СПОСОБ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА Российский патент 2024 года по МПК C25D11/26 

Предлагаемое изобретение относится к медицинской технике, а именно к способу модификации поверхности титана, и может быть использовано в травматологии и ортопедии.

Современная концепция использования биоматериалов в медицине основывается на регенерационном принципе, позволяющем за счет модификации поверхностных характеристик изменять физико-химические свойства на границе контакта имплантат-ткань, что обеспечивает активизацию процессов репарации, в частности, при повреждениях костной ткани за счет прогени-торных клеток фибробластического ряда, способных дифференцироваться в остеобласты (Lu Z, Chiu J, Lee L R. et. all. Reprogramming of human fibroblasts into osteoblasts by insulin-like growth factor-binding protein//Stem cells Transl. Med. 2020;9:P. 403-415).

Биоинертные титановые металлические имплантаты и имплантаты на основе его сплавов являются наиболее востребованными в медицине (Bar-anowski A., Klein A., Ritz U. et al. Surface Functionalization of Orthopedic Titanium Implants with Bone Sialoprotein//Plos One April 25, 2016, P. 1-23).

Известен способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов, включающий анодирование имплантата импульсным или постоянным током в условиях искрового разряда с частотой следования импульсов 0,5-10,0 Гц в растворе фосфорной кислоты в течение 10-30 мин при постоянном перемешивании, причем анодирование ведут при напряжении 90-200В и температуре 20-35 С° в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния, или в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния и дополнительно 5-10% суспензии гидроксиапати-та дисперсностью менее 70 мкм для создания суспензии (Пат.2221904 Российская Федерация, МПК C25D 11/26, A61F 2/02. Способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов, авторы: Игнатов В.П., Верещагин В.И., Шахов В.П., Мишунина Н.В, Петровская Т.С.; Заявитель и патентообладатель: Томский политехнический университет, - №2002119186/02; за-явл. 16.07.2002; опубл. 20.01.2004, Бюл. №2).

К недостаткам данного способа следует отнести его трудоемкость и сложность в техническом исполнении, а также необходимость специализированного приборного оснащения и использование многокомпонентных смесей для получения биоактивного покрытия на титановой пластине.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является способ модифицирования титановой поверхности, заключающийся в струйной обработке внешней поверхности имплантата и последующей химической обработке внешней поверхности имплантата, при этом химическую обработку осуществляют одновременно с воздействием ультразвука в нитрат-фторидном электролите, затем осуществляют промывку имплантата в ультразвуковой ванне с проточной и дистиллированной водой в течение 120 с и высушивание на воздухе. При необходимости последующего напыления биосовместимых покрытий титановую поверхность имплантата подвергают окончательной обработке в ультразвуковой ванне с этиловым спиртом в течение 30 с. Размер частиц порошка электрокорунда при струйной обработке может составлять 200-250 мкм. Химическую обработку осуществляют одновременно с воздействием ультразвука в растворе 2 М HNO3+1 М HF с воздействием ультразвуковых колебаний интенсивностью 9,6 Вт/см² в течение 120 с. (Пат.2495678 Российская Федерация, МПК A61L 27/06, A61L 27/02. Способ модифицирования титановой поверхности, авторы: Лясникова А.В., Лясников В.Н., Дударева О.А., Протасова Н.В. Заявитель и патентообладатель: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Ю.А. Гагарина" (СГТУ имени Ю.А. Гагарина), - №2012118152/15; заявл. 03.05.2012; опубл. 20.10.2013, Бюл. №29)

К недостаткам данного способа, как и аналогичного, относится трудоемкость в техническом исполнении, наличие специализированного многокомпонентного приборного оснащения для реализации технологии и использование специализированных смесей для модификации поверхности титана.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа модификации поверхности титана, обладающей способностью стимуляции роста клеток на поверхности имплантируемой пластины.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является снижение трудоемкости технического исполнения модификации поверхности титана и расширение его биомедицинских свойств - стимулирование роста клеток (фибробластов) при контакте с модифицированным материалом (титаном).

Указанный технический результат достигается тем, что заявляемый способ модификации поверхности титана включает химическую обработку внешней поверхности пластины.

Отличия заявляемого способа заключаются в том, что используют титановую пластину марки ВТ-01 и проводят ее электрохимическую обработку, при этом поверхность пластины подвергают контролируемой поляризации в 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 6,0-9,0 при анодном потенциале 500-1500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода и температуре 18-40°С в течение 3-90 минут.

Проведенный поиск известных решений в биомедицинских исследованиях, касающихся биологических эффектов влияния модифицированных поверхностей титана на культуру фибробластов предлагаемым способом, показал, что полученные результаты не были обнаружены в известных решениях и ранее не применялись для стимулирования роста фибробластов.

Сравнительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предлагаемый способ модификации поверхности титана отличается от известного, что позволяет сделать вывод о его соответствии критерию изобретения «новизна».

Использование титановой пластины марки ВТ1-0 обеспечивает биосовместимость и механическую прочность имплантата. Проведение электрохимической обработки титановой пластины путем контролируемой поляризации позволяет получить модифицированную биоактивную поверхность титанового имплантата, стимулирующую размножение клеточной культуры фибробластов при контактном взаимодействии на границе имплантат-ткань. Осуществление контролируемой поляризации в заявляемых условиях - 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 6,0 - 9,0 при анодном потенциале 500-1500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода (Ag/AgCl в 3М NaCl) и температуре 18-40 С° в течение 3-90 минут установлено авторами экспериментальным путем. Предлагаемый режим поляризации обеспечивает модификацию поверхности титановой пластины марки ВТ1-0, способствующей активированию локального клеточного регенераторного потенциала фибробластов, их размножение и активную адгезию на поверхности титанового имплантата.

Способность модифицированной поверхности титанового имплантата -активировать локальный клеточный регенераторный потенциал культуры фибробластов, не очевидна и установлена авторами впервые при заявляемом способе модификации поверхности титановой пластины марки ВТ1-0.

Отличительной особенностью предлагаемого способа модификации поверхности титана является его относительная простота выполнения, обеспечивающая расширение биомедицинских свойств титана, а именно биосовместимость, биоактивность, пролонгированность действия, что позволит в перспективе разработать линейку металлоконструкций для имплантологии с функционально заданными свойствами длительного функционирования.

Технический результат, обеспечиваемый предлагаемый изобретением, заключается в объективно выраженных новых свойствах модифицированной поверхности титана марки ВТ1-0, которая при непосредственном контакте с культурой фибробластов вызывает стимуляцию их роста, адгезию на поверхности титановой пластины и интенсивное размножение на границе титановой пластины и питательной среды.

Заявляемый способ также обеспечивает достижение усматриваемого заявителем технического результата, а именно снижение трудоемкости технического исполнения модификации поверхности титановой пластины для расширения биомедицинских свойств титана - стимулирования роста фибробластов.

Не выявлено технических решений, характеризующихся совокупностью признаков, аналогичной или идентичной совокупности отличительных признаков, характеризующей предлагаемое техническое решение, обеспечивающей при использовании достижение аналогичного технического результата. Из этого следует, что заявляемое изобретение соответствует критерию патентоспособности «изобретательский уровень».

Способ модификации поверхности титана, составляющий заявляемое изобретение, предназначен для использования в медицине и может быть применен в травматологии и ортопедии, нейрохирургии, стоматологии для стимуляции процессов регенерации и улучшения биомедицинских свойств титановых имплантатов, следовательно, предлагаемое техническое решение соответствует критерию патентоспособности изобретения «промышленная применимость».

Сущность заявляемого изобретения поясняется Фигурами №1-3, где показано взаимодействие модифицированной титановой пластины с культурой фибробластов, фотография, фазовый контраст, увеличение 10 х (BioStation СТ 4.1, Nikon), стрелками на всех фигурах обозначена непосредственная зона контакта поверхности титановой пластины с культурой фибробластов.

- На Фиг. 1: взаимодействие фибробластов с титановой пластиной без модификации поверхности (контрольная группа). Срок наблюдения 3 суток, единичные сохранные фибробласты, прилегающие к образцам титановой пластины.

- На Фиг. 2: Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом, условия: рН 7.4, анодный потенциал 500 мВ, температура 25°С, время экспозиции 60 мин. Срок наблюдения 3 суток, плотная адгезия фибробластов к поверхности пластины, плотная упаковка клеток.

- Фиг. 3: Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом, условия: рН 6.0, анодный потенциал 1000 мВ, температура 18°С, время экспозиции 3 мин. Срок наблюдения 3 суток, сохранные адгезированные фибробласты на поверхности пластины, плотно прилегающие к образцам титановой пластины.

- Фиг. 4: Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом при условиях: рН 9.0, анодный потенциал 1500 мВ, температура 40°С, время экспозиции 90 мин. Срок наблюдения 3 суток, плотная адгезия фибробластов к поверхности пластины, плотная упаковка клеток.

Предложенный способ осуществляют следующим образом.

Титановую пластину марки ВТ1-0 подвергают контролируемой поляризации в 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 6,0-9,0 при анодном потенциале 500-1500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода (Ag/AgCl (3М NaCl) и температуре 18-40°С в течение 3-90 минут.

Сущность предлагаемого способа, отражающая стимуляцию роста фибробластов, поясняется примерами конкретного выполнения приразлич-ных технических условиях, указанных в формуле изобретения.

В качестве примера позитивного воздействия модифицированной предлагаемым способом поверхности титана на клеточные культуры фибробластов приводим экспериментальные данные, полученные на автоматизированной биостанции Biostation СТ 4.1 (Nikon), представляющей интегрированную систему исследования клеточных культур (Япония) и результатов исследований электронной сканирующей атомной микроскопии с использованием микроскопа Zeiss (Германия).

Сущность предлагаемого способа стимуляции роста фибробластов поясняется примерами конкретного выполнения.

Пример 1.

Титановую пластину марки ВТ1-0 подвергли контролируемой поляризации в 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 7,4 при анодном потенциале 500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода Ag/AgCl (3М NaCl) и температуре 25°С в течение 60 минут, далее пластину передали для дальнейших исследований в лабораторию клеточных культур.

Первичная культура фибробластов получена из сальника крысы линии Wistar (возраст 2 месяца, вес 150-170 гр.) с соблюдением гуманных этических норм обращения с экспериментальными животными. Выделенный в асептических условиях сальник крысы механически фрагментировали и дезагрегировали в питательной среде DMEM (Dulbecco Modified Eagle's Medium), содержащей 200 ед/мл раствора коллагеназы (Sigma-Aldrich), 2% антибиотик/антимикотик (10,000 ед/мл пенициллина, 10,000 мкг/мл стрептомицина и 25 мкг/мл амфотерицина В) при 37°С. Активность коллагеназы инактивировали добавлением равного количества питательной среды DMEM, содержащей 15% FBS (эмбриональная телячья сыворотка) (Sigma-Aldrich) и 1% антибиотик/антимикотик, затем клетки дважды промывали в DMEM, дополненной 10% FBS и 1% антибиотиком/антимикотиком. Полученную клеточную суспензию дважды центрифугировали в течение 5 минут при 500g. Полученные фибробласты ресуспендировали и культивировали в растворе питательной среды DMEM, содержащей 10% FBS, 1% антибиотик/антимикотик при температуре 37°С, влажности 80%) и 5% СО₂ в биостанции Biostation СТ (Nikon).

Все экспериментальные исследования были проведены в условиях стерильного клеточного бокса II класса. Для получения чистой культуры фибробласты субкультивировали каждые 7 суток. Фотодокументирование динамики изучаемого процесса было проведено биостанцией BioStation СТ 4.1 (Nikon). Полученная первичная культура фибробластов представлена на Фиг. 1 (увеличение 10x, BioStation СТ 4.1 (Nikon).

Для стерилизации исследуемые образцы титановых пластин предварительно помещали в раствор 70% спирта на 2 часа. После этого в условиях стерильного бокса образцы помещали в стерильные культуральные плоскодонные планшеты (Corning) с находящимися в них первичными культурами фибробластов крысы. Планшеты помещали в BioStation СТ. Динамику процесса влияния титановой пластины на культуру фибробластов оценивали в течение 3-х суток.

Влияние модифицированной поверхности титановой пластины на стимуляцию роста фибробластов по данным BioStation СТ 4.1 (Nikon) приведено на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4. На фиг. 1 представлен контрольный образец титановой пластины ВТ1-0 без модификации поверхности.

Фиг. 1: - титановая пластина без модификации поверхности (контрольная группа) (BioStation СТ). Срок наблюдения 3 суток, единичные сохранные фибробласты, прилегающие к образцу пластины.

Фиг. 2: - Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом, условия: рН 7.4, анодный потенциал 500 мВ, температура 25°С, время экспозиции 60 мин. Срок наблюдения 3 суток, плотная адгезия фибробластов к поверхности пластины, плотная упаковка клеток, что свидетельствует о стимуляции размножения фибробластов на поверхности пластины.

Пример 2.

Фиг. 3: - Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом, условия: рН 6.0, анодный потенциал 1000 мВ, температура 18°С, время экспозиции 3 мин. Срок наблюдения 3 суток, сохранные адгезированные фибробласты на поверхности пластины, плотно прилегающие к образцам титановой пластины, умеренная стимуляция размножения фибробластов.

Пример 3.

Фиг. 4: - Взаимодействие фибробластов с титановой пластиной с модификацией поверхности предлагаемым способом при условиях: рН 9.0, анодный потенциал 1500 мВ, температура 40°С, время экспозиции 90 мин. Срок наблюдения 3 суток, плотная адгезия фибробластов к поверхности пластины, плотная упаковка клеток, свидетельствующая о стимуляции размножения фибробластов на поверхности пластины.

Таким образом, предлагаемый способ обработки титановой пластины обеспечивает стимуляцию роста фибробластов для активизации процессов регенерации в организме, способствует их адгезии на поверхности титановой пластины и интенсивному размножению на границе титановой пластины и питательной среды.

Полученные данные представляются перспективными для разработки различных металлоконструкций биоактивных имплантатов и металлоконструкций для травматологии, ортопедии и ортопедической стоматологии.

Предлагаемый способ не сложен в исполнении и не требует специального оборудования.

Изобретение относится к области гальванотехники и может быть использовано в медицинской технике, в частности в травматологии и ортопедии. Способ модификации поверхности титана включает химическую обработку внешней поверхности пластины. Для этого используют титановую пластину марки ВТ1-0 и проводят ее электрохимическую обработку. При этом поверхность пластины подвергают контролируемой поляризации в 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 6,0-9,0 при анодном потенциале 500-1500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода и температуре 18-40°С в течение 3-90 минут. Способ обеспечивает стимуляцию роста фибробластов для активизации процессов регенерации в организме, способствует их адгезии на поверхности титановой пластины и интенсивному размножению на границе титановой пластины и питательной среды. Это позволит применить изобретение при разработке перспективной линейки металлоконструкций для остеосинтеза в имплантологии для создания искусственных имплантатов с заданными функциональными свойствами длительного функционирования. 4 ил., 3 пр.

Способ модификации поверхности титана, включающий химическую обработку внешней поверхности пластины, отличающийся тем, что используют титановую пластину марки ВТ1-0 и проводят ее электрохимическую обработку, при этом поверхность пластины подвергают контролируемой поляризации в 0,1 М фосфатно-щелочном буферном растворе с рН 6,0-9,0 при анодном потенциале 500-1500 мВ относительно хлоридсеребряного электрода и температуре 18-40°С в течение 3-90 минут.