В статье автор описывает возможности алмазоподобныхDLC-покрытий, отличающихся высокой биологической совместимостью, при использовании их для рабочих и нерабочих поверхностей имплантантов и протезов.
Ключевые слова: биологическая совместимость, DLC-покрытия, поверхности имплантантов и протезов, способ получения покрытия, устойчивость покрытия.
В настоящее время возрастает интерес к повышению качества жизни человека, к обеспечению его долголетия, в том числе к обеспечению качества жизни инвалидов и созданию «инклюзивного» общества. С целью сохранения, продления жизни человека часто возникает необходимость оперативного вмешательства и замены поврежденных при травмах органов. Кроме того, в связи с развитием медицины развивается и трансплантология — наука и замене органов человеческого тела. В трансплантологии применяются как живые органы человека, полученные от умирающих людей, от трупов, от живых людей (парные органы), так и искусственно создаваемые органы — искусственные имплантанты. Оперативное вмешательство в трансплантологии часто связано с высокотравматичными операциями, следовательно, предъявляются все более высокие требования к качеству хирургических инструментов. Одним из направлений решения поставленной проблемы является применение специальных биосовместимых покрытий как для имплантантов, так и для медицинских инструментов, которые исключают появление некрозов тканей, воспаления тканей и реакцию отторжение имплантанта [2]. Одной из проблем обеспечения приживаемости и длительной работы искусственного трансплантата (имплантанта) является его совместимость с тканями человека — биологическая совместимость, которая включает в себя совместимость биомеханическую, совместимость иммунологическую и совместимость морфофункциональную [3]. Это правило относится также и к живым трансплантатам. Обеспечение биологической совместимости искусственных трансплантатов (имплантантов) возможно с помощью применения специальных биосовместимых покрытий, наиболее передовыми из готовых в настоящее время, являются так называемые алмазоподобные DLC-покрытия.
DLC-покрытия (Diamond-Like Carbon) обладают рядом характеристики, присущих алмазу: химическая инертность и биологическая совместимость, большая твердость и износостойкость, электрическая изоляция, гладкость, оптическая прозрачность. Основой DLC-покрытия является аморфная структура из случайных чередований гранецентрированного куба (кристаллическая решетка, характерная для алмаза) и гексагональной кристаллической решетки, характерной для графита. Вмесите с тем, само DLC-покрытие не имеет общей кристаллической геометрии, которая встречается в природе, что не создает плоскостей разрушения материала и позволяет получить очень твердый материал [1].
DLC-покрытия получаются в результате формирования алмазоподобного слоя на специальной подложке, расположенной в высокоионизированной среде, насыщаемой атомами из углеродного источника, титанового источника и газоплазменного источника.
Сначала на поверхности создается титановое прикрытие за счет плазменного распыления атомов от титанового источника в вакууме, затем подключается углеродный источник и формируется смешанный слой на последнем этапе проводится плазменное импульсное распыление только атомарного графита от углеродного источника в вакуумной камере приводит к осаждению ионов углерода с достаточно большой энергией на имплантанты, протезы и т. д. В результате такого напыления углерода образуется аморфное покрытие, состоящее из атомов углерода как с алмазоподобными, так и с графитоподобными связями.
В результате образуется слоеное аморфное покрытие, состоящее из атомов углерода как с алмазными, так и с графитоподобными связями, верхние слои которого напоминают по своим свойствам алмаз со всеми его характеристиками, включая биосовместимость, химическую инертность и хорошие фрикционные свойства, что весьма положительно сказывается на свойствах имплантантов суставов человека.
Источники работают последовательно: газоплазменный (работает постоянно и его цель — формирование высокой температуры в зоне насыщения), титановый — формирование титановой подложки, углеродный — формирование самого DLC-покрытия. В некоторый момент времени титановый и углеродный источники работают одновременно, обеспечивая смесь атомов углерода и титана и формируя прочное соединение атомов углерода с подложкой [5].
DLC покрытие, нанесенное на титановую подложку, обладает высоким уровнем клеточной совместимости и действует как барьер между титановым сплавом (который вызывал бы гибель многих клеток) и клетками фибробластов.
Таким образом, DLC-покрытие не реагирует на кислоты, на щелочи, высокой коррозионной стойкостью, очень хорошо сопротивляется окислению. Тестирование DLC-покрытий на биосовместимость (как in vitro, так и in vivo) проводилось на его взаимодействие с макрофагами (лейкоцитами, поглощающими инородные тела, проникшие в организм), фибробластами (клетками, образующими соединительную ткань) и остеобластами (клетками, образующими кость) [4]. Нанесение DLC-покрытия на стальные и титановые имплантанты позволяет сохранять целостность имплантанта, предотвращать неконтролируемый рост клеток, исключить образование мусора в имплантируемом соединении, не вызывать инфекций и обеспечивать хорошую приживаемость имплантанта.
Таким образом, DLC-покрытия на стальных и титановых имплантатах являются перспективным материалом для использования в травматологии и благодаря их биосовместимости, хорошей остеоинтеграции и, непосредственно, отсутствию негативного смещения и отслоения прилегающей костной ткани. Применяются DLC-покрытия также и для обработки медицинских инструментов, что обеспечивает высокоэффективную коррозионную защиту, хорошее скольжение в ткани, и в несколько раз позволяет продлить срок службы медицинских хирургических инструментов. Кроме того, нанесение алмазоподобных покрытий с высокой адгезией на медицинские хирургические инструменты дает максимально возможность исключить побочные эффекты, связанные с разрывом тканей, что способствует быстрому восстановлению раневой поверхности. Так, например, современные методики операций на глазах, в эндоскопии спинного мозга станут более легко и безболезненно переносится пациентами при использовании инструментов с DLC-покрытием и позволяет сократить срок послеоперационной адаптации.
Литература:
- Боровиков С. М. Свойства и применение DLC-покрытий / С. М. Боровиков, Р. В. Пигаль, О. И. Терещук. // Молодой ученый. — 2021. — № 6 (348). — С. 6–9.
- Рубштейн А. П., Владимиров А. Б., Ганжа А. А., Гюльназарова С. В., Пушкарь С. С. Покрытия с алмазоподобным углеродом — материал для ортопедических и дентальных имплантантов // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. — 2018. — № 6. — С. 43–47.
- Казбанов В. В., Баталов М. С., Вишневский А. А. Особенности биосовместимости и перспективы применения титановых имплантантов с алмазоподобными покрытиями на основе модифицированного углерода //Проблемы здоровья и экологии– 2015. — № 2. — С. 16–23.
- Diamond-Like Carbon. Режим доступа: http://www.dlc.ru/oblasti-primeneniya/meditsina/
- Высокопрочное углеродное покрытие (DLC или алмазоподобное покрытие). Режим доступа: https://www.tydexoptics.com/ru/products/optical _coatings/dlc/
