Закономерности формирования структуры и свойств микродуговых покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов на сплавах титана и ниобия тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.07, кандидат наук Комарова, Екатерина Геннадьевна

• Комарова, Екатерина Геннадьевна
• кандидат наук
• 2017

Оглавление диссертации кандидат наук Комарова, Екатерина Геннадьевна

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

1. БИОМАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.1 Современные биоматериалы для медицины, их классификация и свойства

1.2 Биоинертные сплавы на основе титана и ниобия для медицины

1.3 Ортофосфаты кальция, структура, свойства и методы получения

1.4 Биопокрытия на основе фосфатов кальция и методы их нанесения

1.5 Основы формирования кальцийфосфатных покрытий методом микродугового оксидирования

1.6 Развитие представлений о влиянии типа подложки, состава электролита и электрофизических параметров МДО на структуру и свойства кальцийфосфатных покрытий

1.7 Основные направления создания биоматериалов с антибактериальной активностью

1.8 Постановка задачи исследования

2. МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1 Характеристика материалов и объектов исследования

2.2 Реализация метода микродугового оксидирования для формирования биопокрытий

2.3 Методы экспериментального исследования

2.3.1 Растровая электронная микроскопия и энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

2.3.2 Просвечивающая электронная микроскопия

2.3.3 Инфракрасная спектроскопия

2.3.4 Рентгенофазовый анализ

2.3.5 Методы определения адгезионной прочности, шероховатости и свободной поверхностной энергии покрытий

3. ВЛИЯНИЕ ИЗОМОРФНЫХ ЗАМЕЩЕНИЙ НА СТРУКТУРУ И СВОЙСТВА ГИДРОКСИАПАТИТА

3.1 Цинк- и медь-замещенный гидроксиапатит

3.2 Лантан-кремний-замещенный гидроксиапатит

4. СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ЗАМЕЩЕННЫХ ГИДРОКСИАПАТИТОВ

4.1 Физико-химические закономерности формирования покрытий методом микродугового оксидирования на титане и сплаве Ti-40Nb

4.2 Морфология поверхности кальцийфосфатных покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов

4.3 Исследование структуры кальцийфосфатных покрытий методом растровой электронной микроскопии

4.4 Взаимосвязь физических и адгезионных свойств покрытий

4.5 Структурно-фазовый и элементный составы покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов

4.6 Исследование микроструктуры кальцийфосфатных покрытий методом просвечивающей электронной микроскопии

4.7 Смачиваемость и свободная поверхностная энергия покрытий

4.8 Оценка эффективных коэффициентов взаимной диффузии кальцийфосфатных покрытий и биологической жидкости

ВЫВОДЫ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Закономерности формирования структуры и свойств микродуговых покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов на сплавах титана и ниобия»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Разработка новых биокомпозиционных материалов для медицины и исследование их структурных, морфологических и физико-химических свойств является одной из приоритетных задач медицинского материаловедения, включающей основные аспекты физики конденсированного состояния. В настоящее время в качестве материала основы для имплантатов используют металлы и сплавы, не содержащие токсичные легирующие элементы А1 и V, с высоким уровнем прочностных и антикоррозионных свойств - титан, титановые сплавы, сталь определенных марок, кобальто-хромовые сплавы и др. [1-4]. Новым направлением в медицинском материаловедении стала разработка биосовместимых низкомодульных Р-сплавов, в частности, системы Т1-МЬ. Данные сплавы характеризуются схожим с живой костью гистерезисным деформационным поведением, благодаря чему улучшается их биомеханическая совместимость [1, 2]. Легирование титана ниобием в количестве 40-55 мас.% позволяет уменьшить модуль упругости сплава до 55-60 ГПа [5-10], в то время как для титана и титановых сплавов модуль упругости составляет 100-120 ГПа, что значительно выше модуля упругости костной ткани 15-30 ГПа.

Современные тенденции в области нанесения биопокрытий на поверхность металлических имплантатов заключаются в поиске оптимального набора параметров покрытий, обеспечивающего наибольшую механическую и биологическую совместимость с костной тканью. Перспективным и наиболее технологичным является метод микродугового оксидирования (МДО), который позволяет формировать на поверхности вентильных металлов (Л, 7г, МЬ, М^ и др.) биоактивные кальцийфосфатные (КФ) покрытия с широким спектром физико-химических свойств, различной степенью кристалличности, толщины, шероховатости и пористости [11-16]. Варьируя электрофизические параметры оксидирования, изменяя состав электролита и материал обрабатываемого изделия, можно управлять свойствами, структурой и составом формируемых покрытий.

Лидирующее место среди материалов для получения покрытий на поверхности имплантатов занимают изоморфные разновидности гидроксиапатита (ГА) [17-20]. В настоящем диссертационном исследовании реализован новый подход, заключающийся в синтезе порошков цинк-, медь-и лантан-кремний-замещенного ГА и использовании их в качестве основной компоненты электролита для формирования покрытий с уникальным комплексом физико-химических и биологических свойств. Изучение закономерностей роста покрытий в зависимости от типа ГА, введенного в электролит, и режимов процесса МДО на подложках из чистого титана и низкомодульного сплава Т1-40мас.%КЪ представляет собой актуальную научно-исследовательскую задачу.

Степень разработанности темы исследования. За последние десятилетия исследования в области нанесения покрытий методом МДО получили широкое распространение. Пионерами данного направления являются научные коллективы из Института неорганической химии СО РАН, г. Новосибирск [21-24], Института химии ДВО РАН, г. Владивосток [25-29], Московского авиационного института (национального исследовательского университета) и Национального исследовательского технологического университета «МИСиС», Москва [30, 31], Института физики прочности и материаловедения СО РАН и Национального исследовательского Томского политехнического университета, г. Томск [11, 32-40]. Исследования по данной тематике активно ведутся коллегами из Украины, Великобритании, США, Китая, Кореи и Израиля [12-16, 41]. Метод МДО, известный также как плазменно-электролитическое оксидирование, был разработан для нанесения защитных и упрочняющих покрытий на сплавах А1, Т и др., а в последнее время активно используется для формирования биоактивных КФ покрытий на поверхности имплантатов из биоинертных сплавов Т^ 7г, ЫЪ и М^. Несмотря на большое количество опубликованных работ, малоизученными остаются вопросы о механизмах формирования биопокрытий в электролитах с добавлением нанодисперсной фазы ГА, а закономерности роста покрытий,

модифицированных определенными химическими элементами, в электролитах на основе замещенных ГА являются до сих пор не изученными. Кроме того, отсутствие достаточного количества работ не дает общего представления о закономерностях роста КФ покрытий на поверхности низкомодульных Р-титановых сплавов, в частности, Ть40мас.%МЬ.

Таким образом, целью настоящей работы являлось исследование закономерностей формирования структуры, фазового и элементного составов и их взаимосвязи с физико-химическими, адгезионными и биологическими свойствами покрытий на основе замещенных ГА, осажденных методом МДО на поверхности чистого титана и низкомодульного сплава Ть40мас.%МЬ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи:

1. Синтезировать механохимическим методом ГА заданных составов: (1) стехиометрический, (2) с катионным замещением цинком или медью, (3) с катион-анионным замещением лантаном и силикатной группой и исследовать их структуру.

2. Получить методом МДО покрытия, модифицированные элементами Zn, Cu или La и Si, на подложках из титана и сплава Ть40мас.%МЬ и исследовать их структуру, фазовый и элементный составы.

3. Установить закономерности формирования структурных, морфологических, физических и адгезионных свойств покрытий в процессе МДО в зависимости от типа подложки, состава замещенного ГА, введенного в электролит, и величины приложенного импульсного напряжения.

4. Исследовать смачиваемость и определить свободную поверхностную энергию покрытий.

5. Выполнить оценку эффективных коэффициентов диффузии модельной биологической жидкости в пористых Zn- и Cu-содержащих КФ покрытиях.

6. Выполнить биологические испытания in vitro на цитотоксичность, биоактивность и антибактериальную активность исследуемых покрытий.

Научная новизна. В работе впервые:

1. Получены КФ покрытия, модифицированные элементами 7п, Си или Ьа и Б1, на подложках из титана и сплава Т1-40ЫЪ с аморфно-кристаллической структурой, содержащие нанокристаллические фазы р-Са2?20у, СаНР04, ТЮ2 (анатаз) и №^5.

2. Установлены физико-химические закономерности формирования методом МДО покрытий на основе замещенных ГА на поверхности биоинертных титановых сплавов (Т и Т1-40ЫЪ). Выявлено, что рост покрытий в электролитах на основе замещенных ГА происходит интенсивнее на сплаве Т1-40ЫЪ, чем на Т1, что определяется различием электрофизических характеристик подложек и оксидных пленок на их поверхности, а также участием ионов металлов 7п2+, Си2+ или Ьа3+ в процессе синтеза покрытий.

3. Исследована степень гидрофильности 7п-, Си- и Ьа-Бьсодержащих покрытий и определена величина свободной поверхностной энергии, равная 73±2 мДж/м2 для покрытий на титане и 78±3 мДж/м2 для покрытий на сплаве Т1-40ЫЪ. Установлено, что основной вклад в поверхностную энергию вносят полярные химические связи, присутствующие в соединениях с Р043-- и 0Н--группами.

4. Выполнена оценка эффективных коэффициентов взаимной диффузии пористых 7п- и Си-содержащих КФ покрытий и модельной биологической среды. Установлено, что различие в диффузионном поведении покрытий на подложках из Т и сплава Т1-40ЫЪ связано с различием их структурных и морфологических свойств. На основании проведенных оценок возможно моделирование массообменных процессов покрытий в организме человека.

Теоретическая значимость. Результаты, представленные в диссертационной работе, имеют фундаментальный характер и вносят вклад в развитие существующих представлений о закономерностях роста аморфно-кристаллических покрытий при осаждении методом МДО в электролитах на основе замещенных ГА. Совокупность экспериментальных данных позволяет расширить представления:

- о закономерностях формирования структуры, фазового и элементного составов покрытий в процессе МДО в электролитах-суспензиях, содержащих нанодисперсную фазу ГА и ионы 7п2+, Си2+ или Ьа3+ и БЮ44-;

- о влиянии величины приложенного напряжения на структурно -морфологиче-ские, адгезионные и диффузионные свойства КФ покрытий.

Практическая значимость. Полученные методом механохимического синтеза нанокристаллические однофазные порошки ГА с катионным замещением ионами цинка или меди и с катион-анионным замещением ионами лантана и БЮ44--группой могут быть применены в качестве готового продукта для медицинских приложений или в качестве материала для формирования биопокрытий.

Выявленные корреляционные зависимости между импульсным напряжением процесса МДО и структурно-морфологическими, адгезионными, диффузионными свойствами покрытий позволяют формировать КФ покрытия с заданным комплексом свойств на поверхности титана и сплава Ть40МЬ. Выполненная биологическая аттестация позволяет рекомендовать КФ покрытия, модифицированные цинком, медью, лантаном или кремнием, для нанесения на имплантаты из сплавов титана и ниобия для остеосинтеза.

Методология и методы исследования. В диссертационной работе применен комплекс методов исследования: растровая электронная микроскопия, просвечивающая электронная микроскопия, рентгенофазовый анализ, инфракрасная спектроскопия, энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия, механические испытания на растяжение, контактная профилометрия, измерение краевых углов смачивания и теоретическая оценка эффективных коэффициентов диффузии.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Линейные закономерности структурных, морфологических, физических и адгезионных свойств КФ покрытий при осаждении методом МДО на поверхность титана и сплава Ть40МЬ определяются величиной

приложенного напряжения, электрофизическими характеристиками подложек и составом введенного в электролит ГА с изоморфными замещениями ионами 7п2+, Си2+ или Ьа3+ и БЮ44-.

2. Формирование нанокристаллических фаз Р-Са2Р207, СаНР04, ТЮ2 (анатаз), ЫЪ205 и увеличение доли кристаллической фазы СаНР04 до 57 об.% в аморфно-кристаллических покрытиях при осаждении методом МДО достигается повышением импульсного напряжения процесса и введением в электролит ГА с изоморфными замещениями ионами 7п2+, Си2+ и Ьа3+.

3. Экспериментальные доказательства высокой гидрофильности микродуговых покрытий за счет: (а) определяющего вклада сильных

3- -

полярных химических связей, присутствующих в соединениях с Р043-- и 0Н--группами, в свободную поверхностную энергию; (б) наличия шероховатого рельефа и пористой морфологии поверхности.

4. Экспериментально установленный интервал импульсных напряжений процесса 200-250 В позволяет формировать пористые аморфно-нанокристаллические 7п-, Си- и Ьа-Бьсодержащие КФ покрытия на Т и сплаве Т1-40ЫЪ с комплексом свойств: соотношением Са/Рат = 0,5, толщиной 35-55 мкм, шероховатостью 2-5 мкм, пористостью 15-22 % и адгезионной прочностью до 20 ± 4 МПа. Покрытия с указанными характеристиками, обладающие высокими биоактивными и антибактериальными свойствами, удовлетворяют медицинским требованиям их эксплуатации в качестве покрытий на имплантатах для остеосинтеза.

Достоверность полученных в работе результатов исследований и обоснованность выносимых на защиту положений и выводов обеспечиваются использованием современных методов экспериментальных исследований и теоретических представлений физики конденсированного состояния, большим массивом экспериментальных данных и их статистической обработкой, сравнительной оценкой полученных результатов с данными других авторов.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: XI, XII и XIII Международных конференциях студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Россия, г. Томск, 2014, 2015, 2016), III и IV Международной научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Высокие технологии в современной науке и технике» (Россия, г. Томск, 2014, 2015), Всероссийской молодежной научной конференции «Новые материалы и технологии: состояние вопроса и перспективы развития» (Россия, г. Саратов, 2014), Международной конференции «Физическая мезомеханика многоуровневых систем-2014. Моделирование, эксперимент, приложения» (Россия, г. Томск, 2014), International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2014, EFRE-2016) (Russia, Tomsk, 2014, 2016), VIII Московском Международном Конгрессе «Биотехнология: состояние и перспективы развития» (Россия, Москва, 2015), 12-й Международной конференции «Пленки и покрытия-2015» (Россия, Санкт-Петербург, 2015), Международной конференции «Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций» (Россия, г. Томск, 2015, 2016), I и II Конгрессах «Здравоохранение России. Технологии опережающего развития» КОНГРЕСС ЗДРАВ (Россия, г. Томск, 2015, 2016), 12th International Conference "Gas Discharge Plasmas and Their Applications" GDP 2015 (Russia, Tomsk, 2015), 5-th International Scientific Conference "New Operational Technologies" (Russia, Tomsk, 2015), International Seminar on Biomaterials and Regenerative Medicine (Romania, Oradea, 2015), Международная научно-практическая конференция «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине» (Россия, г. Томск, 2016), International Conference "Physics of cancer: interdisciplinary problems and clinical applications" (Russia, Tomsk, 2016), 5 th International Conference on Electrochemical and Plasma Electrolytic Modification

of Metal Surfaces PET 2016 (Russia, Kostroma, 2016), 1st Biennial Conference "Biomaterials for Healthcare" (Italy, Rome, 2016).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 17 работах, из них 1 монография (соавтор двух глав), 6 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий, 10 статей в журналах, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.

Личный вклад автора состоял в совместном с научным руководителем обсуждении и постановке цели и задач исследований, подготовке образцов и нанесении покрытий методом МДО, проведении экспериментов, обработке полученных результатов и сопоставлении их с литературными данными, формулировании выводов и положений, выносимых на защиту, написании статей по теме диссертации.

Работа выполнена в рамках госбюджетных проектов РАН и СО РАН № 5ФНМ-45 (2012-2014 гг.), № III.23.2.5 (2013-2020); проекта ФЦП, соглашение №8036 (2012-2013 гг.); проектов РФФИ № 12-03-00903-а (20122014 гг.), № 15-03-07659-а (2015-2017 гг.), № 16-33-50008 мол_нр.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа состоит из введения, списка сокращений, четырех разделов, выводов, списка литературы из 256 наименований и приложений. Всего 190 страниц, в том числе 55 рисунков и 12 таблиц.

Благодарности

Выражаю глубокую признательность научному руководителю д.ф.-м.н., проф. Шаркееву Ю.П. - заведующему лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов (ЛФНБ) ИФПМ СО РАН и научным консультантам д.т.н. Седельниковой М.Б. и д.т.н. Легостаевой Е.В. за инициирование и организацию исследований, обсуждение результатов, постоянное внимание, поддержку и помощь в исследовательской работе. Выражаю благодарность д.х.н. Чайкиной М.В., к.ф.-м.н. Булиной Н.В и сотрудникам лаборатории интеркалляционных и механохимических реакций ИХТТМ СО РАН за помощь в экспериментах по получению замещенных ГА и научные

консультации; д.м.н., проф. СибГМУ Хлусову И.А. за помощь в выполнении биологических испытаний и обсуждение результатов; сотрудникам ЛФНБ ИФПМ СО РАН к.т.н. Ерошенко А.Ю., Толкачевой Т.В., Толмачеву А.И., Уваркину П.В., Белявской О.А., Глухову И.А. за подготовку образцов, участие в выполнении экспериментов и обсуждение результатов; д.ф.-м.н. Князевой А.Г. и к.ф.-м.н. Назаренко Н.Н. за полезные обсуждения и совместные исследования по теоретической оценке эффективных коэффициентов диффузии покрытий; проф. Эппле М. и доктору Примаку О. за проведение ряда совместных экспериментов в Университете Дуйсбург-Эссен (Германия) и обсуждение результатов; проф. Zhu Q. и сотрудникам Центрального исследовательского института цветных металлов (Пекин, Китай) за предоставление низкомодульного сплава Ti-40Nb и выполнение ряда совместных экспериментов; д.ф.-м.н., проф. МейснерЛ.Л., д.т.н. Буяковой С.П., к.т.н. Фортуне С.В за проявленное внимание и интерес к работе, критические замечания и обсуждение результатов исследований.

Работа была выполнена с использованием экспериментального оборудования Центра коллективного пользования «Нанотех» ИФПМ СО РАН.

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АКФ - аморфный кальцийфосфат ГА - гидроксиапатит ДКФД - дикальцийфосфат дигидрат ИКС - инфракрасная спектроскопия КФ - кальцийфосфат

МД картина - микродифракционная картина МДО - микродуговое оксидирование МКФМ - монокальцийфосфат моногидрат МНК - метод наименьших квадратов МХС - механохимический синтез ОА - оксиапатит

ОГА - осажденный гидроксиапатит ОКР - область когерентного рассеяния ОКФ - октакальцийфосфат

ПЭМ - просвечивающая электронная микроскопия

РФА - рентгенофазовый анализ

РЭМ - растровая электронная микроскопия

ТКФ - трикальцийфосфат

ТеКФ - тетракальцийфосфат

ФА - фторапатит

ЭДС - энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия

Си-ГА -медь-замещенный гидроксиапатит

Си-КФ - медь-содержащий кальцийфосфат

Ьа-БьГА - лантан-кремний-замещенный гидроксиапатит

Ьа-БьКФ - лантан-кремний-содержащий кальцийфосфат

Т - технически чистый титан ВТ1-0

Ть40№> - сплав Ti-40мас.%NЪ

7п-ГА - цинк-замещенный гидроксиапатит

7п-КФ - цинк-содержащий кальцийфосфат

1. БИОМАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ

1.1 Современные биоматериалы для медицины, их классификация и

свойства

Биоматериал - это нежизнеспособный материал медицинского назначения, предназначенный для выполнения своих функций при взаимодействии с биологическими системами. Такое определение было сформулировано согласно рекомендациям оргкомитетов международных конгрессов по биоматериалам, а также международной организации по стандартизации КО(ВО/ТК 9966), ГОСТ Р 51148-98 [42, 43]. При этом биоматериал должен быть биосовместимым и может быть биодеградируемым. Условия функционирования биоматериалов характеризуются влиянием сложного комплекса факторов биосреды, включающих физические, химические и механические воздействия [44-47]. Это предъявляет высокие требования к биологической и механической совместимости имплантационных материалов.

Биосовместимость - это способность материала выполнять действия терапевтического или диагностического характера в условиях приемлемого отклика организма-хозяина, а биосовместимым является материал, который обладает способностью вырабатывать соответствующий отклик организма при специфическом его использовании. В данном определении, сформулированном Виллиамсом Д.Ф. [43], под биосовместимостью подразумевается не полное отсутствие токсичных или иных отрицательных свойств, а требование того, чтобы материал при имплантации вел себя определенным образом, позволяющим выполнить поставленную задачу. Такое определение было сформулировано обществом.

Согласно существующим представлениям о характере взаимодействия чужеродного материала с биологическими структурами организма были сформулированы [46, 47] основные свойства, которыми должны обладать биосовместимые изделия. Биоматериал должен сохранять функциональные

свойства в течение предусмотренного срока эксплуатации и не должен: вызывать местные воспалительные реакции, оказывать токсического и аллергического действия на живой организм и обладать канцерогенным действием.

Процесс разложения нежизнеспособных материалов при контакте с живыми тканями, клетками и биологическими жидкостями получил название биодеградация [42, 43]. Важнейшее влияние на биодеградацию оказывает доступ окружающей биологической среды к молекулам материала биодеградируемого изделия в результате сорбции и диффузии, т.е. гидрофилъностъ материла. Протекание этих процессов начинается с поверхности биоматериала и реализуется после проникновения в поверхностные слои окружающей его жидкой среды, представляющей собой растворы различных неорганических и органических веществ, с участием которых и происходит последующая биодеградация. Именно взаимодействие с окружающей средой является первой стадией комплекса химических, физико-химических и биологических воздействий, которому подвергается объект, вступающий в процесс биодеградации. Биодеградируемые материалы и устройства могут частично или полностью растворяться, поглощаться макрофагами, включаться в метаболические и биохимические процессы и/или заменяться живой тканью. Противоположным биодеградации свойством является биоустойчивость, которая характеризует способность материала противостоять в расчетном интервале времени комплексному воздействию окружающей среды и тканей, сохраняя при этом свои исходные физико-химические, механические и биологические, а также функциональные свойства [42, 43].

Осборн и Невесели [48] предложили классификацию биоматериалов по типу реакций живого организма на имплантационный материал: биотолерантные, биоинертные и биоактивные. Для биотолерантных материалов характерно возникновение в кости дистанционного остеогенеза. При этом они отделяются от костной ткани прорастающим массивным

фиброзным слоем. В качестве примера таких материалов могут выступать металлические сплавы (нержавеющие стали, сплавы из хрома, кобальта, молибдена и никеля), полимеры (метакрилаты и полиметакрилаты) и витамины [48, 49].

Биоинертные материалы практически не взаимодействуют с окружающими тканями, не вызывают образования выраженного фиброзного слоя и стимуляцию остеогенеза. При этом кость может формироваться в непосредственной близости от поверхности имплантата. Примером таких материалов могут быть металлы и металлокерамика на основе оксидов титана, ванадия, циркония или алюминия. Биоинертные материалы, как правило, имеют на своей поверхности защитный слой, который препятствует выходу из имплантата ионов и проникновению в него агрессивных молекул из окружающей биологической жидкости [50-52]. Интеграция таких биоматериалов с костью минимальна и может осуществляться за счет проникновения соединительной ткани в микропоры изделий, размеры которых определяют, в конечном счете, величину механической фиксации. С теоретических позиций, биоинертные материалы не должны претерпевать изменений в своем составе и физико-химических свойствах за все время нахождения в организме или биоактивных средах. В реальной практике этот процесс протекает несколько иначе: часть металла в виде ионов и микрочастиц за счет разрушения защитной пленки при нагрузках и деформации поступает в организм, что может приводить к развитию воспалительных реакций [53]. Как и при рассмотрении биосовместимости, следует отметить, что никакой материал, имплантируемый в живую ткань, не является абсолютно инертным, всегда наблюдается отклик, который зависит от многих факторов.

Биоактивные материалы предназначены для связывания их с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани органа при выполнении тех или иных функций организма [42, 43]. Под биологической активностью

понимается любое воздействие или влияние, которое оказывают материалы на клетки, управляя или активизируя их к определенной реакции и поведению. Минерализация и соединение между костной тканью и имплантатом являются одними из самых известных в настоящее время процессов, увеличивающих биоактивность при восстановлении и укреплении костной ткани. Биоактивные материалы, предназначенные для укрепления, восстановления и регенерации костной ткани, приводят к осаждению слоя ГА на поверхности материала. В настоящее время среди биоактивных материалов выделяют пять основных категорий: кальцийфосфатная керамика, стекло и стеклокерамика, полимеры, гели и композиты.

Л.Л. Хенч и Дж.М. Полак [54, 55] классифицировали биоматериалы с точки зрения эволюции их развития и клинического применения: первое поколение - биоинертные материалы; второе поколение - биоактивные и биодеградируемые материалы, и третье поколение - материалы, стимулирующие определенные реакции клеток на молекулярном уровне. По мнению авторов, эти три поколения истолкованы не в хронологическом аспекте, а в концептуальном, так как каждое поколение представляет собой эволюцию в отношении требований и свойств используемых материалов. Первое поколение биоматериалов, используемых в в период 1940-1980 гг., состояло из легкодоступных материалов промышленного назначения - металлов и металлокерамики, которые должны были быть максимально инертными с целью снижения их коррозии в агрессивной среде организма и возможности высвобождения ионов с поверхности материалов. Единственным требованием к первым имплантационным материалам было сочетание физических свойств материала, соответствующих свойствам костной ткани, с минимальным токсическим откликом со стороны организма [56].

Первые металлические материалы, успешно используемые в течение ХХ века в ортопедии были из нержавеющей стали и на основе кобальто-хромовых сплавов. Основополагающим событием в эндопротезировании

была разработка тазобедренного сустава из нержавеющей стали ученым Дж. Чернли в конце 1950-х гг. [57]. Материалы из нержавеющей стали устойчивы к широкому диапазону коррозионных агентов благодаря высокому содержанию хрома (> 12 мас.%), что позволяет формировать прочно сцепленное, самозалечивающееся и антикоррозионнное оксидное покрытие Сг203. Широко используемой для изготовления имплантатов является аустенитная нержавеющая сталь (Л1Ш 316L). Однако низкая износостойкость аустенитной нержавеющей стали при высоком трении в паре металл-металл приводила к расшатыванию конструкционных элементов в эндопротезах и появлению большого количества частиц продуктов износа. Эта проблема и стала одной из основных причин использования кобальто-хромовых сплавов при эндопротезировании, таких как Со-Сг-Мо (ЛБТМ Б75). Сплавы на основе Со-Сг обладают превосходной коррозионной устойчивостью в сочетании с хорошей износостойкостью. Их механические свойства также являются лучшими благодаря высокой усталостной прочности. Однако эти материалы имеют высокий модуль упругости (220-230 ГПа), соответствующий модулю упругости нержавеющей стали (~ 200 ГПа), что на порядок выше модуля упругости кортикальной кости (20-30 ГПа). В этом случае металлические имплантаты в контакте с костной тканью будут принимать основную нагрузку из-за их высокого модуля упругости, что может привести к экранированию напряжений в прилегающей костной ткани. Отсутствие механических нагрузок на костную ткань может вызвать ее рассасывание, что приведет к отторжению и расшатыванию имплантата [58].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Комарова, Екатерина Геннадьевна, 2017 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Development of new metallic alloys for biomedical application // Acta Biomat. - 2012. - V.8. - No. 11. - P. 3888-3903.

2. Gepreel M.A.H., Niinomi M. Biocompatibility of Ti-alloys for long-term implantation // J. Mech. Beh. Biomed. Mat. - 2013. - V. 20. - P. 407-415.

3. Hanawa T. Metal ion release from metal implants // Mat. Sci. Eng. С. - 2004. - V. 24. - No. 6-8. - P. 745-752.

4. Brunette D.M., Tengvall P., Textor M., Thomsen P. Titanium in medicine. Berlin: Springer, 2001.

5. Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants - A review // Prog. Mat. Sci. - 2009. - V. 54. - P. 397-425.

6. Niinomi M. Recent metallic materials for biomedical applications // Metallurg. Mat. Trans. A. -2002. - V. 33. - P. 477-486.

7. Hanada S., Matsumoto H., Watanabe S. Mechanical compatibility of titanium implants in hard tissues // Int. Cong. Ser. - 2005. - V. 1284. - P. 239-247.

8. Hon Y.H., Wang J.Y., Pan Y.N. Composition/phase structure and properties of titanium-niobium alloys // Mat. Trans. - 2003. - V. 44. - No. 11.-P.2384-2390.

9. Patent U.S. No. 5954724. Biocompatible low modulus titanium alloy for medical implants. Davidson J.A., Kovacs P. 08.31.1992.

10. Lee C.M., Ju C.P., Chern Lin J.H. Structure-property relationship of cast Ti-№> alloys // J. Oral Rehabilit. - 2002. - V. 29. - P. 314-322.

11. Шаркеев Ю.П., Псахье С.Г., Легостаева Е.В., Князева А.Г., Смолин А.Ю., Ерошенко А.Ю., Коноваленко И.С., Назаренко Н.Н., Белявская О.А., Куляшова К.С., Комарова Е.Г., Толкачева Т.В. и др. Биокомпозиты на основе кальцийфосфатных покрытий, наноструктурных и ультрамелкозернистых биоинертных металлов, их биосовместимость и биодеградация. Томск: Издательский Дом Томского государственного университета, 2014. - 596 с.

12. Wang Y., Yu H., Chen C., Zhao Z. Review of the biocompatibility of micro-arc oxidation coated titanium alloys // Mat. Design. - 2015. - V. 85. - P. 640-652.

13. Gupta P., Tenhundfeld G., Daigle E.O., Ryabkov D. Electrolytic plasma technology: Science and engineering - An overview // Surf. Coat. Tech. - 2007. -V. 201. - No. 21. - P. 8746-8760.

14. Walsh F.C., Low C.T.J., Wood R.J.K., Stevens K.T., Archer J., Poeton A.R., Ryder A. Plasma electrolytic oxidation (PEO) for production of anodised coatings on lightweight metal (Al, Mg, Ti) alloys. Review // Trans. Inst. Met. Finish. -2009. - V. 87. - No. 3. - P. 122-135.

15. Rafieerad A.R., Ashra M.R., Mahmoodiana R., Bushroa A.R. Surface characterization and corrosion behavior of calcium phosphate-base composite layer on titanium and its alloys via plasma electrolytic oxidation: A review paper // Mat. Sci. Eng. C. - 2015. - V. 57. - P. 397-413.

16. Тихоненко В.В., Шкилько А.М. Метод микродугового оксидирования // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. - 2012. - Т. 2. - № 13(56). - С. 13-18.

17. Guo D.G., Wang A.H., Han Y., Xu K.W. Characterization, physicochemical properties and biocompatibilityof La-incorporated apatites // Acta Biomat. - 2009. - V. 5. - P. 3512-3523.

18. Supova M. Substituted hydroxiapatites for biomedical applications: A review // Ceram. Int. - 2015. - V. 41. - P. 9203-9231.

19. Thian E.S., Konishi T., Kawanobe Y., Lim P.N., Choong C. Ho B., Aizawa M. Zinc-substituted hydroxyapatite: a biomaterial with enhanced bioactivity and antibacterial properties // J. Mat. Sci. Mat. Med. - 2013. - V. 24. - P. 437-445.

20. Kim T.N., Feng Q.L., Kim J.O., Wu J., Wang H., Chen G.C., Cui F.Z. Antimicrobial effects of metal ions (Ag+, Cu2+, Zn2+) in hydroxyapatite // J. Mat. Sci. Mat. Med. - 1998. - V. 9. - P. 129-134.

21. Марков Г.А., Белеванцев В.И., Слонова А.И., Терлеева О.П. Стадийность в анодно-катодных микроплазменных процессах // Электрохимия. - 1989. - Т. 25. - № 11. - С. 1473-1479.

22. Николаев А.В. Марков Г.А., Пещевицкий Б.И. Новое явление в электролизе // Известия СО АН СССР. Серия химических наук. - 1977. - Т. 5.

- № 12. - С. 32-33.

23. Белеванцев В.И., Tерлеева О.П., Марков r.A., Шулепко E.K., Слонова A.H, Уткин В.В. Микроплазменные электрохимические процессы. Обзор. // Защита металлов. - 1998. - T. 34. - № 5. - С. 4б9-484.

24. Terleeva O.P., Sharkeev Yu.P., Slonova A.I., Mironov I.V., Legostaeva E.V., Khlusov I.A., Matykina E., Skeldon P., Thompson G.E. Effect of microplasma modes and electrolyte composition on micro-arc oxidation coatings on titanium for medical applications // Surf. Coat. Tech. - 2010. - V. 205. - P. 1723-1729.

25. Гордиенко П.С., Гнеденков С.В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. Владивосток: Дальнаука, 1997. - 18б с.

26. Гордиенко П.С., Руднев В.С. О кинетике образования МДО-покрытий на сплавах алюминия // 3ащита металлов, 1990. - T. б. - № 3. - С. 4б7-470.

27. Гордиенко П.С., Руднев В.С. Зависимость толщины покрытия от потенциала МДО // Защита металлов. 1993. - T. 29. - № 2. - С. 304-307.

28. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., Хрисанова ОА., Легостаева Е.В., Завидная AX., Пузь A3., Хлусов ИА. Kальций-фосфатные биоактивные покрытия на титане // Вестник ДВО РAН. - 2010.-№5.-С.47-57.

29. Патент РФ № 2348744. Способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов. Гнеденков С.В., Хрисанфова ОА., Синебрюхов С.Л., Пузь A3., Нистратова М.В. Опубл. 10.03.2009.

30. Суминов И.В., Эпельфельд A3., Людин В.Б., ^ит Б.Л., Борисов AM. Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). - М.: ЭШМЕ^ 2005. - 3б8 с.

31. Суминов И.В., Белкин П.Ф., Эпельфельд A3., Людин В.Б., ^ит Б.Л., Борисов AM. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов. В 2-х томах. - М.: Tехносфера, 2011.

32. Мамаев A.K, Мамаева ВА. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. - Новосибирск: Издательство СО РAН, 2005. - 255с.

33. Патент РФ № 2206642. Способ модифицирования поверхности медицинских изделий (варианты). Мамаев А.И., Мамаева В.А., Выборнова С.Н. Опубл. 20.06.2003.

34. Мамаев А.И., Дорофеева Т.И., Мамаева В.А. Влияние времени микроплазменной обработки на вольтамперные характеристики и свойства биокерамических покрытий на титане и его сплавах // Перспективные материалы. - 2005. - № 2. - С. 44-51.

35. Мамаева В.А., Мамаев А.И., Выборнова С.Н., Бориков В.Н., Дорофеева Т.И. Исследование процесса формирования биоактивных покрытий на титане и его сплавах в импульсном микроплазменном режиме // Перспективные материалы. - 2005. - № 1. - С. 52-58.

36. Патент РФ № 2159094. Способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов. Карлов А.В., Шахов В.П., Игнатов В.П., Верещагин В.И. Опубл. 20.11.2000.

37. Патент РФ № 2385740. Биоактивное покрытие на имплантате из титана и способ его получения. Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Толкачёва Т.В., Толмачёв А.И., Уваркин П.В. Опубл. 10.04.2010.

38. Легостаева Е.В., Комарова Е.Г., Шаркеев Ю.П., Уваркин П.В. Исследование влияния напряжения микродугового оксидирования на физико-химические свойства кальцийфосфатных покрытий на титане // Перспективные материалы. - 2011. - № 13. - С. 456-464.

39. Legostaeva E.V., Kulyashova K.S., Komarova E.G., Epple M., Sharkeev Yu.P., Khlusov I.A.. Physical, chemical and biological properties of micro-arc calcium-phosphate biocoatings on titanium and zirconium // Materialwissenschaft und Werkstofftechnik. - 2013. - V. 44. - No. 2-3. - P. 188-197.

40. Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Хлусов И.А., Куляшова К.С., Комарова Е.Г. Физико-химические и биологические свойства микродуговых кальцийфосфатных покрытий на титане и цирконии // Физика и химия обработки материалов. - 2012. - № 2. - С. 51-64.

41. Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A, Matthews A. Characterisation of oxide films produced by plasma electrolytic oxidation of Ti-6Al-4V alloy // Surf. Coat. Tech. - 2000. - V. 130. - No. 2-3. - P. 195-206.

42. Williams D.F. The Williams dictionary of biomaterials. Liverpool: Liverpool University Press, 1999.

43. Williams D.F. On the mechanism of biocompatibility // Biomaterials. - 2008. - V. 29. - P. 2941-2953.

44. Branemark P.I., Zarb G.A., Albrektsson T. Tissue-integrated prostheses: Osseointegration in clinical dentistry. Chicago: Quintessence Publishing Co, 1985.

45. Esposito M., Hirsch J.M., Lekholm U., Thomsen P. Biological factors contributing to failures of osseointegrated oral implants, (II). Etiopathogenesis. Eur. J. Oral Science. - 1998. - V. 106. - No. 3. - P. 721-764.

46. Epple M. Biomaterialien und biomineralisation. Stuttgart: Teubner Studienbücher Chemie, 2003.

47. Brown A., Lemons J.E. Medical applications of titanium and its alloys: the material and biological issues. New York: ASTM special technical publication, 1996.

48. Osborn J.F., Newesely H. Dynamic aspects of the implant/bone interface. In: Dental Implants, Heimke G. (ed). Carl Hansen Verlag, Munich, Germany, 1980, p. 111-123.

49. Bruijn J.D. Calcium phosphate biomaterials: bone-bonding and biodegradation properties. Thesis Leiden, 1993, 172 p.

50. Hench L.L., Wilson J. Introduction to bioceramics. Singapore: World Scientific, 1993.

51. Nevelos J., Ingham E., Doyle C., Streicher R., Nevelos A., Walter W., Fisher J. Microseparation of the centers of alumina-alumna artificial hip joints during simulator testing produces clinically relevant wear and patterns // J. Arthroplasty. -2000. - V. 15. - P. 793-795.

52. Villermaux F. Zirconia-alumina as the new generation of ceramic-ceramic THP: wear performance evaluation including extreme life conditions. In: Transactions of

the Sixth World Biomaterials Congress, Society for Biomaterials, 2000.

53. Metallic biomaterials interface. Breme J., Kirkpatrick C. J., Thull R. (eds). Weinheim: WILEY-VCH Verlag GmbH & Co., 2008.

54. Hench L.L. Biomaterials // Science. - 1980. - V. 208. - P. 826-831.

55. Hench L., Polak J.M. Third generation biomedical materials // Sci. - 2002. -V. 295. - P. 1014-1017.

56. Navarro M., Michiardi A., Castano O., Planell J.A. Biomaterials in orthopaedics. Review // J. Royal Soc. Interf. - 2008. - V. 5. - P. 1137-1158.

57. Charnley J. Anchorage of the femoral head prosthesis to the shaft of the femur // J. Bone Joint Surg. - 1960. - V. 42B. - P. 28-30.

58. Bauer T.W., Schils J. The pathology of total joint arthroplasty. II. Mechanisms of implant failure // Skel. Radiol. - 1999. - V. 28. - P. 483-497.

59. Branemark P.I., Breine U., Johansson B., Roylance P. J., Rockert H., Yoffey J.M. Regeneration of bone marrow // Acta Anatomica. - 1964. - V. 59. - P. 1-46.

60. Buehler W.J., Wang F.E. A summary of recent research on the nitinol alloys and their potential application in ocean engineering // Ocean Eng. - 1967. V. 1. -P. 105-120.

61. Duerig T.W., Pelton A.R. NiTi shape memory alloys. In: Materials properties handbook: titanium alloys (eds R. Boyer, G. Welsch & E. W. Collings), Materials Park, OH: ASM International, 1994, P. 1035-1048.

62. Chu Y., Dai K., Zhu M., Mi X. Medical applications of NiTi shape memory alloy in China // Mat. Sci. Forum. - 2000. - V. 327-328. - P. 55-62.

63. Shabalovskaya S.A. On the nature of biocompatibility and on medical applications of NiTi shape memory and superelastic alloys // Biol. Med. Mat. Eng. - 1996. - Vol. 6. - P. 267-289.

64. Гюнтер В.Э., Ходоренко В.Н., Ясенчук Ю.Ф., Чекалкин Т.Л., Овчаренко В.В., Клопотов А.А., Дамбаев Г.Ц. и др. Никелид титана. Медицинский материал нового поколения. - Томск: ННП МИЦ, 2006. - 296 с.

65. Boutin P. Total arthroplasty of the hip by fritted aluminum prosthesis. Experimental study and 1st clinical applications. Review // Chir. Orthop.

Reparatrice Appar. Mot. - 1972. - V. 58. - P. 229-246.

66. Ryshkewitch E. Compression strength of porous sintered alumina and zirconia. 9th Communication to Ceramography // J. Amer. Ceram. Soc. - 1953. -V. 36. - P. 65-68.

67. Alkao M., Aoki H., Kato K. Mechanical properties of sintered hydroxyapatite for prosthetic applications // J. Mat. Sci. - 1981. - V. 16. - P. 809-812.

68. Meffert R., Thomas J., Hamilton K., Brownstein C. Hydroxylapatite as an alloplastic graft in the treatment of periodontal osseous defect // J. Periodontol. -1985. - V. 56. - P. 63-73.

69. Ginebra M.P., Traykova T., Planell J.A. Calcium phosphate cements as bone drug delivery systems: A review // J. Control. Rel. - 2006. - V. 113. - P. 102-110.

70. El Gannham A. Bone reconstruction: from bioceramics to tissue engineering // Expert Rev. Med. Dev. - 2005. - V. 2. - P. 87-101.

71. Takahashi Y., Yamamoto M., Tabata Y. Osteogenic differentiation of mesenchymal stem cells in biodegradable sponges composed of gelatin and p-tricalcium phosphate // Biomat. - 2005. - V. 26. - P. 3587-3596.

72. Hench L.L. Bioceramics: from concept to clinic // J. Amer. Ceram Soc. -1991. - V. 74. - No.7. - P. 1487-1510.

73. Ohtsuki C., Kushitani H., Kokubo T., Kotani S., Yamamuro T. Apatite formation on the surface of ceravital-type glass-ceramic in the body // J. Biomed. Mat. Res. A. - 1991. - V. 25. - P. 1363-1370.

74. Fujishiro Y., Oonishi H., Hench L.L. Quantitative comparison of in vivo bone generation with particulate bioglass // Bioceramics. - 1997. - V.10. - P. 283-286.

75. Kokubo T. Bioactive glass ceramics: properties and applications // Biomat. -1991. - V. 12. - P. 155-163.

76. Li P., Ohtsuki C., Kokubo T., Nakanishi K., Soga N., Nakamura T., Yamamuro T., de Groot K. The role of hydrated silica, titania andalumina in forming biologically active bone-like apatite on implant // J. Biomed. Mat. Res. -1994. - V. 24. - P. 7-15.

77. Navarro M., Ginebra M.P., Clement J., Martinez S., Avila G., Planell J.A. Physicochemical degradation of titania-stabilized soluble phosphate glasses for medical applications // J. Amer. Ceram. Soc. - 2003. - V. 86. - P. 1345-1352.

78. Carlisle E.M. Silicon: a possible factor in bone calcification // Sci. - 1970. -V. 167. - P. 279-280.

79. Palard M., Combes J., Champion E., Foucaud S., Rattner A., Bernache-Assolant D. Effect of silicon content on the sintering and biological behavior of Ca10(PO4)6-x(SiO4)x(OH)2-x ceramics // Acta Biomat. - 2009. -V.-5.-P.1223-1232.

80. Wang M. Developing bioactive composite materials for tissue replacement // Biomat. - 2003. - V. 24. - P. 2133-2151.

81. Scholz M.S., Blanchfield L.D., Bloom J.P., Coburn B.H., Elkington M., et al. The use of composite materials in modern orthopaedic medicine and prosthetic devices: a review // Compos. Sci. Tech. - 2011. - V. 71. - P. 1791-1803.

82. Сафронова Т.В., Путляев В.И. Медицинское неорганическое материаловедение в России: кальцийфосфатные материалы // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2013. - Т. 4. - № 1. - С. 24-47.

83. Hutmacher D., Hurzeler M.B., Schliephake H. A review of material properties of biodegradable and bioresorbable polymer for GTR and GBR // J. Oral Maxill. Imp. - 2000. - V. 11. - P. 667-678.

84. Agrawal C.M., Ray R.B. Biodegradable polymeric scaffolds for musculoskeletal tissue engineering // J. Biomed. Mat. Res. - 2001. - V. 55. - P. 141-150.

85. Hardouin P., Anselme K., Flautre B., Bianchi F., Bascoulenguet G., Bouxin B. Tissue engineering and skeletal diseases // Joint Bone Spine.-2000.-67.-P.419-424.

86. Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen, F.J. Biomaterials science. An introduction to materials in medicine, 2nd edn. - Amsterdam: Elsevier, 2004.

87. Matthew J., Donachie J. Titanium. A Technical Guide, 2nd edition. - Ohio: ASM International Materials Park, 2000.

88. Miller P.D, Holladay J.W. Friction and wear properties of titanium // Wear. -1958. - V. 2. - P. 133-140.

89. Nag S., Banerjee R., Fraser H.L. Microstructural evolution and strengthening mechanisms in Ti-Nb-Zr-Ta, Ti-Mo-Zr-Fe and Ti-15Mo biocompatible alloys // Mat. Sci. Eng. C. - 2005. - V. 25. - No. 3. - P. 357-362.

90. Eisenbarth E., Velten D., Muller M., Thull R., Breme J. Biocompatibility of ^-stabilizing elements of titanium alloys // Biomat. - 2004. - V. 25. -P.5705-5713.

91. Zhuravleva K., Scudino S., Khoshkhoo M. S., Gebert A., Calin M., Schultz L., Eckert J. Mechanical alloying of ß-type Ti-Nb for biomedical applications // Adv. Eng. Mat. - 2013. - V. 15. - No. 4. - P. 262-268.

92. Moffat D.L., Kattner U. R. The stable and metastable Ti-Nb phase diagrams // Met.Trans. A. - 1988. - V. 19A. - P. 2389-2397.

93. Barinov S.M., Komlev V.S. Calcium phosphate based bioceramics for bone tissue engineering. Stafa-Zurich: Trans Tech Publications, 2008.

94. Barinov S.M. Calcium phosphate-based ceramic and composite materials for medicine // Rus. Chem. Rev. - 2010. - V. 79. - No. 1. - P. 13-29.

95. Jolly W.L. The synthesis and characterization of inorganic compounds. Illinois: Waveland Press; 1991.

96. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate in nature, biology and medicine. Review // Materials. - 2009. - V. 2. - P. 399-498.

97. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate bioceramics. Review paper // Ceram. Int. - 2015. - V. 41. - P. 13913-13966.

98. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphates (CaPO4): occurrence and properties. Review paper // Progres. Biomat. - 2016. - V. 5. - P. 9-70.

99. Van Wazer J.R. Phosphorus and its compounds. / Technology, Biological Functions, and Applications. V. 2. New York: Interscience Publishers Inc., 1962.

100. Elliott J. Structure and chemistry of the apatites and other calcium orthophosphates. Amsterdam: Elsevier, 1994.

101. Данильченко С.Н. Структура и свойства апатитов кальция с точки зрения биоминерологии и биоматериаловедения (Обзор) // Вестник СумГУ. Серия Физика, математика, механика. - 2007. - № 2. - С. 33-59.

102. Thin calcium phosphate coatings for medical implants. Eds: Leo'n B., Jansen J.J. NY: Springer, 2009. - 326 p.

103. Евдокимов П.В., Путляев В.И., Мерзлов Д.А., Шаталова Т.Б., Сафронова Т.В., Климашина Е.С., Чурагулов Б.Р. Полиморфизм Ca3(PO4)2 // Наносистемы: физика, химия, математика. - 2013. - Т. 4. - № 1. - С. 48-53.

104. McConnell D. Apatite: its crystal chemistry, mineralogy, utilization, and biological occurrences. - Vienna: Springer Vienna, 1973. - 111 p.

105. Hydroxyapatite (HAp) for biomedical applications. Eds. Mucalo M. Amsterdam: Elsevier, 2015. - 380 p.

106. Elliott J.C. Calcium phosphate biominerals. In: Kohn M.J., Rakovan J., Hughes J.M. (eds) Phosphates: geochemical, geobiological and materials importance. Series: Reviews in mineralogy and geochemistry, vol. 48. -Mineralogical Society of America, Washington, DC, 2002. - P. 427-454.

107. Bigi A., Falini G., Foresti E. Ripamoti A., Gazzano M., Roveri N. Magnesium influence on hydroxyapatite crystallization // J. Inorg. Biochem. -1993. - V. 49. - P. 69-78.

108. Feki H.E., Savariault J.M., Salah A.B., Jemal M. Sodium and carbonate distribution in substituted calcium hydroxyapatite // Solid State Scie. - 2000. - V. 2. - P. 577-586.

109. White T.J., ZhiLi D. Structural derivation and crystal chemistry of apatites // Acta Crystallogr. - 2003. - V. 59. - P. 1-16.

110. Чайкина М.В. Механохимический синтез изоморфных разновидностей апатита в качестве материалов для биокерамики // Физическая мезомеханика. - 2004. - Т. 7. - №5. - С. 101-110.

111. Boanini E., Gazzano M., Bigi A. Ionic substitutions in calcium phosphates synthesized at low temperature // Acta Biomat. - 2010. - V. 6. - P. 1882-1894.

112. Shepherd J.H., Shepherd D.V., Best S.M. Substituted hydroxyapatites for bone repair // J. Mat. Sci. Mat. Med. - 2012. - V. 23. - No. 10. - P. 2335-2347.

113. Pietak A.M., Reid J.W., Stott M.J., Sayer M. Silicon substitution in the calcium phosphate bioceramics // Biomat. - 2007. - V. 8. - P. 4023-4032.

114. Kay M.I., Young R.A., Posner A.S. Crystal structure of hydroxyapatite // Nature. - 1964. -V. 204. - P. 1050-1052.

115. Ivanova T.I., Frank-Kamenetskaya O.V., Kol'tsov A.B. Crystal structure of calcium-deficient carbonated hydroxyapatite. Thermal decomposition // J. Solid State Chem. - 2001. - V. 160. - P. 340-349.

116. Лясников В.Н., Лясникова А.В., Дмитриенко Т.Г. Материалы и покрытия в медицинской практике. - Саратов: ООО «Издательство Научная книга», 2011. - 300 с.

117. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. - Томск: STT, 2001. - 480 c.

118. Орловский В.П., Суханова Г.Е., Ежова Ж.А., Родичева Г.В. Гидроксиапатитная биокерамика // Журнал Всесоюзного химического общества им. Д.И. Менделеева. - 1991. - Т. 36. - № 10. - С. 683-690.

119. Hattori T. Apatitic calcium orthophosphates and related compounds for biomaterials preparation // Ceramic Materials. - 1988. - V. 3. - No. 4.-P.426-428.

120. Monma H.J. Processing of synthetic hydroxyapatite // J. Ceram. Soc. Jap. Dent. Res. - 1980. - V. 28. - No. 10. - P. 97-102.

121. Yoshimura M., Suda H. Hydrothermal processing of hydroxyapatite: past, present and future. In: Hydroxyapatite and related materials, P.W. Brown, B. Constantz editors. CRC Press Inc, 1994. - P. 45-72.

122. Hattori T., Lwadate Y. Hydrothermal preparation of calcium hydroxyapatite powders // J. Amer. Ceram Soc. - 1990. - V. 73. - No. 6. - P. 1803-1805.

123. Чайкина М.В. Механохимия природных и синтетических апатитов. -Новосибирск: Изд-во СО РАН «ГЕО». - 2002. - 223 с.

124. Chaikina M.V., Bulina N.V., Ishchenko A.V., Prosanov I.Y. Mechanochemical synthesis оf SiO44--substituted hydroxyapatite, Part I - Kinetics of interaction between the components // Eur. J. Inorg. Chem. - 2014. - V. 2014. -P. 4803-4809.

125. Bulina N.V., Chaikina M.V., Andreev A.S., Lapina O.B., Ishchenko A.V., Prosanov I.Y., Gerasimov K.B., Solovyov L.A. Mechanochemical synthesis оf

SiO44--substituted hydroxyapatite, Part II - Reaction mechanism, structure, and substitution limit // Eur. J. Inorg. Chem. - 2014. - V. 2014. - P. 4810-4825.

126. Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. - Новосибирск: Наука, 1986. - 306 с.

127. Nakamura S., Isobe T., Senna M., Hydroxyapatite nano sol prepared via a mechanochemical route // J. Nanopart Res. - 2001. -V. 3. - No. 1. - P. 57-61.

128. Tian T., Jiang D., Zhang J., Lin Q. Synthesis of Si-substituted hydroxyapatite by a wet mechanochemical method // Mat. Sci. Eng. C. - 2008. - V. 28. - P.57-63.

129. El Briak-BenAbdeslam H., Ginebra M.P., Vert M., Boudeville P. Wet or dry mechanochemical synthesis of calcium phosphates? Influence of the water content on DCPD-CaO reaction kinetics // Acta Biomat. - 2008. - V. 4.-P.378-386.

130. Liao J., Hamada K., Senna M. Synthesis of Ca-Mg apatite via a mechanochemical hydrothermal process // J. Mat. Synth. Proces. - 2000. - V. 8. -No. 5. - P. 305-311.

131. Yang Y., Kim K.H., Ong J.L. A review on calciumphosphate coatings produced using a sputtering process - an alternative to plasma spraying // Biomat. - 2005. - V. 26. - P. 327-337.

132. Narayanan R., Seshadri S.K., Kwon T.Y., Kim K.H. Calcium phosphate-based coatings on titanium and its alloys // J. Biomed. Mat. Res. Part B Appl. Biomat. - 2008. - V. 85B. - P. 279-299.

133. Narayanan R., Kim K.H., Rautray T.R. Surface modification of titanium for biomaterial applications. - NY: Nova Science, Hauppauge, 2010. - 352 p.

134. Dorozhkin S.V. Calcium orthophosphate deposits: Preparation, properties and biomedical applications. Review // Mat. Sci. Eng. C. - 2015. - V. 2. - P. 399-498.

135. Paital S.R., Dahotre N.B. Calcium phosphate coatings for bio-implant applications: Materials, performance factors, and methodologies // Mat. Sci. Eng. R. - 2009. - V. 66. - P. 1-70.

136. Liu X., Chu P.K., Ding C. Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications // Mat. Sci. Eng. R. - 2004. - V. 47. - P. 49-121.

137. Бутовский К.Г., Лясникова А.В., Лепилин А.В., Пенкин Р.В., Лясников В.Н. Электроплазменное напыление в производстве внутрикостных имплантатов. - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. - 200 с.

138. Roger K.D., Etok S.E. Structural characterisation of apatite coatings // J. Mat. Sci. - 2004. - V. 39. - P. 5747-5754.

139. Fauchais P. Understanding plasma spraying. Topical review // J. Phy. D. Appl. Phys. - 2004. - V. 37. - P. R86-R108.

140. Kelly P.J., Arnell R.D. Magnetron sputtering: a review of recent developments and applications // Vacuum. - 2000. - V. 56. - P. 159-172.

141. Surmenev R.A. A review of plasma-assisted methods for calcium phosphate-based coatings fabrication // Surf. Coat. Tech. - 2012. - V. 206. - P. 2035-2056.

142. Surmenev R.A., Surmeneva M.A., Ivanova A.A. Significance of calcium phosphate coatings for the enhancement of new bone osteogenesis - A review // Acta Biomat. - 2014. - V. 10. - P. 557-579.

143. Rautray T.R., Narayanan R., Kwon T.Y., Kim K.H. Surface modification of titanium and titanium alloys by ion implantation. Review // J. Biomed. Mat. Res. Part B. Appl. Biomat. - 2010. - V. 93B. - P. 581-591.

144. Krischok S., Blank C., Engel M., Gutt R., Ecke G., Schawohl J., Spieß L, Schrempel F., Hildebrand G., Liefeith K. Influence of ion implantation on titanium surfaces for medical applications // Surf. Sci. -2007. - V. 601. - P. 3856-3860.

145. Попова А.А., Яковлев В.И., Легостаева Е.В., Ситников А.А., Шаркеев Ю.П. Влияние гранулометрического состава порошка гидроксиапатита на структуру и фазовый состав покрытий, нанесенных методом детонационно-газового напыления // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2012. - Т.55. - №11. - C. 41-45.

146. Klyui N.I., Temchenko V.P., Gryshkov A.P., Dubok V.A., Shynkaruk A.V., Lyashenko B.A., Barinov S.M. Properties of the hydroxyapatite coatings obtained by gas-detonation deposition onto titanium substrates // Funct. Mat. - 2011. - V. 18. - No. 3. - P. 285-292.

147. Nikolaev Y.A., Vasiliev A.A., Ulianitsky V.Y. Gas detonation and its application in engineering and technologies (review) // Combust. Explos. Shock Wav. - 2003. - V. 39. - No. 4. - P. 382-410.

148. Dinda G.P., Shin J., Mazumder J. Pulsed laser deposition of hydroxyapatite thin films on Ti-6Al-4V: effect of heat treatment on structure and properties // Acta Biomat. - 2009. - V. 5. - P. 1821-1830.

149. Bersa L., Liu M. A review on fundamentals and applications of electrophoretic deposition // Prog. Mat. Sci. - 2007. -V.52.-P.1-61.

150. Corni I., Ryan M.P., Boccaccini A.R. Electrophoretic deposition: From traditional ceramics to nanotechnology // J. Eur. Cer. Soc. - 2000. - V. 28. - P. 1353-1367.

151. Brinker C.J., Scherer G.W. Sol-gel science: the physics and chemistry of solgel processing. - CA: Academic Press, Inc., 1990. - 908 p.

152. Ben-Nissan B., Choi A.H. Sol-gel production of bioactive nanocoatings for medical applications. Part 1: an introduction // Nanomed. -2006.-V.1.-P.311-319.

153. Schliephake H., Scharnweber D., Roesseler S., Dard M., Sewing A., Aref A. Biomimetic calcium phosphate composite coating of dental implants // Intern. J. of Oral Maxillof. Imp. - 2006. - V. 21. - No. 5. - P. 738-746.

154. Barrere F., Layrolle P., van Blitterswijk C.A., de Groot K. Biomimetic coatings on titanium: a crystal growth study of octacalciumphosphate // J. Mat. Sci. Mat. Med. - 2001. - V. 12. - No. 6. - P. 529-534.

155. Liu D., Savino K., Yates M.Z. Coating of hydroxyapatite films on metal substrates by seeded hydrothermal deposition // Surf. Coat. Tech. - 2011. - V. 205. - No. 16. - P. 3975-3986.

156. Ерохин А.Л., Любимов В.В., Ашитков Р.В. Модель формирования оксидных покрытий при плазменно-электролитическом оксидировании алюминия в растворах силикатов // Физика и химия обработки материалов. -1996. - № 5. - С. 39-44.

157. Dittrich K.H., Krysmann W., Kurze P., Schneider H.G. Structure and properties of ANOF layers // Cryst. Res. Tech. - 1984. - V. 19. - No. 1. -P.93-99.

158. Shin K.R., Ko Y.G., Shin D.H. Effect of electrolyte on surface properties of pure titanium coated by plasma electrolytic oxidation // J. Alloy. Comp. - 2011. -V. 509S. - P. S478-S481.

159. Van T.B. Porous aluminium-oxide coating by anodic spark deposition. Thesis (Ph.D.) - University of Illinois at Urbana-Champaign, 1976.

160. Харитонов Д.Ю., Гуцевич Е. И. О механизме импульсного электролитно-искрового оксидирования Al в концентрированной H2SO4. -М.: ЦНИИ информ. и техн.-экон. исслед. по атом. науке и технике, 1988.

161. Магурова Ю.В., Тимошенко А.В. Влияние катодной составляющей на процесс микроплазменного оксидирования сплавов алюминия переменным током // Защита металлов. - 1995. - Т. 31. - № 4. - С. 414-418.

162. Ракоч А.Г., Хохлов В.В., Баутин В.А., Лебедева Н.А., Магурова Ю.В.б Бардин И.В. Модельные представления о механизме микродугового оксидирования металлических материалов и управление этим процессом // Защита металлов.- 2006.- Т. 42. - № 2. - С. 173-184.

163. Черненко В.И., Снежко Л.А., Папанова И.И. Получение покрытий анодно-искровым электролизом. - Л.: Химия, 1991.- 128 с.

164. Саакиян Л.С., Ефремов А.П., Эпельфельд А.В. Развитие представлений Г.В. Акимова о поверхностной оксидной пленке и ее влиянии на коррозионно-механическое поведение алюминиевых сплавов // Защита металлов. - 2002. - Т. 38. - № 2. - С. 186-191.

165. Ракоч А.Г., Бардин И.В. Микродуговое оксидирование легких сплавов // Металлургия. - 2010. - № 6. - С. 58-61.

166. Yerokhin A.L., Snizhko L.O., Gurevina N.L., Leyland A., Pilkington A., Matthews A. Discharge characterization in plasma electrolytic oxidation of aluminium // J. Physics D. Appl. Phys. - 2003. - V. 36. - P. 2110-2120.

167. Wang L., Chen L., Yan Z, Fu W. Optical emission spectroscopy studies of discharge mechanism and plasma characteristics during plasma electrolytic oxidation of magnesium in different electrolytes // Surf. Coat. Tech. - 2010. - V. 205. - P. 1651-1658.

168. Narayanan T.S.N.S., Park I.S., Lee M.H. Strategies to improve the corrosion resistance of microarc oxidation (MAO) coated magnesium alloys for degradable implants: Prospects and challenges // Progr. Mat. Sci. - 2014. - V. 60. - P. 1-71.

169. Dunleavy C.S., Golosnoy I.O., Curran J.A., Clyne T.W. Characterization of discharge events during plasma electrolytic oxidation // Surf. Coat. Tech. - 2009. -V. 203. - No. 22. - P. 3410-3419.

170. Krysmann W., Kurze P., Dittrich K.H., Schneider H.G. Process characteristics and parameters of anodic oxidation by spark discharge (ANOF) // Cryst. Res. Tech. - 1984. - V. 19. - No. 7. - P. 973-979.

171. Wei D., Zhou Y., Jia D., Wang Y. Chemical treatment of TiO2-based coatings formed by plasma electrolytic oxidation in electrolyte containing nano-HA, calcium salts and phosphates for biomedical applications // Appl. Surf. Sci. - 2008. - V. 254. - P. 1775-1782.

172. Abbasi S., Bayati M.R., Golestani-Fard F., Rezaei H.R., Zargar H.R., Samanipour F., Shoaei-Rad V. Micro arc oxidized HAp-TiO2 nanostructured hybrid layers-part I: Effect of voltage and growth time // Appl. Surf. Sci. - 2011. -V. 257. - No. 14. - P. 5944-5949.

173. Samanipoura F., Bayatia M.R., Zargarc H.R., Golestani-Farda F., Troczynskic T., Taheria M. Electrophoretic enhanced micro arc oxidation of ZrO2-HAp-TiO2 nanostructured porous layers // J. Alloy. Comp. - 2011. - V. 509. - P. 9351- 9355.

174. Liang J., Hu L., Hao J. Characterization of microarc oxidation coatings formed on AM60B magnesium alloy in silicate and phosphate electrolytes // Appl. Surf. Sci. - 2007. - V. 253. - P. 4490-4496.

175. Владимиров Б.В., Крит Б.Л., Людин В.Б., Морозова Н.В., Российская А.Д., Суминов И.В., Эпельфельд А.В. Микродуговое оксидирование магниевых сплавов (обзор) // Электронная обработка материалов. - 2014. - Т. 50. - № 3. - С. 1-38.

176. Zhao L., Cui C., Wang Q., Bu S. Growth characteristics and corrosion resistance of micro-arc oxidation coating on pure magnesium for biomedical applications // Corros. Sci. - 2010. - V. 52. - P. 2228-2234.

177. Venkateswarlu K., Rameshbabu N., Sreekanth D., Sandhyarani M., Bose A.C., Muthupandi V., Subramanian S. Role of electrolyte chemistry on electronic and in vitro electrochemical properties of micro-arc oxidized titania films on Cp Ti // Electrochim. Acta. - 2013. - V. 105. -P. 468-480.

178. Баковец В.В. Оксидные покрытия, полученные микродуговой обработкой титанового сплава в кислых электролитах // Известия АН СССР. Неорганические материалы. - 1987. - Т. 23. - №7. - С. 1226-1228.

179. Комарова Е.Г., Шаркеев Ю.П., Чебодаева В.В. Влияние параметров микродугового оксидирования на шероховатость и смачиваемость кальцийфосфатных покрытий // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57. - № 10/3. - С. 171-175.

180. Wei D., Zhou Y., Wang Y., Jia D. Characteristic of microarc oxidized coatings on titanium alloy formed in electrolytes containing chelate complex and nano-HA // Appl. Surf. Sci. - 2007. - V. 253. - No. 11. - P. 5045-5050.

181. Dzhurinskiy D., Gao Y., Yeung W.K., Strumban E., Leshchinsky V., Chu P.J., Matthews A., Yerokhin A., Maev R.Gr. Characterization and corrosion evaluation of TiO2: n-HA coatings on titanium alloy formed by plasma electrolytic oxidation // Surf. Coat. Tech. - 2015. - V. 269. - P. 258-265.

182. Montazeri M., Dehghanian C., Shokouhfar M., Baradaran A. Investigation of the voltage and time effects on the formation of hydroxyapatite-containing titania prepared by plasma electrolytic oxidation on Ti-6Al-4V alloy and its corrosion behavior // Appl. Surf. Sci. - 2011. - V. 257. - P. 7268-7275.

183. Simchi A., Tamjid E., Pishbin F., Boccaccini A.R. Recent progress in inorganic and composite coatings with bactericidal capability for orthopaedic applications // Nanomed. Nanotech. Biol. Med. - 2011. - V. 7. - P. 22-39.

184. Campoccia D., Montanaro L., Arciola C.R. A review of the biomaterials technologies for infection-resistant surfaces // Biomat.-2013.-V.34.-P.8533-8554.

185. Gallo J., Holinka M., Moucha C.S. Antibacterial surface treatment for orthopaedic implants. Review // Int. J. Mol. Sci. - 2014. - V. 15. -P.13849-13880.

186. Родионов И.В. Имплантационные материалы с антисептическими и антитромбогенными свойствами. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http: //www.rusnauka. com/2_KAND_2009/Medecine/39495.doc. htm.

187. Родионов И.В. Исследование антимикробной активности металлооксидных покрытий имплантатов, содержащих модифицирующие антисептические компоненты // Уральский научный вестник. - 2011. - Т. 9. -№36. - С. 5-11.

188. Hu H., Zhang W., Jiang X., Liu X., Ding C. Antibacterial activity and increased bone marrow stem cell functions of Zn-incorporated TiO2 coatings on titanium // Acta Biomat. - 2012. - V. 8. - P. 904-915.

189. Song W.H., Ryu H.S., Hong S.H. Antibacterial properties of Ag (or Pt)-containing calcium phosphate coatings formed by micro-arc oxidation // J. Biomed. Mat. Res. Part A. - 2009. - V. 88A. - P. 246-254.

190. Zilberman M., Elsner J.J. Antibiotic-eluting medical devices for various applications // J. Control Rel. - 2008. - V. 130. - P. 202-215.

191. Davis D. Understanding biofilm resistance to antibacterial agents // Nat. Rev. Drug Discov. - 2003. - V. 2. - P. 114-122.

192. Radin S., Campbell J.T., Ducheyne P., Cuckler J.M. Calcium phosphate ceramic coatings as carriers of vancomycin // Biomat. - 1997. - V. 18.-P.777-782.

193. Sharkeev Yu.P., Sheykin V.V., Sedelnikova M.B., Legostaeva E.V., Komarova E.G., Ermakov V.V., Osipov A.N., Shelekhova Е.А. Modification of titanium medical agraffe surface for suturing instruments with micro arc oxidation method // Inorg. Mat. Appl. Res. - 2016. - V. 7. - No. 2. - P. 226-232.

194. Popat K.C., Eltgroth M., LaTempa T.J., Grimes C.A., Desai T.A. Titania nanotubes: a novel platform for drug-eluting coatings for medical implants? // Small. - 2007. - V. 3. - P. 1878-1881.

195. Luterbacher S., Schatzmann H.J. The site of action of La in the reaction

9+

cycle of the human red cell membrane Ca -pump ATPase // Experientia. - 1983. -V. 39. - No. 3. - P. 311-312.

196. Hutchison A.J., Speak M., Al-Baaj F. Reducing high phosphate levels in patients with chronic renal failure undergoing dialysis: a 4-week, dose-finding, open-label study with lanthanum carbonate // Nephrol. Dialys. Transplant. - 2004. - V. 19. - No. 7. - P. 1902-1906.

197. Jiang W.H., Chen D., Hao L.M., Meng X.T. Influence of light REE compound (LaCl3) on the growth of liver cancer cells // Study Trace Elem. Heal. -2005. - V. 22. - No. 3. - P.1-3.

198. Atiyeh B.S., Costagliola M., Hayek S.N., Dibo S.A. Effect of silver on burn wound infection control and healing: Review of the literature // Burns. - 2007. -V. 33. - P. 139-148.

199. Li B., Liu X., Cao C., Dong Y., Ding C. Biological and antibacterial properties of plasma sprayed wollastonite/silver coatings // J. Biomed. Mat Res. Part B. Appl. Biomat. - 2009. - V. 91. - P. 596-603.

200. Asharani P.V., Wu Y.L., Gong Z.Y., Valiyaveettil S. Toxicity of silver nanoparticles in zebrafish models // Nanotech. - 2008. - V. 19. - No. 25. - P. 255102-255110.

201. Yoon K.Y., Byeon J.H., Park J.H., Hwang J. Susceptibility constants of Escherichia coli and Bacillus subtilis to silver and copper nanoparticles // Sci. Tot. Environ. - 2007. - V. 373. - No. 2-3. P. - 572-575.

202. Ramaswamy Y., Wu C., Zhou H., Zreiqat H. Biological response of human bone cells to zinc-modified Ca-Si-based ceramics // Acta Biomat. - 2008. - V. 4. -P. 1487-1497.

203. Kovalevskaya Zh.G., Khimich M.A., Belyakov A.V., Shulepov I.A. Evaluation of physical and mechanical properties of structural components of Ti-Nb alloy // Adv. Mat. Res. - 2014. - V. 1040. - P. 39-42.

204. Sharkeev Yu.P., Kovalevskaya Zh.G., Zhu Q., Khimich M.A., Parilov E.A. Investigation of the influence of Ti-Nb alloy composition on the structure of the ingots produced by arc melting // Adv. Mat. Res. - 2015. - V. 1085. - P. 307-311.

205. Kovalevskaya Zh., Sharkeev Yu., Khimich M., Parilov E., Glukhov I., Komarova E. The investigation of the influence of formation conditions on the structure of Ti-40Nb alloy // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1772. - P. 030010.

206. Патент РФ № 1584203. Планетарная мельница. Аввакумов Е.Г., Поткин А.Р., Березняк В.М. Опубл. 18.06.1987.

207. Chaikina M.V., Komarova E.G., Sharkeev Yu.P., Bulina N.V., Prosanov I.Yu. Lanthanum-silicon-substituted hydroxyapatite: mechanochemical synthesis and prospects for medical applications // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1760. - P. 020009-1-020009-6.

208. Sedelnikova M.B., Komarova E.G., Sharkeev Yu.P. Wollastonite and calcium phosphate biocoatings with Zn- and Cu-incorporation produced by a microarc oxidation method // Key Eng. Mat. - 2016. - V. 695. - P. 144-151.

209. Комарова Е.Г., Седельникова М.Б., Шаркеев Ю.П., Чайкина М.В., Чебодаева В.В. Структура и свойства микродуговых кальцийфосфатных покрытий на основе цинк- и медь-замещённого гидроксиапатита // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2015. - Т. 58. - № 9/3. - С. 117-121.

210. Komarova E.G., Chaikina M.V., Sedelnikova M.B., Sharkeev Y.P. Structure and properties of La- and Si-incorporated calcium phosphate coatings // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1760. - P. 020031-1-020031-6.

211. Комарова Е.Г., Чайкина М.В., Седельникова М.Б., Шаркеев Ю.П., Казанцева Е.А. Изучение физико-химических свойств лантан- и кремний-содержащих кальцийфосфатных покрытий // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2016. - Т. 59. - № 7/2. - С. 113-117.

212. Тушинский Л.И., Плохов А.В., Токарев А.О., Синдеев В.И. Методы исследований материалов: структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. - М.: Мир, 2004. - 384 с.

213. Смит А. Прикладная ИК-спектроскопия. - М.: Мир, 1982. - 327 с.

214. Rietveld H.M. Line profiles of neutron powder-diffraction peaks for structure refinement // Acta Crystallographica. - 1967. - V. 22. - P. 151-152.

215. Rietveld H.M. A Profile refinement method for nuclear and magnetic structures // J. Appl. Crystallogr. - 1969. - V. 2. - P. 65-71.

216. Басин В.Е. Адгезионная прочность. - М.: Химия, 1981. - 378с.

217. de Gennes P.J. Wetting: statistics and dynamics // Rev. Mod. Phys. - 1985. -V. 57. - No. 3. - P. 827-863.

218. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия, - 1987. - 576 с.

219. Butt H.J., Golovko D.S., Bonaccurso E. On the derivation of Young's equation for sessile drops: nonequilibrium effects due to evaporation // J. Phys. Chem. B. - 2007. - V. 111. - No. 19. - P. 5277-5283.

220. Rudawska A., Jacniacka E. Analysis for determining surface energy uncertainty by the Owens-Wendt method // Int. J. Adhes. Adhesiv. - 2009. - V. 29. - P. 451-457.

221. Pauling L. The nature of the chemical bond and the structure of molecules and crystals: An introduction to modern structural chemistry. 3rd ed. - New York: Cornell University Press, 1960. - 644 p.

222. Лурье Ю.Ю. Справочник по аналитической химии, 6-е издание. - М.: Химия, 1989. - 448 с.

223. Bohner M. Calcium orthophosphates in medicine: from ceramics to calcium phosphate cements // Injury. - 2000. - V. 31. - No. 4. - P. 37-47.

224. Грег С., Синг К. Адсорбция, удельная поверхность, пористость. - М: Мир, 1984.

225. LeGeros R.Z., Trautz O.R., LeGeros J.P. Carbonate substitution in apatite structure // Bull. Soc. Chim. Fr. - 1968. - P. 1712-1717.

226. Serret A., Cabanas M.V., Vallet-RegiM. Stabilization of calcium oxyapatites with lanthanum(III)-created anionic vacancies // Chem. Mater. - 2000. - V. 12. -P. 3836-3841.

227. Sharkeev Y., Komarova E., Sedelnikova M., Sun Z., Zhu Q., Zhang J., Tolkacheva T., Uvarkin P. Structure and properties of micro-arc calcium phosphate

coatings on pure titanium and Ti-40Nb alloy // Trans. Nonferr. Met. Soc. China. -2017. - V. 27. - P. 125-133.

228. Бабичев А.П., Бабушкина Н.А., Братковский А.М. и др. Физические величины: Справочник / под ред. И.С. Григорьева, Е.З. Мейлихова. - М.: Энергоатомиздат, 1991. - 1323 с.

229. Dunleavy C.S., Golosnoy I.O., Curran J.A., Clyne T.W. Characterization of discharge events during plasma electrolytic oxidation // Surf. Coat. Tech. - 2009. -V. 203. - P. 3410-3419.

230. Elias C.N., Oshida Y., J.H. Lima, C.A. Muller, Relationship between surface properties (roughness, wettability and morphology) of titanium and dental implant removal torque // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. -2008.-V.1.-No.3.-P.234-242.

231. Rosales-Leal J.I., Rodríguez-Valverde M.A., Mazzaglia G., Ramyn-Torregrosa P.J., Díaz-Rodríguez L., García-Martínez O., Vallecillo-Capilla M., Ruiz C., Cabrerizo-Vílchez M.A. Effect of roughness, wettability and morphology of engineered titanium surfaces on osteoblast-like cell adhesion // Col. Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. - 2010. - V. 365. - P. 222-229.

232. Sammons R.L., Lumbikanonda N., Gross M., Cantzler P. Comparison of osteoblast spreading on microstructured dental implant surfaces and cell behaviour in an explant model of osseointegration: a scanning electron microscopic study // Clin. Oral Imp. Res. - 2005. - V. 16. - P. 657-666.

233. Khlusov I.A., Khlusova M.Yu., Zaitsev K.V., Kolokol'tseva T.D., Sharkeev Yu.P., Pichugin V.F., Legostaeva E.V., Trofimova I.E., Klimov A.S., Zhdanova A.I. Pilot in vitro study of the parameters of artificial niche for osteogenic differentiation of human stromal stem cell pool // Bull. Exp. Biol. Med. - 2011. -V. 150. - No. 4. - P. 216-224.

234. Хлусов И.А., Шевцова Н.М., Хлусова М.Ю., Зайцев К.В., Шаркеев Ю.П., Пичугин В.Ф., Легостаева Е.В. Концепция «ниша - рельеф» для стволовых клеток как осонва биомиметического подхода к инженерии ксонтой и кроветворной тканей // Клеточная трансплантология и тканевая инженерия. -2011. - Т. 6. - № 2. - С. 55-64.

235. Wang P., Zhao L., Liu J., Weir M.D., Zhou X., Xu H.H.K. Bone tissue engineering via nanostructured calcium phosphate biomaterials and stem cells // Bone Research. - 2014. - V. 2. - P. 1-13.

236. Yao C., Slamovich E.B., Webster T.J. Enhanced osteoblast functions on anodized titanium with nanotube-like structures // J. Biomed. Mat. Res. - 2008. -V. 85. - P. 157-166.

237. S. Huang. Structure and structure analysis of amorphous materials. - Oxford: Claredon, 1984.

238. Абросимова Г.Е., Аронин А.С., Холстинина Н.Н. Об определении доли кристаллической фазы в аморфно-кристаллических сплавах // Физики твердого тела. - 2010. - Т. 52. - B. 3. - С. 417-423.

239. MacLennan G., Beevers C.A. The crystal structure of dicalcium phosphate, CaHPO4 // Acta Cryst. - 1955. - V. 8. - P. 579-583.

240. Jokic B., Mitric M., Radmilovic V., Drmanic S., Petrovic R., Janackovic D. Synthesis and characterization of monetite and hydroxyapatite whiskers obtained by a hydrothermal method // Cer. Int. - 2011. - V. 37. - P. 167-173.

241. Tas А.С, Bhaduri S.B. Chemical processing of CaHPO4 2H2O // J. Amer. Ceram. Soc. - 2004. - V. 87. - No. 12. - P. 2195-2200.

242. Desai T.R., Bhaduri S. B., Tas A.C. A Self-setting monetite (CaHPO4) cement for skeletal repair // Adv. Biocer. Biocomp. - 2007. - V. 2. - P. 61-69.

243. Ma C., Nagai A., Yamazaki Y., Toyama T., Tsutsumi Y., Hanawa T., Wang W., Yamashita K. Electrically polarized micro-arc oxidized TiO2 coatings with enhanced surface hydrophilicity // Acta Biomat. - 2012. - V. 8.-No.2 -Р.860-865.

244. Park J.W., Jang J.H., Lee C.S., Hanawa T. Osteoconductivity of hydrophilic microstructured titanium implants with phosphate ion chemistry // Acta Biomat. -2009. - V. 5. - P. 2311-2321.

245. Bodhak S., Bose S., Bandyopadhyay A. Role of surface harge and wettabitity on early stage mineralization and bone cell-materials interactions of polarized hydroxyapatite // Acta Biomat. - 2009. - V. 5. - P. 2178-2188.

246. Harnett E.M., Alderman J., Wood T. The surface energy of various biomaterials coated with adhesion molecules used in cell culture // Colloids Surf. B. Biointerf. - 2007. - V. 55. - P. 90-97.

247. Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ. - М.: Химия, 1977. - 272 с.

248. Романко П.Г., Рашковская Н.Б., Фролов В.Ф. Массообменные процессы химической технологии. - Л.: Химия, 1975. - 336 с.

249. Хейфец Л.И., Неймарк А.В. Многофазные процессы в пористых средах / М.: Химия, 1982. - 320 с.

250. Knyazeva A.G., Gutmanas E.Y. Model of heterogeneous material dissolution in simulated biological fluid // AIP Conf.Proc. - 2015. - V. 1688. - P. 030019.

251. Тарасевич Ю.Ю. Перколяция: теория, приложения, алгоритмы: Учебное пособие. - М.: Едиториал УРСС, 2002. - 112 с.

252. Заболоцкая Т.Ю. Анализ основных процессов и типов структур при дегидратации биологических жидкостей // Електромехашчш i енергозберiгаючi системи. - 2010. - № 12. - С. 92-95.

253. Nazarenko N.N., Knyazeva A.G. Effective diffusion coefficient of biological liquids in porous calcium phosphate coating // AIP Conf. Proc. - 2016. - V. 1783. - P. 020162-1-020162-4.

254. Назаренко Н.Н., Князева А.Г. Растворение кальций-фосфатного образца в модельной биологической жидкости // Известия высших учебных заведений. Физика. - 2014. - Т. 57. - №9/3. - С. 187-191.

255. Баграташвили В.Н., Басков А.В., Борщенко И.А., Игнатьева Н.Ю. и др. Лазерная инженерия хрящей. - М.:Физматлит, 2006. - 488с.

256. Бретшнайдер С., Кавецкий В., Лейко Л., Марцинковский Р. Общие основы химической технологии. Разработка и проектирование технологических процессов. Перевод с польского под ред. П.Г. Романкова и М.И. Курочкиной. - Ленинград: Химия, 1977. - 504 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ А Биологические тесты in vitro цинк- и медь-содержащих кальцийфосфатных покрытий на титане и сплаве Ti-40Nb

Цитотоксический тест in vitro микродуговых покрытий проводили согласно рекомендациям ГОСТ Р ИСО 10993-5-2009. Для биологических

л

испытаний были выбраны тестируемые образцы размером 10x10x1 мм из Ti и сплава Ti-40Nb с КФ, Zn-КФ и Cu-КФ покрытиями, нанесенными при напряжении процесса 200 В. Ранее в работе показано, что покрытия, сформированные при таком напряжении, имеют оптимальные характеристики: толщину 35-55 мкм, шероховатость 2-5 мкм, поверхностную пористость 15-22 %, адгезионную прочность до 20±4 МПа, высокую

л

поверхностную энергию 74-81 мДж/м и соотношение Са/Рат 0,3-0,5.

По одному образцу укладывали в 15-мл стерильные пластиковые пробирки, заливали в каждую пробирку 3 мл суспензии клеток, выделенных из костного мозга бедренных костей крысы (миелокариоцитов), средой RPMI-1640, и инкубировали при температуре 37оС в атмосфере, содержащей 5% СО2 при 100%-ной влажности. В качестве культуральной среды применяли следующий состав (без остеогенных добавок): 280 мг/л L-глутамина, 50 мг/л гентамицина сульфат, 20 % эмбриональной сыворотки плодов коровы, 80 % среды ДМЕММ2 (1:1).

Согласно рекомендациям ГОСТ Р ИСО 10993-5-2009 определяли долю жизнеспособных неприлипающих клеток через 1 ч и 24 ч по формуле:

X = [(А-В)/А] х100 %, (А1)

где А - общее количество клеток, В - количество трипанпозитивных клеток (окрашенных 0,4 % трипановым синим).

Через 24 ч культивирования миелокариоцитов с образцами в пробах супернатантов определяли концентрацию ионизированного калия (набор Thermo Fisher Scientific Inc., США) стандартным колориметрическим методом на биохимическом автоматическом анализаторе Konelab60i (США). Калий

является, преимущественно, внутриклеточным катионом. Увеличение его содержания в межклеточной жидкости [1] предполагает разрушение клеточных мембран вследствие потенциальной цитотоксичности тестируемых материалов.

При оценке полученных данных были использованы методы статистического описания, а также методы проверки статистических гипотез, использующиеся в стандартных пакетах программ 31а1!81:1са (версия 6.0). Полученные результаты выражали как медиану (Ме), 25 % (01) и 75 % (03) квартили. Для анализа имеющихся выборок данных использовали гипотезу нормальности распределения (критерий Колмогорова-Смирнова). Вследствие несоответствия нормальному закону распределения признака в исследуемых выборках для оценки статистической значимости различий использовали непараметрический критерий Манна-Уитни (Ц-тест) и Т-критерий Вилкоксона для независимых и зависимых выборок, соответственно. Различия считались статистически значимыми при уровне значимости р < 0,05.

Результаты биотестирования показали (см. табл. А1), что через 24 ч культивирования образцов с костномозговыми клетками не отмечается повышения концентрации калия в межклеточной жидкости. Это свидетельствует в пользу того, что тестируемые образцы, независимо от металлической подложки и добавления в состав покрытий ионов или Си2+, не вызывают массивного разрушения клеток, сопровождающегося выходом внутриклеточного содержимого в окружающую среду. Массивный распад клеток, как известно [2], приводит к тканевому воспалению вследствие воздействия лизосомальных ферментов на окружающие клетки и внеклеточный матрикс. Следовательно, можно предположить, что микродуговые покрытия не обладают потенциалом к инициации периимплантационного воспаления.

Через 1 ч инкубации с тестируемыми образцами процент жизнеспособных клеток в большинстве проб статистически не различался с таковым для фона (миелокариоциты без добавления образцов). Исключение

составили Zn-КФ покрытия на Ti, в этой группе образцов наблюдался прирост погибших клеток на 5-7 % по сравнению с фоном. Таким образом, при одночасовом прямом контакте (т.к. растворение поверхности еще незначительно) микродуговых покрытий с костномозговыми клетками покрытия не проявляют выраженных токсических свойств.

Таблица А1 - Результаты цитотоксического теста in vitro в различные сроки культивирования образцов микродуговых покрытий на Ti и Ti-40Nb с

миелокариоцитами крысы, Me (Q1-Q3)

Группы, п = 3 Концентрация калия через 24 ч, мМ Количество жизнеспособных клеток через 1 ч, % Количество жизнеспособных клеток через 24 ч, %

Среда без клеток, п = 5 5,1 - -

Клетки без образцов (фон), п = 4 5,1 94,9 (94,7-95,0) 91,7* (90,0-93,1) P2 < 0,046

КФ покрытия

Клетки с КФ покрытиями на Ti 5,05 (3,8-5,1) 96,4 (95,8-97,0) 76,7* (75,9-77,8) < 0,00005 P2 < 0,0001

Клетки с КФ покрытиями на Ti-40Nb 5,1 (3,2-5,1) 94,1 (91,3-97,0) 85,2* (81,8-87,0) < 0,008 P2 < 0,002

Zn-I покрытия

Клетки с Zn-КФ покрытиями на Ti n = 4 5,1 (5,05-5,10) 88,5* (84,6-92,3) < 0,02 71,9* (69,0-76,5) < 0,00001 P2 < 0,0004

Клетки с Zn-КФ покрытиями на Ti-40Nb 5,1 93,5 (91,7-97,0) 80,8* (75,7-83,3) < 0,002 P2 < 0,02

Cu- СФ покрытия

Клетки с Cu-КФ покрытиями на Ti 5,1 94,1 (95,2-97,6) 75,0* (70,4-78,1) < 0,0002 P2 < 0,004

Клетки с Cu-КФ покрытиями на Ti-40Nb 5,1 93,8 (89,7-97,1) 86,4* (79,3-88,0) < 0,03 P2 < 0,009

Примечание: * - указаны статистически значимые различия с фоном; Р2 - с соответствующими значениями через 1 ч культивирования; п - число образцов.

Через 24 ч культивирования доля выживших клеток костного мозга для всех покрытий оказалась статистически сниженной на 6-20 % по сравнению с фоном. При этом для 7п-КФ покрытий на Л показатели клеточной

жизнеспособности оказались самыми минимальными и составили 71,9 %. В то же время, микродуговые покрытия на сплаве Ti-40Nb обладали более низкой (на 8-9 %, р < 0,05) токсичностью для клеток костного мозга крысы, по сравнению с покрытиями на Ti. Результаты биологических тестов указывают на высокую аморфность синтезированных микродуговых покрытий (прежде всего, Zn-КФ покрытий на Ti), способствующую через 24 ч их выраженной биодеградации в клеточных суспензиях и опосредованному (через продукты растворения и биорезорбции) воздействию на клетки. Эти результаты согласуются с данными РФА (рис. 4.12) и ПЭМ (рис. 4.16-4.19), указывающими на наличие аморфной структуры в покрытиях.

Различные исследователи и клиницисты [3] полагают, что биосовместимость и функциональная активность биоматериалов, способствующие ускоренному остеосинтезу, в большой степени зависят от процессов, протекающих на границе раздела «костная ткань-имплантат». В настоящей работе морфологию прилипающих клеток, их подвижность и способность формировать монослой в условиях контакта (на границе раздела) с тестируемыми образцами изучали с использованием возможностей интегрированной платформы для непрерывной визуализации живых клеток Cell-IQ® v2 MLF (CM Technologies, Финляндия) в лаборатории иммунологии и клеточных биотехнологий БФУ имени И. Канта (г. Калининград).

Анализ проводился с помощью инвертированной фазово-контрастной микроскопии в реальном времени в течение 7 суток сокультивирования клеток и тестируемых образцов. Для этого по 1 образцу укладывали в 24-луночные стерильные пластиковые культуральные плоскодонные планшеты, заливали в каждую пробирку 1,5 мл культуры постнатальных мультипотентных стромальных стволовых клеток жировой ткани человека (AMMSCs), способных созревать в остеобласты (позитивная окраска на ализарин красный), хондробласты (альциановый синий) и адипоциты (масляный красный), как показано в работе [4].

AMMSCs, выделенную из липоаспирата, после 3-4 пассажей культивировали в концентрации 5 х 104 жизнеспособных кариоцитов в 1,5 мл среды следующего состава: 90 % DMEM/F12 (1:1) (Gibco Life Technologies; Grand Island, NY, USA), 10 % сыворотки крови плодов коровы (Sigma-Aldrich, St. Louis, MO, USA), 50 мг/л гентамицина (Invitrogen, UK), 280 мг/л L-глутамина (Sigma-Aldrich). Срок культивирования составил 6 суток (до образования монослоя) при 100 % влажности, 5 % углекислого газа и 37°C.

На фазово-контрастных микроскопических изображениях в реальном времени морфологии клеточной культуры AMMSCs не наблюдались различия в морфологии и поведении клеток на пластиковой поверхности лунок культуральных планшетов (контрольная группа) и в присутствии микродуговых покрытий на подложках из Ti или Ti-40Nb (см. рис. А1). Фибробластоподобные клетки прилипали, наращивали клеточную массу и активно мигрировали до образования монослоя. Это говорит о высокой жизнедеятельности клеточной культуры AMMSCs, в том числе, их подвижности на границе раздела «клетки-образец с покрытием».

Изучение антибактериальной активности микродуговых Zn-КФ и Cu-КФ покрытий на подложках из Ti и Ti-40Nb проводилось в экспериментах in vitro на патогенном штамме золотистого стафилококка 209 (S. aureus) из коллекции кафедры микробиологии СибГМУ (г. Томск), который по паспорту характеризуется типичными морфологическими, биохимическими, гемолитическими и плазмокоагулирующими свойствами.

Перипротезная инфекция является в настоящее время профессиональным вызовом для хирургов, резко увеличивает стоимость лечения, создает огромную социальную нагрузку, снижает качество и сокращает длительность жизни пациентов. Для имплантологии важным представляется активное заселение S. aureus в эндопротезы суставов, поскольку существует высокая адгезивная способность микроорганизма к искусственным поверхностям [5], включая КФ покрытия [6].

(а) (б)

(д) (е)

(ж) (з)

Рисунок А1 - Фазово-контрастно-микроскопические изображения культуры клеток ЛММ8С8 после 7 дней культвирования на пластиковых лунках (контрольная группа) (а, б), и в контакте с КФ (в, г), 2п-КФ (д, е) и Си-КФ (ж, з) покрытиями на

Т (а, в, д, ж) и Т1-40№ (б, г, е, з). Темная область на изображениях -тестируемый образец с покрытием

В стерильных условиях в 15 мл центрифужных пластиковых пробирках по стандарту мутности готовили микробную взвесь (500 микробных тел) с экстрактами покрытий и растворителями: 0,9 % раствор NaCl (контроль роста 1) и среда RPMI-1640 (контроль роста 2), в соотношении 1:1. Взвеси инкубировали в течение 2 ч при 37°С, и по 200 мкл взвеси из каждой группы (100 микробных тел) помещали на питательную агаровую среду (ПАС) БТН-агар (ООО «Биотехновация», Электрогорск) в 90-мм пластиковых чашках Петри. Втирали взвесь в течение 2 мин в агар, культивировали 24 ч при 37°С. ПАС и растворители без микробной взвеси не показали роста колоний, что подтвердило их стерильность.

Для микробной клетки гибель означает необратимую потерю способности к репродукции (росту и делению). Она считается погибшей, если не в состоянии образовывать колонию (клон дочерних клеток) на твердой питательной среде [7]. Устойчивость клеток к повреждающим факторам увеличивается в полноценной питательной среде, богатой необходимыми факторами для роста и репарации повреждений (ростовые факторы, минералы, физико-химические условия культивирования).

В экспериментах S. aureus хорошо рос на ПАС, образуя в зависимости от концентрации посеянных клеток и свойств среды до 3 колоний на 1 мм2 или 30-60 колоний на 1 см поверхности чашки Петри. Размер колоний микробов, происходящих из одной колониеобразующей единицы (КОЕ),

л

достигал 0,5-1,0 мм (рис. А2, табл. А2). Колонии правильной формы (S-типа) с золотистым пигментом. Несмотря на угрозу сливного роста, исследования на больших бактериальных популяциях более информативны для изучения антимикробных агентов, поскольку такие популяции ингибируются в меньшей степени, чем малые. Кроме того, увеличивается вероятность появления резистентных к воздействию мутантов [7].

(в)

(б)

(д)

(г)

Рисунок А2 - Состояние 24-часовой культуры S. aureus на агаре после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами покрытий на Ti подложке:

а) контроль роста 1 (хлорид натрия);

б) контроль роста 2 (среда RPMI-1640);

в) КФ-покрытия;

г) Zn-КФ покрытия;

д) Cu-КФ покрытия

Значительное количество выросших на агаре КОЕ затруднило их подсчет из-за слияния отдельных колоний в конгломераты (рис. А2 б). Для выявления возможного влияния тестируемых экстрактов на рост S. aureus был использован метод компьютерной морфометрии оптической плотности (плотности распределения колоний) культур микробов по их способности поглощать/отражать видимый свет согласно статистике серых уровней [8]. Результаты показали, что экстракты КФ покрытий на обеих подложках, Ti и

Ti-40Nb, через 24 ч культивирования достоверно увеличивали оптическую плотность культуры S. aureus, что свидетельствует об усилении роста микроорганизма на ПАС (рис. А2 в, табл. А2). В свою очередь, введение в состав КФ покрытий ионов Zn или Cu2+ уменьшало выход микробных КОЕ (рис. А2 г, д), что приводило к существенному падению оптической плотности культуры микроорганизмов, в значительно большей степени при использовании экстрактов покрытий на Ti подложке (см. табл. А2).

Таблица А2 - Результаты 24-часового роста Staphylococcus aureus штамм 209 в агаровой среде после предварительного 2-часового сокультивирования с экстрактами микродуговых покрытий на Ti и Ti-40Nb подложках, Me(Q1-Q3)

Группы, п = 3 Ti подложка Ti-40Nb подложка

Оптическая плотность культуры S. aureus (по модулю), у.е.о.п. Число колоний 1 2 на 1 мм Диаметр колоний, мм Оптическая плотность культуры S. aureus (по модулю), у.е.о.п. Число колоний на 1 мм Диаметр колоний, мм

Контроль роста 1 56,4 (55,9-56,7) 0-3 До 0,5 77,7 (77,6-77,8) 30-60 До 1,0

Контроль роста 2 63,0* (63,0-63,1) - 75,3* (75,1-75,5) -

Экстракты КФ покрытий 64,25Л (64,2-64,3) - 78,0Л (77,9-78,1) -

Экстракты 2п-КФ покрытий 38,3Л (37,7-38,7) - 77,25Л (77,2-77,3) -

Экстракты Си-КФ покрытий 46,4Л (46,3-46,5) - 72,2Л (72,1-72,3) -

Примечание: микробные клетки отражают свет, поэтому значения D имеют отрицательный знак; п - число образцов в каждой группе; * - статистические различия при р < 0,05 с группой 1, Л - с группой 2 согласно и-критерию Манна-Уитни.

Таким образом, биологические испытания in vitro показали, что КФ, Zn-КФ и Cu-КФ покрытия на подложках из Ti или Ti-40Nb не проявляют цитотоксичность при 24-часовом контакте с клетками костного мозга крысы (количество жизнеспособных клеток составило более 72 %). Показана высокая жизнедеятельность и подвижность клеточной культуры AMMSCs, способной формировать костную ткань в условиях 7-дневного контакта с

микродуговыми покрытиями на обеих подложках. Zn-КФ и Cu-КФ покрытия показали явный антимикробный эффект в отношении S. aureus штамм 209 через продукты своего растворения, по-видимому, за счет высвобождения ионов

Zn2+

или Cu2+. Zn-КФ покрытия обладали наиболее заметным антибактериальным действием на микроорганизмы.

Отсутствие цитотоксического действия, высокая биологическая активность и явный антибактериальный эффект позволяют рекомендовать композитные материалы из сплавов титана и ниобия с микродуговыми покрытиями на основе замещенных ГА в качестве имплантатов для остеосинтеза, способствующие уменьшению частоты и риска перипротезной инфекции и повышению остеоинтеграции медицинских изделий.

В качестве примера, на рисунке А3 приведены медицинские изделия с нанесенными на поверхность кальцийфосфатными покрытиями, которые в настоящий момент проходят биологическую аттестацию.

(а) (б)

Рисунок A3 - Фотографии медицинских изделий из титана с кальцийфосфатным покрытием: а) пластина опорная мыщелковая PSYL 18.300 с угловой стабильностью; б) винты канюлированные

Список используемой литературы

1. Burtis C.A., Ashwood E.R., Bruns D.E., et al. Tietz fundamentals of clinical chemistry. 5th ed. - New York: W.B. Saunders Company, 2001.

2. Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E., et al. Biomaterials science: An introduction to materials in medicine 2nd ed. San Diego, California, London: Elsevier Inc, 2004. - 851 p.

3. Nepola J.V., Rockwood C.A.J., Green D.P., et al. External fixation. In: Rockwood and Green's fractures in adults V.1. 4th ed. New York: LippincottRaven Publ, 1996. - P. 229-304.

4. Khlusov I.A., Shevtsova N.M., Khlusova M.Y. Detection in vitro and quantitative estimation of artificial microterritories which promote osteogenic differentiation and maturation of stromal stem cells // Methods Mol. Biol. - 2013. - V. 1035. - P. 103-119.

5. Dougherty S.H. Implant infections // Handbook of biomaterials evaluation / ed. A.F. von Recum. - N.Y., Toronto, London, 1986. - P. 276-289.

6. Карлов А.В., Хлусов И.А., Понтак В.А., Игнатов В.П., Ивин М.А., Зинатулина С.Ю. Адгезия Staphylococcus aureus к имплантатам с различными физико-химическими свойствами // Бюлл. эксперим. биол. и мед. - 2002. - № 9. - С. 322-325.

7. Джавец Э., Мельник Дж.Л., Эйдельберг Э.А. Руководство по медицинской микробиологии / пер. с англ. - Т. 2. - М.: Медицина, 1982. -384 с.

8. Введение в методы культуры клеток, биоинженерии органов и тканей / под ред. В.В. Новицкого, В.П. Шахова, И.А. Хлусова. - Томск: STT, 2004. -386 с.

Биологические тесты in vitro образцов титана и сплава Ti-40Nb с микродуговыми покрытиями выполнены д.м.н., проф. СибГМУ И.А. Хлусовым.

Общество с ограниченной ответственностью

«ПРОМИТ»

лГ Алг

Дата: «/¿»¿¿¿¡Л 2017г.

АКТ

о практическом применении полученных результатов диссертационной работы Комаровой Е.Г. «Закономерности формирования структуры и свойств микродуговых покрытий на основе замещенных гидроксиапатитов на сплавах титана и ниобия»

Настоящим Актом удостоверяется, что результаты диссертационного исследования Комаровой Е.Г. были использованы Обществом с ограниченной ответственностью «ПРОМИТ» при разработке имплантатов для остеосинтеза из титановых сплавов с бактерицидными кальцийфосфатными покрытиями. Работа выполнялась в рамках инициативного сотрудничества между ООО «ПРОМИТ» и Институтом физики прочности и материаловедения СО РАН.