Алмазоподібні вуглецеві покриття в ендопротезуванні (огляд літератури)

Based on literature data, the results of experimental studies and clinical application of diamond-like carbon (DLC) films as coatings of the endoprosthesis metal components are estimated. Most implants used in orthopedics and traumatology are made of various metals and their alloys. Being a long time in the human body, they exhibit certain cytotoxicity as a result of corrosion and migration of particles or metal ions. DLC coatings are considered as a promising material for use in orthopedic implants due to the unique combination of properties such as biocompatibility, hardness, chemical inertness, high wear resistance, corrosion resistance and electrical resistance, and low friction coefficient. In vitro studies has found that the surface of DLC coatings creates favorable conditions for the adhesion and growth of various cells in cultures, including fibroblasts, osteoblasts, macrophages, does not cause cytotoxicity and inflammatory reaction. The results of testing DLC films in vivo indicate their biocompatibility and the absence of inflammatory reactions in the animal’s body. The results of tribological studies concerning the influence of DLC on the wear of the friction pairs of orthopedic implants were controversial. Some studies have found that these coatings in the simulators of the hip and knee joints reduce to a minimum the wear, corrosion and release of metal ions from the metal base of implants. In this case, DLC coatings show a wide range of changes in the structure and properties of coatings, depending on the conditions of their application, which determines the ratio of atomic diamond sp3- and graphite sp2-bonds. Due to the high residual internal compressive stress, DLC exhibit a tendency to arbitrarily crack and flake, which can lead to the wear of the working surfaces of the friction pair and is a major problem for the widespread introduction of these coatings into orthopedic practice, since friction pairs working under heavy load conditions. One of the ways to solve this problem is to improve the technologies of their application on the basis and reduce the compressive stress in the synthesized coatings.
Основываясь на данных литературы, оценены результаты экспериментальных исследований и клинического применения алмазоподобных углеродных (diamond like carbon — DLC) пленок как покрытий металлических компонентов эндопротезов. Находясь длительное время в организме человека, имплантаты из металлов и их сплавов проявляют определенную цитотоксичность вследствие коррозии и миграции частиц или ионов металлов. DLC-покрытия рассматривают как перспективный материал для применения в ортопедических имплантатах благодаря уникальному сочетанию таких свойств, как биосовместимость, твердость, химическая инертность, высокие износо- и коррозионная стойкость, электросопротивление, низкий коэффициент трения. Экспериментально установлено, что поверхность DLC-покрытий создает благоприятные условия для адгезии и роста клеток в культурах фибробластов, остеобластов, макрофагов. Материал не вызывает цитотоксическою и воспалительную реакцию. Результаты тестирования DLC-покрытий in vivo указывают на их биосовместимость и отсутствие воспалительных реакций в организме животных. Противоречивыми оказались результаты трибологических исследований. Показано, что нанесение на имплантаты DLC-покрытий в симуляторах тазобедренного и коленного суставов снижает до минимума износ, коррозию и высвобождение ионов металлов. При этом структура и свойства DLC-пленок значительно варьируют в зависимости от условий получения, определяющим является соотношение атомных алмазных sp3- и графитовых sp2-связей. Из-за высокого остаточного внутреннего сжимающего напряжения DLC-покрытие могут растрескиваться и отслаиваться, что становится причиной износа рабочих поверхностей пары трения и является основным ограничением их широкого внедрения в ортопедическую практику, поскольку они работают в условиях значительных нагрузок. Один из путей решения этой проблемы — совершенствование технологий нанесения DLC-покрытий на основу и уменьшение в них сжимающего напряжения.
Ґрунтуючись на даних літератури, оцінено результати експериментальних досліджень і клінічного застосування алмазоподібних вуглецевих (diamond like carbon — DLC) плівок як покриттів металевих компонентів ендопротезів. Перебуваючи тривалий час в організмі людини, імплантати з металів та їхніх сплавів проявляють певну цитотоксичність унаслідок корозії та міграції часток або іонів металів. DLC-покриття розглядають як перспективний матеріал для застосування в ортопедичних імплантатах завдяки унікальному поєднанню таких властивостей, як біосумісність, твердість, хімічна інертність, високі зносо- та корозійна стійкість, електроопір, низький коефіцієнт тертя. Експериментально встановлено, що поверхня DLC-покриттів створює сприятливі умови для адгезії та росту клітин у культурах фібробластів, остеобластів, макрофагів. Матеріал не спричинює цитотоксичну та запальну реакцію. Результати тестування DLC-покриттів in vivo вказують на їхню біосумісність і відсутність запальних реакцій в організмі тварин. Суперечливими виявилися результати трибологічних досліджень. Показано, що нанесення на імплантати DLC-покриттів у симуляторах кульшового і колінного суглобів знижує до мінімуму зношування, корозію та вивільнення іонів металів. При цьому структура та властивості DLC-плівок значно варіюють залежно від умов отримання, визначальним є співвідношення атомних алмазних sp3- і графітових sp2-зв’язків. Через високе залишкове внутрішнє стискальне напруження DLC-покриття можуть розтріскуватися та відшаровуватися, що стає причиною зношування робочих поверхонь пари тертя та є основним обмеженням їхнього широкого впровадження в ортопедичну практику, оскільки вони працюють в умовах значних навантажень. Один із шляхів розв’язання цієї проблеми — удосконалення технологій нанесення DLC-покриттів на основу і зменшення в них стискального напруження.