RU213428U1 - Полиэтиленовый вкладыш ортопедического имплантата - Google Patents
Полиэтиленовый вкладыш ортопедического имплантата Download PDFInfo
- Publication number
- RU213428U1 RU213428U1 RU2021130157U RU2021130157U RU213428U1 RU 213428 U1 RU213428 U1 RU 213428U1 RU 2021130157 U RU2021130157 U RU 2021130157U RU 2021130157 U RU2021130157 U RU 2021130157U RU 213428 U1 RU213428 U1 RU 213428U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- silver
- carbon
- polyethylene
- plasma
- inert gas
- Prior art date
Links
- 239000004698 Polyethylene (PE) Substances 0.000 title claims abstract description 42
- -1 POLYETHYLENE Polymers 0.000 title claims abstract description 40
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 36
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 title claims abstract description 32
- 230000000399 orthopedic Effects 0.000 title claims abstract description 16
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 70
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 50
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N silver Chemical group [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 47
- 210000002381 Plasma Anatomy 0.000 claims abstract description 37
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 claims abstract description 32
- 239000004332 silver Substances 0.000 claims abstract description 32
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 claims abstract description 26
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 26
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 23
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 23
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 claims abstract description 22
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims abstract description 20
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims abstract description 20
- 230000000844 anti-bacterial Effects 0.000 claims abstract description 17
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 claims abstract description 16
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 13
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims abstract description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 6
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 claims abstract description 6
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 claims description 6
- 230000004936 stimulating Effects 0.000 claims description 2
- 230000000181 anti-adherence Effects 0.000 abstract description 10
- 239000002184 metal Substances 0.000 abstract description 5
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 abstract description 5
- 230000001580 bacterial Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 2
- 238000004132 cross linking Methods 0.000 description 12
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 8
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 7
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 7
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 6
- 210000004544 DC2 Anatomy 0.000 description 5
- 230000002530 ischemic preconditioning Effects 0.000 description 5
- 230000000638 stimulation Effects 0.000 description 5
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 238000010884 ion-beam technique Methods 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 4
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 4
- 229940076185 Staphylococcus aureus Drugs 0.000 description 3
- 241000191967 Staphylococcus aureus Species 0.000 description 3
- 239000004703 cross-linked polyethylene Substances 0.000 description 3
- 229920003020 cross-linked polyethylene Polymers 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 238000009396 hybridization Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 208000006386 Bone Resorption Diseases 0.000 description 2
- 102200030106 COL24A1 A61V Human genes 0.000 description 2
- 241000943303 Enterococcus faecalis ATCC 29212 Species 0.000 description 2
- 210000002540 Macrophages Anatomy 0.000 description 2
- 229940055023 Pseudomonas aeruginosa Drugs 0.000 description 2
- 241000589517 Pseudomonas aeruginosa Species 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000004699 Ultra-high molecular weight polyethylene (UHMWPE) Substances 0.000 description 2
- 238000005280 amorphization Methods 0.000 description 2
- 230000024279 bone resorption Effects 0.000 description 2
- 125000004432 carbon atoms Chemical group C* 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 2
- 230000002401 inhibitory effect Effects 0.000 description 2
- 210000000629 knee joint Anatomy 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000785 ultra high molecular weight polyethylene Polymers 0.000 description 2
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 210000000588 Acetabulum Anatomy 0.000 description 1
- 210000000988 Bone and Bones Anatomy 0.000 description 1
- 102000004127 Cytokines Human genes 0.000 description 1
- 108090000695 Cytokines Proteins 0.000 description 1
- 241000194032 Enterococcus faecalis Species 0.000 description 1
- 229940032049 Enterococcus faecalis Drugs 0.000 description 1
- 229910001200 Ferrotitanium Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000001624 Hip Anatomy 0.000 description 1
- 210000001503 Joints Anatomy 0.000 description 1
- 210000003127 Knee Anatomy 0.000 description 1
- 210000001616 Monocytes Anatomy 0.000 description 1
- 210000002997 Osteoclasts Anatomy 0.000 description 1
- 208000003076 Osteolysis Diseases 0.000 description 1
- 206010031252 Osteomyelitis Diseases 0.000 description 1
- 241000589516 Pseudomonas Species 0.000 description 1
- 206010041925 Staphylococcal infection Diseases 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 1
- 230000000922 anti-bactericidal Effects 0.000 description 1
- 230000000845 anti-microbial Effects 0.000 description 1
- 230000003385 bacteriostatic Effects 0.000 description 1
- 230000003115 biocidal Effects 0.000 description 1
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 1
- 230000001413 cellular Effects 0.000 description 1
- 230000002925 chemical effect Effects 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001332 colony forming Effects 0.000 description 1
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 1
- 229910003460 diamond Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010432 diamond Substances 0.000 description 1
- 201000009910 diseases by infectious agent Diseases 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000003102 growth factor Substances 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 125000004435 hydrogen atoms Chemical group [H]* 0.000 description 1
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 description 1
- 230000002209 hydrophobic Effects 0.000 description 1
- 230000005661 hydrophobic surface Effects 0.000 description 1
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000004301 light adaptation Effects 0.000 description 1
- 230000004807 localization Effects 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000002148 osteoclast Effects 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000000750 progressive Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 1
Images
Abstract
Полезная модель относится к области медицины, а именно к вкладышу ортопедического имплантата, выполненному из полиэтиленового материала с поперечно сшитой в наружном слое материала поверхностью, которая выполнена путем бомбардировки предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0,5-2 кВ, с биосовместимым бактерицидным слоем материала покрытия на этой поверхности, представляющим собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 с атомами серебра, осажденным на сшитую поверхность наружного слоя полиэтиленового материала, сформированным импульсным дуговым разрядом между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом с частотой следования импульсов разряда 1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012 - 1·1013 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2 - 1·10-4 Па. Полезная модель обеспечивает расширение арсенала технических средств, относящихся к конструкциям ортопедических имплантатов с покрытием, конструкции которых содержат, кроме металлических, полиэтиленовые элементы с высокими антиадгезивными свойствами, надежно препятствующим в процессе его эксплуатации образованию бактериальной биопленки на поверхности, высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента. 3 пр., 6 фиг.
Description
Полезная модель относится к медицине, а именно к имплантатам и может быть использована в травматологии и ортопедии при изготовлении имплантатов для оперативного лечения суставов различной этиологии.
К имплантатам или вспомогательным элементам, которые находятся в организме постоянно или в течение длительного периода и заменяют поврежденную часть тела полностью или частично, предъявляют очень высокие требования.
Известные имплантаты из биосовместимых материалов значительно различаются по материалу и внешнему виду, в зависимости от локализации применения, и могут состоять, например, из металла, металлических сплавов, пластмасс или полимеров, а также из их комбинаций. В зависимости от локализации применения они могут иметь шероховатую или гладкую, микропористую или макропористую, гидрофильную или гидрофобную поверхность с нанесенным покрытием или предварительно обработанную любым другим способом. Для покрытия имеет значение материал этого элемента, поскольку разные способы покрытия могут быть обусловлены свойствами этого материала.
Оптимально эффективное покрытие поверхности имплантата должно увеличивать запланированный ресурс работы эндопротеза или, по меньшей мере, увеличивать необходимое время пребывания в организме, и такое покрытие должно предотвращать ревизию протеза, которая может быть необходимой, несмотря на оптимальную подгонку протеза и отсутствие осложнений при его введении. С помощью покрытия должна осуществляться адаптация имплантата к окружающим тканям. Покрытие должно способствовать процессу заживления без осложнений, содействовать принятию инородного тела в организме и предотвращать или уменьшать потенциальные посторонние факторы, которые могут препятствовать и предотвращать процесс заживления.
Известны различные конструкции ортопедических имплантатов из титана и нержавеющей стали, в том числе с покрытиями с антибактериальным эффектом (см. патент РФ №2582980, МПК А61В 17/74, патент РФ №2580978, МПК А61В 17/76, патент РФ №2361623, МПК A61L 27/06, патент РФ №2472532, МПК A61L 27/30, 20.01.2013 г.)
Известны имплантаты суставов, например, по патентам РФ 208515, 2257871, с модульными компонентами.
Известны конструкции имплантатов, изготовленные из титана или титановых сплавов, с покрытиями на основе углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C или карбинового типа.(патент RU №2722277 МПКA61L 27/06), на основе углеродного материала и серебра, входящих в материал покрытия, из осажденного на покрываемые устройства биосовместимого бактерицидного покрытия в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 (патент RU №2697855 МПКA61L 15/06). Конструкция из металла по патенту RU №2697855 характеризуется надежным покрытием, проявляющим одновременно свойства биосовместимости с тканями организма, с минимизацией опасности возникновения воспалительных процессов, свойство бактерицидности.
Известны различные конструкции имплантатов, например, имплантат коленного сустава (патент РФ 2204359, 2003), в которых модульные компоненты могут быть представлены металлическими конструкциями, например, бедренным и большеберцовым компонентом, а также полиэтиленовыми, - например, полиэтиленовым вкладышем между бедренным и большеберцовым компонентом. Однако, различные исследования привели к заключению, что износ полиэтиленовых компонентов имплантата может привести к высвобождению сверхмелких частиц полиэтилена в окружающие имплантат ткани. Было высказано предположение, что абразивное истирание растягивает последовательно фальцованные кристаллиты для образования на суставной поверхности анизотропных волокнистых структур. Растянутые волокна могут затем разорваться, приводя к образованию частиц микроскопического размера. В ответ на прогрессирующее проникновение этих полиэтиленовых частиц между протезом и костью начинается вызванная макрофагами резорбция кости вокруг протеза. Макрофаги, часто неспособные переварить эти полиэтиленовые частицы, синтезируют и высвобождают большое количество цитокинов и факторов роста, которые в конечном счете могут привести к резорбции кости остеокластами и моноцитами. Этот остеолизис может способствовать механическому разбалтыванию компонентов протеза, требуя таким образом повторной операции с ее сопутствующими проблемами. Кроме того, известные полиэтиленовые компоненты ортопедических имплантатов не обеспечивают высокие антибактериальные свойства, а также высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому техническому эффекту является техническое решение по патенту RU № 2211008, МПК A61L27/06, представляющее собой имплантат, который может, в том числе, быть частью, например, вкладышем в составе имплантата. Данная конструкция изготовлена из поперечно сшитого по поверхности полиэтилена, имеющего поперечные сшивки, полученные обработкой облучением при нагревании. Процесс сшивки влияет на прочностные свойства полиэтиленового имплантата, что способствует сохранению его целостности. Однако, такой вкладыш имплантата также не обеспечивает высоких антибактериальных свойств и высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента. При этом имплантат из материала с антибактериальным и антиадгезионным покрытием, но с вкладышем или другим компонентом из сшитого полиэтилена, в целом не обладает антибактериальными, биосовместимыми антиадгезивными свойствами, так как совокупностью таких свойств не обладает вкладыш из такого материала. Необходимо также отметить, что сшивка при нагревании является достаточно сложным процессом.
Задачей изобретения является создание вкладыша ортопедического имплантата из полиэтилена, поверхность которого имеет антиадгезивные и антибактериальные свойства.
Техническим результатом заявляемого изобретения является расширение арсенала технических средств, относящихся к конструкциям ортопедических имплантатов с покрытием, конструкции которых содержат, кроме металлических, полиэтиленовые элементы, с высокими антиадгезивными свойствами, надежно препятствующим в процессе его эксплуатации образованию бактериальной биопленки на поверхности, высокой биологической совместимости в различных физиологических средах организма пациента. При этом, благодаря таким свойствам, должна обеспечиваться надежная защита поверхности имплантированного ортопедического имплантата от возникновения перипротезной инфекции.
Этот результат достигается тем, что во вкладыше ортопедического имплантата, выполненном из полиэтиленового материала с поперечно сшитой в наружном слое материала поверхностью, эта поверхность выполнена путем бомбардировки предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5-2 кВ, кроме того, вкладыш содержит на наружной поверхности биосовместимый бактерицидный слой материала покрытия, представляющий собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 с атомами серебра, осажденный на сшитую поверхность наружного слоя полиэтиленового материала, сформированный импульснымм дуговымм разрядом между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, с частотой следования импульсов разряда
1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па.
Отличительными существенными признаками полезной модели являются то, что поперечно сшитая полиэтиленовая поверхность вкладыша, содержащаяся в наружном слое вкладыша, получена обработкой бомбардировкой, после предварительного очищения поверхности, ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5-2 кВс. Кроме того, наружная поверхность вкладыша покрыта материалом биосовместимого бактерицидного покрытия в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковыхфорсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па, а также осаждении на покрываемую сшитую поверхность имплантата
Полиэтиленовые вкладыши используются в ортопедических эндопротезах, например, в имплантатах коленного или тазобедренного сустава.
Заявляемая полезная модель поясняется рисунками, представленными на фигурах:
Фиг. 1, 2, на которых представлены имплантаты коленного сустава (фиг.1) и тазобедренного сустава (фиг.2), где 1- бедренный компонент, 2 – полиэтиленовый вкладыш, 3 – большеберцовый компонент, 4 – искусственная вертлужная впадина, 2 - полиэтиленовый вкладыш, 5 – головка имплантата, 6 – ножка имплантата.
На фиг. 3 изображена вакуумная камера 7, в корпусе которой размещены цилиндрический катод 8, для изготовления которого может быть использован графит марки МПГ-6 или АПВ с вставленными заподлицо с рабочей поверхностью 16 катода серебряными вставками 14, например, в виде цилиндрических стержней из серебра марки Ср 999. При этом наиболее оптимально для получения покрытия в виде двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1 с равномерно распределенным в нем серебром серебряные вставки устанавливают заподлицо с графитовой поверхностью катода так, что они образуют серебряные включения, равномерно распределенные по графитовой поверхности катода, что облегчает возможность подбора концентрации серебра в покрытии при необходимости. Устройство также содержит анод 13 с подложкой 10 для размещения полиэтиленового вкладыша 2, ионно-лучевой источник 9, натекатель инертного газа 15. На рисунке также изображены направление потока ионов инертного газа 11, используемого для очистки полиэтиленовой поверхности и для ее бомбардировки, направление потока кластеров плазмы 12 углеродного материала.
На фиг. 4 представлен графически спектр комбинационного рассеяния монохроматического света, который свидетельствует о том, что произошла сшивка молекул в поверхностном слое, а в пленке присутствует структура двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1.
На фиг. 5 изображена капля воды на поверхности сшитого ПЭ
Для нанесения покрытия после предварительной очистки поверхности инертным газом и сшивки поверхностного слоя ПЭ путем бомбардировки ионами инертного газа с энергией 500-2000 эВ формируют импульсный дуговой разряд между катодом 2 и анодом 7 с частотой следования импульсов дугового разряда 1-5 Гц и длительностью импульса 200-600 мкс. При этом образуются кластеры углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013 см-3. При формировании плазменного форсгустка углерода в результате импульсного нагрева поверхности графита до температуры 3000°С происходит испарение с поверхности катода углерода в виде цепочек Cn (где n=1, 2, 3, 5, 7) и ионно-плазменное испарение серебра в импульсном катодном разряде. Образующиеся цепочки поступают на поверхность подложки 4, на которой размещен покрываемый вкладыш 2, происходит их поликонденсация на поверхности вкладыша, то есть образование более длинных цепочек за счет объединения.
При этом проводят стимуляцию углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов. Ионный источник (3) позволяет получать пучок ионов любых газов с энергией от 150 до 2000 эВ, которые используются и для ионной стимуляции процесса конденсации углеродной плазмы на изделие. Углеродная плазма распространяется нормально по отношению к пучку ионов газа в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па, осаждая на покрываемые устройства биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1. Большое межцепочечное расстояние в линейно-цепочечном углероде обеспечивает его высокие адсорбционные свойства, в том числе и по отношению к серебру.
В процессе сшивки полиэтилена в поверхностном слое при бомбардировке ионами инертного газа атомы Н отрываются от CH групп на концах молекул полиэтилена, а атомы С образуют химическую связь между собой. Таким образом, происходит сшивка. Подтверждением сшивки является изменение смачиваемости поверхности, у ПЭ – гидрофобная, а у сшитого ПЭ – гидрофильная. На фиг. 5 изображена капля воды на поверхности сшитого ПЭ, изображение свидетельствует, что поверхность гидрофильная, т.е. после облучения и до нанесения ЛЦУ происходит в том числе аморфизация поверхности ПЭ. Сами линии ПЭ узкие и находятся в области от 1000 до 1500 см-1 и 2300-3000 см-1. Полуширина линий ПЭ практически не изменяется, - это значит, что структура ПЭ дальше модифицированного поверхностного слоя не меняется.
После сшивки и роста ЛЦУ на спектрах 1-4 появляется широкая полоса в области 1450-1700 см-1 характерная для Sp1 связей в углероде и для ЛЦУ.
Сшивка поверхностного слоя позволяет увеличить прочность материала, также она необходима для увеличения качества нанесения углеродного серебросодержащего материала.
Известно, что в основе любой органической молекулы лежит цепочка углеродных атомов, а углеродные материалы инертны по отношению к организму человека. Особая роль по биосовместимости принадлежит аллотропной форме углерода в так называемой Sp1- гибридизации. Абсолютная биологическая совместимость углерода с Sp1-гибридизацией атомов предсказана Rouf R. EtWilliams D. еще в 1975 году. Было высказано предположение, что углерод с отсутствующими свободными ковалентными связями не может оказывать химического и физического влияния на живые ткани и не будет вызывать клеточных реакций на инородное тело.
Известно, что в условиях живого организма система линейно-цепочечных форм углерода Sp1-гибридизацией (ЛЦУ) может стать самоорганизующейся, подстраивающейся под структуру нарастающего на неё белка за счет внедрения ионов из организма, в целях наиболее полной ассимиляции ее живым организмом (Бюллетень секции физики Академии Естественных наук России - 1993, N 1,с.12.)
Для исследования полученных свойств устройства вкладыша использовали образцы, выполненные из ультравысокомолекулярного ПЭ в соответствии с параметрами ГОСТ Р ИСО 5834-2.
Каждый из полиэтиленовых образцов помещали в вакуумированную камеру фиг. 3 и проводили предварительную очистку поверхности инертным газом, после чего обрабатывали с помощью потока ионов инертного газа с энергией 500-2000 эВ, сформированного ионно-лучевым источником с ускоряющим напряжением 0,5-2 кВ, при токе соленоида 1,5-2А и токе пучка 100-200 мА, создавая бомбардировку полиэтилена ионами инертного газа в течение 5 мин. После этого проводят стимуляцию углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов от ионного источника, позволяющего получать пучок ионов любых газов с энергией от 150 до 2000 эВ, которые используются для ионной стимуляции процесса конденсации углеродной плазмы на изделие. Углеродная плазма распространяется нормально по отношению к пучку ионов газа в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па при формировании импульсного дугового разряда между катодом 2 и анодом 7 с частотой следования импульсов дугового разряда 1-5 Гц и длительностью импульса 200-600 мкс с образованием кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013 см-3. При формировании плазменного форсгустка углерода в результате импульсного нагрева поверхности графита до температуры 3000°С происходит испарение с поверхности катода углерода в виде цепочек Cn (где n=1, 2, 3, 5, 7) и ионно-плазменное испарение серебра в импульсном катодном разряде. Образующиеся цепочки поступают на поверхность подложки 10, на которой размещено покрываемое устройство, где происходит их поликонденсация, то есть образование более длинных цепочек за счет объединения.
На фиг.4 представлен спектр комбинационного рассеяния монохроматического света, который свидетельствует о том, что произошла сшивка молекул в поверхностном слое и в пленке присутствует структура двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1.
После сшивки и роста ЛЦУ на спектрах 1-4 появляется широкая полоса в области 1450-1700 см-1 характерная для sp2 связей в углероде и для ЛЦУ. Т.е. после облучения и до нанесения ЛЦУ происходит, в том числе, аморфизация поверхности полиэтиленового образца (фиг.4, 5). Структура полиэтилена дальше модифицированного поверхностного слоя не меняется.
Сшивка поверхностного слоя позволяет увеличить прочность материала, а также она необходима для увеличения качества нанесения углеродного серебросодержащего материала
Все полученные образцы были испытаны на антимикробную активность (Фиг.6).
Пример 1. Три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления полиэтиленового вкладыша ортопедического имплантата, ультравысокомолекулярного полиэтилена ГОСТ Р ИСО 5834-2 толщиной 1,0 мм, поместили в камеру, в которой размещены также катод из графита диаметром 30 мм с одной серебряной вставкой в виде стержней диаметром 2 мм. Вставки выполнены из серебра марки Ср 999,9 ГОСТ 6836-80. После этого вакуумировали камеру до давления 1·10-2 Па. Выполнили поперечную сшивку наружного слоя вкладыша бомбардировкой предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500 эВ и при ускоряющем напряжении 0.5кВ. Нанесли на сшитую поверхность биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 1 Гц и с длительностью импульса 200 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 1·1013 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-40 Па.
Пример 2. Три плоских образца, выполненных из используемого для изготовления полиэтиленового вкладыша ортопедического имплантата, ультравысокомолекулярного полиэтилена ГОСТ Р ИСО 5834-2 толщиной 1,0 мм, поместили в камеру, в которой размещены также катод из графита диаметром 30 мм с двумя серебряными вставками в виде стержней диаметром 2 мм. Вставки выполнены из серебра марки Ср 999,9 ГОСТ 6836-80. После этом вакуумировали камеру до давления 1·10-2 Па. Выполнили поперечную сшивку наружного слоя образцов бомбардировкой предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 2000 эВ и при ускоряющем напряжении 2кВ. Нанесли на сшитую поверхность биосовместимое бактерицидное покрытие в виде атомов серебра в углеродном материале, представляющем собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1, полученный путем испарения осаждаемого материала импульсным дуговым разрядом, сформированным между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, при сформированном импульсном дуговом разряде с частотой следования импульсов 5 Гц и с длительностью импульса 600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, и стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 1900 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2 Па.
Пример 3. На плоский образец, выполненный из такого же, как в примерах 1и 2, материала не наносили никакого покрытия.
Как указывалось выше, каждую из подготовленных тест-культур штаммов: Staphylococcus aureus ATCC 25923; Enterococcus faecalis ATCC 29212 и экстремально-антибиотико-резистентный изолят Pseudomonas aeruginosaP-142, выделенный от пациента с посттравматическим остеомиелитом, в определенном количестве наносили на контрольные образцы (пример 3) из полиэтилена и опытные образцы, подготовленные в соответствии с заявляемым техническим решением в соответствии с представленными примерами 1, 2.
При этом разместили на поверхности каждого из трех образцов, изготовленных в соответствии с примерами, колониеобразования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus ATCC 25923; Enterococcus faecalis ATCC 29212 и Pseudomonas aeruginosa P-142. Для примеров 1, 2 после инкубирования были установлены высокие антиадгезивные свойства предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов. При этом установлено отсутствие на поверхности каждого из трех плоских образцов образования бактериальной биопленки штаммов Staphylococcus aureus MRSA, Enterococcus faecalis и Pseudomonas aeruginosa при отсутствии роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний или до их полного отсутствия, что свидетельствует о высокой эффективности предложенного антиадгезивного антибактериального покрытия для ортопедических имплантатов из нержавеющей стали медицинского назначения. Выявили отсутствие роста их колоний с одновременным их угнетением до единичных колоний, что свидетельствует о высокой антиадгезивности предложенного антиадгезивного, биосовместимого и бактериостатичного покрытия в виде пленки на основе двумерно-упорядоченного линейно-цепочечного углерода Sp1 с серебром. Предложенное устройство обеспечивает высокую биологическую совместимость в различных физиологических средах организма пациента. Количество серебряных вставок в графитовом катоде выбирают эмпирически, исходя из размеров, технических условий использования установки и устройств, ее составляющих. В результате электронного микроскопического исследования поверхности покрытия образца по примеру 3 без покрытия образцов было выявлено отсутствие у образца антиадгезивных и бактерицидных свойств поверхности образцов.
Claims (1)
- Вкладыш ортопедического имплантата, выполненный из полиэтиленового материала с поперечно сшитой в наружном слое материала поверхностью, которая выполнена путем бомбардировки предварительно очищенной поверхности ионами инертного газа в течение 5 мин при облучении ее ионами аргона с энергией 500-2000 эВ и при ускоряющем напряжении 0,5-2 кВ, с биосовместимым бактерицидным слоем материала покрытия на этой поверхности, представляющим собой двумерно-упорядоченный линейно-цепочечный углерод Sp1 с атомами серебра, осажденным на сшитую поверхность наружного слоя полиэтиленового материала, сформированным импульсным дуговым разрядом между катодом из графита с установленными в нем серебряными вставками, образующими на рабочей поверхности графитового катода серебряные включения, и анодом, с частотой следования импульсов разряда 1-5 Гц и с длительностью импульса 200-600 мкс с образованием потока кластеров углеродной плазмы в виде компенсированных бестоковых форсгустков плазмы плотностью 5·1012-1·1013 см-3 и включенных в этот поток атомов серебра, при стимуляции углеродной плазмы инертным газом в виде потока ионов с энергией 150-2000 эВ, направленного перпендикулярно образованному потоку кластеров углеродной плазмы и атомов серебра в вакууме при давлении 1·10-2-1·10-4 Па.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU213428U1 true RU213428U1 (ru) | 2022-09-12 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2211008C2 (ru) * | 1996-02-13 | 2003-08-27 | Массачусетс Институт Оф Текнолоджи | Протезные устройства из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы, обработанного облучением и плавлением |
| RU2632706C1 (ru) * | 2016-11-30 | 2017-10-09 | Олег Андреевич Стрелецкий | Способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали |
| RU2697855C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования" Министерства здравоохранения и социального развития РФ (г. Чебоксары) | Способ нанесения покрытия на устройства и инструменты для остеосинтеза, ортопедические имплантаты из металла |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2211008C2 (ru) * | 1996-02-13 | 2003-08-27 | Массачусетс Институт Оф Текнолоджи | Протезные устройства из полиэтилена сверхвысокой молекулярной массы, обработанного облучением и плавлением |
| RU2632706C1 (ru) * | 2016-11-30 | 2017-10-09 | Олег Андреевич Стрелецкий | Способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали |
| RU2697855C1 (ru) * | 2018-12-26 | 2019-08-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Федеральный центр травматологии, ортопедии и эндопротезирования" Министерства здравоохранения и социального развития РФ (г. Чебоксары) | Способ нанесения покрытия на устройства и инструменты для остеосинтеза, ортопедические имплантаты из металла |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Сухорукова И. В., Создание биоактивных покрытий TiCaPCON/(Ag, Аугментин) с антибактериальным эффектом // Дисс. канд. тех. наук.- Москва, 2015. Adam EM Eltorai et al., Antimicrobial technology in orthopedic and spinal implants / World Journal of Orthopedics, 2016, Vol.7, N.6, pp.361-369. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chu et al. | Plasma-surface modification of biomaterials | |
| Sioshansi et al. | Surface treatment of biomaterials by ion beam processes | |
| Durham III et al. | Hydroxyapatite coating on PEEK implants: Biomechanical and histological study in a rabbit model | |
| US7704546B2 (en) | Ceramic in replacement components | |
| Wolke et al. | In vivo dissolution behavior of various RF magnetron-sputtered Ca-P coatings on roughened titanium implants | |
| Hayakawa et al. | Effect of surface roughness and calcium phosphate coating on the implant/bone response | |
| Alt et al. | The effects of combined gentamicin–hydroxyapatite coating for cementless joint prostheses on the reduction of infection rates in a rabbit infection prophylaxis model | |
| Gotman et al. | Titanium nitride-based coatings on implantable medical devices | |
| Wolke et al. | In vivo dissolution behavior of various RF magnetron sputtered Ca‐P coatings | |
| Hayakawa et al. | Trabecular bone response to surface roughened and calcium phosphate (Ca-P) coated titanium implants | |
| US20060157159A1 (en) | Surface treated shape memory materials and methods for making same | |
| Cvrček et al. | Plasma modified polymeric materials for implant applications | |
| WO2021243979A1 (zh) | 聚醚醚酮复合植入物及其制备方法和应用 | |
| US20130030361A1 (en) | Coated medical implant | |
| US6339913B1 (en) | Method for improving the osteointegration of osseus fixing implants | |
| IT201600091766A1 (it) | Dispositivi medici impiantabili aventi uno strato di rivestimento con proprieta' antimicrobiche a base di idrossiapatite nanostrutturata. | |
| RU213428U1 (ru) | Полиэтиленовый вкладыш ортопедического имплантата | |
| US20070083269A1 (en) | Method of producing endosseous implants or medical prostheses by means of ion implantation and endosseous implant or medical prosthesis thus obtained | |
| US20110054631A1 (en) | Cartilage resurfacing implant | |
| EA022113B1 (ru) | Защитные покрытия для медицинских имплантатов | |
| RU145527U1 (ru) | Имплантируемое медицинское изделие | |
| Victoria Cabanas | Bioceramic coatings for medical implants | |
| RU2632706C1 (ru) | Способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали | |
| Fu et al. | Plasma modification of materials | |
| Mathur et al. | Plasma-assisted surface treatments and modifications for biomedical applications |