О некоторых биоактивных покрытиях имплантатов (обзор литературы)
- Выпуск: Том 24, № 1 (2016)
- Страницы: 149-154
- Раздел: Статьи
- Статья получена: 28.10.2016
- Статья опубликована: 15.12.2016
- URL: https://journals.eco-vector.com/pavlovj/article/view/5008
- DOI: https://doi.org/10.17816/PAVLOVJ20161149-154
- ID: 5008
Цитировать
Полный текст
Аннотация
В статье рассмотрены возможности улучшения свойств покрытий имплантатов путём введении в их состав германиевых и алмазоподобных углеродных компонентов. Проанализированы биологические свойства неорганического германия и его соединений. Отмечено, что германий в составе кальций-фосфатных покрытий имплантатов положительно влияет на процессы остеоинтеграции.
Полный текст
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.×
Список литературы
- Башкирова С.А., Доскоч Я.Е., Бессонов А.Е., Березовская И.В., Калмыкова Е.А. Возможности сочетанного применения биологически активного вещества органического соединения германия и нестероидных противовоспалительных препаратов // Справочник врача общей практики. - 2009. - № 9. - С. 61-65.
- Вересов А.Г., Путляев В.И., Третьяков Ю.Д. Достижения кальцийфосфатных материалов // Российский химический журнал. - 2004. - Т. 44. - С. 32-46.
- Вырва О.Е., Зыкова А.В., Сафонов, В.И., Малышкина С.В., Лукьянченко В.В., Валкович Я.И. др. Модификация поверхностных свойств материалов путём нанесения многослойных покрытий для их применения в ортопедии // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2009. - № 4. - С. 62-67.
- Гар Т.К., Миронов В.Ф. Биологическая активность соединений германия. - М.: НИИТЭХИМ, 1982. - 26 с. Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова, № 1, 2016 г.
- Загородний Н.В., Нуждин В.И., Каграманов С.В., Хоранов Ю.Г., Кудинов О.А., Аюшеев Д.Б. и др. 20-летний опыт эндопротезирования крупных суставов в специализированном отделении ЦИТО им. Н.Н. Приорова // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2011. - № 2. - С. 52-58.
- Колесникова О.П., Тузова М.Н., Кудаева О.Т. Механизмы иммуномодулирующего эффекта германий - органических соединений // Иммунология. - 1995. - № 1. - С. 27-31.
- Корнилов Н.В. Хирургическое лечение дегенеративно-дистрофических повреждений тазобедренного сустава. - СПб.: ЛИТО-Синтез, 1997. - 291 с.
- Косяков А.Н., Розенберг О.А., Бондарь В.К., Гребенников К.А., Сохань С.В., Ульянчич Н.В. Биосовместимость материалов эндопротеза нового поколения при тотальном эндопротезировании тазобедренного сустава // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2010. - № 4. - С. 105-115.
- Куликовский В.Ф., Должиков А.А., Битенская Е.П., Солошенко А.В., Ярош А.Л. Экспериментальное исследование реакции тканей на имплантацию сетчатых эндопротезов с наноразмерным алмазоподобным углеродным покрытием // Современные проблемы науки и образования. - 2013. - № 6. - С. 678.
- Лукевиц И.Я., Гар Т.К., Игнатович Л.М., Миронов В.Ф. Биологическая активность соединений германия. -Рига: Знание, 1990. - 191 с.
- Ляшенко В.А. Ахматова Н.К., Амбросов И.В., Матело С.К., Ахматов Э.А., Сухно А.С. Активация лимфоцитов под действием гриппозной вакцины в сочетании с низкомолекулярным германий-органическим соединением // Журнал микробиологии, эпидемиологии и иммунобиологии. - 2012. - № 6. - С. 64-68.
- Мансурова Л.А., Воронков М.Г., Слуцкий Л.И. Влияние изопропоксисилатра-на и изопропоксигерматрана на пролиферативно-репаративную функцию соединительной ткани // Докл. АН СССР. - 1982. - Т. 262, № 6. - С. 1505-1506.
- Маслов А.П. К вопросу эндопротезирования тазобедренного сустава // Ортопедия, травматология и протезирование. - 2008. - № 2. - С. 10-14.
- Менчиков Л.Г., Игнатенко М.А. Биологическая активность органических соединений германия (обзор) // Химико-фармацевтический журнал. - 2012. - Т. 46, № 11. - С. 3-6.
- Миронов С.П. Состояние ортопедотравматологической службы в Российской Федерации и перспективы внедрения инновационных технологий в травматологии и ортопедии // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2010. - № 4. - С. 10-13.
- Назаров Е.А., Рябова М.Н. Применение отечественных имплантатов в эндопротезировании тазобедренного сустава // Российский медико-биологический вестник имени академика И.П. Павлова. - 2007. - № 2. - С. 13-20.
- Никитюк И.Е., Гаркавенко Ю.Е. Использование имплантатов на основе монокристаллов кремния для предупреждения деформаций конечностей при повреждении росткового хряща (экспериментальное исследование) // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2011. - № 1. - С. 38-43.
- Никитюк И.Е. Индуцирование регенерации эластического хряща кристаллическими аппликаторами из полупроводниковых материалов как потенциальный метод лечения глубоких ожогов ушной раковины (экспериментальное исследование) // Травматология и ортопедия России. - 2008. -№ 1 (47). - С. 45-48.
- Никитюк И.Е., Петраш В.В., Ильина Л.В. Полупроводниковые кристаллы как возможный материал для имплантатов, стимулирующих регенерацию суставного хряща // Материалы симпозиума детских травматологов-ортопедов России с Международным участием. - СПб., 2008. - С. 515-517.
- Папков В.Г., Назаров Е.А., Кузьманин С.А., Соловьёв А.Ю., Бондарь А.И. Экспериментальная оценка остеоинтеграции некоторых интрамедулляр-ных имплантатов // Актуальные проблемы медицинской науки и образования (АПМНО-2015): сб. ст. V Междунар. науч. конф. (г. Пенза, 4-5 июня 2015 г.) [Электр. документ] / под ред. А.Н. Митрошина, С.М. Геращенко. -Электрон. текстовые, граф. дан. (10996 Кб). - Пенза: Изд-во ПГУ, 2015. - 396 с. - 1 электрон. диск (CD-ROM).
- Попков А.В. Биосовместимые имплантаты в травматологии и ортопедии (обзор литературы) // Гений ортопедии. - 2014. - № 3. - С. 94-99.
- Прохоренко В.М. Слободской А.Б., Мамедов А.А., Дунаев А.Г., Воронин И.В., Бадак И.С. Сравнительный анализ среднесрочных и отдаленных результатов первичного эндопротезирования тазобедренного сустава серийными эндопротезами бесцементной и цементной фиксации // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2014. - № 3. - С. 21-27.
- Слободской А.Б., Осинцев Е.Ю., Лежнев А.Г. Осложнения после эндопротезирования тазобедренного сустава // Вестник травматологии и ортопедии им. Н.Н. Приорова. - 2011. -№ 3. - С. 59-63.
- Хусаинов Р.М. Игнатенко М.А., Гриценко Л.И. Новый индуктор иммунного интерферона в человеческих лейкоцитах - германий-органическое соединение МОП-11 // Вопр. вирусологии. - 1991. - Т. 36, № 1. - С. 63-64.
- Arakawa S. Effects of germanium dioxide D-fructose solution on the X-ray injury of mice // Tanken. - 1959. - Vol. 10. - P. 289-302.
- Carter J.M. fibroblastic activities post implantation of cobalt chromium alloy and pure germanium in rabbits // Artif. Organs. - 1984. - Vol. 8, № 1. - P. 102-104.
- Chmielowski J., Klapcinska B. Bioaccumulation of germanium by Pseudomonas putida in the presence of two selected substrates // Appl. Environ. Microbiol. - 1986. - Vol. 51, № 5. - P. 1099-1103.
- Chwistek M. Radiometric determination of germanium accumulation in microbial biomass // Chem. Anal. - 1981. - Vol. 26, № 1. - P. 141-146.
- Ducheyne P., Cuckler J.M. Bioactive ceramic prosthetic coating // Clin. Orthop. Relate. Res. - 1992. - Vol. 276. -P. 102-114.
- Eurich K. Alloy powder for dental amalgams: Pat. 2830759 Ger. (1979) // C.A. -1980. - Vol. 92. - Р. 153-192.
- Hakamata S., Kurihara T., Ishigaki S. Application of germanium and silicon semiconductors to bandages for alleviation of muscular pain: Pat. 62-281967 Jpn. (1987) // C.A. - 1988. - Vol. 109. -11768b.
- Hench L.L. Bioceramics // J. Amer. Ceram. Soc. - 1998. - Vol. 81, № 7. -P. 1705-1728.
- Mueller J.H., Iszard M.S. Toxizität einiger allotropen modifaicationen von germanium oxid // J. Pharmacol. Exp. Ther. - 1931. - Bd. 42. - S. 277-297.
- Musha S. Analgesic tapes containing germanium-coated calcium carbonate particles: Pat. 62-209671 Jpn. (1986) // C.A. - 1987. - Vol. 106. - 90179z.
- Ong S.G. L'action inhibitrice des metaux sur la cruissance du B. tuberculoix. III. Germanium, etain et plomb // Proc. Netherlands Acad. Sci. - 1945. - Vol. 48. - P. 411-419.
- Rosenfeld G., Wallace E.J. Studies of acute and chronic toxicity of germanium // Arch. Ind. Hyg. Occupational Med. -1953. - Vol. 8. - P. 466-479.
- Rothermundt M., Burschkies K. Uber die bedeutung des germanium über die chemoterapie // Z. Immunitätsforsh. Exp. Ther. - 1936. - Bd. 87. - S. 445-448.
- Tomizawa S., Suguro N., Kagoshima M. Studies on general pharmacological effects of some germanium compounds // Oyo Yakuri. - 1978. - Vol. 16, № 4. -P. 682-871.
- Townsend J.D., Hamilton A. J., Sbor-done L. Biological evaluation of a silvercooper-germanium dental casting alloy and a gold-germanium coating alloy // J. Dent. Res. - 1983. - Vol. 86, № 8. -P. 899-903.
Дополнительные файлы
![](/img/style/loading.gif)