Development of a new silicon carbide coating for protection from dentures biodegradation

Full Text

Биодеструкция полимерных материалов является предметом пристального изучения в нефтехимиче- ской, лесотехнической, строительной отраслях, пе- реработке и утилизации бытовых отходов, водопод- готовке и т.д. Термин "биологическая деструкция" отражает процессы разложения и превращения био- деструкторами органического материала в неорганический, сопровождающиеся освобождением энергии [1, 2]. Основными биологическими агентами, которые осуществляют биодеструкцию, являются микроорга- низмы, которые обладают огромным разнообразием ферментных систем и лабильностью метаболизма [3]. Без использования различных полимерных материа- лов медицинского назначения трудно представить со- временную медицину [4, 5]. Воронов Игорь Анатольевич (Voronov Igor Anatolievich), e-mail: voronov77@mail.ru Наименее изученным вопросом остается микроб- ная биодеструкция полимерных материалов меди- цинского назначения. Разветвленность полимера оказалась важным фактором, влияющим на био- деструкцию: с увеличением разветвленности резко ухудшается усвоение полимера грибами и бактерия- ми [6]. В отличие от простого растворения гидролити- ческое разрушение полимерных материалов, по- видимому, является основным процессом биоде- струкции. Это связано в первую очередь с высокой химической активностью жидких сред организма, на- личием в них разнообразных биологических катали- заторов (ферментов), длительностью контакта поли- мера с живым организмом. Наличие в организме сред от сильнокислых до щелочных значений pH создает предпосылки весьма разнообразных гидролитиче- ских превращений в полимерных материалах [7]. Од- ним из важнейших моментов в судьбе биосовмести- мых полимеров, находящихся в организме, является процесс удаления из него продуктов биодеструкции полимеров - метаболитов [8]. Удаление образовавшихся продуктов из зоны им- плантации полимерного материала (его постепенное рассасывание в тканях организма) может быть объяс- нено повышением растворимости продуктов биоде- струкции в жидких средах. Кроме того, уменьшение молекулярной массы полимера сопровождается сни- жением физико-механических характеристик матери- ала (растрескивание, фрагментация), что приводит к ускорению диффузионных процессов, а также облег- чает поглощение материала фагоцитами [9]. Поэтому нами была предложена методика нанесения нанопо- крытия из карбида кремния для изоляции базиса про- тезов от бактерий. В связи с уникальным комплексом свойств кар- бидокремниевой конструкционной керамики во- просы ее получения и изучения находятся в центре внимания исследователей и технологов как в России [10-12], так и за рубежом [13-16]. Наряду с разработ- кой керамических материалов на основе Sic активно ведутся работы по получению карбидокремниевых покрытий, обладающих высокой химической инер- тностью, радиационной стойкостью, однородно- стью, износостойкостью, механической прочностью и хорошей адгезией к ряду материалов при высоких температурах. Нами разработан способ получения карбидокремниевых пленок с высокими технически- ми параметрами на основе взаимодействия кремния и углерода, образовавшегося при расщеплении моле- кул углеводорода, и нанесения его на пластмассы с помощью ионно-плазменного напыления. Покрытие получило название «Панцирь». Наши исследования структуры и свойств карбидо- кремниевого покрытия «Панцирь» (заявка на патент № 2013127770 от 19 июня 2013 г.) на различных под- ложках в зависимости от условий их получения по- казали, что в ряде случаев по новой методике форми- руются наноструктурированные слои, которые могут хорошо защищать материалы от биодеструкции. Цель исследования - сравнительная характеристи- ка защиты новым покрытием «Панцирь» образцов стоматологической полиметилметакрилатной пласт- массы «Фторакс АО Стома», Украина, для базисов протезов непокрытой и покрытой покрытием «Панцирь» при взаимодействии со Staphylococcus aureus как наиболее значимым микроорганизмом в развитии воспалительных процессов в полости рта. Материал и методы Изучено 12 образцов «Фторакс» контрольных (необрабо- танных) в виде пластин размером 10×10×3 мм, изготовлен- ных строго по инструкции. Образцы не подвергались поли- ровке. 8 образцов «Фторакс» с покрытием карбидом кремния слабым (600 нм). 8 образцов «Фторакс» с покрытием карбидом кремния средним (400 нм). 8 образцов «Фторакс» с покрытием карбидом кремния сильным (200 нм). Для работы были использованы суточные бульонные культуры бактерий в концентрации 104 кл/мл в питательном бульоне Luria-Bertani. Культуры микроорганизмов были предоставлены лабораторией генной инженерии патогенных микроорганизмов ФГБУ НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России (зав. лабораторией - акад. РАМН, проф. A.Л. Гинцбург). Данный раздел работы был выполнен на базе лаборатории анатомии микроорганизмов ФГБУ НИИЭМ им. Н.Ф. Гамалеи Минздрава России (зав. лабораторией, д-р мед. наук Л.B. Диденко). Был использован метод сканирующей электронной микроскопии - использовали двулучевой сканирующий электронный микроскоп Quanta 200 3D (FEI company, США) и напылительную установку SPEI (США). Источник напыления - золотой диск (проба золота 999). протокол опыта В питательный бульон с суточной культурой ста- филококка помещали образцы пластмасс размером 10×10×3 мм. Инкубировали при 37оС. Исследование образцов проводили в сроки 24 и 48 ч 7 и 18 сут с помощью двулучевого сканирующего электронного микроскопа Quanta 200 3D (FEI company, США). У контрольного образца пластмассы «Фторакс» поверхность характеризовалась как шероховатая с небольшими по площади относительно гладкими участками и участками с выступающими гребнями, ложбинами, крошками (рис. 1). Анализ поверхностей образцов из пластмассы «Фторакс» с разными вариантами покрытия «Панцирь» показал существенные морфологические различия и отличия от рельефа поверхности образцов «Фторакс» без обработки. В свою очередь сравнительный анализ поверхности образцов «Фторакс» с разными вариантами покрытия карбидом кремния позволил выявить различия в структуре их поверхностей. При слабом покрытии рельеф представляет собой совокупность разных размеров плоских частиц и крошковидного материала разной величины, между частицами выявлялись пространства, которые при малых увеличениях выглядят как трещины. При среднем и особенно при сильном покрытии рельеф поверхности сглаживается и пространства между частицами, формирующими рельеф поверхности, уже не выглядят, как трещины и глубокие пространства. При среднем покрытии количество мелких крошковидных структур резко уменьшается, и практически полностью эти крошки отсутствуют при сильном покрытии (рис. 2). Рис. 1. "Фторакс" контроль. Г - гладкая поверхность, Ш - шероховатая. Рис. 2. "Фторакс с покрытием карбидом кремния". Рис. 3. Инкубация со Staphylococcus aureus, контрольных образцов "Фторакс". а - 24 ч, б - 48 ч, в - 7 сут, г - 18 сут. Рис. 4. "Фторакс" с керамическим покрытием инкубация со Staphylococcus aureus 7 сут. Рис. 5. "Фторакс" с керамическим покрытием инкубация со Staphylococcus aureus 18 сут. При инкубации образцов «Фторакс» без обработки со стафилококком уже на ранних сроках (24 и 48 ч) бактерии адгезировались к поверхности, формирова- ли микроколонии; на поверхности которых неболь- шими участками визуализировался экзополисахарид- ный матрикс (рис. 3, а). К 7-м суткам инкубации на поверхности образца появлялись биопленки, и уже к 18-м суткам практически на всей поверхности вы- являлись преимущественно только биопленки (рис. 3, б). На сроке 7 сут выявлялись участки поверхности, рельеф которых свидетельствовал о том, что они об- разовались в результате воздействия стафилококков (пластинчатая десквамация). К 18-м суткам инкуба- ции количество таких участков возрастало и появля- лись глубокие трещины в непосредственной близости к биопленкам (рис. 3, б). На сроке инкубации 7 сут в образцах «Фторакса» с покрытием» Панцирь» адгезия и формирование микроколоний стафилококком наблюдались только в отдельных участках поверхности, как правило, в углублениях между отдельными выступающими над поверхностью крошковидными структурами. Также колонизация поверхности происходила на относи- тельно гладкой поверхности этих же крошковидных частиц. Следует отметить, что при слабом керами- ческом покрытии участков поверхности, на которых обнаруживались бактерии, было значительно боль- ше, чем при среднем и сильном покрытии (рис. 4). На сроке инкубации 18 дней на практически всей поверхности всех изученных образцов выявлялись ад- гезированные бактерии и микроколонии. Основным отличием от контрольных образцов из пластмассы «Фторакс» было практическое отсутствие биопленки и образовывания очагов биодеструкции на образцах с покрытием «Панцырь» (рис. 5). Заключение Образцы с покрытием из пластмассы «Фторакс», покрытые «Панцирем», относительно необработан- ных образцов «Фторакс» хуже колонизируются ста- филококками и не подвергаются биодеструкции. На поверхности контрольных, не обработанных кера- мическим покрытием образцов из пластмассы «Фто- ракс» стафилококки образовывали биопленки. Эти образцы подвергались биодеструкции.

About the authors

Igor Anatolievich Voronov

MSMSU them. A.I. Evdokimov

Email: voronov77@mail.ru
Department comprehensive dentures

E. A Mitrofanov

«Research Institute of Vacuum Technology. S.A. Vekshinsky»

A. L Kalinin

«Research Institute of Vacuum Technology. S.A. Vekshinsky»

S. B Semakin

«Research Institute of Vacuum Technology. S.A. Vekshinsky»

L. V Didenko

Gamaleya Research Institute for Epidemiology and Microbiology

G. A Avtandilov

Gamaleya Research Institute for Epidemiology and Microbiology

References

Supplementary files