нагревают до температуры 60^оС.Additional modification of biocovering with nano-sized aluminum oxyhydroxide particles is carried out by ultrasound treatment of the implant in a suspension of the following composition: distilled H ₂ O - 25 ml, AlN - 30 mg, and then the suspension with the implant is heated to a temperature of 60 ^o C.

Способ микродугового оксидирования проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 150-200 В, длительность импульса 100-300 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут.The method of microarc oxidation is carried out in the anode mode with the parameters: voltage 150-200 V, pulse duration 100-300 μs, pulse repetition rate 50 Hz, for 10 minutes.

В настоящее время актуальным является разработка способа получения модифицированных биопокрытий на титановых имплантатах, обеспечивающих повышенную остеоинтеграцию костных клеток, благодаря пористой структуре и развитой шероховатой поверхности, и дополнительно обладающих антибактериальной активностью, высокой биологической активностью и повышенными остеокондуктивными свойствами. Биопокрытие на имплантате из титана, полученное по предлагаемому способу, включает кальций-фосфатные соединения, применение которых обусловлено сходством химического состава с минеральной составляющей костей человека. Повышению остеоинтеграции костных клеток в живых организмах способствует создание кальций-фосфатного биопокрытия на титановом имплантате c пористой структурой и развитой шероховатой поверхностью. Модифицирование кальций-фосфатного биопокрытия на титановом имплантате с помощью антибактериальных агентов, таких как цинк или медь, придает биопокрытию дополнительно антибактериальные свойства, модифицирование с помощью добавления волластонита придает дополнительное ускорение зародышеобразования гидроксиапатита и улучшает адгезию биопокрытия к титановой подложке, а модифицирование наноразмерными частицами оксигидроксида алюминия (бемит, АlО(OH)) придает биопокрытию дополнительно повышенную остеокондуктивность и антибактериальные свойства.Currently, it is important to develop a method of obtaining modified biocoatings on titanium implants, providing increased osseointegration of bone cells, due to the porous structure and developed rough surface, and additionally having antibacterial activity, high biological activity and enhanced osteoconductive properties. Biocovering on the titanium implant, obtained by the proposed method, includes calcium phosphate compounds, the use of which is due to the similarity of the chemical composition with the mineral component of human bones. The increase in osseointegration of bone cells in living organisms is facilitated by the creation of a calcium phosphate biocover on a titanium implant with a porous structure and a developed rough surface. Modifying calcium phosphate biocoatings on titanium implants with antibacterial agents, such as cites, are also found in refineries, which render the biocoating further antibacterial properties; modifying with addition of wollastonite adds additional acceleration to the nucleation of hydroxyapatite and improves the adhesion of the biocoatings to the wall pattern, I use the tabs, I am using this material to create a titanium pattern. boehmite, AlO (OH)) gives the biocoating an additional increased osteoconductiveness and antibacterial properties.

Заявленный способ получения модифицированного биопокрытия на титановом имплантате осуществляют с помощью микродугового оксидирования в анодном режиме при следующих технологических параметрах: напряжение 150-200 В, длительность импульса 100-300 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут с использованием растворов электролита определенного состава для каждого варианта способа.The claimed method of obtaining a modified biocoating on a titanium implant is carried out using microarc oxidation in the anode mode with the following process parameters: voltage 150-200 V, pulse duration 100-300 μs, pulse repetition rate 50 Hz, for 10 minutes using electrolyte solutions of a certain composition for each variant of the method.

В эксперименте в качестве титанового имплантата используют образец в форме пластины из технически чистого титана марки ВТ1-0, крупнокристаллический, состоящий из зерен α-фазы.In the experiment, a sample in the form of a plate made of technically pure titanium of the VT1-0 brand, a large crystal consisting of α-phase grains, is used as a titanium implant.

Способ получения биопокрытия осуществляют путем микродугового оксидирования образца в электролите разного состава, компонентами которого являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями: гидроксиапатит (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂, Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂ или Ca_9.9Cu_0.1(PO₄)₆(OH)₂); карбонат кальция (CaCO₃); силикат кальция (волластонит, CaSiO₃); ортофосфорная кислота (Н₃РО₄). The method of obtaining biocoatings is carried out by microarc oxidation of the sample in an electrolyte of different composition, the components of which are chemically pure compounds compatible with biological tissues: hydroxyapatite (Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ , Ca _9.9 Zn _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH ) ₂ or Ca _9.9 Cu _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ); calcium carbonate (CaCO ₃ ); calcium silicate (wollastonite, CaSiO ₃ ); phosphoric acid (H ₃ PO ₄ ).

Первый и второй варианты способа осуществляют путем микродугового оксидирования образцов в двух электролитах разных составов: первый состав электролита – Н₃РО₄ + CaCO₃ + Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂ и второй состав электролита – Н₃РО₄ + CaCO₃ + Ca_9.9Cu_0.1(PO₄)₆(OH)₂. Добавление в электролит гидроксиапатита с частичным замещением кальция на цинк или медь позволяет ввести в состав кальций-фосфатного биопокрытия элементы Zn или Cu, обладающие антибактериальными свойствами. The first and second variants of the method are carried out by microarc oxidation of samples in two electrolytes of different compositions: the first electrolyte composition - H ₃ PO ₄ + CaCO ₃ + Ca _9.9 Zn _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ and the second electrolyte composition - H ₃ PO ₄ + CaCO ₃ + Ca _9.9 Cu _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ . The addition of hydroxyapatite to the electrolyte with partial replacement of calcium by zinc or copper makes it possible to introduce elements of Zn or Cu into the composition of the calcium phosphate biocover, which possess antibacterial properties.

Третий вариант способа осуществляют путем микродугового оксидирования образца в электролите следующего состава – H₃PO₄ + CaSiO₃ + Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Добавление волластонита (CaSiO₃) в состав электролита позволяет получить биопокрытия с высокой биологической активностью с Si-OH-группами на его поверхности, которые являются предпочтительными для зародышеобразования и роста гидроксиапатита и дополнительно усиливают процессы образования новой костной ткани. The third variant of the method is carried out by microarc oxidation of the sample in the electrolyte of the following composition - H ₃ PO ₄ + CaSiO ₃ + Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ . Adding wollastonite (CaSiO ₃ ) to the electrolyte composition allows one to obtain biocoatings with high biological activity with Si – OH groups on its surface, which are preferred for nucleation and growth of hydroxyapatite and further enhance the formation of new bone tissue.

Четвертый вариант способа получения биопокрытия осуществляют путем микродугового оксидирования образца в электролите следующего состава – H₃PO₄ + CaCO₃ + Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Затем проводят модифицирование биопокрытия наночастицами бемита AlO(OH) путем ультразвукового воздействия в суспензии следующего состава: H₂O – 25 мл, AlN – 30 мг. Сперва готовят суспензию и подвергают ее ультразвуковой обработке в течение 1 часа для разбивки нанопорошка AlN. Затем образец из титана с нанесенным пористым кальций-фосфатным биопокрытием помещают в приготовленную суспензию и подвергают ультразвуковой обработке в течение 5 минут. Под воздействием ультразвуковых колебаний наночастицы исходного нанопорошка AlN попадают на поверхность и в поры биопокрытия. После этого суспензию вместе с образцом нагревают до 60°С для инициализации реакции гидролиза. В ходе реакции гидролиза наночастицы порошка AlN превращаются в наночастицы бемита AlO(OH) со складчатыми нанолистами с большой удельной поверхностью. Уравнение реакции гидролиза: AlN + 2H₂О→ AlO(OH) + NH₃↑. Модифицирование наночастицами бемита способствует формированию электроположительного заряда в биопокрытии, увеличивает его сорбционную способность по отношению к костным клеткам и антибактериальную активность по отношению к патогенным штаммам.The fourth variant of the method of obtaining biocoating is carried out by microarc oxidation of the sample in the electrolyte of the following composition - H₃PO_four + CaCO₃ + Ca_ten(PO_four)₆(Oh)₂. This is followed by modifying the biocoating with boehmite AlO (OH) nanoparticles by ultrasound in a suspension of the following composition: H₂O - 25 ml, AlN - 30 mg. First, the suspension is prepared and subjected to ultrasound treatment for 1 hour to break the AlN nanopowder. Then a sample of titanium coated with a porous calcium phosphate biocoating is placed in the prepared suspension and subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes. Under the influence of ultrasonic vibrations, the nanoparticles of the original AlN nanopowder fall on the surface and into the pores of the biocoating. After that, the suspension with the sample is heated to 60 ° C to initiate the hydrolysis reaction. During the hydrolysis reaction, nanoparticles of AlN powder are converted to boehmite AlO (OH) nanoparticles with folded nanosheets with a large specific surface. Hydrolysis reaction equation: AlN + 2H₂ABOUT→ AlO (OH) + NH₃↑. Modifying boehmite nanoparticles contributes to the formation of an electropositive charge in a biocover, increases its sorption capacity with respect to bone cells and antibacterial activity against pathogenic strains.

Приборы, с помощью которых проводят измерения свойств биопокрытий.Devices with which to carry out measurements of the properties of biocoatings.

Исследование морфологии, структуры и элементного состава кальций-фосфатных биопокрытий проводят на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия) с приставкой для энергодисперсионного микроанализа (INCA Energy-250, Oxford Instruments) Поверхностную пористость биопокрытий рассчитывали, как отношение всех площадей, приходящихся на поры, к общей площади РЭМ-изображения.The study of the morphology, structure and elemental composition of calcium phosphate biocoatings is carried out on a LEO EVO 50 raster electron microscope (Zeiss, Germany) with an attachment for energy dispersive microanalysis (INCA Energy-250, Oxford Instruments). The surface porosity of the biocoatings was calculated as the ratio of all areas attributable to pores, to the total area of the SEM image.

Исследования микроструктуры биопокрытий проводились на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 JEOL.The microstructure of biocoatings was studied using a JEM 2100 JEOL transmission electron microscope.

Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник) с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Co-Kα излучении (λ = 0.17902 нм) в диапазоне углов 2θ = 10–90º с шагом сканирования 0,02º.X-ray photographs were taken on a DRON-7 diffractometer (Petrel) with Bregg-Brentano focusing in Co-Kα radiation (λ = 0.17902 nm) in the angle range 2θ = 10–90º with a scanning step of 0.02º.

Исследование дзета-потенциала кальций-фосфатных биопокрытий на поверхности титановых пластин выполнялось на Z-потенциометре «Anton Paar SurPASS»The study of the zeta potential of calcium phosphate biocoatings on the surface of titanium plates was performed on an Anton Paar SurPASS Z-potentiometer.

Исследование смачиваемости и расчет поверхностной энергии биопокрытий проводили на установке «Easy Drop DSA1» (Kruss).The study of wettability and the calculation of the surface energy of biocoatings was carried out on the installation “Easy Drop DSA1” (Kruss).

Шероховатость поверхности биопокрытий определяли на Профилометре-296 (Россия) по параметру Ra (ГОСТ 2789-73).The surface roughness of biocoatings was determined on a Profilometer-296 (Russia) by the parameter Ra (GOST 2789-73).

Противомикробная активность биопокрытий была проверена методом подсчетов жизнеспособных бактерий. В этом методе in vitro динамика уничтожения бактерий в образце измерялась путем подсчета остаточных бактерий по сравнению со стартером.The antimicrobial activity of biocoatings was verified by counting viable bacteria. In this in vitro method, the dynamics of the destruction of bacteria in the sample was measured by counting the residual bacteria compared to the starter.

Пролиферативную активность клеточных линий определяли методом непосредственного подсчета количества клеток после контакта с образцами при помощи оптического микроскопа.The proliferative activity of cell lines was determined by directly counting the number of cells after contact with samples using an optical microscope.

Примеры выполнения способа.Examples of the method.

Пример 1. Example 1

Берут образец в форме пластины размером 10×10×1 мм из технически чистого титана марки ВТ1-0, крупнокристаллический, состоящий из зерен α-фазы. Образец подвергают шлифовке до достижения шероховатости Ra = 0.6 мкм, потом проводят ультразвуковую очистку сначала в дистиллированной воде, затем в спирте в течение 10 минут. Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 200 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут. A sample in the form of a plate with a size of 10 × 10 × 1 mm is taken from commercially available titanium grade VT1-0, a coarse-grained, consisting of α-phase grains. The sample is subjected to grinding to achieve a roughness of Ra = 0.6 μm, then ultrasonic cleaning is carried out, first in distilled water, then in alcohol for 10 minutes. Microarc oxidation is carried out in the anode mode with the parameters: voltage 200 V, pulse duration 100 μs, pulse repetition rate 50 Hz, for 10 minutes.

Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Для получения 1 л электролита смешивают 765 мл дистиллированной воды с 235 мл 85%-ной ортофосфорной кислотой (Н₃РО₄), затем по очереди небольшими порциями вводят карбонат кальция (CaCO₃) в количестве 90 г. Затем после окончания процесса газовыделения в электролит при постоянном перемешивании вводят гидроксиапатит с частичным замещением кальция на цинк (Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂)в количестве 60 г.The process is conducted in an aqueous electrolyte solution prepared as follows. To obtain 1 liter of electrolyte, 765 ml of distilled water is mixed with 235 ml of 85% orthophosphoric acid (H ₃ PO ₄ ), then calcium carbonate (CaCO ₃ ) in an amount of 90 g is injected in small portions in a quantity of 90 g. Then, after the end of the gas evolution process, the electrolyte With constant stirring, hydroxyapatite is introduced with partial substitution of calcium for zinc (Ca _9.9 Zn _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) in an amount of 60 g.

Полученное по первому варианту способа модифицированное биопокрытие обладает повышенной остеоинтеграцией в костную ткань, а состав электролита, содержащий ионы цинка, придает ему дополнительные антибактериальные свойства.The modified biocover obtained in the first embodiment of the method has increased osseointegration into the bone tissue, and the electrolyte composition containing zinc ions gives it additional antibacterial properties.

Биопокрытие, полученное по первому варианту способа, имеет толщину 50 ± 5 мкм, шероховатость по R_a3,1 ± 0,5 мкм, поверхностную пористость 22%, химический состав: Ca (4,3-11,4 ат.%), P (14,3-21,1 ат.%), Ti (8,1-17,8 ат.%), O (52,0-73,4 ат.%), Zn (до 0,4 ат.%). Краевые углы смачивания водой 20,6 ± 1,5 град и глицерином 42,3 ± 2,2 град. Поверхностная энергия – 69,9 ± 0,4 мДж/м². Адгезионная прочность – 15,5 ± 0,5 МПа.The biocover obtained in the first embodiment of the method has a thickness of 50 ± 5 μm, a roughness of R _a 3.1 ± 0.5 μm, a surface porosity of 22%, chemical composition: Ca (4.3-11.4 at.%) P (14.3-21.1 at.%), Ti (8.1-17.8 at.%), O (52.0-73.4 at.%), Zn (up to 0.4 at. %). Contact wetting angles with water 20.6 ± 1.5 degrees and glycerol 42.3 ± 2.2 degrees. Surface energy - 69.9 ± 0.4 mJ / m ² . Adhesive strength - 15.5 ± 0.5 MPa.

Пример 2. Example 2

Берут образец, аналогичный образцу в примере 1, подвергают его шлифовке и ультразвуковой очистке аналогично примеру 1. Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 200 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут. Take a sample similar to the sample in example 1, subjected to grinding and ultrasonic cleaning as in example 1. Microarc oxidation is carried out in the anode mode with the parameters: voltage 200 V, pulse duration 100 μs, pulse repetition rate 50 Hz, for 10 minutes.

Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Для получения 1 л электролита смешивают 765 мл дистиллированной воды с 235 мл 85%-ной ортофосфорной кислотой, затем небольшими порциями вводят карбонат кальция (CaCO₃) в количестве 90 г. Затем после окончания процесса газовыделения в электролит при постоянном перемешивании вводя гидроксиапатит с частичным замещением кальция на медь (Ca_9.9Cu_0.1 (PO₄)₆(OH)₂) в количестве 60 г. The process is conducted in an aqueous electrolyte solution prepared as follows. To obtain 1 liter of electrolyte, 765 ml of distilled water is mixed with 235 ml of 85% orthophosphoric acid, then calcium carbonate (CaCO ₃ ) in an amount of 90 g is injected in small portions. Then after the end of the gas evolution process, hydroxyapatite with partial substitution is introduced into the electrolyte with constant stirring calcium to copper (Ca _9.9 Cu _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ ) in the amount of 60 g

Полученное по второму варианту способа модифицированное биопокрытие обладает повышенной остеоинтеграцией в костную ткань, а состав электролита, содержащий ионы меди, придает ему дополнительные антибактериальные свойства.The modified biocovering obtained according to the second variant of the method has an increased osseointegration into the bone tissue, and the electrolyte composition containing copper ions gives it additional antibacterial properties.

Биопокрытие, полученное по второму варианту способа, имеет толщину 55 ± 5 мкм, шероховатость по R_a2,9 ± 0,5 мкм, поверхностную пористость 22%, химический состав: Ca (4,3-11,4 ат.%), P (14,3-21,1 ат.%), Ti (8,1-17,8 ат.%), O (52,0-73,4 ат.%), Cu (до 0,4 ат.%). Краевые углы смачивания водой 19,4 ± 1,2 град и глицерином 39,8 ± 2,1 град. Поверхностная энергия – 69,6 ± 0,9 мДж/м². Адгезионная прочность – 15,0 ± 0,4 МПа.The biocover obtained according to the second variant of the method has a thickness of 55 ± 5 μm, a roughness of R _a 2.9 ± 0.5 μm, a surface porosity of 22%, chemical composition: Ca (4.3-11.4 at.%), P (14.3-21.1 at.%), Ti (8.1-17.8 at.%), O (52.0-73.4 at.%), Cu (up to 0.4 at. %). Contact wetting angles 19.4 ± 1.2 degrees and glycerol 39.8 ± 2.1 degrees. Surface energy - 69.6 ± 0.9 mJ / m ² . Adhesive strength - 15.0 ± 0.4 MPa.

Результаты 24-часового роста S. aureus штамм 209 в агаровой среде после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами биопокрытий, полученных первым и вторым вариантами способа представлены в таблице 1.The results of a 24-hour growth of S. aureus strain 209 in agar medium after a preliminary 2-hour co-culture with extracts of biocoatings obtained by the first and second variants of the method are presented in table 1.

Оптическая плотность культуры S. aureus в экстракте цинк-содержащего кальций-фосфатного биопокрытия уменьшилась по сравнению с экстрактом кальций-фосфатного биопокрытия без добавок от 64.2 (64.2-64.3) до 38.3 (37.7-38.7) у.е.о.п.The optical density of the culture of S. aureus in the extract of zinc-containing calcium phosphate biocoating decreased in comparison with the extract of calcium phosphate biocoating without additives from 64.2 (64.2-64.3) to 38.3 (37.7-38.7) cu

Оптическая плотность культуры S. aureus в экстракте медь-содержащего биопокрытия уменьшилась по сравнению с экстрактом кальций-фосфатного биопокрытия без добавок от 64.2 (64.2-64.3) до 46.4 (46.3-46.5).The optical density of the S. aureus culture in the extract of the copper-containing biocoating decreased as compared with the calcium phosphate biocoating extract without additives from 64.2 (64.2-64.3) to 46.4 (46.3-46.5).

Таблица 1 Table 1

Группы,
n = 3Groups,
n = 3 Оптическая плотность культуры S. aureus (по модулю), у.е.о.п.Optical density of S. aureus culture (modulo), cu Число колоний на 1 мм² The number of colonies per 1 mm ² Диаметр колоний, ммThe diameter of the colonies, mm Контроль роста 1Growth Control 1 56,4
(55,9–56,7)56,4
(55.9–56.7) 0–30–3 До 0,5Up to 0.5 Контроль роста 2Growth Control 2 63,0*
(63,0–63,1)63.0 *
(63.0–63.1) –- Экстракт кальций-фосфатного биопокрытияExtract of calcium phosphate biocoating 64,25^
(64,2–64,3)64.25 ^
(64.2–64.3) –- Экстракт Zn-содержащего кальций-фосфатного биопокрытия Zn-containing calcium phosphate biocoating extract 38,3^
(37,7–38,7)38.3 ^
(37.7–38.7) –- Экстракт Cu-содержащего кальций-фосфатного биопокрытияCu-Containing Calcium Phosphate Biocoating Extract 46,4^
(46,3–46,5)46.4 ^
(46,3-46,5) –-

Примечание: n – число образцов в каждой группе; * – статистические различия при р < 0,05 с группой 1, ^ – с группой 2 согласно U-критерию Манна-Уитни.Note: n is the number of samples in each group; * - statistical differences at p <0.05 with group 1, ^ - with group 2 according to the Mann-Whitney U-test.

Пример 3. Example 3

Берут образец, аналогичный образцу в примере 1, подвергают его шлифовке и ультразвуковой очистке аналогично примеру 1. Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 150 В, длительность импульса 300 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут Take a sample similar to the sample in example 1, subjected to grinding and ultrasonic cleaning as in example 1. Microarc oxidation is carried out in the anode mode with the parameters: voltage 150 V, pulse duration 300 μs, pulse repetition rate 50 Hz, for 10 minutes

Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Для получения 1 л электролита смешивают 765 мл дистиллированной воды с 235 мл 85%-ной ортофосфорной кислотой, затем небольшими порциями вводят силикат кальция (CaSiO₃) в количестве 75 г. После окончания процесса газовыделения в электролит при постоянном перемешивании вводят стехиометрический гидроксиапатит Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ в количестве 60 г. The process is conducted in an aqueous electrolyte solution prepared as follows. To obtain 1 liter of electrolyte, 765 ml of distilled water is mixed with 235 ml of 85% orthophosphoric acid, then calcium silicate (CaSiO ₃ ) in an amount of 75 g is injected in small portions. After the gas evolution process is completed, stoichiometric hydroxyapatite Ca ₁₀ is injected into the electrolyte ( PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ in the amount of 60 g

Полученное по третьему варианту способа модифицированное биопокрытие обладает повышенной остеоинтеграцией в костную ткань, а состав электролита придает биопокрытию дополнительные свойства - высокую биологическую активность Si-OH-групп на его поверхности и повышенную адгезию к титановой подложке. The modified biocryption obtained according to the third variant of the method has an increased osseointegration into the bone tissue, and the electrolyte composition imparts additional properties to the biocoating — a high biological activity of Si-OH groups on its surface and an increased adhesion to the titanium substrate.

В результате исследований с фибробластами было выявлено, что процент выживших клеток на волластонит-содержащем биопокрытии составил 94.0±1.5%. Это указывает на высокую жизнеспособность клеточных культур, включая их подвижность на границе раздела оболочка-клетка.As a result of studies with fibroblasts, it was found that the percentage of surviving cells in the wollastonite-containing biocoating was 94.0 ± 1.5%. This indicates a high viability of cell cultures, including their mobility at the interface of the envelope-cell.

Биопокрытие, полученное по третьему варианту способа, имеет толщину 25 ± 3 мкм, шероховатость по R_a2,5 ± 0,5 мкм, поверхностную пористость 20 %, кажущуюся плотность 1,0 ± 0,1 г/см³. Краевые углы смачивания водой 17,5 ± 1,2 град и глицерином 28,0 ± 2,0 град. Поверхностная энергия – 70,0 ± 2,2 мДж/м². Адгезионная прочность – 57 ± 5 МПа.The biocover obtained according to the third variant of the method has a thickness of 25 ± 3 μm, a roughness of R _a 2.5 ± 0.5 μm, a surface porosity of 20%, an apparent density of 1.0 ± 0.1 g / cm ³ . Contact wetting angles are 17.5 ± 1.2 degrees and glycerol 28.0 ± 2.0 degrees. Surface energy - 70.0 ± 2.2 mJ / m ² . Adhesive strength - 57 ± 5 MPa.

Пример 4. Example 4

Сначала проводят процесс формирования кальций-фосфатного покрытия в электролите на основе стехиометрического гидроксиапатита. Для этого готовят раствор электролита состава: 765 мл дистиллированной воды смешивают с 235 мл 85%-ной H₃PO₄, затем вводят CaCO₃ в количестве 90 г и Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ в количестве 60 г, проводят микродуговое оксидирование с получением кальций-фосфатного покрытия.First, the process of formation of calcium phosphate coating in the electrolyte based on stoichiometric hydroxyapatite is carried out. For this, an electrolyte solution of the composition is prepared: 765 ml of distilled water is mixed with 235 ml of 85% H ₃ PO ₄ , then 90 g of CaCO ₃ are introduced and 60 g of Ca ₁₀ (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ are added; microarc oxidation to produce a calcium phosphate coating.

Затем готовят суспензию следующего состава: H₂O (дистиллированная) – 25 мл, порошок AlN – 30 мг. Суспензию с порошком подвергают ультразвуковой обработке для разбивания агломератов порошка AlN в течение 60 минут. Then prepare a suspension of the following composition: H ₂ O (distilled) - 25 ml, AlN powder - 30 mg. The suspension with the powder is subjected to ultrasonic treatment to break the agglomerates of AlN powder within 60 minutes.

В полученную суспензию помещают образец с кальций-фосфатным покрытием и подвергают ультразвуковой обработке в течение 5 мин. Затем суспензию с образцом нагревают до 60 градусов для инициализации реакции гидролиза (AlN+2H₂О→ AlO(OH)+NH₃↑), в результате которой формируются наночастицы бемита AlO(OH) с большой удельной площадью поверхности и осаждаются на поверхности и внутри пор кальций-фосфатного покрытия. Наночастицы бемита являются электроположительными (+40 мВ). Кальций-фосфатное покрытие с положительно заряженными наночастицами бемита будет способствовать ускорению остеокондуктивности отрицательно заряженных костных клеток на свою поверхность и ускорять остеоинтеграцию и заживление имплантата. In the resulting suspension is placed a sample with a calcium-phosphate coating and subjected to ultrasonic treatment for 5 minutes. Then the suspension with the sample is heated to 60 degrees to initiate the hydrolysis reaction (AlN + 2H₂ABOUT→ AlO (OH) + NH₃↑), as a result of which boehmite AlO (OH) nanoparticles with a large specific surface area are formed and are deposited on the surface and inside the pores of the calcium-phosphate coating. Boehmite nanoparticles are electropositive (+40 mV). Calcium-phosphate coating with positively charged boehmite nanoparticles will accelerate osteoconductiveness of negatively charged bone cells to its surface and accelerate osseointegration and implant healing.

Биопокрытие, полученное по четвертому варианту способа, имеет толщину 40 ± 5 мкм, шероховатость по Ra 3,0 ± 0,5 мкм, поверхностную пористость 39 %, химический состав: Ca (5,4 ± 0,5 ат.%), P (19,9 ± 0,9 ат.%), Ti (12,7 ± 0,8 ат.%), O (58,9 ± 5,4 ат.%), Al (до 3,1 ат.%). Краевые углы смачивания водой 10,0 ± 1,2 град и глицерином 30,0 ± 2,0 град. Поверхностная энергия – 102,0 ± 2,2 мДж/м2. Адгезионная прочность – 50 ± 5 МПа. Дзета-потенциал биопокрытий после модифицирования увеличился от - 63 мВ до - 23±3 мВ при pH среды 7.2.The biocoating obtained according to the fourth variant of the method has a thickness of 40 ± 5 μm, a roughness of Ra 3.0 ± 0.5 μm, a surface porosity of 39%, chemical composition: Ca (5.4 ± 0.5 at.%), P (19.9 ± 0.9 at.%), Ti (12.7 ± 0.8 at.%), O (58.9 ± 5.4 at.%), Al (up to 3.1 at.% ). Contact wetting angles 10.0 ± 1.2 degrees and glycerol 30.0 ± 2.0 degrees. The surface energy is 102.0 ± 2.2 mJ / m2. Adhesive strength - 50 ± 5 MPa. Zeta-potential of biocoatings after modification increased from - 63 mV to - 23 ± 3 mV at pH of the medium 7.2.

Полученное по четвертому варианту способа модифицированное биопокрытие обладает повышенной остеоинтеграцией в костную ткань, а дополнительное модифицирование наночастицами бемита AlO(OH) придает биопокрытию дополнительно повышенную остеокондуктивность и антибактериальные свойства. The modified biocovering obtained according to the fourth variant of the method has an increased osseointegration into the bone tissue, and the additional modification of boehmite AlO (OH) with nanoparticles gives the biocoating an additional osteoconductiveness and antibacterial properties.

В результате исследований на пролиферативную активность с фибробластами было выявлено, что процент выживших клеток на бемит-содержащем биопокрытии составил 100%, а на биопокрытии без добавок – 92%. Биопокрытие, полученное четвертым вариантом способа, имеет в составе положительно заряженные наноразмерные частицы бемита за счет чего их пролиферационная активность выше, чем у биопокрытия без наночастиц.As a result of studies on proliferative activity with fibroblasts, it was found that the percentage of surviving cells in the boehm-containing biocover was 100%, and on the biocoration without additives, 92%. The biocoating obtained by the fourth embodiment of the method has positively charged nanoscale boehmite particles as a result of which their proliferative activity is higher than that of the biocoatings without nanoparticles.

Результаты по антибактериальным свойствам биопокрытия, полученного четвертым вариантом способа, представлены в таблице 2. Культуру микроорганизмов S. aureus (MRSA) штамм 209 (грамположительные шаровидные клетки диаметром 0,5-1,5 мкм) культивировали в течение 24 часов при температуре 37 ± 1 °C, затем готовили взвесь в концентрации 10⁵ КОЕ/мл. Жизнеспособность бактерий (CFU/мл) подсчитывали после 3 и 6 ч инкубации в контакте с биопокрытиями при 37 °С. Количество колониеобразующих единиц на мл после контакта с бемит-содержащими биопокрытиями уменьшилось по сравнению с экстрактом кальций-фосфатного биопокрытия без добавок от 98 до 87 КОЕ/мл после 3 часов инкубации, и, от 97 до 74 КОЕ/мл после 6 часов инкубирования.The results of the antibacterial properties of the biocoating obtained by the fourth variant of the method are presented in Table 2. The culture of microorganisms of S. aureus (MRSA) strain 209 (gram-positive spherical cells with a diameter of 0.5-1.5 μm) was cultured for 24 hours at a temperature of 37 ± 1 ° C, then prepared suspension in a concentration of 10 ⁵ CFU / ml. Bacterial viability (CFU / ml) was calculated after 3 and 6 hours of incubation in contact with biocoatings at 37 ° C. The number of colony forming units per ml after contact with a boehmite-containing biocoatings decreased compared to the calcium phosphate biocoating extract without additives from 98 to 87 CFU / ml after 3 hours of incubation, and from 97 to 74 CFU / ml after 6 hours of incubation.

Таблица 2table 2

Время экспозиции, часыExposure time, hours КОЕ/млCFU / ml КонтрольControl Образец с КФ покрытиемSample with KF coating Образец с бемит-содержащем КФ покрытиемSample with boehmite-containing KF coating 33 100.0±0.4100.0 ± 0.4 98.0±0.298.0 ± 0.2 87.0±0.487.0 ± 0.4 66 107.5±0.2107.5 ± 0.2 97.5±0.297.5 ± 0.2 74.4±0.374.4 ± 0.3

Результаты описанных четырех примеров, представляющие все варианты реализации заявленного изобретения показывают, что полученные биопокрытия имеют общие достигнутые свойства: гидрофильность с низкими краевыми углами смачивания (10-20° с водой и 36-43° с глицерином) и высокими значениями поверхностной энергии (70-102 мДж/м²).The results of the four examples described, representing all the implementations of the claimed invention, show that the obtained biocoatings have common achieved properties: hydrophilicity with low wetting angle (10-20 ° with water and 36-43 ° with glycerin) and high values of surface energy (70- 102 mJ / m ² ).

Структура биопокрытий находится в рентгеноаморфном состоянии. Рефлексы, соответствующие титану, оксиду титана, CaHPO₄, β-Ca₂P₂O₇ и волластониту наблюдаются в рентгеновских спектрах биопокрытий.The structure of biocoatings is in the X-ray amorphous state. Reflexes corresponding to titanium, titanium oxide, CaHPO ₄ , β-Ca ₂ P ₂ O _7, and wollastonite are observed in the X-ray spectra of biocoatings.

Биопокрытия, полученные всеми четырьмя вариантами предлагаемого способа не являются токсичными, что подтверждают исследования цитотоксичности на костномозговых клетках крысы, пренатальных стромальных клеток человека (FL-42) и фибробластах подкожной соединительной ткани мыши (L929).Biocoverings obtained by all four variants of the proposed method are not toxic, which is confirmed by studies of cytotoxicity in rat bone marrow cells, prenatal human stromal cells (FL-42) and mouse subcutaneous connective tissue fibroblasts (L929).

Результаты биотестирования образцов с костномозговыми клетками через 24 ч культивирования не выявили повышения концентрации калия в межклеточной жидкости. Добавление в состав покрытий ионов Zn²⁺ или Cu²⁺, не вызывают массивного разрушения клеток, сопровождающегося выходом внутриклеточного содержимого в окружающую среду. Для Zn-КФ биопокрытий показатели клеточной жизнеспособности оказались самыми минимальными и составили 71,9 %, для Cu-КФ биопокрытиями на Ti 75% (см. таблицу 3)The results of biotesting samples with bone marrow cells after 24 hours of cultivation did not reveal an increase in the concentration of potassium in the extracellular fluid. The addition of Zn ²⁺ or Cu ²⁺ ions to the coatings does not cause massive cell destruction accompanied by the release of intracellular contents into the environment. For Zn-KF biocoatings, cell viability was the most minimal and amounted to 71.9%, for Cu-KF biocoatings by 75% Ti (see table 3)

Таблица 3Table 3

ОбразцыSamples Концентрация
калия через
24 ч, мМConcentration
potassium through
24 hr, mM Количество
жизнеспособных клеток
через 24 ч, %amount
viable cells
after 24 h,% Клетки без образцов
(фон),Cells without samples
(background), 5,15.1 91,7* (90,0–93,1)
P2 < 0,04691.7 * (90.0–93.1)
P2 <0.046 Клетки с КФ покрытиями на TiCells with KF coatings on Ti 5,05
(3,8–5,1)5.05
(3.8–5.1) 76,7* (75,9–77,8)
< 0,00005
P2 < 0,000176.7 * (75.9–77.8)
<0.00005
P2 <0.0001 Клетки с Zn-КФ покрытиями на TiCells with Zn-KF coatings on Ti 5,1
(5,05–5,10)5.1
(5.05–5.10) 71,9* (69,0–76,5)
< 0,00001
P2 < 0,000471.9 * (69.0–76.5)
<0.00001
P2 <0.0004 Клетки с Cu-КФ покрытиями на TiCells with Cu-KF coatings on Ti 5,15.1 75,0* (70,4–78,1)
< 0,0002
P2 < 0,00475.0 * (70.4–78.1)
<0.0002
P2 <0.004

Примечание: * – указаны статистически значимые различия с фоном; Р2 – с соответствующими значениями через 1 ч культивирования; n – число образцов.Note: * - shows statistically significant differences with the background; P2 - with the corresponding values after 1 h of cultivation; n is the number of samples.

Исследовании на цитотоксичность с жидкостью пренатальных стромальных клеток человека (FL-42) показало, что концентрация ионов калия незначительно меняется при взаимодействии клеточной культуры с воллластонит-содержащем биопокрытие. Добавление в состав покрытий волластонита не способствует выходу внутриклеточного содержимого в окружающую среду, следовательно биопокрытия не являются токсичными. Результаты на цитотоксичность представлены в таблице 4.A study on cytotoxicity with human prenatal stromal cell fluid (FL-42) showed that the concentration of potassium ions varies slightly with the interaction of cell culture with wollastonite-containing biocover. The addition of wollastonite to the coatings does not contribute to the release of intracellular contents into the environment, hence biocoatings are not toxic. The results on cytotoxicity are presented in table 4.

Таблица 4Table 4

Образцы, n=3Samples, n = 3 Концентрация
калия через
24 ч, мМConcentration
potassium through
24 hr, mM Клетки без образцов
(фон)Cells without samples
(background) 7.8
(7.8–7.9)7.8
(7.8–7.9) Клетки с волластонит-содержащими КФ покрытиямиCells with wollastonite-containing CF coatings 7.7
(7.7–7.9)7.7
(7.7–7.9)

Примечание: n – число образцов в каждой группе;Note: n is the number of samples in each group;

MTT-тест (тест на цитотоксичность) бемит-содержащих биопокрытий на клеточной культуре фибробластов подкожной соединительной ткани мыши (L929) подтвердил отсутствие токсичности компонентов биопокрытия, при этом количество жизнеспособных клеток бемит-содержащих биопокрытий (87.3%) на 3% выше, чем у немодифицированных биопокрытий (84.3%).The MTT test (cytotoxicity test) of boehmite-containing biocoatings on cell culture of mouse subcutaneous fibroblast fibroblasts (L929) confirmed the absence of toxicity of biocoating components, while the number of viable boehmite-containing biocoating cells (87.3%) is 3% higher than in unmodified biocoatings (84.3%).

Claims

1. Способ получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что для анодирования используют электролит, в составе которого соединение кальция с фосфором с дополнительно введенными ионами цинка при следующем соотношении компонентов, мас.%: H₃PO₄ 26,9±0,1; CaCO₃ 7,2±0,1; Ca_9.9Zn_0.1(PO₄)₆(OH)₂ 4,8±0,1; остальное - Н₂О.1. A method of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulse current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of phosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, characterized in that anodite is used for anodizing, in which the calcium compound with phosphorus is additionally used introduced zinc ions in the following ratio of components, wt.%: H ₃ PO ₄ 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ 7.2 ± 0.1; Ca _9.9 Zn _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

2. Способ получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что для анодирования используют электролит, в составе которого соединение кальция с фосфором с дополнительно введенными ионами меди при следующем соотношении компонентов, мас.%: H₃PO₄ 26,9±0,1; CaCO₃ 7,2±0,1; Ca_9.9Cu_0.1(PO₄)₆(OH)₂ 4,8±0,1; остальное - Н₂О. 2. A method of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulsed current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of phosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, characterized in that anodized calcium electrolyte is used for anodizing; introduced copper ions in the following ratio of components, wt.%: H ₃ PO ₄ 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ 7.2 ± 0.1; Ca _9.9 Cu _0.1 (PO ₄ ) ₆ (OH) ₂ 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

3. Способ получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что для анодирования используют электролит, в составе которого соединение кальция с кремнием при следующем соотношении компонентов, мас.%: H₃PO₄ 27,3±0,1; CaSiO₃ 6,1±0,1; Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂ 4,8±0,1; остальное - Н₂О.3. A method of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulse current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of phosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, characterized in that anodite is used to anodize the calcium compound with silicon with the following the ratio of components, wt.%: H ₃ PO ₄ 27,3 ± 0,1; CaSiO ₃ 6.1 ± 0.1; Ca ₁₀ (PO4) ₆ (OH) ₂ 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O.

4. Способ получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что сначала наносят кальций-фосфатное биопокрытие, при этом используют электролит состава, мас.%: H₃PO₄ 26,9±0,1; CaCO₃ 7,2±0,1; Ca₁₀(PO4)₆(OH)₂ 4,8±0,1; остальное - Н₂О, а затем проводят дополнительное модифицирование биопокрытия наноразмерными частицами оксигидроксида алюминия.4. A method of obtaining a modified biocoating on an implant made of titanium, including anodizing the implant with a pulse current under conditions of a spark microdischarge in an aqueous solution of phosphoric acid containing calcium and phosphorus compounds, characterized in that the calcium-phosphate biocoating is first applied, and an electrolyte of composition is used, wt. % H ₃ PO ₄ 26.9 ± 0.1; CaCO ₃ 7.2 ± 0.1; Ca ₁₀ (PO4) ₆ (OH) ₂ 4.8 ± 0.1; the rest is H ₂ O, and then the additional modification of the biocoating by nano-sized particles of aluminum oxyhydroxide is carried out.

5. Способ по п.4, отличающийся тем, что дополнительное модифицирование биопокрытия наноразмерными частицами оксигидроксида алюминия проводят ультразвуковой обработкой имплантата в суспензии следующего состава: дистиллированная H₂O 25 мл, AlN 30 мг, а затем суспензию с имплантатом нагревают до температуры 60^оС.5. A method according to claim 4, characterized in that the additional modification biocovers nanoparticles aluminum oxyhydroxide carried ultrasonic implant treatment in suspension with the following composition: distilled H ₂ O 25 ml, AlN 30 mg, and the suspension is heated to the implant to a temperature of 60 ^C. .

6. Способ по любому из пп.1-.4, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 150-200 В, длительность импульса 100-300 мкс, частота следования импульсов 50 Гц в течение 10 минут.6. The method according to any one of claims 1 to 4, characterized in that the microarc oxidation is carried out in the anode mode with the parameters: voltage 150-200 V, pulse duration 100-300 μs, pulse repetition rate 50 Hz for 10 minutes.