Антибактериальное покрытие на ортопедический имплантат из титана и его сплавов и способ его получения (варианты) Российский патент 2024 года по МПК A61L27/30 A61L27/34 A61L27/54 

Группа изобретений относится к области медицинской техники и может применяться при создании покрытий на ортопедических имплантатах из титана и его сплавов, наносимых на их компоненты для антибактериального, в том числе антибиопленочного воздействий на абиотические поверхности медицинских изделий и окружающие мягкие ткани в целях предупреждения возникновения инфекций области хирургических вмешательств.

Поверхность искусственных имплантатов является идеальным субстратом для микробной колонизации. В связи с этим медико-технические требования на разработку имплантируемых медицинских изделий в аспекте требований к поверхности диктуют необходимость обладания покрытием выраженного универсального бактерицидного действия в раннем послеоперационном периоде в отношении всех клинически значимых микроорганизмов, включая полиантибиотикорезистентные и панрезистентные штаммы S.aureus, S.epidermidis, а также P.aeruginosa и E.coli; сохранения антибактериального эффекта в отношении микроорганизмов-возбудителей инфекций области хирургического вмешательства в течение всего срока нахождения имплантата в организме и предупреждения формирования бактериальных биопленок на поверхности имплантированного изделия; отсутствия раздражающего действия на ткани в месте имплантации; отсутствия системного действия на организм, связанного с высвобождением антибактериальных препаратов; надежной фиксации на поверхности эндопротеза [Кузьмин И.И., Исаева М.П. Проблема инфекционных осложнений в эндопротезировании суставов. - Владивосток: Дальнаука, 2006. - 123 с.].

Для получения антибактериальных покрытий имплантатов используются различные методики. Может осуществляться пассивная обработка поверхности с антиадгезивными свойствами без высвобождения антибактериальных компонентов, однако эта методика не обеспечивает достаточный антибактериальный эффект, необходимый для устранения инфекционного агента, т.к. действие таких покрытий ограничено параимплантарной областью. Проводится активная обработка поверхности с последующей элюцией антибактериальных средств, создаются периоперационные антибактериальные носители или покрытия, наносимые во время операции (в том числе биоразлагаемые). Вторая и третья группы обеспечивают только временное решение проблемы, т.к. их бактерицидный эффект нивелируется со временем [Слободской А.Б., Осинцев Е.Ю., Лежнев А.Г. и др. Факторы риска развития перипротезной инфекции после эндопротезирования крупных суставов // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2015. - №2. - С. 13-18].

В целях обеспечения пролонгированного выраженного антимикробного (в т.ч. антибиопленочного) действия поверхности имплантатов могут быть физически и механически обработаны, а также покрыты или химически модифицированы. Ряд антиадгезивных покрытий на титан (Ti) созданы путем изменения поверхности полимерами, сополимерами или белками. Так, показано, что кристаллическая фаза оксида титана на поверхности биоматериалов снижает адгезию бактерий, не влияя на биосовместимость [Del Curto В., Brunella M.F., Giordano С.et al. Decreased bacterial adhesion to surface-treated titanium // Int. J Artif Organs. - 2005. - T. 28. - No.7. - P. 718-730].

Существуют данные о возможности физической модификации поверхности для адсорбции антибиотиков или применения простого погружения имплантата в антисептические препараты для создания временного покрытия с антимикробными (в т.ч. антибиопленочными) свойствами. Известно, что антибиотики, ковалентно связанные с металлическими поверхностями, ингибируют бактериальную колонизацию как in vivo, так и in vitro [Микробный контроль инфекционных осложнений в травматологии и ортопедии / Т.Я. Пхакадзе, Н.К. Вабищевич, Г.Г. Окроперидзе // Современные проблемы эпидемиологии, диагностики и профилактики внутрибольничной инфекции: Сб. тез. докл. III Рос. науч.-практ. конф. - СПб., 2003. - С. 97-98]. Однако, антибактериальные препараты, дополнительно вносимые в костный цемент, должны соответствовать определенным требованиям - отличаться безопасностью, термостабильностью, гипоаллергенностью, водорастворимостью, иметь адекватный спектр бактерицидной активности.

Одним из перспективных направлений разработок борьбы с биопленкообразованием на поверхности ортопедических имплантатов является применение оксидов меди, для т.н. «контактного уничтожения» (contact killing) микроорганизмов на поверхностях [Парвизи Д. Перипротезная инфекция сустава: какую роль при этом играет пара трения? // CeraNews. - 2014. - №1. - С. 10-11, Stranak V., Rebl Н., Wulff Н. et al. Deposition of thin titanium-copper films with antimicrobial effect by advanced magnetron sputtering methods. - 2011. - T. 31.- No7. - P. 1512-1519; патент KG №1952].

Известны также покрытия с антибактериальной активностью свойств поверхности нанокомпозитных покрытий на основе аморфной углеводородной пленки, содержащей наночастицы, нанесенные на титановые диски через источник кластеров газовой агрегации. Покрытия с большим количеством наночастиц меди приводили к высокой антибактериальной активности без эффекта цитотоксичности [Ни J., Li Н., Wang Н. et al. Effect of ultrasonic micro-arc oxidation on the antibacterial properties and cell biocompatibility of Ti-Cu alloy for biomedical application // Mater Sci Eng С Mater Biol Appl. - 2020. - 115:110921].

Для улучшения антибактериальных свойств и биосовместимости клеток сплава титан-медь для формирования покрытия использовали ультразвуковое микродуговое окисление. Исследование показало, что данный сплав имеет высокую антибактериальную активность (>99%) против стафилококков, а также такой тип обработки не вызывает цитотоксичности [Комарова Е.Г. Закономерности формирования структуры и свойств микродуговых покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов на сплавах титана и ниобия: Дис.канд.тех.наук. - Томск, 2017. - 189 с.].

Наиболее близким аналогом к заявляемой группе изобретений является покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его получения [патент RU на изобретение №2361623]. Покрытие содержит оксиды титана и оксид меди в определенном количественном соотношении. Формирование покрытия осуществляют путем электрохимического оксидирования предварительно пескоструйно обработанных титана и его сплавов (ВТ 1-0, ВТ1-00, ВТ-6, ВТ-16 и др.) постоянным током последовательно в двух электролитах, при этом сначала формируют слой оксидов титана в электролите концентрацией 200 г/л серной кислоты в дистиллированной воде, затем в него добавляют раствор концентрацией 50 г/л сульфата меди в дистиллированной воде и проводят последующее оксидирование с образованием второго слоя смеси оксидов титана и оксида меди.

Однако процесс оксидирования, выполняемый в два этапа, является продолжительным по времени и трудоемким. Использование добавления сульфата меди в электролит в процессе оксидирования титана может приводить к образованию токсичных серосодержащих примесей титана на поверхности ортопедических имплантатов. Применяемая концентрация электролита, содержащего серную кислоту, ввиду своей токсичности и выраженного раздражающего эффекта, требует соблюдения дополнительных требований безопасности труда.

Все описанные выше аналоги не содержат решений, касающихся создания покрытий, содержащих комбинацию слоев, реализирующих как антибактериальный, так и антибиопленочный эффекты в краткосрочной и долгосрочной временных перспективах в случаях первичных и ревизионных хирургических вмешательств при патологии опорно-двигательной системы.

Задачей заявляемой группы изобретений является разработка способа получения многослойной поверхности ортопедического имплантата и ее вариантов, обеспечивающей последовательное антибиопленочное и антибактериальное воздействие на имплантируемые металлоконструкции и окружающие их мягкие ткани как в краткосрочной, так и долгосрочной временной перспективе.

Сущность заявляемого изобретения заключается в разработке вариантов антибактериального покрытия на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, состоящего из слоев: первого - из оксида титана, второго - из оксида титана и оксида меди, при этом второй слой выполнен из 10 мас. % оксида меди и 90 мас. % оксида титана, покрытие дополнительно имеет поверхностный деградируемый пленкообразующий слой, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, содержащего активное действующее вещество в виде 0,5 мас. % оксида меди. Отличительным признаком второго варианта покрытия является дополнительное введение в его поверхностный деградируемый пленкообразующий слой ацетилцистеина - 0,3 мас. %, химотрипсина - 0,01 мас. %.

Сущность заявляемой группы изобретений также заключается в том, что в способе получения антибактериального покрытия на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, включающем предварительную пескоструйную обработку поверхности имплантата частицами оксида алюминия с последующим получением на ней глубокого двухслойного покрытия методом анодирования постоянным током в электролите, первый слой которого состоит из оксида титана, второй - из оксида титана и оксида меди, формирование глубокого покрытия на поверхности имплантата выполняют методом микродугового оксидирования в водном щелочном электролите NaOH с внесенным в него оксидом меди, дополнительно создают поверхностный деградируемый пленкообразующий слой покрытия путем обмакивания/протягивания поверхности через 5% водный раствор поливинилпирролидона, содержащий активные действующие вещества, с дальнейшим обезвоживанием в термостате. В качестве активных действующих веществ может быть использован только оксид меди или физическая смесь из оксида меди, ацетилцистеина, химотрипсина.

Технический результат заявляемой группы изобретений.

Разработка технологии получения покрытий на ортопедическом имплантате путем использования комбинации двух различных методик создания слоев: глубокого фиксированного путем микро дугового оксидирования и поверхностного деградируемого за счет обмакивания/протягивания поверхности через раствор, позволит создать многослойную поверхность с развитой морфологией глубокого слоя, обеспечивающую временную адгезию поверхностного слоя покрытия, реализуя последовательное антибиопленочное и антибактериальное воздействие на имплантируемые металлоконструкции и окружающие их мягкие ткани как в краткосрочной, так и долгосрочной временной перспективе.

Выполнение покрытий, отличающихся составом композиций, из которых сформирован поверхностный деградируемый слой, позволяет в одном варианте за счет наличия оксида меди обеспечить профилактику возникновения инфекции области хирургического вмешательства в сроки до 30 дней у пациентов после первичной операции, во втором за счет добавления в состав ацетилцистеина и химотрипсина - дополнительно уменьшить бактериальную адгезию и разрушить матрикс биопленок у пациентов при ревизионных хирургических вмешательствах. Возможность создания поверхностного слоя обеспечивается за счет применения в качестве носителя действующих веществ - 5% водного раствора поливинилпирролидона, формирующего деградируемую пленку на абиотической поверхности имплантируемой металлоконструкции, которая и определяет адресную доставку в краткосрочной временной перспективе оксида меди, ацетилцистеина и химотрипсина в параимплантарные ткани. Такой эффект как смывание поверхностного слоя под влиянием тканевой жидкости, крови и экссудата и обнажения глубокого слоя обеспечивает последовательное пролонгированное антибактериальное постоянное воздействие в сроки после 30 дней после выполнения хирургических вмешательств.

Примеры изобретения поясняются с помощью фигур 1-5, на которых:

фиг. 1 - Зависимости параметров интенсивности (отн. ед.) и угла 2θ (град) фазы первого варианта антибактериального покрытия от компонентов его слоев;

фиг. 2 - РЭМ-изображение металлической подложки с нанесенным первым вариантом покрытия. Ув. 1000х, 250х;

фиг. 3 - РЭМ-изображение металлической подложки после нанесения второго варианта покрытия. Ув. 1000х, 250х;

фиг. 4 - Динамика высвобождения оксида меди при деградации второго варианта антибактериального покрытия в фосфатном буфере в 30-дневной динамике;

фиг. 5 - Динамика высвобождения оксида меди, химотрипсина и ацетилцистеина при деградации третьего варианта антибактериального покрытия в фосфатном буфере в 30-дневной динамике.

Антибактериальное покрытие на ортопедический имплантат из титана и его сплавов может быть выполнено в двух вариантах в зависимости от времени антибактериального и антибиопленочного воздействия в условиях выполнения первичных (для профилактики инфекций области хирургического вмешательства) или ревизионных (для борьбы с острой или хронической инфекцией области хирургического вмешательства) операций. Оба варианта покрытия состоят из трех слоев, два из которых - глубокие - являются результатом модификации титановой поверхности имплантата и образованы: первый - оксидом титана, второй - 90 мас. % оксидом титана и 10 мас. % оксида меди. Третий слой покрытия - поверхностный деградируемый пленкообразующий, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, содержащего активное действующее вещество в виде 0,5 мас. % оксида меди. Во втором варианте покрытия третий слой содержит дополнительно 0,3 мас. % ацетилцистеина, 0,01 мас. % химотрипсина.

Способ получения антибактериального покрытия на ортопедический имплантат из титана и его сплавов представляет собой следующую последовательность проведения технологических этапов. Первым этапом осуществляют предварительную пескоструйную обработку поверхности имплантата частицами оксида алюминия с фракцией 150-400 мкм. На втором этапе выполняют очистку имплантата от технологических загрязнений в водном растворе поверхностно-активных веществ с использованием ультразвуковой ванны. На третьем этапе формируют глубокие - первый и второй слои покрытия методом микродугового оксидирования в анодном режиме при плотностях тока 2-2,5⋅10³ А/м² продолжительностью 30 минут в водном щелочном электролите, содержащем 3-4 г/л NaOH, с добавлением в него 10 мас. %) оксида меди при комнатной температуре и барботаже воздуха в пузырьковом режиме при скорости 0,1-0,4 м/с. На четвертом этапе проводят сушку покрытия и равномерный нагрев имплантата в сушильном шкафу при температуре 600°С в течение 30 минут с принудительной конвекцией. На пятом этапе путем простого миксинга готовят суспензию для формирования третьего поверхностного деградируемого пленкообразующего слоя. Для этого сначала приготавливают 5% водный раствор поливинилпирролидона, в который вмешивают активные действующие вещества, а именно при первом варианте покрытия - 0,5 мас. % оксида меди, при втором варианте - 0,5 мас. % оксида меди, 0,3 мас. % ацетилцистеина, 0,01 мас. % химотрипсина. Шестым этапом создают поверхностный деградируемый пленкообразующий слой покрытия путем обмакивания/протягивания поверхности через приготовленную суспензию. Седьмым завершающим этапом осуществляют обезвоживание в термостате при температуре 37°С в течение 40 минут с образованием прочной пленки, хорошо прилипающей к глубоким слоям покрытия. Толщина поверхностного слоя покрытия составляет 5-7 мкм, при необходимости она может быть увеличена путем последовательного повторения циклов шестого и седьмого технологических этапов.

Пример 1.

По заявляемому способу были изготовлены образцы с тремя вариантами покрытия на металлических подложках из титана Ti-6Al-4V, ASTM F1472, имитирующих поверхность медицинского изделия. В первом варианте исполнения покрытие содержало только глубокие слои, изготовленные путем модификации поверхности подложки посредством микродугового оксидирования и содержащие слой из оксида титана и слой из 90 мас. % оксида титана и 10 мас. % оксида меди, во втором варианте - дополнительно содержало поверхностный деградируемый пленкообразующий слой, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, в который вмешивали активное действующее вещество в виде 0,5 мас. % оксида меди, в третьем варианте - дополнительно в поверхностный деградируемый пленкообразующий слой к 0,5 мас. % оксида меди добавляли 0,3 мас. % ацетилцистеина, 0,01 мас. % химотрипсина. Толщина слоев покрытий, изготовленных образцов составила: первого - 18±2 мкм, второго - 6±1 мкм, третьего - 6±1 мкм. При изготовлении образцов использовали наночастицы оксида меди, среднеарифметический размер которых составил от 50 до 100 нм. Среднее значение молекулярной массы поливинилпирролидона 12600±2700 Д.

Изучено антибактериальное воздействие первого варианта покрытия на суточные культуры планктонных форм клинических штаммов условно-патогенных микроорганизмов (S.aureus, S.epidermidis, P.aeruginosa, E.coli), инкубируемых при температуре 37°С. Установлено, что через 24 часа инкубации количество колоний S.aureus на питательных средах составило 3265 КОЕ/мл, S.epidermidis - 2874 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 2967 КОЕ/мл и E.coli - 3124 КОЕ/мл (исходные значения). После внесения диска с первым вариантом покрытия в питательную среду, содержащую суточную культуру исследуемых клинических штаммов микроорганизмов, пробирки с культурами экспонировали также при температуре 37°С в течение 24, 48 и 72 часов, оценивая в эти сроки количество КОЕ/мл как количественный показатель величины антибактериального воздействия первого варианта покрытия. В указанные сроки экспозиции культур количество колоний S.aureus в питательных средах уменьшилось до 2874±34 КОЕ/мл, S.epidermidis - 2326 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 2471±46 КОЕ/мл и E.coli - 2643±23 КОЕ/мл (тестовые значения через 24 часа); количество колоний S.aureus на питательных средах уменьшилось до 1753±20 КОЕ/мл, S.epidermidis -1345±67 КОЕ/мл, P.aeruginosa - 2136±37 КОЕ/мл и E.coli - 928±43 КОЕ/мл (тестовые значения через 48 час); количество колоний S.aureus на питательных средах составило 1252±57 КОЕ/мл, S.epidermidis - 1344±38 КОЕ/мл, P.aeraginosa -1029±55 КОЕ/мл и E.coli - 542±68 КОЕ/мл.

Таким образом, в ходе наблюдения было продемонстрировано антибактериальное воздействие первого варианта покрытия на имплантируемые металлоконструкции в долгосрочной временной перспективе за счет наличия фиксированных глубоких слоев.

Изучено антибактериальное воздействие второго варианта покрытия на суточные культуры планктонных форм клинических штаммов условно-патогенных микроорганизмов (S.aureus, S.epidermidis, P.aeraginosa, E.coli), инкубируемых при температуре 37°С. Установлено, что через 24 часа инкубации количество колоний S.aureus на питательных средах составило 3176±68 КОЕ/мл, S.epidermidis - 2654±56 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 2887±97 КОЕ/мл и E.coli - 3054±44 КОЕ/мл (исходные значения). После внесения диска с вторым вариантом покрытия в питательную среду, содержащую суточную культуру исследуемых клинических штаммов микроорганизмов, пробирки с культурами экспонировали также при температуре 37°С в течение 24, 48 и 72 часов, оценивая в эти сроки количество КОЕ/мл как количественный показатель величины антибактериального воздействия второго варианта покрытия. В сроки указанные сроки экспозиции культур количество колоний S.aureus в питательных средах уменьшилось до 2645±45 КОЕ/мл, S.epidermidis - 2456±67 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 2345±54 КОЕ/мл и E.coli - 2523±66 КОЕ/мл (тестовые значения через 24 часа); количество колоний S.aureus на питательных средах уменьшилось до 1657±74 КОЕ/мл, S.epidermidis - 1543±32 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 2089±55 КОЕ/мл и E.coli -1034±63 КОЕ/мл (тестовые значения через 48 час); количество колоний S.aureus на питательных средах составило 1184±43 КОЕ/мл, S.epidermidis -1234±54 КОЕ/мл, P.aeraginosa - 1123±65 КОЕ/мл и E.coli - 681±73 КОЕ/мл.

Таким образом, в ходе наблюдения было продемонстрировано антибактериальное воздействие второго варианта покрытия, а именно его поверхностного слоя на имплантируемые металлоконструкции, деградируемого в краткосрочной временной перспективе.

Следующим этапом исследования осуществляли формирование моновидовых микробных биопленок S.aureus, S.epidermidis, P.aeraginosa, E.coli в статичных условиях in vitro на абиотических поверхностях металлических подложек в целях изучения антибактериального воздействия первых двух вариантов покрытий на пред формированную биопленку. Способность к биопленкообразованию изучали количественным методом оценки адгезивной активности красителя и определения биомассы биопленки. Установлено, что на образцах абиотических поверхностей положительного контроля, не содержащих первого и второго вариантов покрытий, отмечали повышение оптической плотности элюатов генцианового фиолетового по сравнению с этапом суточного формирования биопленки, что свидетельствовало о дальнейшем росте последней в сроки инкубации через 24 час (в 2,5±0,3 раза), 48 час (в 4,9±0,2 раз) и 72 час (в 6,7±0,1 раз) для микробных биопленок S.aureus; через 24 час (в 2,9±0,2 раза), 48 час (в 4,3±0,3 раза) и 72 час (в 5,9±0,1 раз) для микробных биопленок S.epidermidis; через 24 час (в 3,6±0,2 раза), 48 час (в 5,2±0,1 раз) и 72 час (в 6,1±0,2 раз) для микробных биопленок P.aeraginosa; через 24 час (в 4,3±0,4 раза), 48 час (в 5,3±0,3 раз) и 72 час (в 6,5±0,5 раз) для микробных биопленок E.coli. На образцах абиотических поверхностей, содержащих первый и второй варианты покрытий, отмечали снижение оптической плотности элюатов генцианового фиолетового по сравнению с этапом формирования биопленки, что свидетельствовало об умеренном угнетении ее роста: для первого варианта - в сроки через 24 час (в 1,5±0,2 раза), 48 час (в 2,1±0,1 раза) и 72 час (в 2,3±0,3 раза) для микробных биопленок S.aureus; через 24 час (в 1,2±0,1 раза), 48 час (в 1,4±0,1 раз) и 72 час (в 2,3±0,2 раза) для микробных биопленок S.epidermidis; через 24 час (в 1,6±0,2 раза), 48 час (в 2,2±0,1 раза) и 72 час (в 2,6±0,3 раза) для микробных биопленок P.aeraginosa; через 24 час (в 1,3±0,1 раза), 48 час (в 1,9±0,2 раз) и 72 час (в 2,5±0,2 раза) для микробных биопленок E.coli; для второго варианта - в сроки через 24 час (в 1,6±0,2 раза), 48 час (в 2,0±0,1 раза) и 72 час (в 2,2±0,1 раза) для микробных биопленок S.aureus; через 24 час (в 1,5±0,2 раза), 48 час (в 1,7±0,2 раз) и 72 час (в 2,1±0,1 раза) для микробных биопленок S.epidermidis; через 24 час (в 1,4±0,1 раз), 48 час (в 1,8±0,2 раз) и 72 час (в 2,1±0,1 раза) для микробных биопленок P.aeraginosa; через 24 час (в 1,2±0,1 раза), 48 час (в 1,6±0,1 раз) и 72 час (в 1,9±0,1 раз) для микробных биопленок E.coli.

Таким образом, в ходе наблюдения было продемонстрировано умеренное антибактериальное воздействие на предформированную биопленку S.aureus, S.epidermidis, P.aeraginosa, E.coli первого и второго вариантов антибактериальных покрытий, как в долгосрочной, так и в краткосрочной временной перспективах. Умеренность антибактериального воздействия, очевидно, связана с формированием матрикса биопленки, препятствующего контакту активного действующего вещества первого и второго вариантов покрытий с микроорганизмами.

Следующим этапом исследования было доказано антибиопленочное воздействие третьего варианта покрытия на моновидовые микробные биопленки S.aureus, S.epidermidis, P.aeraginosa, E.coli в статичных условиях in vitro на абиотических поверхностях металлических подложек. Способность к биопленкообразованию также изучали количественным методом оценки адгезивной активности красителя и определения биомассы биопленки. Для сравнения нами были использованы полученные ранее значения положительного контроля для образцов, не содержащих каких-либо покрытий, демонстрирующие повышение оптической плотности элюатов генцианового фиолетового по сравнению с этапом суточного формирования биопленки, что свидетельствовало о дальнейшем росте последней в сроки исследуемые сроки инкубации культур. Установлено, что на образцах абиотических поверхностей, содержащих третий вариант покрытия, отмечали снижение оптической плотности элюатов генцианового фиолетового по сравнению с этапом формирования биопленки, что свидетельствовало о значительном угнетении ее роста в сроки через 24 час (в 3,3±0,6 раза), 48 час (в 5,2±0,4 раз) и 72 час (в 7,3±0,6 раз) для микробных биопленок S.aureus; через 24 час (в 3,2±0,4 раза), 48 час (в 4,5±0,4 раза) и 72 час (в 6,1±0,3 раз) для микробных биопленок S.epidermidis; через 24 час (в 3,6±0,3 раза), 48 час (в 4,9±0,4 раза) и 72 час (в 5,6±0,1 раз) для микробных биопленок P.aeraginosa; через 24 час (в 3,7±0,4 раза), 48 час (в 5,2±0,6 раз) и 72 час (в 6,5±0,6 раз) для микробных биопленок E.coli.

Таким образом, в ходе наблюдения было продемонстрировано выраженное антибиопленочное воздействие на предформированную биопленку S.aureus, S.epidermidis, P.aeraginosa, E.coli третьего варианта антибактериального покрытия в краткосрочной временной перспективе. Выраженность антибиопленочного воздействия, очевидно, связана с разрушением матрикса биопленки, способствующего контакту активного действующего вещества третьего варианта покрытия с микроорганизмами.

Пример 2.

Для верификации глубоких слоев первого варианта антибактериального покрытия на металлической подложке был проведен рентгенофазовый анализ полученного образца, что отражено на фиг. 1.

По данным рентгенофазового анализа, кроме рефлексов ингредиентов 10 вес. % оксида меди, наблюдались рефлексы материалов титановой подложки и диэлектрического слоя, что подтверждает формирование первого варианта антибактериального покрытия на металлической подложке.

С помощью сканирующей электронной микроскопии была исследована морфология покрытия металлической подложки для детектирования обратно рассеянных и вторичных электронов, а также характеристическое рентгеновское излучение, что отражено на фиг. 2.

Согласно полученным данным скопление кристаллов и наличие пор наблюдаются в покрытиях на основе замещенных оксидов меди на титан, нанесенных при плотностях тока (2-2,5)×10³ А/м². Наличие подобной морфологии первого варианта покрытия свидетельствует о формировании новой кристаллической фазы в последнем, модификации поверхности металлической подложки и сохранении целостности тонкопленочного покрытия, которое позволит обеспечить пролонгированное антимикробное воздействие на параимплантарные ткани при промышленном нанесении на компоненты имплантируемых металлоконструкций.

Пример 3.

Для верификации поверхностного деградируемого пленкообразующего слоя с помощью сканирующей электронной микроскопии была исследована морфология покрытия металлической подложки для детектирования обратно рассеянных и вторичных электронов, а также характеристическое рентгеновское излучение, что отражено на фиг. 3.

Согласно полученным данным на металлической подложке было сформирован поверхностный биодеградируемый пленкообразующий слой, содержащий кластеры оксида меди.

Пример 4.

Нами проведен тест in vitro на биодеградацию второго варианта антибактериального покрытия в результате воздействия биологической среды. Для изучения процессов растворения и резорбции второго варианта покрытия в качестве модельной биологической жидкости был использован фосфатный буфер (рН=7,4). Образцы второго варианта покрытия выдерживали в растворе фосфатного буфера с добавлением азида натрия при температуре 37°С в течение 30 дней. Замену буфера осуществляли каждые 48 часов. Содержание оксида меди в буферном растворе определяли спектрофотометрически при длине волны 278 нм в кювете с длиной оптического пути 1 см, полученная зависимость отражена на фиг. 4.

Установлено, что в течение 30 дней исследования неравномерный суммарный выход оксида меди составил 100% от первоначального содержания, что является достаточным для реализации краткосрочного антибиопленочного воздействия второго варианта покрытия.

Пример 5.

Нами проведен тест in vitro на биодеградацию третьего варианта антибактериального покрытия в результате воздействия биологической среды. Для изучения процессов растворения и резорбции третьего варианта покрытия в качестве модельной биологической жидкости также был использован фосфатный буфер (рН=7,4). Образцы третьего варианта покрытия выдерживали в растворе фосфатного буфера с добавлением азида натрия при температуре 37°С в течение 30 дней. Замену буфера осуществляли каждые 48 часов. Содержание оксида меди, химотрипсина и ацетилцистеина в буферном растворе определяли спектрофотометрически при длине волны 278 нм в кювете с длиной оптического пути 1 см, полученная зависимость отражена на фиг. 5.

Установлено, что в течение 30 дней исследования неравномерный суммарный выход оксида меди также составил 100% от первоначального содержания, химотрипсина - 100% от первоначального уже к 16 суткам исследования, ацетилцистеина - 72% от первоначального также к 16 суткам исследования и до 4% от первоначального к 30 суткам исследования, что является достаточным для реализации краткосрочного антибиопленочного воздействия третьего варианта покрытия.

Группа изобретений относится к области медицины. Предложено антибактериальное покрытие на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, состоящее из следующих слоев: первого - из оксида титана, второго - из 90 мас.% оксида титана и 10 мас.% оксида меди, третьего - поверхностный деградируемый пленкообразующий слой, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, содержащего активное действующее вещество. При этом активное действующее вещество в третьем слое представляет собой 0,5 мас.% оксида меди (первый вариант покрытия) или смесь из 0,5 мас.% оксида меди, 0,3 мас.% ацетилцистеина и 0,01 мас.% химотрипсина (второй вариант покрытия). Предложен также способ получения указанных покрытий, включающий предварительную пескоструйную обработку поверхности имплантата частицами оксида алюминия с последующим получением на ней глубокого двухслойного покрытия методом микродугового оксидирования в водном щелочном электролите NaOH с внесенным в него оксидом меди и нанесением третьего слоя покрытия путем обмакивания/протягивания поверхности через раствор поливинилпирролидона, содержащий активные действующие вещества, с дальнейшим обезвоживанием в термостате. Группа изобретений позволяет изготовить покрытия, обеспечивающие последовательное антибиопленочное и антибактериальное воздействие на имплантируемые металлоконструкции и окружающие их мягкие ткани как в краткосрочной, так и долгосрочной временной перспективе. 3 н. и 2 з.п. ф-лы, 5 ил., 5 пр.

1. Антибактериальное покрытие на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, состоящее из слоев: первого - из оксида титана, второго - из оксида титана и оксида меди, отличающееся тем, что второй слой выполнен из 10 мас.% оксида меди и 90 мас.% оксида титана, покрытие дополнительно имеет поверхностный деградируемый пленкообразующий слой, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, содержащего активное действующее вещество в виде 0,5 мас.% оксида меди.

2. Антибактериальное покрытие на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, состоящее из слоев: первого - из оксида титана, второго - из оксида титана и оксида меди, отличающееся тем, что второй слой выполнен из 10 мас.% оксида меди и 90 мас.% оксида титана, покрытие дополнительно имеет поверхностный деградируемый пленкообразующий слой, полученный из 5% водного раствора поливинилпирролидона, содержащего физическую смесь из активных действующих веществ в следующем соотношении: оксида меди - 0,5 мас.%, ацетилцистеина - 0,3 мас.%, химотрипсина - 0,01 мас.%.

3. Способ получения антибактериального покрытия по п. 1 или 2 на ортопедический имплантат из титана и его сплавов, включающий предварительную пескоструйную обработку поверхности имплантата частицами оксида алюминия с последующим получением на ней глубокого двухслойного покрытия методом анодирования постоянным током в электролите, первый слой которого состоит из оксида титана, второй - из оксида титана и оксида меди, отличающийся тем, что формирование глубокого покрытия на поверхности имплантата выполняют методом микродугового оксидирования в водном щелочном электролите NaOH с внесенным в него оксидом меди, дополнительно создают поверхностный деградируемый пленкообразующий слой покрытия путем обмакивания/протягивания поверхности через раствор поливинилпирролидона, содержащий активные действующие вещества, с дальнейшим обезвоживанием в термостате.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве активных действующих веществ используют оксид меди.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что в качестве активных действующих веществ используют физическую смесь из оксида меди, ацетилцистеина, химотрипсина.