Применение методик исследования материалов и структур электроники в разработке медицинских титановых эндопротезов с повышенной эффективностью фиброинтеграции

Разрешенные для клинического применения в нашей стране титановые сплавы широко используются в травматологии, челюстно-лицевой хирургии и стоматологии, в основном для изготовления различных эндопротезов и дентальных имплантатов, т. е. конструкций, внедряемых и устанавливаемых в костных и мягких тканях организма человека, способных как биоинтегрироваться, так и биоадаптироваться в тканях человеческого организма. В области медицинского материаловеденияи в частности в разработках изделий медицинского назначения на основе титана и его сплавов и различных покрытий на поверхности таких изделий успешно используются современные методы и современное оборудование, разработанные для электронной промышленности.
В данной работе методы исследования материалов и структур электроники, используемые применительно к медицинской технике и конкретно в разработке медицинских титановых эндопротезов, позволили разработать основы технологии получения оптимального микрорельефа на поверхности титановых эндопротезов, предназначенных для приживления в мягких тканях (т. е. фиброинтегрируемых) с биоактивным покрытием диоксида титана TiO₂ со структурой анатаза, полученным методом атомно-слоевого осаждения. В работе проведены исследования, направленные на выявление оптимальной обработки поверхности таких эндопротезов для достижения улучшенных фиброинтеграционных свойств при их использовании в челюстно-лицевой хирургии. 
Показано, что высокая адгезия и фиброинтеграция между титановым эндопротезом и соединительной тканью достигаются при средней шероховатости поверхности (4—8)⋅10² нм, среднеквадратичной шероховатости 5⋅10²—1⋅10³ нм, высоте профиля (3—6)⋅10³ нм и толщине биоактивного покрытия порядка 10 нм.

1. Liu X., Chu P. K., Ding C., Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications // Mater. Sci. Eng. A. 2004. V. 47. P. 49—121. DOI: 10.1016/j.mser.2004.11.001

2. Brunnette D. M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. (Eds.) Titanium in Medicine / In: Materials Science, Surface Science, Engineering, Biological Responses and Medical Applications. Berlin (Germany): Springer, 2001. 1019 p.

3. Steinemann S. G. Titanium — The materials of choice? // Periodontology 2000. 1998. V. 17. P. 7—21. DOI: 10.1111/j.1600-0757.1998.tb00119.x

4. Hauert, R. Thorwarth G. B., Thorwarth K. An overview on diamond-like carbon coatings in medical applications // Surface and Coatings Technology. 2013. V. 233. P. 119—130. DOI: 10.1007/s10853-015-8833-3

5. Roy R. K., Lee K. R. Biomedical applications of diamond-like carbon coatings: a review // J. Biomed. Mater. Res B Appl. Biomater. 2007. V. 83, N 1. P. 72—84. DOI: 10.1002/jbm.b.30768

6. Hauert R. A. A review of modified DLC coatings for biological applications // Diamond and Related Materials. 2003. V. 12, N 3. P. 583—589. DOI: 10.1016/S0925-9635(03)00081-5

7. Пул Ч., Оуэнс Ф., Нанотехнологии. М: Техносфера, 2006. 327 с.

8. Heinrichs J., Jarmar T., Rooth M., Enqvist H. In vitro bioactivity of atomic layer deposited titanium dioxide on titanium and silicon substrates // Key Engineering Materials. 2008. V. 361–363. P. 689—692. DOI: 10.4028/www.scientific.net/KEM.361-363.689

9. Алехин A. П., Маркеев А. М., Тетюхин Д. В., Козлов Е. Н., Степанова М. А., Влияние физико-химических свойств поверхности титановых имплантатов и способов их модификации на показатели остеоинтеграции // Клиническая стоматология. 2009. № 3. С. 3—5.

10. Алехин А. П., Врублевский А. И., Маркеев А. М., Романов Р. И., Неволин В. Н. О структуре и свойствах аморфных углеродсодержащих пленок, формируемых магнитоактивным СВЧ-плазменным осаждением // Поверхность. 1996. № 10. С. 47.

11. Zhao G., Schwartz Z., Wieland M., Rupp F., Geis-Gerstorfer J., Cochran D. L., Boyan B. D. High surface energy enhances cell response to titanium substrate microstructure // J. Biomed. Mater. Res. 2005. V. 74A. P. 49—58. DOI: 10.1002/jbm.a.30320

12. Dai Yamamoto, Ikki Kawai, Kensuke Kuroda, Ryoichi Ichino, Masazumi Okido, Azusa Seki. Osteoconductivity and hydrophilicity of TiO2 coatings on Ti substrates prepared by different oxidizing processes // Bioinorganic Chemistry and Applications. 2012. V. 2012. Art. N 495218.

13. ГОСТ 19807-91. Титан и сплавы титановые деформируемые.

14. Стандарт США ASTMF 67Gr3 - pure titanium plate for surgical implants.

15. Алехин А. П., Болейко Г. М., Гудкова С. А., Маркеев А. М., Сигарев А. А., Токнова В. Ф., Кириленко А. Г., Лапшин Р. В., Козлов Е. Н., Тетюхин Д. В., Cинтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологии //Российские нанотехнологии. 2010. Т. 5, № 9–10. С. 128—136.

16. Шайxалиев А. И., Кpаcнов М. C., Ямcкова О. В., Cвентcкая Н. В. Влияние xимичеcкой пpиpоды имплантационныx матеpиалов на пpотекание pегенеpативныx пpоцеccов в коcтном ложе // Биофизика. 2016. Т. 61, № 4. С. 813—822.

17. Шайхалиев А. И., Стрецкий Г. М., Краснов М. С., Рыбакова Е. Ю., Тихонов В. Е., Ямскова В. П., Ямсков И. А. Действие новых композиций на восстановление костных дефектов у крыс в эксперименте // Фундаментальные исследования. 2013. № 9-2. C. 271—276.

18. ГОСТ 25142-82. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики.

19. Стандарт ИСО 4287-1997. Геометрические характеристики изделий. Структура поверхности. Профильный метод. Термины, определения и параметры структуры.

20. Стандарт США ASME B46.1-1995 Surface Texture (Surface Roughness, Waviness, and Lay).

21. ГОСТ Р ИСО 10993.5-99. Изделия медицинские. Оценка биологического действия медицинских изделий. Часть 5. Исследование на цитотоксичность: методы in vitro.

22. ЦКП «Материаловедение и металлургия» НИТУ «МИСиС». URL: http://misis.ru/business/materials-science/