книги / Наноструктурированная керамика на основе диоксида титана для ортопедического этапа лечения пациентов с переломами и приобретенными дефектами челюстных костей

например, соотношение интенсивностей пиков, соответствующих межплоскостному расстоянию dα = 0,62 нм и dα = 0,64 нм в исходном материале, было равно 1,4. После нанесения покрытия значение составило 2,6; а пиков с dα = 0,690 нм и dα = 0,697 нм − 1,0 и 1,9 соответственно.

Все проведенные исследования подтверждают, что покрытие наносится по островковому или смешанному механизмам. Более того, идентифицируемый в поверхностном слое рутил, вероятнее всего, так же, как и анатаз, получен при термообработке нанесенного аморфного гидроксида титана. Частицы покрытия, непосредственно примыкающие к рутилу основы, кристаллизуются в форме рутила, и только когда влияние кристаллической решетки основы на процесс кристаллизации покрытия с увеличением расстояния снижается, появляется возможность для образования анатаза. При этом кристаллическая решетка рутила в покрытии искажена по сравнению с рутилом основного материала.

Таким образом, в разработанном способе нанесения слоя анатаза рутил является основой материала или подслоя. Второй вариант был использован для нанесения покрытия из анатаза на поверхность коммерческих имплантатов из титанового сплава. В настоящее время именно они наиболее широко распространены в стоматологической практике.

3.5. Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов

С целью улучшения остеоинтеграционной, антибактериальной активности и эксплуатационных характеристик в агрессивной среде организма предложена дополнительная технологическая обработка сплава титана. Основной задачей при этом становится получение на поверхности титана равномерного покрытия, не содержащего токсичных компонентов (патент РФ на изобретение № 2630578 от

11.09.2017; патент РФ № 153902 от 10.07.2015). В ходе эксперимен-

та покрытие наносили на стоматологические титановые штифты

(Nordin, Швейцария).

101

На подготовительном этапе экспериментальные образцы из сплава титана выдерживали в 5-мольном растворе ортофосфорной кислоты (pH = 4) при комнатной температуре в течение 1 ч. Фосфатирование титана приводит к глубокой пассивации поверхности

исущественно замедляет скорость оксидирования титана. Образцы тщательно промывали в дистиллированной воде до исчезновения кислой реакции среды, обрабатывали этиловым спиртом, сушили

ипрокаливали при температуре 800 °С для формирования оксидированного слоя на поверхности штифтов.

Все манипуляции проводили с использованием чистого пинцета, избегая контакта с руками или с не прошедшими предварительную очистку поверхностями. Полученный слой отличался высокой плотностью и равномерным распределением по поверхности металла. Равномерность полученного слоя легко идентифицировали по характерной для тонких слоев рутила на поверхности титана синеватой окраске.

Охлажденные после термической обработки экспериментальные образцы помещали в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, и выдерживали в течение 60 мин при постоянном перемешивании. Образцы с нанесенным слоем сушили в эксикаторе до постоянного веса и нагревали в муфельной печи до температуры 500–550 °С в воздушной атмосфере для перехода продуктов гидролиза тетрахлорида титана в наиболее активную низкотемпературную форму наноструктурированного диоксида титана – анатаз. При этом получали прочно связанный с поверхностью рутила слой анатаза. Способ легкоосуществим и не требует применения дорогостоящего оборудовании. Схема модифицированной поверхности штифта представлена на рис. 3.18.

Во время медицинского вмешательства старались не допускать прямого контакта между кортикальной костью и имплантатом. Поэтому основной контакт резьбовой части имплантата происходил с губчатой костью, прочность которой равна 1,2 МПа при пористости не более 40 %. С целью изучения возможности применения разработанного покрытия в реальных условиях проведена оценка силы

102

адгезии между оксидным слоем с нанесенным анатазом и поверхностью титанового имплантата. Адгезию покрытия определяли методом нанесения царапины (scratch-test) на приборе Revatest Scratch XpressPlus (CSM Instruments, Швейцария) методом Роквелла с при-

менением алмазного индентора (радиус 200 мкм).

кортикальный слой кости; 3 – губчатый слой кости: 4 – слой оксида титана (фаза рутила); 5 – слой оксида титана (фаза анатаза)

Получены график зависимости акустического сигнала от нагрузки (рис. 3.19, а) и изображение поверхности с нанесенной царапиной (см. рис. 3.19, б).

Установлено, что начало отслоения модифицирующего слоя от материала-основы происходит при нагрузке в 8,6 Н. Расчет силы адгезии проводился по формуле, приведенной в Справочнике оператора установок по нанесению покрытий в вакууме [26]:

где P – нагрузка при отрыве; a – ширина канала царапины; r – радиус иглы.

Сила адгезии между оксидным слоем (фаза рутила) и титановой основой составила 6,3 ± 0,1 МПа, после нанесения анатаза сила адгезии снизилась до 4,9 ± 0,1 МПа. Таким образом, сила адгезии покрытия больше прочности губчатой кости в 4 раза, и при

103

имплантации штифта в губчатую кость покрытие не будет подвергаться разрушению.

Рис. 3.19. Зависимость акустического сигнала от нагрузки (а) и изображение поверхности с нанесенной царапиной (б)

Исследован фазовый состав поверхности после нанесения царапин (рис. 3.20). Установлено, что в центре канавки (см. рис. 3.19, б, зона 3), на границе канавки (зона 2) и на модифицированной по-

верхности (зона 1) присутствуют как характерные пики фазы рутила (609 см–1, 446 см–1), так и пики фазы анатаза (515 см–1, 142см–1). На-

личие пиков рутила и анатаза указывает на то, что даже после значительного механического воздействия на поверхность титанового имплантата ее модифицирующие компоненты сохраняются.

Рис. 3.20. КР-спектры в области scratch-теста. Нумерация спектров соответствует обозначениям на рис. 3.19, б

104

С помощью оптического микроскопа (рис. 3.21) исследовали профильтитановогоимплантатасмодифицированнойповерхностью.

Рис. 3.21. Снимок профиля имплантата с модифицированной поверхностью: 1 – материал-основа; 2 – оксидный слой (фаза рутила); 3 – оксидный слой (фаза анатаза)

Установлено, что средняя толщина оксидного слоя (фаза рутила) составляет 15 ± 5 мкм, средняя толщина слоя анатаза ‒

70 ± 10 мкм.

На основе синтезированного наноразмерного порошка диоксида титана получены четыре разновидности наноструктурированных материалов: армированный наноразмерным анатазом полиамидный базисный конструкционный материал Vertex ThermoSens; компактный рутил (высокотемпературный диоксид титана) с пористостью 7–10 %; компактный рутил с покрытием из анатаза; модифицированный анатазом промышленный стоматологический сплав титана. Все предложенные материалы могут найти применение в ортопедической стоматологии. Новизна предложенных решений подтверждена патентами:

1.Дентальный имплантат: пат. на полезную модель Рос. Феде-

рация № 153902. МПК A61C 8/00, В82В 1/00; опубл. 10.08.2015.

Бюл. № 22.

2.Пострезекционный протез-обтуратор для верхней челюсти: пат. на полезную модель Рос. Федерация № 172668. МПК A61C 13/007; опубл. 18.07.2017. Бюл. № 20.

105

3.Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов: пат. на изобретение Рос. Федерация № 2630578. МПК16 A61L 27/30, C01G 23/047, C01G 23/053; опубл. 11.09.2017. Бюл. № 26.

4.Способ изготовления армированного базиса съемного протеза: пат. на изобретение Рос. Федерация № 2631050. МПК A61C 13/01; опубл. 15.09.2017. Бюл. № 26.

Полученные результаты отражены в ряде публикаций в отечественных и зарубежных журналах, в выступлениях на всероссийских и международных конференциях по стоматологии и материаловедению.

106

ГЛАВА IV

ОСОБЕННОСТИ РЕАГИРОВАНИЯ ОРГАНОВ И ТКАНЕЙ ЛАБОРАТОРНЫХ ЖИВОТНЫХ НА ДИОКСИД

ТИТАНА С РАЗЛИЧНЫМИ ВАРИАНТАМИ ЕГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ*

Все исследования с использованием лабораторных животных осуществлялись на основании полученного разрешения локального этического комитета ФГБОУ ВО ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера Минздрава России от 23.12.2015 г. В соответствии с положением ИСО 10993-2 все исследования на животных проводились в помещениях, разрешенных для этих целей, с получением типового рациона вивария в соответствии с нормами, утвержденными приказом Минздрава СССР № 163 от 10 марта 1966 г. и Приказом Минздрава

СССР № 1179 от 10.10.83.

Эксперименты выполнены на базе морфологического отдела Центральной научно-исследовательской лаборатории федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Пермский государственный медицинский университет имени академика Е.А. Вагнера» Министерства здравоохранения Российской Федерации (заведующий – доктор медицинских наук, профессор Г.П. Вдовина), в соответствии с Руководством по проведению доклинических исследований лекарственных средств Министерства здравоохранения и социального развития РФ, Правилами лабораторной практики в Российской Федерации, утвержденными приказом Министерства здравоохранения РФ № 708н от 23.08.2010 г., и Европейской конвенцией о защите позвоночных животных, используемых для экспериментов или в иных научных целях от 18.III.1986 (ETS № 123), после вступления в силу 2 декабря 2005 года), утвержденной решением этического комитета ФГБОУ ВО ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера Минздрава России,

* Глава написана при участии Л.А. Четвертных.

107

ис ГОСТ Р ИСО 10993-6-2009. Оценка биологического действия медицинских изделий, который соответствует ISO 10993-6:2007. Все биологические объекты, использованные в доклинических исследованиях, содержались в стандартных условиях, соответствующих нормам, указанным в руководстве «The Guide for Care and Use of Laboratory Animals» [11, 36, 40, 56, 59].

Сцелью изучения в эксперименте общетоксического действия

иместной реакции тканей на имплантацию вариантных образцов диоксида титана, в том числе обработанного пептидом варнерином, использовано 55 белых крыс (нелинейных самцов) в возрасте 2,0–2,5 месяцев. Внутримышечную имплантацию тестируемых образцов экспериментальным животным – крысам осуществляли на базе вивария ЦНИЛ ФГБОУ ВО ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера Минздрава России. В соответствии с установленными правилами послеоперационного периода животные были обеспечены надлежащим уходом, включая обработку зоны имплантированного образца.

Экспериментальные животные (белые крысы) были разделены

на группы:

1-я группа (контрольная). Внутримышечная имплантация стерильного медицинского стекла (n = 9).

2-я группа (экспериментальная). Внутримышечная имплантация стерильных образцов, выполненных из диоксида титана (n = 8).

3-я группа (экспериментальная). Внутримышечная имплантация стерильных образцов, выполненных из диоксида титана (n = 8) с наноструктурированной поверхностью.

4-я группа (экспериментальная). Внутримышечная имплантация стерильных образцов, выполненных из диоксида титана (n = 11) с нанесенным наноструктурированным слоем и обработанных низкомолекулярным катионным пептидом варнерином с активностью

120 мг/мл.

5-я группа (экспериментальная). Внутримышечная имплантация стерильных образцов, выполненных из диоксида титана (n = 10) с нанесенным наноструктурированным слоем и обработанных низкомолекулярнымкатионнымпептидомварнериномсактивностью60 мг/мл.

108

6-я группа (экспериментальная). Внутримышечная имплантация стерильных образцов, выполненных из диоксида титана (n = 9) с нанесенным наноструктурированным слоем и обработанных низкомолекулярным катионным пептидом варнерином с активностью

30 мг/мл.

Эксперимент длился 28 дней, что соответствует международному стандарту ИСО/ДИС 10993 «Биологический контроль материалов и изделий медицинского назначения», в котором определена длительность имплантационного теста от 7 до 90 суток (Draft International Standard), и в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10993-6-2009 «Оценка биологического действия медицинских изделий», который соответствует ISO 10993-6:2007. По окончании исследований животных выводили из эксперимента путем перерезки спинного мозга под ингаляционным наркозом с соблюдением правил эвтаназии, руководствуясь положением ISO 10993-2 [56].

Сразу после наступления биологической смерти у крыс забирали для проведения морфологических исследований органы (околоушная и подъязычная слюнные железы; печень; селезенка; лимфатические узлы в области головы и шеи; агрегированные лимфоидные узелки – пейеровы бляшки тонкой кишки) и мышцы из области имплантата.

Морфологические исследования выполнены на кафедре гистологии, цитологии и эмбриологии ФГБОУ ВО ПГМУ им. академика Е.А. Вагнера Минздрава РФ (заведующий – доктор медицинских наук, профессор В.А. Четвертных). Кусочки тканей и внутренних органов крыс забирали во время аутопсии, помещали в фиксатор – 10%-ный нейтральный формалин, далее их обезвоживали, проводили через серию спиртов в соответствии со стандартными гистологическими методиками, после чего выполняли их заливку в парафин и готовили серийные (5–10 шт.) срезы толщиной 3–5 мкм. Срезы с органов депарафинировали по стандартным схемам. Для окрашивания препаратов применяли растворы красителей, приготовленные общепринятыми методами.

109

До проведения эксперимента и по его окончании, спустя 28 дней, у каждого животного определяли антропометрический показатель – массу тела. В послеоперационном периоде во всех группах животных осуществляли динамическое наблюдение за общей и локальной температурой в 1-й, 3-й, 5-й, 7-й, 10-й, 14-й, 21-й и 28-й дни с применением электронного термометра.

Оценки показателей первичной реактивности крыс перед внутримышечной имплантацией образцов диоксида титана

Приступая к экспериментальной части работы, мы понимали, что толькоматериальноемоделирование– наиболееполноиадекватно:

1)раскрывает функциональные аспекты механизмов развития патологии в динамике взаимодействия животного с альтерирующим фактором;

2)определяет выбор методов функциональной и биохимической диагностикидлявыявлениясистемныхметаболическихсдвигов;

3)объясняет взаимосвязь, взаимозависимость нарушений на клеточном, тканевом или органном уровне, знание которых является принципиально важным для предвидения вероятной динамики патологического процесса и прогнозирования его исходов;

4)обосновывает целесообразность усиления защитных и адаптивных реакций, противостоящих действию патогенных факторов;

5)позволяет фундаментальные патофизиологические, патогистологические исследования, проводимые на разных уровнях морфологической иерархии организма, и полученные в ходе экспериментальных наблюдений результаты интегрировать с целью формирования основ клинического мышления при решении профессиональных врачебных задач в области стоматологии.

Проблема выбора объектов для реализации поставленных задач и рационализации эксперимента всегда лежит в плоскости определения чувствительности биомодели к патогенам. Идеальными

вэтом случае считаются те животные, которые обладают высокой восприимчивостью к повреждению. Это позволяет их использовать

всравнительно-физиологическом исследовании, а выявленные в ходе

110