Some bioactive coatings of implants (literature review)

Abstract

The article considers possibilities of improvement of properties of coatings of implants through the introduction in their composition of germanium and diamond-like carbon components. Analyzed biological properties of inorganic germanium and its compounds. It is noted that germanium in the composition of the calcium phosphate coating of implants has a positive effect on the processes of osseointegration.

Full Text

Вопросы замещения искусственными изделиями (имплантатами) костей и суставов, зубов, дефектов кровеносных сосудов, стенок полостей и органов продолжают оставаться актуальными, пока окончательно не решена проблема их отторжения тканями-реципиентами. Идеальной поверхностью эндопротеза с позиций долговременности и надёжности его функционирования является поверхность, вступающая в непосредственный контакт с тканью-реципиентом без образования соединительнотканной капсулы. Что касается эндопротезов крупных суставов, потребность в которых в РФ составляет более 300 тыс. в год [8], то прогнозируется рост количества повторных операций в связи с асептической нестабильностью последних [5, 16, 22, 23]. В связи с этим особую значимость имеют исследования по созданию покрытий имплантатов, которые предупреждали бы развитие асептической нестабильности [15]. Основными требованиями к материалам для производства имплантатов являются механическая прочность и биосовместимость. Наибольшую биосовмести мость и механические свойства, близкие к костной ткани имеет титан, однако он не обладает достаточными прочностными характеристиками для применения в травматологии и ортопедии [8]. Для их повышения используются сплавы Ti-6Al-4V (и его отечественный аналог ВТ6) или Ti-6Al-6Nb. Исследования показали, что входящие в их состав легирующие компоненты (ванадий, алюминий) не только не способствуют биосовместимости, но накапливаясь в тканях, могут вызвать токсическое воздействие на организм [13, 34]. Избежать токсического воздействия можно путём нанесения на поверхность имплантатов различных покрытий [3]. Экспериментально установлено, что при имплантации полипропиленовых эндопротезов передней брюшной стенки с нано-размерным алмазоподобным углеродным покрытием не наблюдалось воспалительных изменений. В отдаленные сроки (180 суток) наблюдалась полная биоинтеграция имплантата. При этом в отличие от группы контроля (протез без напыления), отсутствовали гигантоклеточная трансформация макрофагов и формирование в клетках 149 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 1, 2016 г. инородных тел [9]. Запатентованы также алмазные покрытия на отдельных элементах эндопротезов тазобедренных суставов (патент RU № 2328247 C1 от 7.10.2008). В течение длительного времени в медицине используются кальций-фосфатные и гидроксиапатитные покрытия, характеризующиеся образованием тесной химической связи с костью (связующий остеогенез) [21]. При этом продолжаются исследования, направленные на повышение их биоактивности и остео-генности. Для этого предлагают различные методы нанесения покрытий (электрохимическое осаждение, магнетронное и плазменное напыления), создание композитных соединений путем внедрения в структуру фосфатов кальция различных добавок [2, 29]. При этом отмечено, что в ряду гидроксиапатитов кальция наибольшей биоактивностью обладает кремнийсодержащий материал [2]. Исследователями выявлена способность кристаллического кремния преобразовывать электрические сигналы хондроцитов и стимулировать рост хрящевой ткани [17, 18, 19]. Наибольшим сходством с кремнием по физическим и химическим параметрам обладает германий. Тридцать второй элемент периодической системы Д.И. Менделеева (атомная масса 72,6) имеет пять стабильных изотопов: Ge70 (20,7%); Ge72 (27,5%); Ge73 (7,7%), Ge 74 (36,4%), Ge76 (7,7%). Искусственно получены многочисленные радиоактивные изотопы германия, из которых в биологических исследованиях чаще всего используются Ge68 (период полураспада 289 дней) и Ge71 (период полураспада 11 дней) [10]. Относительно большая распространённость германия в литосфере и его сходство с кремнием, который несомненно относится к элементам, существенным для жизни [10], позволяют поставить вопрос о значении германия для живой природы, влиянии его на жизнедеятельность макро-и микроорганизмов. Учёными выявлен значительный спектр его биологических эффектов. От мечено, что добавление металлического германия в культуру туберкулёзной палочки, подавляет её рост к 22 дню наблюдения [35]. Соединения германия могут накапливаться и поглощаться некоторыми бактериями. В работах [27, 28] биоаккумуляция германия исследована как модель неспецифического поглощения некоторых металлов микроорганизмами, в частности бактериями Pseudomonas putida. В 20-е годы прошлого века появились первые сообщения о стимуляции образования красных кровяных телец в результате введения людям и животным нетоксичных доз диоксида германия [4]. Исследование противоопухолевой активности неорганических соединений германия показало, что он и его диоксид тормозят образование карциномы у мышей [4]. Однако другие авторы [37] это подтвердить не смогли. В то же время ими отмечено небольшое замедление роста опухолей при профилактическом применении германиевых соединений. В эксперименте на мышах установлено, что диоксид германия защищает их от повреждающего действия гамма-лучей [25]. В отличие от диоксида кремния и тяжёлых металлов диоксид германия не осаждает протеины и не соединяется с ними [36]. Установлено, что в венозной крови животных германий находится в основном в красных кровяных тельцах, а в артериальной крови - растворён в плазме [33]. На кровеносные сосуды диоксид германия действия не оказывает [38]. Более широкое применение соединений германия в медицине началось с 60х годов прошлого века, когда российскими учёными были получены его первые водорастворимые органические соединения -сесквиоксиды. Наибольшую известность получил бис (2-карбоксиэтилгемания) се-сквиоксид [4]. К настоящему времени физиологическая активность этого соединения (известного также как Ge-132, CEGS) наиболее изучена. Его биологическая активность оказалась весьма обширной. Вещество нашло применение в комплексной терапии рака. Кроме противоопухолевого 150 Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 1, 2016 г. эффекта, CEGS обладает также анальгези-рующим, противовоспалительным, анти-оксидантным, иммуномодулирующим и противовирусным действием. Известны его гипотензивные и нейротропные свойства. Он является гепатопротектором и радиопротектором, при этом обладает низкой токсичностью [10, 14]. Это соединение стимулирует естественные киллеры на выработку интерферонов не только in vivo, но и в суспензии мононуклеаров крови. Максимальный уровень синтеза гамма-интеферона наступает при инкубации в течение 74 ч в концентрации 200 мкг/мл Ge-132 [24]. Другие исследователи наблюдали пролиферативную активность тимоцитов и спленоцитов животных in vitro [6, 11]. Доказана способность герма-ний-органических соединений усиливать образование соединительной ткани [12]. При их совместном применении с нестероидными противовоспалительными препаратами отмечено снижение частоты их побочных эффектов с одновременным усилением анальгетической активности [1]. Запатентованы германиевое покрытие бандажей для снижения мышечной боли [31], спортивные тейпы, содержащие покрытые германием частицы карбоната кальция [34]. Металлический германий, нанесённый на виталлиевые пластины, помещённые под кожу экспериментальных животных, стимулирует пролиферацию фибробластов в отличие от виталлие-вых пластин без германия [26]. При этом германиевое покрытие обладало более высокой поверхностной энергией, что коррелирует с данными других авторов [3]. Сплавы серебро-медь-германий и золото-германий использовались в стоматологии для изготовления пломб [30, 39]. Проведенные нами экспериментальные исследования [16] по изучению остеоинтеграции 4 групп имплантатов (первая группа - из медицинской стали, вторая - из титанового сплава ВТ6, покрытых карбоксинитридом титана с повышенной твёрдостью; третья группа - из титанового сплава ВТ6 с покрытием из кальция 151 фосфата и 1% германия, нанесённым методом микродугового оксидирования, и четвёртая - из того же сплава с покрытием кальция фосфатом и 5% германием) показали, что образование костной ткани преобладает вокруг штифтов, покрытых кальция фосфатом и 5 % германием. Увеличение концентрации германия в среде электролита от 1% до 5% при формировании покрытия имплантата методом мик-родугового оксидирования не приводит к усилению остеоинтеграции. Таким образом, проведённый анализ литературы позволяет считать актуальными исследования по изучению и созданию алмазных покрытий имплантатов, перспективным является применение для этих покрытий производных германия.