RU202062U1

RU202062U1 - Интрамедуллярный антимикробный фиксатор

Info

Publication number: RU202062U1
Application number: RU2020118056U
Authority: RU
Inventors: Дмитрий Владимирович Митриченко; Александр Борисович Просолов; Игорь Альбертович Хлусов; Андрей Рашитович Комков
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Научно-производственная компания "СИНТЕЛ"
Priority date: 2020-05-21
Filing date: 2020-05-21
Publication date: 2021-01-28

Abstract

Полезная модель относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, а именно к спиралевидным имплантатам на основе титановых сплавов, обладающим антимикробными свойствами. Тело фиксатора выполнено в форме витой цилиндрической пружины. Наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита с концентрацией цинка в его составе 0,2-0,3 ат. %. Толщина наружного слоя равна 0,5-2,0 мкм. 5 ил., 2 табл.

Description

Область техники, к которой относится полезная модель

Полезная модель относится к области медицины, а именно к травматологии и ортопедии, а именно к спиралевидным имплантатам на основе титановых сплавов, и может быть использована для остеосинтеза, стимуляции остеогенеза и снижения риска инфекционных осложнений при хирургическом лечении околосуставных переломов трубчатых костей, в том числе, осложненных остеопорозом и высоким риском развития имплантат-ассоциированной инфекции.

Уровень техники

Актуальность разработки заявляемой полезной модели обусловлена распространенностью развития инфекции после установки постоянного или временного имплантата, которая может привести к хроническому постимплантационному остеомиелиту и инвалидизации больного. Инфекции, связанные с имплантатами, как правило, вызываются микроорганизмами, растущими в форме биопленки. В настоящее время в ортопедии, как и во всех направлениях хирургии, на первый план выходят проблемы образования микробных биопленок на медицинских имплантатах, катетерах, протезах, сердечных клапанах и технических конструкциях, имплантированных во время операций. Образование биопленок при этом ведет к возникновению тяжелых имплантат-ассоциированных инфекционных осложнений, сепсисов, т.к. они препятствует проникновению антибактериальных препаратов. Накопление микроорганизмов на поверхности имплантатов в виде биопленок и их дальнейшее распространение по организму может служить причиной развития хронического воспаления, имплантат-ассоциированной инфекции, что в свою очередь приводит к необходимости удаления металлоконструкций, дестабилизации костных отломков, отсутствию консолидации или формированию ложного сустава.

Вследствие этого разработка и применение биосовместимых и антимикробных имплантатов найдет широкое применение для ортопедии и травматологии.

Известна спица для остеосинтеза (Патент RU 189427, опубл. 22.05.19), которая выполнена в виде стержня, имеющего на всем протяжении наружной поверхности резьбовую нарезку и биологически активное покрытие из гидроксиапатита (ГАП). Поверхность покрытия модифицирована ионами серебра (Ag⁺) в процессе дополнительной ионно-лучевой обработки для придания антимикробных свойств.

Основными недостатками этого технического решения являются сложность и трудоемкость формирования антимикробных свойств наружного биоактивного слоя, так как слой наносится в два этапа: сначала газоплазменная обработка (нанесение биоактивного покрытия из гидроксиапатита), затем - ионно-лучевая обработка (модифицирование слоя гидроксиапатита ионами серебра). Это снижает антимикробную эффективность наружного слоя, поскольку ионная имплантация серебра позволяет инкорпорировать металл не на всю глубину наружного слоя. Также проблемой использования серебра в медицинских устройствах является токсичность, ограничивающая его клиническое применение.

Известен интрамедуллярный фиксатор для хирургического и профилактического лечения околосуставных переломов трубчатой кости на фоне остеопороза (патент RU №164485, опубл. 10.09.2016 г.), который выполнен в виде спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины, витки которой параллельны друг другу и расположены под углом 30-50°. Три дистальных витка выполнены в виде пружины конической формы, которая нисходит до диаметра спицы, а конечная часть проксимального витка заканчивается спицей. Тело спицы содержит промежуточный упрочненный слой, внутренний диэлектрический биоинертный слой, наружный диэлектрический биоактивный слой.

Наружный слой состоит из слоя в виде кальций-фосфатного покрытия и слоя в виде покрытия с гиалуроновой кислотой.

К недостаткам данного фиксатора относятся отсутствие у него антимикробных свойств и высокий риск присоединения патогенных возбудителей на фоне остеопороза. Кроме того, наличие гиалуроновой кислоты в составе фиксатора ограничивает возможности термической стерилизации фиксатора (сухим жаром, автоклавированием).

Известен титановый спиралевидный фиксатор (патент RU №174809, опубл. 02.11.2017), который выполнен в виде спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины и содержит дистальную и проксимальную части. Тело спицы многослойное и включает внутренний диэлектрический биоинертный слой, на который последовательно нанесены промежуточный упрочненный слой и наружный диэлектрический биоактивный слой.

Недостатком данного фиксатора является отсутствие антимикробных свойств.

Сущность полезной модели

Техническая задача направлена на создание интрамедуллярного фиксатора, обладающего антимикробными свойствами.

Технический результат достигается тем, что в интрамедуллярном антимикробном фиксаторе, включающем тело спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины, содержащей дистальную и проксимальную части и наружный биоактивный слой, согласно предложенному решению, наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита (ГАП) с концентрацией Zn в его составе 0,2-0,3 ат. %, при этом толщина наружного слоя равна 0,5 мкм - 2,0 мкм.

Краткое описание чертежей и таблиц

На фиг. 1 представлены результаты 24-часового роста Staphylococcusaureus (SA) штамм 209Р на питательном агаре для культивирования микроорганизмов (ПАКМ) после предварительного 2-часового сокультивирования с 0,9% раствором хлорида натрия и средой DMEM/F12 (пропорция хлорид натрия/среда 1:1) (контроль роста).

На фиг. 2 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р на ПАКМ после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами образцов для испытаний, выполненных из титанового сплава Ti6Al4V с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП.

На фиг. 3 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р на ПАКМ после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами образцов для испытаний, выполненных из титанового сплава Ti6Al7Nb с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП.

На фиг. 4-5 приведены цифровые изображения, характеризующие состояние культуры клеток и морфологию мезенхимных стволовых клеток (МСК) после 21-суточного культивирования с образцами для испытаний на подложке из сплава титана с покрытием на основе стехиометрического ГАП (фиг. 4), с наружным биоактивным слоем в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного ГАП (фиг.5). Окраска 2% водным раствором ализарина красного; увеличение ×200, об. 20, ок. 10.

В таблице 1 представлены результаты 24-часового роста SA штамм 209Р после предварительного 2-часового сокультивирования с 7-дневными экстрактами образцов для испытаний с ГАП покрытиями, Me(Q1-Q3).

В таблице 2 представлены значения площади центров минерализации (μм²) и общее количество центров минерализации в условиях 21-дневного культивирования МСК с разными группами образцов, Me (Q1-Q3).

Осуществление полезной модели

Интрамедуллярный фиксатор, выполненный в виде тела спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины из медицинских титановых сплавов, включает дистальную и проксимальную части и наружный биоактивный слой. Наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного биоактивного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита. Толщина покрытия равна 0,5 мкм - 2,0 мкм, а концентрация Zn в составе наружного слоя составляет 0,2-0,3 ат. %.

Антимикробный наружный слой наносят на тело спицы, например, методом высокочастотного магнетронного распыления мишени из цинк-замещенного ГАП Са_10-xZn_x(PO₄)₆(ОН)₂, при этом поверхность тела спицы предварительно подвергают вакуумированию с целью дегазации. За счет присутствия Zn в составе молекулы ГАП достигается равномерное распределение Zn не только в поверхности, но и по объему наружного слоя, что обеспечивает его антимикробные свойства на протяжении всего срока службы наружного слоя.

При толщине менее 0,5 мкм прочность покрытия возрастает, однако вследствие малой концентрации цинка в составе покрытия чрезмерно тонкий слой утрачивает антимикробные свойства.

При толщине покрытия более 2,0 мкм ухудшается прочность сцепления покрытия (уменьшается адгезия) с металлической поверхностью имплантата.

Примеры конкретного выполнения

Пример 1

Антимикробные свойства интрамедуллярного антимикробного фиксатора.

В качестве стандартного штамма тест-культуры микроорганизма (тестовой бактериальной культуры) использовали патогенный штамм 209Р SA. Чистая (по ГОСТ 9.102-91) культура штамма 209Р проявляет типовые морфологические, биохимические, гемолитические и плазмокоагулирующие свойства патогенных золотистых стафилококков, формирует гладкие (с ровными краями) колонии с золотистой пигментацией. Выбор SA обусловлен тем, что он является основным возбудителем инфекций опорно-двигательного аппарата, остеомиелита, артритов, поскольку имеет высокую тропность к костной ткани; заселяется активно на эндопротезах суставов, сосудистых протезах и способен формировать микробные биопленки.

Для исследования in vitro потенциального антимикробного эффекта в пластиковых стерильных конических пробирках с крышкой объемом 15 мл было проведено разведение чистой культуры SA путем смешивания в пропорции 1:1 исходной взвеси SA в жидкой среде DMEM/F12 (0,5 мл) и экстрактов объектов исследования (0,5 мл), с достижением концентрации бактерий 500 микробных тел/мл смеси. Культура SA, смешанная в пропорции 1:1 с чистым стерильным 0,9% раствором хлорида натрия, считалась позитивным контролем роста патогенного микроорганизма in vitro. Приготовленные взвеси культивировали после перемешивания при 37°С в течение 2 часов и переносили на ПАКМ в концентрации 100 микробных тел на 1 чашку Петри. Через 24 ч культивирования при 37°С и 100% влажности оценивали in vitro потенциальный антибактериальный эффект экстрактов образцов для испытаний. Проводили цифровую съемку культур SA, выросших на ПАКМ, с помощью цифрового фотоаппарата.

Результаты исследования in vitro антимикробного эффекта образцов для испытаний показали заметное снижение площади роста микробных колонеобразующих единиц (КОЕ) на ПАКМ (фиг. 1-3).

Результаты морфометрического анализа цифровых фотографий подтвердили полученные результаты (табл. 1) при контроле роста на агаре - после 2-часового культивирования SA в 0,9% растворе NaCl и среде DMEM/F12 (пропорция хлорид натрия/среда 1:1), Р1-Р2 - (статистические различия с соответствующими группами исследования) согласно U-критерию Манна-Уитни.

Экстракты цинк-замещенного ГАП покрытия на подложках Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb статистически значимо уменьшали (в сравнении с покрытием на основе стехиометрического ГАП) площадь бактериальных КОЕ в 5,5 и 3,8 раза, соответственно.

Пример 2

Остеогенные свойства интрамедуллярного антимикробного фиксатора

В плане приближения исследования in vitro к тканевому уровню, характерному для живого организма, специфическим морфологическим критерием остеогенности клеточной культуры является окраска ализариновым красным, который окрашивает минерализованные (кальцифицированные) участки в межклеточном матриксе, формируемые остеобластами, образующимися из мезенхимных стволовых клеток (МСК). Чем больше число и площадь таких участков, тем больше образуется и созревает активных (секретирующих) остеобластов в культуре МСК, тем активнее протекает синтез костного минерализованного матрикса.

Для определения остеогенных свойств наружного биоактивного слоя на подложке из титанового сплава Ti6A17Nb выделяли МСК из жировой ткани человека, культивировали при 37°С, 100% влажности и 5% СО₂ 21 день при смене полной культуральной среды (ПКС), состоящей из αМЕМ («Sigma-Aldrich», США), с содержанием 10% FBS (Sigma-Aldrich, США), 100 Е/мл пенициллина, 100 мкг/мл стрептомицина (Thermo Fisher Scientific, США), 280 мг/л L-глютамина (Sigma-Aldrich, США), каждые 3-4 дня.

Идентификация участков минерализации в культурах МСК с образцами для испытаний и в контролях проводилась через 21 сутки методом окрашивания с использованием красителя 2% водного раствора ализарина красного. Результаты общей площади минерализации выражали в квадратных микрометрах (μм²).

На фиг. 4-5 приведены примеры цифровых изображений, характеризующие состояние культуры клеток и морфологию МСК после 21-суточного культивирования с образцами для испытаний на подложке из сплава титана Ti6Al7Nb с покрытием на основе стехиометрического ГАП (фиг. 4), с наружным биоактивным слоем в виде покрытия из цинк-замещенного ГАП (фиг. 5). Окраска 2% водным раствором ализарина красного; увеличение ×200, об. 20, ок. 10.

На основании полученных данных была сформирована сводная таблица 2. Образцы с цинк - содержащим наружным слоем незначительно (статистически недостоверно) меняли параметры минерализации (увеличивали число, но снижали общую площадь центров минерализации).

Таким образом, предлагаемая конструкция за счет наружного биоактивного слоя в виде покрытия из цинк-содержащего ГАП создает условия для эффективного антимикробного действия при сохранении остеогенных свойств фиксатора, что позволяет снизить риск послеоперационных инфекционных осложнений и стимулировать ремоделирование костной ткани поврежденного сегмента у лиц с явлениями первичного остеопороза (сохранить остеоинтеграцию с костной тканью, в том числе, в условиях остеопороза).

Заявляемое в качестве полезной модели техническое решение соответствует критериям «Новизна» и «Промышленная применимость».

Claims

Интрамедуллярный антимикробный фиксатор, включающий тело спицы, изогнутой в форме витой цилиндрической пружины, содержащей дистальную и проксимальную части и наружный биоактивный слой, отличающийся тем, что наружный биоактивный слой выполнен в виде антимикробного покрытия на основе цинк-замещенного гидроксиапатита с концентрацией цинка в его составе 0,2-0,3 ат. %, при этом толщина наружного слоя равна 0,5-2,0 мкм.