RU2815650C1 - Способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом - Google Patents
Способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом Download PDFInfo
- Publication number
- RU2815650C1 RU2815650C1 RU2022132440A RU2022132440A RU2815650C1 RU 2815650 C1 RU2815650 C1 RU 2815650C1 RU 2022132440 A RU2022132440 A RU 2022132440A RU 2022132440 A RU2022132440 A RU 2022132440A RU 2815650 C1 RU2815650 C1 RU 2815650C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silver
- titanium
- porous
- mixture
- titanium nickelide
- Prior art date
Links
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 title claims abstract description 29
- 239000011148 porous material Substances 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000034 method Methods 0.000 title abstract description 12
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 56
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 50
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 47
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 39
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 38
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 17
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims abstract description 15
- 230000002421 anti-septic effect Effects 0.000 claims abstract description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 12
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims abstract description 3
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 239000004615 ingredient Substances 0.000 claims abstract description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- 239000007943 implant Substances 0.000 abstract description 22
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 abstract description 14
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 6
- 230000035699 permeability Effects 0.000 abstract description 5
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 abstract description 4
- 230000011164 ossification Effects 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- 238000004113 cell culture Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 abstract 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 abstract 1
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 31
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 31
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 20
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 16
- 229910010380 TiNi Inorganic materials 0.000 description 9
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 8
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 8
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 8
- 210000000689 upper leg Anatomy 0.000 description 7
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 6
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 6
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 6
- 239000000499 gel Substances 0.000 description 6
- -1 Silver ions Chemical class 0.000 description 5
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 5
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 5
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 4
- 241000700159 Rattus Species 0.000 description 4
- 241000700157 Rattus norvegicus Species 0.000 description 4
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000006870 function Effects 0.000 description 4
- 239000012567 medical material Substances 0.000 description 4
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 4
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 4
- 235000015097 nutrients Nutrition 0.000 description 4
- 210000004872 soft tissue Anatomy 0.000 description 4
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 3
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 3
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 3
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 3
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 2
- 241000191963 Staphylococcus epidermidis Species 0.000 description 2
- 239000003242 anti bacterial agent Substances 0.000 description 2
- 229940088710 antibiotic agent Drugs 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 2
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 2
- 230000037396 body weight Effects 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 2
- 238000002591 computed tomography Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 2
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 2
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 2
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 238000011534 incubation Methods 0.000 description 2
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 2
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 2
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 2
- 230000000813 microbial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 238000004627 transmission electron microscopy Methods 0.000 description 2
- 238000005303 weighing Methods 0.000 description 2
- CSDQQAQKBAQLLE-UHFFFAOYSA-N 4-(4-chlorophenyl)-4,5,6,7-tetrahydrothieno[3,2-c]pyridine Chemical compound C1=CC(Cl)=CC=C1C1C(C=CS2)=C2CCN1 CSDQQAQKBAQLLE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920001817 Agar Polymers 0.000 description 1
- 206010002091 Anaesthesia Diseases 0.000 description 1
- 206010034133 Pathogen resistance Diseases 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 241000251539 Vertebrata <Metazoa> Species 0.000 description 1
- 206010052428 Wound Diseases 0.000 description 1
- 206010048038 Wound infection Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- RRKGBEPNZRCDAP-UHFFFAOYSA-N [C].[Ag] Chemical compound [C].[Ag] RRKGBEPNZRCDAP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 1
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 1
- 239000008272 agar Substances 0.000 description 1
- 230000000172 allergic effect Effects 0.000 description 1
- 230000037005 anaesthesia Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 1
- 230000000845 anti-microbial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000003542 behavioural effect Effects 0.000 description 1
- 230000003115 biocidal effect Effects 0.000 description 1
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 1
- 210000002798 bone marrow cell Anatomy 0.000 description 1
- 229960001506 brilliant green Drugs 0.000 description 1
- HXCILVUBKWANLN-UHFFFAOYSA-N brilliant green cation Chemical compound C1=CC(N(CC)CC)=CC=C1C(C=1C=CC=CC=1)=C1C=CC(=[N+](CC)CC)C=C1 HXCILVUBKWANLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003833 cell viability Effects 0.000 description 1
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000001332 colony forming effect Effects 0.000 description 1
- 238000002485 combustion reaction Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 230000003412 degenerative effect Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 238000007865 diluting Methods 0.000 description 1
- 239000012895 dilution Substances 0.000 description 1
- 238000010790 dilution Methods 0.000 description 1
- 229940079593 drug Drugs 0.000 description 1
- 238000001493 electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002695 general anesthesia Methods 0.000 description 1
- 239000003193 general anesthetic agent Substances 0.000 description 1
- 230000035784 germination Effects 0.000 description 1
- 230000012010 growth Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000001307 helium Substances 0.000 description 1
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010562 histological examination Methods 0.000 description 1
- 238000007654 immersion Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 229910000765 intermetallic Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010255 intramuscular injection Methods 0.000 description 1
- 239000007927 intramuscular injection Substances 0.000 description 1
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 1
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 1
- 230000005923 long-lasting effect Effects 0.000 description 1
- 229940127554 medical product Drugs 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 230000003446 memory effect Effects 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005555 metalworking Methods 0.000 description 1
- 244000000010 microbial pathogen Species 0.000 description 1
- 229910001000 nickel titanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001590 oxidative effect Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000036407 pain Effects 0.000 description 1
- 238000002559 palpation Methods 0.000 description 1
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000007747 plating Methods 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000002980 postoperative effect Effects 0.000 description 1
- 238000004663 powder metallurgy Methods 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 230000008569 process Effects 0.000 description 1
- 230000010076 replication Effects 0.000 description 1
- 230000029058 respiratory gaseous exchange Effects 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 1
- 229910001285 shape-memory alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000007711 solidification Methods 0.000 description 1
- 230000008023 solidification Effects 0.000 description 1
- 238000010561 standard procedure Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области медицины, в частности к пористым биомедицинским материалам на основе никелида титана, которые могут быть использованы для изготовления костных имплантатов или инкубаторов клеточных культур. Способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом, обусловленным фиксацией антисептика в объеме материала, включает проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в смеси порошков титана и никеля, разбавленной порошком никелида титана, в которую в качестве легирующей добавки добавляют порошок серебра. Ингредиентное содержание в атомных процентах в смеси выбирают в пределах: никель – 48,8-48,5 ат.%; серебро – 0,2-0,5 ат.%; титан – остальное, причем концентрацию никелида титана в смеси выбирают равной 15%, а температуру в печи стабилизируют на уровне 520°С. Изобретение обеспечивает улучшение проницаемости материала для жидкостей и тканей в процессе остеогенеза при сохранении длительного действия антисептического эффекта. 7 ил., 4 табл.
Description
Изобретение относится к области медицины, в частности к пористым биомедицинским материалам на основе никелида титана, которые могут быть использованы для изготовления костных имплантатов или инкубаторов клеточных культур.
Биосовместимость - характеристика медицинских материалов инвазивного применения, определяемая отсутствием воспалительной реакции, токсического и аллергического действия, провоцирования развития инфекции, при сохранении функциональных свойств в течение предусмотренного периода эксплуатации.
К указанному классу материалов относятся керамика, полимеры, металлы и их сплавы, химически стойкие в агрессивных средах организма. Выбор подходящего материала при разработке новых технических средств, кроме биосовместимости, определен другими требованиями, определяемыми функцией последнего.
Среди известных современных материалов наиболее полно медико-техническому комплексу требований отвечают пористые и монолитные сплавы никелида титана в различных вариациях легирующих и основных компонентов [Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы: В 14 томах / Под ред. В.Э. Гюнтера. Медицинские материалы с памятью формы. Т. 1 // В.Э. Гюнтер, В.Н. Ходоренко, Т.Л. Чекалкин, и др. - Томск: Изд-во МИЦ, 2011. 534 с.].
Прецизионным подбором состава и содержания легирующих примесей можно широко варьировать такие свойства как сверхэластичность, эффект памяти формы, циклостойкость, прочность, пластичность и др.
Сплавы на основе никелида титана широко применяются в медицине и постоянно совершенствуются.
В медицине существует проблема инфицирования ран при операциях. Это обстоятельство сильно мешает, а порой сводит на нет интеграцию искусственного чужеродного имплантата в живой организм. Особенно это актуально в случае применения пористых имплантатов со сквозной пористостью, когда бактерии способны размножаться и проникать вглубь имплантата, лечение воспалительных процессов антибиотиками малоэффективно либо, при таких осложнениях, существенно увеличиваются сроки приживаемости имплантата.
Для борьбы с инфицированием широкое распространение получило использование препаратов с серебром. Антибактериальные свойства серебра известны давно. Ионы серебра сильно ингибируют рост бактерий и других микроорганизмов. Ионы серебра разрушают важные компоненты клеток микроорганизмов, угнетая их жизненные функции. Серебро проявляет антибактериальную активность широкого спектра и эффективно даже против штаммов, резистентных к антибиотикам. Кроме того, серебро воздействует на многочисленные области внутри бактериальных клеток, уменьшая вероятность проявления бактериями резистентности любого рода.
В связи с повышением резистентности наиболее патогенных микроорганизмов против обычно используемых антибиотиков в последние годы серебро открыли заново, как активное антибактериальное вещество.
Обоснованность этого подхода подтверждена многочисленными исследованиями, например, [Zheng Y.F., Zhang В.В., Wang B.L., Wang Y.B., Li L., Yang Q.B., Cui L.S. // Introduction of antibacterial function into biomedical TiNi shape memory alloy by the addition of element Ag / Acta Biomater. 2011, 7, 2758].
Известен ряд способов реализации антибактериальной функции серебра путем нанесения покрытий на готовые изделия.
Известен, например, способ остеосинтеза с наносеребром [патент РФ №2557938], который характеризуется тем, что на поверхность медицинского изделия наносят антибактериальное покрытие, содержащее наночастицы серебра. Указанное покрытие получают химическим превращением поверхности имплантата посредством плазменного электролитического оксидирования. Основным недостатком данного способа является невозможность оксидирования внутренних поверхностей пористых медицинских материалов и низкая адгезионная прочность покрытия.
Известен способ формирования серебросодержащего биосовместимого покрытия титанового имплантата [патент РФ №2669402], при котором покрытие получают путем последовательной обработки монолитной основы сначала пучком ионов гелия с формированием пористой структуры, а затем пучком ионов серебра в присутствии вакуумной среды СО2 с образованием углеродной серебросодержащей алмазоподобной беспористой пленки с антимикробными свойствами. Такой способ подтверждает способность ионов серебра, покрывающих шероховатую пористую поверхность, осуществлять антибактериальную защиту.
Недостатком данного способа является то, что получаемое покрытие можно нанести только на внешнюю поверхность медицинского имплантата, что снижает сам антибактериальный эффект и является недостаточным в случае применения проницаемого жидкостями организма пористого имплантата на основе никелида титана. Проницаемость является обязательным условием для полной интеграции имплантата в костную структуру, обеспечивающей ее прочность.
Сложность получения покрытий на внутренних поверхностях пористого имплантата приводит к идее введения антисептика в состав самого материала имплантата в процессе его получения. Так, биосовместимый материал на основе монолитного сплава никелида титана по патенту [РФ №2668128 от 26.09.2018 г.], отличается тем, что в состав сплава введено дополнительно серебро в количестве 0,1-0,2 ат. %. В результате отмечается повышение жизнеспособности клеток костного мозга более чем на 30%. Материал получают методом индукционной плавки. Достоинством этого материала является распределение серебра по всему объему, благодаря чему исключается истощение поверхностного слоя.
Следует отметить, что придание сплаву бактерицидных свойств в определенной степени противоречит требованию биосовместимости, что указывает на необходимость определения предельно допустимых концентраций серебра с тем, чтобы не препятствовать функционированию клеточных тканей реципиента. В цитированном выше исследовании [Zheng Y.F. et al.] предполагается, что серебро нарушает процессы в бактериальных клетках, связанные с их автономным существованием (дыхание, репликация), которые не столь критичны для более высокоразвитых специализированных тканевых клеток организма.
Установлено, что в диапазоне от 0% до 0,1% жизнеспособость клеток увеличивается на указанные 30%, после чего в диапазоне от 0,1% до 1,5% остается на практически неизменном уровне. Это обстоятельство позволяет без ущерба для биосовместимости варьировать содержание серебра от 0,1% до 1,5%, регулируя другие характеристики материала, такие как прочность, пластичность, температуры фазовых переходов и т.п.
Недостатком этого материала является отсутствие пористости и связанная с этим сложность фиксации имплантата и как следствие затруднение его интеграции с костной тканью.
Преимущества пористых имплантатов для остеопластики стимулируют поиски путей создания пористых аналогов, обладающих такими же антисептическими свойствами, как известные монолитные сплавы.
Известен способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом путем фиксации антибактериальной субстанции в пористом имплантате [патент РФ №2330685] путем заполнения его жидким гелем, используемым в качестве носителя антисептика. Антисептик удерживается в застывшем геле и постепенно высвобождается после установки имплантата в область костного дефекта.
Недостаток данного способа состоит в том, что жидкости организма не проникают в глубину имплантата из-за густого геля и не происходит остеогенеза (зарождения костной ткани) во внутренней части имплантата, а это означает, что имплантат будет фиксироваться менее надежно. Антибактериальный эффект пропадет, как только гель с антибиотиком будет израсходован.
Таким образом, к реализация антибактериального эффекта в пористом никелиде титана следует приближаться по пути его легирования серебром, аналогично решению по патенту РФ №2668128, касающегося монолитного материала. Поскольку в заявляемом решении реализуется антибактериальный эффект в пористом материале, в качестве прототипа выбирается решение по вышеприведенному патенту РФ №2330685. Данное решение включает получение биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом путем фиксации антисептика в объеме материала. Известное решение является компромиссным, поскольку позволяет или продлять антисептический эффект за счет ухудшения проницаемости избыточным увеличением густоты геля, или же увеличивать проницаемость и ускорять прорастание за счет разжижения антисептического геля и снижения срока его рассасывания.
Технический результат предлагаемого изобретения - улучшение проницаемости материала для жидкостей и тканей в процессе остеогенеза при сохранении длительного действия антисептического эффекта.
Технический результат достигается тем, что биосовместимый пористый материал с антибактериальным эффектом, обусловленным фиксацией антисептика в объеме материала, получают реакцией самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, проводимой в смеси порошков титана и никеля, разбавленной порошком никелида титана, в которую в качестве легирующей добавки добавляют порошок серебра при ингредиентном содержании в атомных процентах: никель - 48,9-48,5 ат. %; серебро - 0,1-0,5 ат. %; титан - остальное.
Технический результат связан с установленным фактом антибактериального эффекта от введения серебра в монолитный никелид титана. Вместе с тем, очевидных решений для перехода от монолитного сплава к пористому СВС сплаву не известно. При получении пористых сплавов на основе никелида титана используют методы порошковой металлургии, которым сопутствует образование большого количества металлических и интерметаллических соединений (TiNi(O,C,N)), имеющих индивидуальные особенности поведения. Точно так же неизвестны особенности распределения включений серебра в ходе реакции СВС и возможности их контакта с биологической средой. Таким образом, неочевидным является состав шихты и режим получения заявляемого биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом.
Достижение антибактериального эффекта в сочетании с высокой биосовместимостью подтверждено материаловедческими и биологическими экспериментами. Результаты экспериментов иллюстрируются фигурами 1-7.
На фиг. 1 приведено растровое изображение микроструктуры контрольного пористого СВС-сплава TiNi.
На фиг. 2, 3 приведены растровые изображения микроструктуры пористых СВС-сплавов TiNi + 0,2% Ag и TiNi + 0,5% Ag.
На фиг. 4 приведено растровое изображение микроструктуры частицы агломерированного серебра в пористом СВС-сплаве TiNi + 0,5% Ag.
На фиг. 5 приведено темнопольное изображение микроструктуры образца TiNi + 0,5% Ag.
На фиг. 6 приведен сагиттальный срез КТ лабораторной крысы с фрагментом пористого материала в костномозговом канале бедренной кости.
На фиг. 7 приведено 3D изображение КТ лабораторной крысы с фрагментами пористого материала, имплантированного в кость и окружающие мягкие ткани.
Экспериментальные образцы получали с содержанием серебра 0 ат. % (контроль), 0,2 ат. % и 0,5 ат. %. Исходная навеска для контрольных образцов пористого сплава без серебра содержала: Ti - 46,27 вес. %; Ni - 53,73 вес. %; указанная навеска разбавлялась основой из порошка никелида титана марки ПН55Т45ОМ в пропорции 15 вес. % к 85 вес. %. Добавку серебра для экспериментальных образцов вносили в расчетном количестве в навеску из смеси порошков никеля и титана, замещая соответствующее количество никеля. Для более равномерного смешивания порошков вначале смешивали серебро с никелем в близких по весу количествах, затем добавляли и перемешивали равное количество порошка титана. Далее постепенным добавлением порций никеля и титана увеличивали массу навески до требуемой величины. Например, в навесках массой 100 г для результирующих концентраций 0,2 ат. % и 0,5 ат. % количество никеля в экспериментальных навесках уменьшали соответственно на 1,56 г и на 3,9 г, замещая его серебром. Полученные навески смешивали с расчетным количеством основы из порошка никелида титана. В итоге состав шихты в атомных процентах составлял: контрольная - Ti51Ni49, исследуемые: Ti51Ni48.8Ag0,2 и Ti51Ni48,5Ag0,5. Образцы пористого сплава на основе никелида титана получали методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) в печи, наполненной аргоном для предотвращения окисления порошков во время нагрева. Температуру в печи стабилизировали на уровне 520°С. Синтез инициировали электрической спиралью. После протекания синтеза образцы охлаждали погружением в воду.
Далее было проведено исследование микроструктуры пористых сплавов на основе никелида титана: контрольного, без содержания серебра, и легированных 0,2 ат. % и 0,5 ат. % Ag.
Изображения растровой электронной микроскопии контрольного пористого СВС сплава (фиг. 1) показывают, что сплав состоит преимущественно из трех фаз: 1 - фаза, образовавшаяся в результате сплавления частиц порошка никелида титана марки ПН55Т45ОМ (встречается участками); 2 - фаза TiNi, результат сплавления частиц титана и частиц никеля; 3 - фаза Ti2Ni, образованная по перитектической реакции в процессе застывания расплава. Результаты элементного анализа, приведенные в таблице 1, показывают наличие в составе фазы Ti2Ni кислорода, что позволяет более точно определить ее как Ti4Ni2O.
Светлопольные растровые электронные изображения образцов пористых сплавов с 0,2 и 0,5 ат. % Ag (фиг. 2, 3) показывает присутствие серебра в виде светлых частиц размером до 500 нм. Частицы серебра локализуются преимущественно на частицах Ti4Ni2O. По-видимому, наночастицы серебра из-за низкой растворимости и высокой скорости распространения волны горения в ходе прохождения синтеза СВС агломерируются в более крупные образования и вытесняются при кристаллизации к более легкоплавкой фазе Ti4Ni2O.
Результаты элементного анализа (табл. 2 и 3) показывают, что в некоторых частицах серебра присутствует кальций, что связано с гидридно-кальциевым способом получения титансодержащих порошков.
Характерно, что кальций обнаруживается только в частицах серебра, куда он диффундирует в ходе синтеза. На фиг. 4 приведен характерный вид сравнительно крупной частицы CaAg размером до 7 мкм с отдельными включениями чистого серебра. Растворимость серебра в фазе TiNi пористого сплава относительно мала и не превышает 0,1 ат. %.
По результатам анализа растровых изображений образцов сплава TiNiAg можно сделать вывод, что частицы серебра в основном располагаются в зонах перитектической кристаллизации фазы Ti4Ni2O. С увеличением концентрации серебра в сплаве растет и размер агломератов из частиц Ag (табл. 4).
Результаты просвечивающей электронной микроскопии на основе никелида титана.
По результатам просвечивающей электронной микроскопии образцов пористых проницаемых СВС сплавов TiNiAg в геометрии поперечного сечения видно, что в поверхностном слое Ti4Ni2O серебро кристаллизуется в виде наночастиц размером до 10 нм (фиг. 4), причем не агломератами, а отдельными наночастицами равномерно по всему поверхностному слою. В этом состоит отличие поверхностного слоя от матрицы, где серебро кристаллизуется в виде крупных частиц, размеры которых, в соответствии с таблицей 4, исчисляются микронами.
Таким образом, в результате проведенных структурных исследований показано, что частицы серебра находятся в пористом сплаве в форме чистого серебра и (или) в форме соединения CaAg. Крупнокристаллические частицы серебра средним размером до 2 мкм расположены в матрице в зонах перитектической кристаллизации фазы Ti2Ni. В поверхностном слое Ti4Ni2O серебро представлено равномерно распределенными нанокристаллическими частицами с размерами порядка 10 нм. Эти частицы покрывают как наружную поверхность образца, такта и внутреннюю поверхность его пор, обеспечивая антибактериальный эффект.
Исследование антибактериальных свойств.
Антибактериальные свойства биосовместимого пористого материала обусловлены включением в его состав наночастиц серебра. Для определения антибактериальной активности был использован стандартный метод инкубации бактерий в жидком бульоне в присутствии изучаемых образов с последующим высевом на твердые среды и подсчетом колоний.
Суточная культура Staphylococcus epidermidis была приготовлена путем переноса 10 мкл чистой культуры микроорганизмов со скошенного агара в питательный бульон (400 мл) с последующей инкубацией 24 часа при температуре 25°С. Спустя сутки был произведен посев 50 мкл суточной культуры на твердую питательную среду для определения численности микроорганизмов в 1 мл культуры. Опытные образцы сплавов CBC-NiTi инкубировали в питательном бульоне, содержащем микробную взвесь Staphylococcus epidermidis в течение 72 часов при 25°С.
По 100 мкл цельной взвеси микроорганизмов, в разведении 10-6 высевали на чашки с плотной питательной средой с последующей инкубацией 72 часа при 25°С и подсчетом колонии образующих единиц (КОЕ). В контроле к бульону добавляли 100 мкл физ. раствора.
В результате подсчета получены значения КОЕ для образцов с 0% Ag и контрольной чашки - 150, для 0,2% Ag - 120 и для 0,5% Ag - 100. Таким образом, можно говорить о том, что содержание наночастиц Ag придает данным сплавам антибактериальные свойства.
С целью проверки биосовместимости проведено экспериментальное исследование имплантации пористого сплава на основе никелида титана с добавкой серебра (0,2-0,5 ат. %) invivo в бедренную кость белой крысы. На базе вивария Уральского государственного медицинского университета, в соответствии с «Правилами проведения работ с использованием экспериментальных животных» и принципами, изложенными в конвенции по защите позвоночных животных, используемых для эксперимента и других целей (Страсбург, Франция, 1986). Экспериментальные исследования, направленные на изучение инновационного сплава никелида титана одобрены локальным этическим комитетом УГМУ, выписка из протокола №6 от 17.06.2022. Все животные содержались в соответствии с санитарными требованиями №1045-73 от 06.04.1973. Эксперимент проводился на 9 половозрелых самках белых лабораторных крыс, весом 400-600 грамм. Крысы были разделены на 3 группы по 3 особи, всем животным был имплантирован никелид титана в виде мелкодисперсного порошка, который получали из пористого сплава на основе никелида титана, легированного наночастицами серебра (0; 0,2; 0,5 ат. %) с помощью резца на металлообрабатывающем станке. В первой группе в сплав было добавлено 0,5% серебра, во второй группе 0,2% серебра, а в третьей группе для сравнения был чистый никелид титана без добавления серебра.
Хирургическое лечение проводилось в стерильных условиях под общей анестезией. Проведение наркоза осуществляли путем внутримышечной инъекции препарата «Золетил 100» из расчета 10 мг/кг массы. После подготовки операционного поля, удаления шерсти и обработки растворами антисептика, производился операционный доступ путем разреза кожи до 2 см по наружной поверхности правого бедра. Тупым и острым путем была выделена бедренная кость, и при помощи гравера со стерильным булавовидным наконечником выполнено трефинационное отверстие в проксимальной метадиафизарной области бедренной кости размерами 0,3x0,3 см. На данном этапе получена модель полостного образования трубчатой кости. Далее при помощи ложки Фолькмана проводилась имплантация мелкодисперсного порошка никелида титана в образованную костную полость в зависимости от группы. Материал плотно утрамбовывали в кости. Часть материала попадала в мягкие ткани около кости, что является допустимым. Завершали операцию послойными швами раны и обработкой бриллиантовой зеленью области основного доступа. Послеоперационный период протекал без особенностей, обезболивание проводили препаратом Флексопрофен 2,5% из расчета 2,5 мг/кг массы. На 75 сутки все животные были выведены из эксперимента путем передозировки наркозного препарата с последующим забором бедренных костей для дальнейшего гистологического исследования границы кость-имплант и электронной микроскопии.
При проведении клинической оценки результатов отмечалось полное отсутствие гнойно-воспалительных осложнений у всех животных на всех сроках эксперимента. Перед выведением животных при клиническом осмотре отсутствуют признаки воспаления в зоне имплантации материала, пальпация безболезненная, местная температура не повышена, передвижение животных в клетке не затруднено.
На 75 сутки животным проведена компьютерная томография. На фиг. 5 показан сагиттальный срез КТ лабораторной крысы. Выделен материал, установленный в костномозговой канал бедренной кости. На фиг. 6 показано 3D изображение КТ лабораторной крысы. Выделено место имплантации в кость и окружающие мягкие ткани. Отмечена хорошая заполняемость костного дефекта, отсутствие дистрофического эффекта в области контакта кости и мягких тканей с материалом.
Таким образом, in vivo подтверждена биосовместимость пористого сплава на основе легированного серебром никелида титана, сочетающаяся с выраженным антибактериальным эффектом. Установлено, что антибактериальный эффект не оказывает существенного ингибитного эффекта на клетки белой крысы. При проведении клинической оценки результатов отмечалось полное отсутствие гнойно-воспалительных осложнений у всех животных на всех сроках эксперимента.
Claims (1)
- Способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом, обусловленным фиксацией антисептика в объеме материала, включающий проведение реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза в смеси порошков титана и никеля, разбавленной порошком никелида титана, в которую в качестве легирующей добавки добавляют порошок серебра, отличающийся тем, что ингредиентное содержание в атомных процентах выбирают в пределах: никель – 48,8-48,5 ат.%; серебро – 0,2-0,5 ат.%; титан – остальное, концентрацию никелида титана в смеси выбирают равной 15%, а температуру в печи стабилизируют на уровне 520°С.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2815650C1 true RU2815650C1 (ru) | 2024-03-19 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2399387C2 (ru) * | 2008-03-21 | 2010-09-20 | Рамиль Михайлович Гизатуллин | Материал для имплантации и пластики пародонта и способ его приготовления |
CN102648876A (zh) * | 2011-02-24 | 2012-08-29 | 北京圣玛特科技有限公司 | 抗菌牙齿矫形丝及其制造方法 |
RU2668128C1 (ru) * | 2017-10-13 | 2018-09-26 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Биосовместимый материал |
RU2719475C1 (ru) * | 2019-06-27 | 2020-04-17 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тектум" | Способ получения биоактивного покрытия c бактерицидными свойствами на имплантате из титана |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2399387C2 (ru) * | 2008-03-21 | 2010-09-20 | Рамиль Михайлович Гизатуллин | Материал для имплантации и пластики пародонта и способ его приготовления |
CN102648876A (zh) * | 2011-02-24 | 2012-08-29 | 北京圣玛特科技有限公司 | 抗菌牙齿矫形丝及其制造方法 |
RU2668128C1 (ru) * | 2017-10-13 | 2018-09-26 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" (ТГУ, НИ ТГУ) | Биосовместимый материал |
RU2719475C1 (ru) * | 2019-06-27 | 2020-04-17 | Общество С Ограниченной Ответственностью "Тектум" | Способ получения биоактивного покрытия c бактерицидными свойствами на имплантате из титана |
Non-Patent Citations (2)
Title |
---|
BAIGONAKOVA G. et al. Influence of Silver Addition on Structure, Martensite Transformations and Mechanical Properties of TiNi-Ag AlloyWires for Biomedical Application. Materials, 2020, 13, 4721, doi:10.3390/ma13214721. Y.F. ZHENG et al. Introduction of antibacterial function into biomedical TiNi shape memory alloy by the addition of element Ag. Acta Biomaterialia, 2011, 7, pp.2758-2767. * |
МАРЧЕНКО Е.С. и др. Особенности СВС пористого никелида титана: учеб.-метод. пособие. Томск: Издательство Томского государственного университета, 2021, с.7-8, 24, 27. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP5777609B2 (ja) | ナノ銀を用いた骨接合 | |
RU2651463C1 (ru) | Медицинское устройство с поверхностью, содержащей металл противомикробного действия | |
US10004604B2 (en) | Bioimplant for artifical joint with evanescent coating film | |
Dong et al. | Gallium-doped titania nanotubes elicit anti-bacterial efficacy in vivo against Escherichia coli and Staphylococcus aureus biofilm | |
EP2606916A1 (en) | Biological implant | |
Zhang et al. | Low elastic modulus Ti-Ag/Ti radial gradient porous composite with high strength and large plasticity prepared by spark plasma sintering | |
US10610614B2 (en) | Bioimplant with evanescent coating film | |
EP3509650B1 (en) | Implantable medical devices having a coating layer with antimicrobial properties based on nanostructured hydroxyapatite | |
CN106606800B (zh) | 一种Zn-Fe系锌合金及其制备方法与应用 | |
CN107739886B (zh) | 一种用于骨科植入物的钛银合金及其制备方法 | |
US11998659B2 (en) | Bioimplant with evanescent coating film | |
CN106637121B (zh) | 一种医用钛基金属材料及其制造方法 | |
RU2815650C1 (ru) | Способ получения биосовместимого пористого материала с антибактериальным эффектом | |
Taipina et al. | A novel Ag doping Ti alloys route: Formation and antibacterial effect of the TiO2 nanotubes | |
Xiao et al. | Investigation of zinc-silver alloys as biodegradable metals for orthopedic applications | |
Ellenrieder et al. | Titanium-copper-nitride coated spacers for two-stage revision of infected total hip endoprostheses | |
CN111991623B (zh) | 一种镍钛形状记忆合金复合涂料及其应用 | |
Yuan et al. | In vitro and in vivo evaluation of porous NiTi alloy modified by sputtering a surface TiO 2 film | |
Wu et al. | Ion-incorporated titanium implants for staged regulation of antibacterial activity and immunoregulation-mediated osteogenesis | |
CN114164366B (zh) | 一种钽银涂层牙种植体及其制备方法 | |
Vignesh et al. | Preliminary Investigation of Magnesium-Silver Nanocomposite for Feasibility as Degradable Biomaterial | |
WO2020146600A1 (en) | Fluorapatite coated implants and related methods statement regarding federally sponsored research | |
Baigonakova et al. | Biocompatibility and Antibacterial Properties of NiTiAg Porous Alloys for Bone Implants | |
CN118048562A (zh) | 一种具有抗菌性的可降解镁合金及其应用 | |
RU2300345C2 (ru) | Имплантат-носитель для хирургического лечения заболеваний внутренних органов |