ЭЛЕКТРОКИНЕТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА, РАСТВОРЕНИЕ IN VITRO, ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ БИОСОВМЕСТИМОСТЬ ОКСИДНЫХ И ОКСИНИТРИДНЫХ ПЛЕНОК ТИТАНА ДЛЯ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫХ СТЕНТОВ

Изучено состояние оксидных и оксинитридных покрытий титана на стали L316 до и после их контакта с модельными биологическими жидкостями. Электрокинетическое исследование в водном растворе хлорида калия с концентрацией 1 ммоль показало значительное (более чем в 10 раз) снижение амплитуды электростатического потенциала тонких (200–300 нм) титановых пленок при изменении pH в интервале 5–9 единиц в течение 2 ч. Тем не менее при рН > 6,5 дзета-потенциал всех образцов оставался отрицательным. Длительный (5 нед) контакт образцов с SBF (simulated body fluid) вызывал коррозию стали и растворение пленок оксида и оксинитридов титана. Вместе с тем имели место преципитация ионов натрия и хлора и образование кристаллов хлорида натрия на образцах. Процесс преципитации солей из раствора значительно преобладал над растворением, поскольку возрастала масса образцов. Положительным является отсутствие кальцификации тестируемых искусственных поверхностей при длительном нахождении в SBF-растворе, что предполагает снижение риска быстрого тромбоза и потери функциональных свойств материалов. Согласно проведенному in vitro эксперименту, потенциальная биосовместимость тестируемых материалов после их контакта с SBF выстраивается следующим образом: Ti–O–N (1/3) > Ti–O–N (1/1), TiO2 > сталь. Она может быть объяснена: антикоррозионными свойствами тонких пленок оксидов и оксинитридов титана; сохранением (для Ti–O–N) отрицательного заряда поверхности; меньшим приростом массы и толщины поверхностного слоя титановых пленок, связанным со скоростью процессов минерализации на межфазной границе раствор/твердое тело. В то же время исходные (до контакта с SBF) различия в смачиваемости образцов нивелировались. Модифицирующее влияние модельных биологических жидкостей на физико-химические особенности тестируемых материалов (увеличение шероховатости, снижение амплитуды или реверсия отрицательного потенциала поверхности, резкое повышение гидрофильности поверхности) следует учитывать при формировании оксидных и оксинитридных покрытий титана и прогнозировании их оптимальных биологических свойств как материалов для сердечно-сосудистых стентов.

магнетронное распыление, поверхность стали, дзета-потенциал, электростатический потенциал, шероховатость, масса и толщина покрытия, смачиваемость

1. Беленков Ю.И., Самко А.Н., Батыралиев Т.А., Першуков И.В. Коронарная ангиопластика: взгляд через 30 лет // Кардиология. 2007. № 9. С. 4–14.

2. Holmes J. State of the art in coronary intervention // Am. J. Cardiol. 2003. V. 91. P. 50A–53A.

3. Virmani R., Guagliumi G., Farb A., Musumeci G., Grieco N., Motta T., Mihalcsik L., Tespili M., Valsecchi O., Kolodgie F.D. Localized hypersensitivity and late coronary thrombosis sec-ondary to a sirolimus-eluting stent: should we be cautious? // Circulation. 2004. V. 109, № 6. P. 701–705.

4. Gamici G. What is an optimal stent? Biological requirements of drug eluting stents // Kardiovasculare Medizin. 2008. V. 11. P. 22–25.

5. Karjalainen P.P., Biancari F., Ylitalo A., Raeber L., Billinger M., Hess O., Airaksinen K.E.J. Pooled analysis of trials comparing titanium-nitride-oxide-coated stents with paclitaxel-eluting stents in patients undergoing coronary stenting // J. Invasive Cardiol. 2010. V. 22, № 7. P. 322–326.

6. Nan H., Ping Y., Xuan C., Yongxang L., Xiaolan Z., Guangjun C., Zihong Z., Feng Z., Yuanru C., Xianghuai L., Tingfei X. Blood compatibility of amorphous titanium oxide films synthesized by ion beam enhanced deposition // Bio-materials. 1998. V. 19, № 7–9. P. 771–776.

7. Wan G., Lv B., Jin G., Maitz M.F., Zhou J., Huang N. Direct correlation of electrochemical behaviors with anti-thrombogenicity of semiconducting titanium oxide films // J. Biomater. Appl. 2014. V. 28, № 5. P. 719–728. doi: 10.1177/0885328213476911.

8. Subramanian B., Muraleedharan C.V., Ananthakumar R., Jayachandran M. A comparative study of titanium nitride (TiN), titanium oxynitride (TiON) and titanium aluminum nitride (TiAlN), as surface coatings for bio implants // Surf. Coat. Technol. 2011. V. 205. P. 5014–5020.

9. Barybin A.A., Zav’yalov A.V., Shapovalo V.I. A nonisothermal physicochemical model of synthesis of oxynitrides by reactive sputtering techniques // Glass Physics and Chemistry. 2012. V. 38, № 4. P. 396–401.

10. Biomaterials science: an introduction to materials in medicine / ed. by B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen, J.E. Lemons. 2nd ed. San Diego: Elsevier Academic Press, 2004. 851 p.

11. Andrade J.D., Gregonis D.E., Smith L.M. Polymer–water in-terface dynamics // Physicochemical aspects of polymer sur-faces / ed. K.L. Mittal. N. Y.: Plenum Press, 1981. P. 911–922.

12. Khlusov I.A., Khlusova M.Yu., Pichugin V.F., Sharkeev Yu.P., Legostaeva Ye.V. Artificial niches for stromal stem cells as a potential instrument for the design of the surface of biomimetic osteogenic materials // Russian Physics Journal. 2014. V. 56, № 10. P. 1206–1211.

13. Bykova Yu., Weinhardt V., Kashkarova A., Lebedev S., Baumbach T., Pichugin V., Zaitsev K., Khlusov I. Physical properties and biocompatibility of UHMWPE-derived mate-rials modified by synchrotron radiation // J. Mater Sci.: Mater Med. 2014. V. 25, № 8. P. 1843–1852. doi: 10.1007/s10856-014-5222-4.

14. Yaroshchuk A., Luxbacher T. Interpretation of electrokinetic measurements with porous films: role of electric conductance and streaming current within porous structure // Langmuir. 2010. V. 26, № 13. P. 10882–10889.

15. Dorozhkin S.V., Dorozhkina E.I., Epple M. A model system to provide a good in vitro simulation of biological minerali-zation // Crystal Growth & Design. 2004. V. 4, № 2. P. 389–395.

16. Trace Elements and Nanoparticles / I.A. Khlusov, G.B. Slepchenko, G.T. Dambaev, L.V. Zagrebin, S.S. Shestov, S.A. Antipov, T. A. Feduschak, M.Yu. Khlusova, O.V. Kokorev, A.Ye Yermakov, M.A. Uymin, A.M. Nekrasova. N. Y.: Nova Science Publishers Inc., 2011. 93 p.

17. Сосудистое и внутриорганное стентирование: руководство / под ред. Л.С. Кокова и др. М.: Изд. дом «ГРААЛЬ», 2003. 384 с.

18. Cai K., Frant M., Bossert J., Hildebrand G., Liefeith K., Jandt K.D. Surface functionalized titanium thin films: zeta-potential, protein adsorption and cell proliferation // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2006. V. 50. P. 1–8.

19. Hallab N., Merritt K., Jacobs J.J. Metal sensitivity in patients with orthopaedic implants // J. Bone Joint Surg. Am. 2001. V. 83A, № 3. P. 428–436.

20. Hubler R., Cozza A., Marcondes T.L., Souza R.B., Fiori F.F. Wear and corrosion protection of 316-L femoral implants by deposition of thin films // Surf. Coat. Technol. 2001. V. 1078. P. 142–144.

21. Mani G., Feldman M.D., Patel D., Agrawal C.M. Coronary stents: A materials perspective // Biomaterials. 2007. V. 28. P. 1689–1710.

22. Windecker S., Mayer I., De Pasquale G., Maier W., Dirsch O., De Groot P., Wu Y.P., Noll G., Leskosek B., Meier B., Hess O.M. Stent coating with titanium-nitride-oxide for re-duction of neointimal hyperplasia // Circulation. 2001. V. 104. P. 928–933.

23. Yi X., Nan H., Hong S. Blood Compatibility of Titanium Ox-ide Films Modified by Hydrogen Plasma Reduction // Journal of Inorganic Materials. 2008. V. 23, № 6. P. 1246–1252.

24. Hamdan M., Blanco L., Khraisat A., Tresguerres I.F. Influ-ence of titanium surface charge on fibroblast adhesion // Clin. Implant. Dent. Relat. Res. 2006. V. 8, № 1. P. 32–38.

25. Qiu Q., Sayer M., Kawaja M., Shen X., Davies J.E. Attach-ment, morphology, and protein expression of rat marrow stromal cells cultured on charged substrate surfaces // J. Bi-omed. Mater. Res. 1998. V. 42, № 1. P. 117–127.

26. Pilling D., Vakil V., Gomer R.H. Improved serum-free culture conditions for the differentiation of human and murine fibrocytes // J. Immunol. Methods. 2009. V. 351, № 1–2. P. 62–70.

27. Webb K., Hlady V., Tresco P. Relative importance of surface wettability and charged functional groups on NIH 3T3 fibro-blast attachment, spreading, and cytosquelette organization // J. Biomed. Mater. Res. 1998. V. 41. P. 422–430.

28. Kovacs P., Davidson G.A. Medical Applications of Titanium and its Alloys: The Material and Biological Issues. ASTM STP 1272 / ed. S.A. Brown and J.E. Lemons. Am. Society for Testing and Materials, 1996. P. 163–178.

29. Prime K.L., Whitesides G.M. Adsorption of proteins onto surfaces containing end-attached oligo(ethylene oxide): A model system using self-assembled monolayers // J. Am. Chem. Soc. 1993. V. 115. P. 10714–10721.

30. Ruardy T.G., Schakenraad J.M., Van der Mei H.C., Busscher H.J. Adhesion and spreading of human skin fibroblasts on physocochemically characterized gradient surfaces // J. Biomed. Mater. Res. 1995. V. 29. P. 1415–1423.

31. Hyde G.K., Stewart S.M., Scarel G., Parsons G.N., Shih C.C., Shih C.M., Lin S.J., Su Y.Y., Monteiro-Riviere N.A., Na-rayan R.J. Atomic layer deposition of titanium dioxide on cellulose acetate for enhanced hemostasis // Biotechnol. J. 2011. V. 6, № 2. P. 213–223. doi: 10.1002/biot.20100034.

32. Yang W.E., Hsu M.L., Lin M.C., Chen Z.H., Chen L.K., Huang H.H. Nano/submicron-scale TiO2 network on titanium surface for dental implant application // J. Alloys. Compd. 2009. V. 479, № 1–2. P. 642–647.

33. Demetrescu I., Pirvu C., Mitran V. Effect of nano-topographical features of Ti/TiO(2) electrode surface on cell response and electrochemical stability in artificial saliva // Bioelectrochemistry. 2010. V. 79, № 1. P. 122–129. doi: 10.1016/j.bioelechem.2010.02.001.

34. Ponsonnet L., Reybier K., Jaffrezic N., Comte F., Lagneau C., Lissac M., Martelet C. Relationship between surface proper-ties (roughness, wettability) of titanium and titanium alloys and cell behaviour // Materials Science and Engineering C. 2003. V. 23. P. 551–560.