Powłoka ochronna implantów metalowych

(PROJEKT NR P-133)

Choroby narządu ruchu stanowią obecnie jedno z najpoważniejszych zagrożeń dla zdrowia człowieka. Dzięki postępowi nauk medycznych możliwe jest jednak niwelowanie ich skutków, co w efekcie przekłada się na obserwowany gwałtowny wzrost zapotrzebowania na implanty. W szczególności rośnie popyt na implanty metalowe, które w skuteczny sposób przejmują zadania uszkodzonych kości, pozwalając na prawidłowe funkcjonowanie pacjentów w życiu codziennym. Dotyczy to nie tylko osób starszych, chorujących np. na osteoporozę, ale również coraz częściej osób młodych, które doznały kontuzji w wyniku uprawiania sportu. Dane statystyczne wskazują, że w tej grupie osób liczba złamań, których leczenie wymaga zastosowania implantów metalowych stale rośnie.

Najlepszymi metalowymi materiałami implantacyjnymi są obecnie stopy tytanu i platyna, jednak ze względu na wysoką cenę zakres ich stosowania jest ograniczony. Bardziej dostępną ekonomicznie alternatywą są implanty wykonane ze stopów metali nieszlachetnych, przede wszystkim ze stali nierdzewnej. Ich zastosowanie wiąże się jednak z poważnymi problemami, wynikającymi z niedostatecznej biokompatybilności oraz określonych właściwości fizykochemicznych.

Zabiegi chirurgiczne związane z umieszczeniem implantu metalowego wewnątrz organizmu są skomplikowane i niosą ryzyko odrzucenia implantu przez organizm. Na granicy implant-tkanka następuje szereg złożonych procesów, a w szczególności pojawia się problem przechodzenia do organizmu jonów metali wchodzących w skład implantu np. żelaza, chromu, niklu, tytanu, wanadu, glinu, kobaltu, molibdenu. Mechanizm samego zjawiska jest bezpośrednio powiązany z procesami korozyjnymi, którym sprzyja środowisko płynów fizjologicznych. Kinetyka uwalniania jonów metali z powierzchni implantu jest stosunkowo wolna, jednak biorąc pod uwagę długi czas przebywania implantu w organizmie (nawet do kilkunastu lat) ilość metali przechodzących do organizmu ma znaczenie dla zdrowia pacjenta. Jony metali w stężeniu większym niż dopuszczalne (np. dla żelaza: ok. 4,5 g/70 kg masy ciała pacjenta, dla chromu: ok. 6 mg/70 kg m.c., dla niklu: ok. 1 mg/70 kg m.c.) mogą powodować stan zapalny, odczyny alergiczne, a nawet zmiany nowotworowe. Uwalnianie jonów metali stanowi więc poważną przeszkodę dla długoterminowego zastosowania implantów stalowych.

W celu rozwiązania tego problemu podejmowane są próby modyfikacji powierzchni stali zarówno poprzez optymalizację obróbki powierzchniowej (np. polerowanie), jak i stosowanie specjalnych powłok ochronnych zabezpieczających przed korozyjnym działaniem płynów ustrojowych. Technologie nakładania powłok antykorozyjnych są jednak skomplikowane i kosztowne. Poszukuje się więc tańszych rozwiązań opartych o powłoki polimerowe. Pomimo intensywnych badań w tym zakresie dotychczas nie znaleziono satysfakcjonującego rozwiązania całkowicie hamującego lub znacznie ograniczającego proces uwalniania jonów metali do organizmu.

Przedmiotem oferty technologicznej jest wielowarstwowa polimerowa powłoka ochronna do zabezpieczania powierzchni metalicznych materiałów implantacyjnych przed procesami korozyjnymi i uwalnianiem jonów metali ciężkich z implantu do organizmu pacjenta. Powłoka składa się z warstwy pasywnej oraz kilku warstw polimerowych: silanowej (wewnętrznej) i parylenowej (zewnętrznej) oraz dodatkowo warstwy elastomerowej. Warstwa pasywna znajduje się pomiędzy powierzchnią implantu i warstwą silanową, a warstwa elastomerowa znajduje się na warstwie parylenowej. Warstwa pasywna i silanowa zapewniają dobrą adhezję powłoki parylenowej do podłoża. Warstwa parylenowa natomiast jest właściwą warstwą zabezpieczającą przed przechodzeniem jonów metali z powierzchni implantu do organizmu. Warstwa elastomerowa, ze względu na właściwości plastyczne, zapobiega powstawaniu pęknięć w krystalicznej i sztywnej warstwie parylenowej. Pokrywanie stali taką powłoką gwarantuje uzyskanie wysokiej jakości materiału implantacyjnego. Należy podkreślić, że po naniesieniu na implant warstwy będącej przedmiotem technologii właściwości użytkowe stali zostają zachowane, znacznie podnosi się natomiast poziom bezpieczeństwa medycznego, w szczególności korzystnych cenowo implantów stalowych.

Podstawowe zalety to:

• wysoka skuteczność ochrony powierzchni implantu przed korozyjnym działaniem płynów ustrojowych skutkująca znacznym ograniczeniem uwalniania jonów metali do organizmu;
• wysoka trwałość powłoki;
• prostota sposobu wytwarzania;
• relatywnie niska cena.

Cechy te zostały potwierdzone eksperymentalnie. Testy uwalniania jonów metali wykonane w inkubatorze laboratoryjnym, w środowisku płynu fizjologicznego symulującym warunki panujące wewnątrz ciała ludzkiego, wykazały, że zastosowanie powłoki ochronnej według wynalazku pozwala ograniczyć ilość jonów metali ciężkich uwalnianych z powierzchni stali o 50÷95% w stosunku do powierzchni niepokrytej.

Oferowany materiał jest przedmiotem zgłoszenia patentowego, w którym przedstawiono zarówno jego skład, sposób wytwarzania, jak i zakres zastosowania. Dalsze badania nad rozwojem przedstawionej technologii są prowadzone na Wydziale Chemii Uniwersytetu Jagiellońskiego, natomiast Centrum Innowacji, Transferu Technologii i Rozwoju Uniwersytetu poszukuje podmiotów zainteresowanych zarówno rozwijaniem technologii, jak i zastosowaniem materiałów.

Dalsze informacje:

dr inż. Gabriela Konopka-Cupiał                  Tel: 12 663 3832, faks: 12 663 3831

Specjalista ds. rozwoju projektów                                   Tel. kom.: 519 068 356

CITTRU, Uniwersytet Jagielloński        e-mail: gabriela.konopka-cupial@uj.edu.pl

____________________________________________________________________________________________________

Protective coating FOR metal implants

(PROJECT No. P-133)

Diseases of the musculoskeletal system have become one of the most serious threats to human health. Their effects can be minimised with the progress of medical science, which results in the observed rapid increase in demand for implants. In particular, the growing demand for metal implants is noticeable. They effectively take over the tasks of the bone and allow patients to participate in normal daily life activities. This applies not only to the elderly, e.g. affected by osteoporosis, but also quite often to young people who have suffered sports-related injuries. Statistics show that in this group an increasing number of fractures requires the use of metal implants in treatment.

The best metal materials available for implanting are currently titanium alloys and platinum; however, due to the high price the scope of their application is limited. Implants made of non-noble metal alloys, particularly of stainless steel, are a more available alternative. However, their use is associated with serious problems resulting from insufficient biocompatibility and several physical and chemical properties of the material.

Surgical procedures involving introduction of a metal implant into the body are complex and associated with the risk of implant rejection by the organism. On the border of implant-tissue a series of complex processes occur; in particular, there is a problem of migration of metal ions from the implant into the body, including iron, chromium, nickel, titanium, vanadium, aluminium, cobalt, molybdenum. The mechanism of this phenomenon is directly related to corrosion processes, which occur in the environment of physiological fluids. Kinetics of release of metal ions from the implant surface is relatively slow, but given the long life of the implant in the body (up to ten years or more) the quantity of metal passing into the body is significant for the patient's health. Metal ions in concentrations greater than the limit (e.g. for iron: about 4.5 g/70 kg body weight, chromium: ca. 6 mg/70 kg b.w., nickel: ca. 1 mg/70 kg b.w.) may cause inflammation, allergic reactions or even tumours. The release of metal ions is therefore a serious obstacle to long-term use of steel implants.

In order to solve this problem, the implant surface is modified, both by optimising the surface treatment (e.g. polishing) and by use of protective coating that prevent corrosive action of body fluids. However, anti-corrosion coating technologies are complex and costly. For this reason, low-cost solutions based on polymer layers are in request. Despite intensive research, an efficient solution that would completely or substantially inhibit the process of metal ions release into the body is still lacking.

The subject of the technology offer is a polymer multi-layer coating for protecting the surface of metal implant materials against corrosion processes and the release of heavy metal ions from the implant into the patient’s body. The coating consists of a passive layer and multiple polymer layers: silane (internal) and parylene (external) plus an additional layer of elastomer. The passive layer is between the implant surface and the silane layer, whereas the elastomeric layer is on parylene layer. Passive and silane layers provide good adhesion of parylene layer to the surface while parylene layer is the actual protective layer used to inhibit migration of metal ions from the implant surface into the body. Elastomeric layer, due to its plastic properties, prevents the crystalline and rigid parylene layer from cracking. Using the offered steel coating results in a high quality implantation material. Noteworthy, the useful properties of the metal itself are retained after coating, while the level of medical safety significantly increases, particularly referring to the affordable steel implants.

The main advantages are:

• highly effective protection against corrosion of the implant surface in the environment of body fluids resulting in a significant reduction of the release of metal ions into the body;
• high durability of the coating;
• simple manufacturing method;
• relatively low price.

Those features have been confirmed experimentally. Metal ion release laboratory tests performed in the incubator, in the environment simulating the physiological conditions inside the human body, have shown that the application of the protective coating described above can reduce the amount of heavy metal ions released from the steel surface by 50÷95% compared to the uncoated surface.

The polymer multi-layer is a subject of patent application, which covers both its composition, manufacturing method and the industrial applications. Further development of the invention is under progress at the Faculty of Chemistry of the Jagiellonian University in co-operation with Swerea KIMAB, a leading materials research institute in Sweden. Currently the Centre for Innovation, Technology Transfer and University Development is looking for entities interested both in technology development and its licensing and application.

Further information:

Gabriela Konopka-Cupiał                                             phone: +48 12 663 3832, fax: +48 12 663 3831

Project development manager                                    mobile:+48 519 068 356

CITTRU, Jagiellonian University                                  e-mail: gabriela.konopka-cupial@uj.edu.pl