Яке особливе значення має обробка поверхні для медичних імплантатів?

1. Поліпшення біосумісності та зменшення реакцій відторгнення.
Біосумісність є важливою вимогою для медичних імплантатів. Це означає, що матеріали не повинні викликати негативних реакцій, таких як токсичність, сенсибілізація, запалення або тромбоз, коли вони контактують з тканинами людини. Обробка поверхні покращує якість поверхні імплантатів за допомогою фізичних або хімічних методів. Це робить їх набагато більш біосумісними.
Застосовуючи такі методи, як піскоструминна обробка, кислотне травлення та лазерна обробка, на поверхні імплантату створюються мікро- або нано-нерівні структури. Це збільшує площу поверхні та площу контакту з тканинами, що допомагає клітинам прилипати до імплантату та рости. Наприклад, після піскоструминної обробки та травлення кислотою шорсткість поверхні (значення Sa) зубних імплантатів може зберігатися в межах від 1 до 2 мкм, що може значно підвищити міцність з’єднання кістки та прискорити процес загоєння.
Хімічна модифікація: додавання біоактивних груп, таких як гідроксильні та аміногрупи, на поверхню імплантатів або додавання мінералів, які сприяють росту кісток, наприклад стронцію та кальцію, для покращення хімічної взаємодії між матеріалами та тканинами. Після анодування на поверхні титанового сплаву утворюється товста оксидна плівка. Потім електрохімічні методи використовуються для введення елементів кальцію та фосфору, щоб імітувати склад природної кістки та стимулювати розвиток кісткових клітин.
Технологія біопокриття: покриття з біокераміки (наприклад, гідроксиапатиту) або біоактивного скла наносяться на поверхню імплантатів за допомогою таких технологій, як плазмове напилення та електрохімічне осадження. Ці покриття беруть безпосередню участь у механізмах роботи кісток. Дослідження показують, що швидкість остеоінтеграції імплантатів, покритих гідроксиапатитом-, перевищує таку необроблених імплантатів на понад 40%.
2. Підвищення стійкості до корозії та подовження терміну служби
Медичні імплантати повинні витримувати тривалий вплив людських тілесних рідин, які можуть бути легко пошкоджені корозійними агентами, такими як іони хлориду та білки. Ця корозія призводить до розчинення іонів металу та відшарування покриттів, що потенційно може спричинити запальні реакції або поломку імплантату. Створюючи товстий захисний шар, обробка поверхні значно підвищує стійкість імплантатів до корозії.
Пасивація: після обробки азотною кислотою на поверхні імплантатів з нержавіючої сталі утворюється плівка пасивації оксиду хрому. Ця плівка перешкоджає просочуванню іонів металу та знижує швидкість корозії до менш ніж 0,001 мм/рік, що є необхідним для довгострокової-імплантації.
Технологія мікродугового оксидування: електричне поле високої-напруги використовується для збудження мікродугового розряду на поверхні титанового сплаву. Таким чином утворюється керамічна оксидна плівка, яка містить титан, кисень і фосфор. Вона може стати твердішою, ніж 1000 HV, і вона втричі більш стійка до зношування, ніж звичайні анодні оксидні плівки. Він добре підходить для ситуацій із великою вагою, наприклад протезування суглобів.
Використовуючи технологію фізичного осадження з парової фази (PVD) або хімічного осадження з парової фази (CVD), на поверхню імплантатів можна наносити нанорозмірні покриття TiN, TiAlN та інші тверді покриття товщиною лише 1–5 мкм. Це може покращити корозійну стійкість більш ніж на 50%, знизити коефіцієнт тертя та зменшити кількість частинок зносу, які утворюються.
3. Надати йому антибактеріальних властивостей і знизити ймовірність захворіти
Інфекції, що виникають після операції, є однією з головних причин несправності медичних імплантатів. Наприклад, інфекції в ортопедичних, серцево-судинних та інших імплантатах можуть статися в 1%-5% випадків. Обробка поверхонь добре запобігає прилипанню бактерій до поверхонь і утворенню біоплівок шляхом створення поверхонь, які вбивають бактерії, або додавання антибактеріальних хімікатів.
Поверхневе прищеплення антибактеріальних груп: антибактеріальні групи, такі як солі четвертинного амонію та фториди, додаються до поверхні імплантату за допомогою плазмової обробки або хімічного прищеплення. Це змінює структуру мембрани бактеріальної клітини та має -тривалий антибактеріальний ефект. Наприклад, антибактеріальне покриття, що містить срібло, може вбити 99% Staphylococcus aureus і залишатися ефективним більше 30 днів.
Світло{0}}інтелектуальне покриття: це передбачає нанесення фотосенсибілізаторів (таких порфіринових сполук) на поверхню імплантатів і використання світла певної довжини хвилі для створення активних форм кисню (АФК), які знищують мікроби, не пошкоджуючи клітини господаря. Цей метод використовується для дезінфекції поверхонь обладнання, яке може легко поширювати інфекції, наприклад ендоскопів і катетерів.
Антибактеріальне покриття та вивільнення ліків працюють разом: антибіотики, такі як ванкоміцин і гентаміцин, додаються до біокерамічного покриття, щоб контролювати швидкість руйнування покриття, що вивільняє ліки. Концентрація препарату в області може більш ніж у 1000 разів перевищувати концентрацію препарату в крові, що зупиняє інфекції після операції.
4. Поліпшити здатність до остеоінтеграції та рівень клінічного успіху.
Для ортопедичних, зубних та інших імплантатів здатність до остеоінтеграції є важливим аспектом клінічного успіху. Обробка поверхні прискорює процес інтеграції кістки, контролюючи форму, хімічний склад і біологічну активність поверхні, що допомагає кістковим клітинам прилипати, рости та змінюватися.
Технологія подвійного кислотного травлення: за допомогою двох кислот (наприклад, HCl+H₂SO₄ змішаного розчину кислоти та HNO3) у дво-етапному процесі на поверхні імплантату створюється багато-пориста структура. Ця структура має шорсткість мікрометричного-рівня, що забезпечує механічну взаємодію, і нанометрові-пори рівня, які збільшують біологічну активність, роблячи зв’язок між імплантатом і кісткою міцнішим більш ніж на 30%.
3D-друк пористих структур: використання технології селективного лазерного плавлення (SLM) для виготовлення пористих імплантатів із титанового сплаву, пористість яких становить від 60% до 80% і має пори шириною від 200 до 500 мкм. Це імітує природну трабекулярну структуру кістки, стимулює ріст кровоносних судин і кісткової тканини та досягає «біологічної фіксації». Клінічні дані свідчать про те, що тривалість остеоінтеграції імплантатів з пористою структурою на 50% менша, ніж у твердих структур.
Зміна біологічно активних молекул: розміщення біологічно активних молекул, таких як кістковий морфогенетичний білок (BMP) і колаген, на поверхні імплантатів для запуску сигнальних шляхів, які допомагають диференціювати кісткові клітини. Наприклад, імплантати, які були замінені BMP-2, можуть скоротити час, необхідний для остеоінтеграції, з 3 місяців до 6 тижнів і підвищити рівень успіху імплантації до більш ніж 98%.