Электрохимическая модификация поверхности в медицине

В работе рассмотрены электрохимичсекие методы модификации поверхности материалов, изделий, инструментов и устройств, применяемых в медицине для протезирования, проведения различных операций, диагностики и исследований.

Человеческий организм – сложноорганизованная и саморегулирующаяся система. Вмешательство в работу этой системы сопровождается множеством осложнений, которые иногда могут приводить даже к необратимым последствиям. В соответствии со сказанным, при необходимости такого вмешательства (протезирование, операции, диагностика и тому подобное), должны применяться исключительно те материалы, что отвечают определенным требованиям биобезопасности с учётом особенностей человеческого организма.

Для создания соответствующих медицинских изделий и устройств привлекают широкий круг материалов естественного и искусственного происхождения, в том числе синтетические полимеры, биополимеры, керамику, гидроксиапатиты, углерод, металлы, гибридные (биоискусственные) и биоткани, основанные на комбинированном использовании биоматериалов и функционирующих клеток различных тканей и органов [1].

БИО- И ГЕМОСОВМЕСТИМОСТЬ

Под термином "биосовместимость" было предложено понимать способность материалов, изделий или устройств выполнять свои функции и не вызывать отрицательных реакций в организме "хозяина" – человека [2].

Основные свойства, которыми должно обладать биосовместимое изделие, следующие:

  • не оказывать токсического и аллергического действия на организм;
  • не обладать канцерогенным действием;
  • не провоцировать развитие инфекции;
  • не вызывать местной воспалительной реакции;
  • сохранять функциональные свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации.

Также существует отдельная группа биосовместимых материалов, которые контактируют с кровью - гемосовместимые материалы.

Такие материалы (изделия) не должны:

  • провоцировать образование тромбов и тромбоэмболии;
  • активировать свертывающую, фибринолитическую системы и систему комплемента;
  • оказывать отрицательное действие на белковые и форменные элементы крови;
  • нарушать электролитический баланс крови [1].

ГЕМОСОВМЕСТИМЫЕ ПОВЕРХНОСТИ В МЕДИЦИНЕ

Электрохимия достаточно прочно вошла в современную медицину. Широко применяются различные методики лечения и диагностики заболеваний с применением электрохимических методов.

Помимо этого, благодаря электрохимии возможно получение необходимых свойств на поверхностях материалов и изделий, использующихся в медицинских целях.

Кафедра ТЭП РХТУ им. Д. И. Менделеева совместно с НИИ СП им. Н. В. Склифосовского внесли большой вклад в изучение данного вопроса.

На базе лабораторий этих учреждений постоянно ведутся исследовательские и опытные работы, направленные на совершенствование медицинского оборудования и диагностических методик с точки зрения их биосовместимости.

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ МОДИФИКАЦИЯ АКТИВИРОВАННЫХ УГЛЕЙ

Известно, в современной медицинской практике широко применяются активированные угли с целью детоксикации организма человека при острых отравлениях.

С помощью электрохимического модифицирования можно придавать активированным углям свойства биосовместимости, сохраняя при этом их адсорбционную активность по отношению к некоторым классам токсических органических соединений.

Область потенциалов от +50мВ до -150мВ является благоприятной для использования активированных углей в качестве гемосорбентов, поскольку в этом диапазоне травмирующая активность по отношению к форменным элементам крови практически отсутствует, в то же время их адсорбционные свойства по отношению к типичным экзо- и эндотоксикантам практически не изменяются. Кроме того, величина потенциала отражает не только особенности взаимодействия угля с форменными элементами крови, но и их гидрофобно-гидрофильные свойства [3].

Исследования показали, что с помощью электрохимического модифицирования активированных углей можно сдвинуть величины их стационарных потенциалов в более отрицательную область, в которой форменные элементы крови наименее травмируются. Однако величины приобретенных потенциалов при хранении дрейфуют к первоначальным значениям не модифицированного угля [4].

Недостатком активированных углей является малый срок (не более нескольких дней), в течение которого сохраняется заданное с помощью электрохимической поляризации значение потенциала образцов. Для устранения этого недостатка были использованы углеродные материалы, покрытые полипирролом, поскольку полипиррол является весьма инертным материалом и покрытые им стенты выдерживают контакт с кровью в течение нескольких лет [5].

Наряду с исследованиями, посвященными методам синтеза таких полимеров, как полипарафенилен, полианилин и его производные [6], полипиррол [7], имеется множество работ по созданию электропроводящих биосовместимых покрытий на платине, золоте и углеродных материалах из указанных полимеров [8-10]. Как правило, электропроводящие полимеры объединяет наличие полисопряжения π-связей основной цепи.

Свойство электронной проводимости полимеров достигается с помощью допирования, то есть введения небольших концентраций допаната (например, анионов Сl–) в матрицу исходных полисопряженных полимеров. Допирование осуществляется путем химического либо электрохимического окисления (р-допирования) или восстановления (n-допирования) полимера.

Регулируя уровень допирования, можно изменять электропроводность полимеров в широком диапазоне. Высокая проводимость, стабильность в окисленном состоянии и окислительно-восстановительные свойства полипиррола и его производных обусловливают использование их в различных областях, включая медицину [5].

ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКАЯ КОАГУЛЯЦИЯ КРОВИ

Проблема острой кровопотери — еще один вопрос, в решении которого может помочь электрохимия.

Остановка кровотечения осуществляется благодаря коагуляции крови внутри сосуда с помощью электрохимического образования сгустка (тромба). В середине XX века были заложены основы метода электрохимической коагуляции крови, который заключается во введении проводника (анода) в сосуд и противоэлектрода (катода) помещается на поверхность тела.

При приложении постоянного тока около анода начинается образование сгустка крови (тромба), который в итоге блокирует кровоток в выбранном участке сосуда [11].

Использование электродов из нержавеющей стали в условиях анодной поляризации невозможно, поскольку при положительных потенциалах электрод из нержавеющей стали в присутствии хлорид-анионов будет подвергаться анодному растворению, и в организм будут попадать ионы тяжелых металлов. Использованные рядом исследователей электроды из медно-бериллиевого сплава или нержавеющей стали, покрытой медью, также могут привести к отравлениям пациентов из-за процесса анодного растворения.

Наиболее подходящими материалами для использования в качестве рабочих электродов в процессе электрохимической коагуляции крови являются благородные металлы. Имеющиеся в настоящее время проводники с рабочей частью, выполненной полностью из благородного металла, являются весьма дорогостоящими, особенно принимая во внимание, что данные электроды предназначены для одноразового применения [11].

Рабочий электрод для электорхимической коагуляции при постоянном токе должен обладать высокой коррозионной стойкостью при анодной поляризации в среде организма. Авторами работы [12] в качестве покрытия для рабочего электрода из нержавеющей стали было предложено использовать родий, нанесенный гальванически.

В ряде работ, в которых исследовано электрохимическое поведение благородных металлов, факторов свертываемости крови и влияние потенциала различных металлов и сплавов на процесс коагуляции было показано, что именно родий наиболее стоек в данных условиях и способствует наиболее интенсивному тромбообразованию (по сравнению с золотом, рутением, палладием и платиной) [13-16].

МАТЕРИАЛЫ И ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ЭНДОПРОТЕЗОВ

На протяжении уже нескольких сотен лет ведется постоянный поиск оптимальных биосовместимых материалов для костного эндопротезирования. К основным требованиям к материалам данной категории относятся: биохимическая и биомеханическая совместимость, конструкционная прочность и надежность, технологичность [17].

В последнее время практически запрещено использование несъемных (постоянных) имплантатов из нержавеющей стали. Это связано с тем, что в организм попадают ионы посторонних металлов (никеля, хрома и железа). Это может привести к тяжелым последствиям и оказать токсическое воздействие на организм.

Комплексу требований по биосовместимости в достаточной степени удовлетворяют титановые сплавы, которые в последние несколько десятилетий вытесняют медицинские нержавеющие стали [17].

Титан – легкий металл, характерной особенностью которого является малая плотность – 4,51 г/см3, высокая прочность, которая сохраняется до 600°С, хорошая коррозионная стойкость, немагнитность, низкая теплопроводность, малый коэффициент линейного расширения. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется быстрым образованием на его поверхности оксидной пленки, которая прочно связана с основным металлом и исключает непосредственный контакт металла с коррозионной средой [18, 19]. Отмечается также положительное свойство титана и его сплавов как биоматериалов: высокая биоинертность.

Одним из способов повышения биомеханической стабильности имплантатов традиционно является модификация поверхности металлического материала с целью придания ей функциональных с точки зрения биологии и медицины свойств (в последние годы часто употребляется термин «функционализация» поверхности) [17].

К настоящему времени разработано несколько десятков методов формирования биоактивных покрытий на поверхности металлических имплантатов. В последнее десятилетие всё большее значение приобретает метод микродугового оксидирования (МДО) [17]. Это сравнительно новый вид электрохимической поверхностной обработки и модифицирования поверхности металлов, берущий свое начало от традиционного процесса анодирования. Безусловный приоритет по разработке технологии формирования биоактивных покрытий методом МДО на имплантатах и её освоению в медицинской практике принадлежит РФ [20, 21].

ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ

Для производства медицинских инструментов широко используют самые различные материалы: черные и цветные металлы, стали и сплавы (порошковые, спеченные, композиционные), полимеры [22].

Нанесение покрытий на медицинские инструменты так же не обходится без применения электрохимических методов.

Медицинские инструменты в соответствии с ГОСТом 22851-77 должны обладать следующими качествами:

  • иметь все свойства медицинских инструментов, обусловливающие их пригодность, удовлетворять потребности в соответствии с назначением;
  • быть стабильными;
  • способствовать планомерному повышению эффективности производства;
  • учитывать современные достижения науки и техники и основные направления технического прогресса в отраслях народного хозяйства.

Медицинские металлические инструменты в процессе эксплуатации подвергаются воздействию сред живого организма, содержащего жиры, органические кислоты, соли, в частности хлориды, являющиеся активаторами коррозии.

Кроме того, в процессе бактерицидной (санитарной) обработки инструменты контактируют со средами, применяемыми для предстерилизационной очистки, стерилизации и дезинфекции, которые в большинстве своем также являются агрессивными по отношению к металлам, из которых изготовлены инструменты. Под влиянием агрессивных сред бактерицидной обработки и среды живого организма во многих случаях при одновременном воздействии механических напряжений возникают коррозионные очаги, изменяются твердость и упругость металла, приводящие к быстрому изнашиванию инструмента и даже к его разрушению [22]. Особую опасность представляет питтинговая коррозия, которая развивается в отдельных центрах и проявляется в виде мелких глубоких поражений; иногда питтинги являются местами зарождения коррозионных трещин.

Решить проблему коррозионного разрушения инструмента или придания особых свойств могут специальные гальванические покрытия.

Так, для повышения износостойкости изделий на них наносят слой молочного или твердого хрома, комбинированные хромовые или износостойкие железные покрытия — до 900 кгс/мм2. Возможно осаждение твердого никеля и его сплавов, а также химического никеля, комбинированных покрытий.

При этом для особых случаев возможно заращивание частичек алмаза в матрицу гальванического никеля. В медицинской промышленности такое покрытие применяется при изготовлении иглодержателей с алмазированием губок и алмазировании стоматологических головок.

Никелирование является одним из самых распространенных методов «облагораживания» черных металлов. В гальванической паре «Fe—Ni» никель, как более электроположительный металл, является катодом по отношению к железу и может надежно защищать его от коррозии лишь при полном отсутствии пор при покрытии.

При изготовлении хирургических медицинских инструментов, непосредственно соприкасающихся с тканями раны, вследствие токсичности окислов меди использование подслоя ее вообще исключено. Вместе с тем для медицинских инструментов неприемлемы толстые покрытия, так как большая толщина слоя может в значительной степени изменить функциональные качества инструментов.

Поэтому для защитных покрытий в производстве медицинских инструментов используют процесс никелирования в два — три слоя с общей толщиной никеля, не превышающей 12—15 мкм. Всю шприцевую арматуру, изготавливаемую из латуни, для защиты от коррозии покрывают слоем блестящего никеля [22].

Хромовые покрытия используют для защиты от коррозии таких медицинских инструментов, как ножи, скальпели, долота медицинские, зуботехнический инструмент — плоскогубцы, кусачки и тому подобное Хромовое покрытие можно применять для увеличения твердости и износостойкости изделий.

Оси, валы, втулки и другие детали изделий медицинской техники, работающие на трение, покрывают твердым хромом на толщину 12 - 15 мкм [22].

Сплавы, содержащие хром и тугоплавкий металл (вольфрам, молибден) с металлами группы железа, представляют интерес ввиду их высокой коррозионной стойкости [1]. Наиболее привлекательными для применения в медицине в качестве материала покрытий медицинского инструмента являются сплавы Co-Cr-Mo и Co-Cr-W.

Длительные коррозионные испытания, проведенные в РХТУ [17], показали, что покрытие сплавом Co-Cr-W проявляет себя как стойкое в имитированных физиологических средах организма и может при дальнейшей разработке и совершенствовании процесса осаждения быть применено для осаждения защитных покрытий на медицинский инструмент [23,24].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Нужно отметить, что среди всего многообразия способов электрохимического модифицирования поверхности медицинских изделий, большую часть занимают именно покрытия, полученные гальваническим способом. Приведенные в данной работе сведения о гальванических покрытиях медицинского профиля не являются исчерпывающими. Они могут быть дополнены информацией о новых видах покрытий и технологий их получения, расширены за счет введения других классификационных признаков.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

  1. Биосовместимые Материалы//Под ред. В.И. Севастьянова, М.П. Кирпичникова. М.: МИА, 2011, 544 С;
  2. Кудряшов Б.А. Биологические проблемы регуляции жидкого состояния крови и ее свертывания //М., Медицина, 1975;
  3. Goldin M.M. Volkov A.G., Goldfarb Y.S., Goldin Mikhail M. //J. Electrochem. Soc., 2006 Vol.153 N 8. PP. 191-199;
  4. А. А. Степанов, Т. Г. Царькова, Ю.А. Курилкин Биосовместимость углеродных материалов, электрохимически модифицированных полипирролом // Теоретическая и Экспериментальная химия 2009. - Т. 23. - № 3(96). - С. 77-81;
  5. М.Ш. Хубутия, М. М. Гольдин, Г. Р. Гараева, А. А. Степанов, А. Д. Давыдов, Н. Е. Сорокина// ЭЛЕКТРОХИМИЯ, 2013, том 49, № 2, с. 115–120;
  6. Feng B., Su Y., Song J., Kong K. //J. Mater. Sci. Lett. 2001. V. 20. P. 293;
  7. Sadki S., Schottland P., Brodie N., Sabouraud G. //Chem. Soc Rev. 2000. V. 29. P. 283;
  8. Fall M., Diagne A.A., Guene M., Della Volpe C., Bonora P.L., Deflorian F., Rossi S. // Bull. Chem. Soc.Ethiop. 2006. V. 20. P. 279;
  9. Baba A., Tian S., Stefani F., Xia C., Wang Z., Advincula R.C., Johannsmann D., Knoll W. // J.Electroanal. Chem. 2004. V. 562. P. 95;
  10. Tanase I.G., Nidelea M., Buleandra M. //Analele Universitatii din Bucuresti – Chimie, Anul XII (serienoua). V. I–II. 2003. V. 1–2. P. 77;
  11. Гольдин М.М., Евсеев А.К., Михайлов И.П., Алхутов А.С. Электрохимия против кровотечения // Вестник медицинской индустрии. – 2015. – № 4(6). – С. 88-95;
  12. Евсеев. А.К., Михайлов И.П., Попова Т.С., Смирнов К.Н., Кругликов С.С., Гольдин М.М. Применение электроосажденного родия в качестве нерастворимого анода для эндоваскулярной эмболизации // Гальванотехника и обработка поверхности. 2014.Т. XXII, №1. С. 45-50;
  13. Sriniveopa S., Duic L., Ramasamy N., Sawyer P.N., Stoner G.E. Electrochemical Reactions of Blood Coagulation Factors – Their Role in Thrombosis // Berichte der Bunsengesellschaft fur physikalische Chemie, 1973, Vol. 77, Issue 10-11, p. 798-804;
  14. Duic L., Srinivasan S., Sawyer P.N. Electrochemical Behavior of Blood Coagulation Factors: Prothrombin and Thrombin // J.Electroanal. Chem. Soc., 1973, Vol. 120, Issue 3, p. 348-353;
  15. Ramasamy N., Ranganathan M., Duic L., Srinivasan S., Sawyer P.N. Factors Fibrinogen // J.Electroanal. Chem. Soc., 1973, Vol. 120, Issue 3, p. 354-361;
  16. Sawyer P.N., Srinivasan S. The Role of electrochemical surface properties in thrombosis at vascular interfaces: cumulative experience of studies in animal and man // Bull. N.Y. Acad. Med., 1972, Vol. 48, № 2, p. 235-265;
  17. Иванов М.Б. Структурно-фазовые превращения и формирование свойств наноструктурированного титана и пористых биоактивных покрытий: дисс. д-ра тех. наук 01.04.07/ Иванова М.Б.;  БелГу, 2014, с.5-19;
  18. Семенова И.В., Флорианович Г.М., Хорошилов А.В. Коррозия и защита от коррозии: учеб. пособие для ВУЗов / под ред. И.М. Семеновой. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2002. – 336 с.;
  19. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия: учебник для ВУЗов – М.: Химия, 2006. – 624 с.;
  20. Калита В.И. Физика и химия формирования биоинертных и биоактивных поверхностей на имплантатах // Физика и химия обработки материалов. 2000., №5, С.28-45;
  21. Kolobov Yu.R., Karlov A.V., Bushnev I.S., Sagymbaev E.E., Untersushung von Structur und Phasenzustand und Mechanishen Eigenschatten der bioinerten und bioactiven schichten auf titanfegierungen fur Traumatologie und Ortopedie // Biomedizinische Technik. 1996, B. 41 erg.1, s. 417;
  22. Сабитов В. X.. Медицинские инструменты,— М.: Медицина, 1985, 175 с.. 1985; 23. Зияева, М.Н. Медицинское товароведение / М.Н.Зияева, Г.У. Тиллаева – Республика Узбекистан, 2013.
  23. Кузнецов, В.В. Исследование коррозионного поведения покрытия сплавом Co-Cr-W в имитированных физиологических средах/В.В. Кузнецов, А.В. Тележкина, М.М. Аминов [и другие] // Успехи в химии и химической технологии. Т. XXXI. – 2017. – № 4.