Способ придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ПРИДАНИЯ АНТИБАКТЕРИАЛЬНЫХ СВОЙСТВ ИЗДЕЛИЮ МЕДИЦИНСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ(71) Заявитель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(72) Авторы Рогачев Александр Владимирович Тапальский Дмитрий Викторович Ярмоленко Максим Анатольевич Рогачев Александр Александрович Ярмоленко Ольга Альфредовна Бойцова Наталья Юрьевна(73) Патентообладатель Учреждение образования Гомельский государственный университет имени Франциска Скорины(57) 1. Способ придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения,включающий активационную обработку поверхности изделия в плазме тлеющего разряда,воздействие электронным лучом в вакууме на мишень, плавление и разрушение мишени под действием электронов, осаждение продуктов разрушения мишени на поверхности изделия, отличающийся тем, что в качестве мишени используют нитрат или ацетат серебра,или механическую смесь, содержащую нитрат, или ацетат, или оксид серебра и полиэтиленгликоль или поливинилпирролидон, при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.нитрат, или ацетат, или оксид серебра 30-70 полиэтиленгликоль или поливинилпирролидон 30-70,осаждение продуктов разрушения мишени осуществляют после полного расплавления мишени с образованием однородного расплава. 17017 1 2013.04.30 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что массу мишени из нитрата серебра выбирают с обеспечением формирования расплава толщиной 1-2 мм. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что осаждение продуктов разрушения мишени из нитрата серебра осуществляют после образования однородного расплава характерного черного цвета. Изобретение относится к способам придания антибактериальных свойств изделиям,преимущественно медицинского назначения (имплантаты, эндопротезы, перевязочные материалы), изготовленным из высокомолекулярных природных, синтетических, а также металлических материалов, за счет формирования на их поверхности наночастиц серебросодержащего антибактериального вещества и может быть использовано в производстве медицинских изделий. Известен способ придания высокой антибактериальной активности медицинскому изделию, в частности катетеру, путем формирования двухслойного покрытия, нижний слой покрытие серебра, формируемое путем окунания катетера в водные растворы солей серебра с последующей стабилизацией металла (или применение вакуумных способов осаждения серебра путем распыления). Верхний - полимерный слой с распределенными внутри него антибактериальными веществами (хлоргексидин). При этом на стадии нанесения полимерного слоя осуществляют импрегнирование полимера путем перемешивания водных и безводных растворов полимера и химиопрепарата 1. Полимерный слой контролирует скорость высвобождения антибактериального химиопрепарата, а также ионов серебра в организм. Композиционный серебросодержащий полимерный слой (полимерный слой с распределенными внутри него частицами серебра) формируют в процессе плазменной полимеризации органических соединений. Металл осаждают из газовой фазы как в процессе испарения, так и в процессе распыления (магнетронное осаждение) 2. Способ позволяет наносить покрытия из оксидов, боридов, нитридов, сульфидов и галогенов металлов. Основным недостатком данного способа является многостадийность обработки, требующая больших временных затрат. Эффективны способы введения солей серебра (сульфадиазин, хлорид серебра и др.) в гелеобразную матрицу с целью придания высоких антибактериальных свойств раневым перевязочным материалам или в матрицу, представляющую гидрофильный или анионный полимер 3. Гелеобразные композиции эффективно могут использоваться лишь для обработки перевязочных материалов. Обработка медицинских имплантатов неэффективна в связи с низкой адгезией к поверхности имплантата. При этом получение антибактериального геля - процесс достаточно сложный и многостадийный Наиболее близким к предлагаемому способу является способ придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения путем активационной обработки поверхности изделия в плазме тлеющего разряда, воздействия электронным лучом в вакууме на мишень, плавления и разрушения мишени под действием электронов и осаждения продуктов разрушения мишени на поверхности изделия 4. Кроме того, мишень представляет собой механическую смесь порошков полиуретана и антибактериального вещества. В качестве антибактериального вещества берут ципрофлоксацин или диоксидин. Недостатком указанного способа придания изделию антибактериальных свойств является недостаточная эффективность обработки металлических изделий (низкая адгезия ан 2 17017 1 2013.04.30 тибактериального полимерного слоя к металлической подложке), а также существование устойчивых к действию ципрофлоксацина патогенных микроорганизмов. Задачей предлагаемого способа является создание способа придания изделию антибактериальных свойств за счет использования серебросодержащего вещества. Технический результат, достигаемый заявляемымспособом возможность придания высоких антибактериальных свойств изделиям любой формы и на основе любого материала формирование наночастиц серебра в покрытии, обеспечивающих высокую бактерицидную активность по отношению ко всем клинически значимым микроорганизмам, являющимися причиной послеоперационных осложнений, независимо от их чувствительности/устойчивости к антибактериальным препаратам обеспечение высокой адгезии серебросодержащего вещества с поверхностью изделия отсутствие резистентности микроорганизмов к наносимому антибактериальному покрытию обеспечение стерильности при формировании покрытия возможность придания антибактериальных свойств готовым изделиям. Заявляемый технический результат достигается тем, что в способе придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения, включающем активационную обработку поверхности изделия в плазме тлеющего разряда, воздействие электронным лучом в вакууме на мишень, плавление и разрушение мишени под действием электронов,осаждение продуктов разрушения мишени на поверхности изделия, в качестве мишени используют нитрат или ацетат серебра, или механическую смесь, содержащую нитрат,или ацетат, или оксид серебра и полиэтиленгликоль или поливинилпирролидон, при следующем соотношении компонентов в смеси, мас.нитрат, или ацетат, или оксид серебра 30-70 полиэтиленгликоль или поливинилпирролидон 30-70,осаждение продуктов разрушения мишени осуществляют после полного расплавления мишени с образованием однородного расплава. Кроме того, массу мишени из нитрата серебра выбирают с обеспечением формирования расплава толщиной 1-2 мм. Кроме того, осаждение продуктов разрушения мишени из нитрата серебра осуществляют после образования однородного расплава характерного черного цвета. Сущность заявляемого способа заключается в следующем. При воздействии электронного луча на нитрат серебра или на механическую смесь нитрата серебра и полиэтиленгликоля или поливинилпирролидона в вакуумной камере происходит достаточно быстрое расплавление соли, при этом сначала образуется бесцветный расплав. По мере повышения давления в вакуумной камере происходит интенсивная десорбция абсорбированных порошком влаги и низкомолекулярных летучих веществ. Под действием потока электронов цвет расплава становится черным (непосредственное плавление соли серебра). Расплав начинает бурно кипеть. Формируется газовый поток, состоящий из продуктов терморадиационного разложения соли, при этом наночастицы серебра,формируемые непосредственно в мишени, увлекаются газовым потоком в направлении подложки. Если толщина расплава менее 1 мм, то под действием терморадиационного воздействия происходит быстрое восстановление серебра из расплава. Если толщина расплава превышает 2 мм, то в результате интенсивного кипения резко возрастает доля капельной фазы переносимой в покрытие, что снижает качество покрытия (фиг. 1). В капельном образовании помимо наночастиц серебра присутствует значительная доля исходной соли 17017 1 2013.04.30 Следствием электронно-лучевого воздействия в вакуумной камере на ацетат серебра является быстрое разложение соли с образованием газовой фазы. Газовая фаза в первую очередь формируется продуктами разложения, такими как , 2, 2, 3. Формирование наночастиц серебра как в процессе электроннолучевого диспергирования расплава нитрата серебра, так и на поверхности подложки подтверждается результатами спектроскопических исследований (фиг. 2). Низкомолекулярные соединения, продукты терморадиационного разложения ацетата серебра не конденсируются и откачиваются вакуумными насосами. Использование ацетата и нитрата серебра в заявляемом способе придания антибактериальных свойств изделию обеспечивает образование на поверхности изделия наночастиц серебра (фиг. 3). Оксид серебра 2 может быть использован только в механической смеси с полиэтиленгликолем или поливилпиролидоном. Это объясняется тем, что при электроннолучевом воздействии в вакууме на порошок оксида серебра 2 в мишени происходит восстановление металла, что делает невозможным формирование необходимого покрытия для придания антибактериальных свойств медицинскому изделию. Средний размер частиц серебра, формируемых указанными выше способами, - 30 нм. Заявляемый способ поясняется фигурами. Фиг. 1 - ИК-спектры нитрата серебра и покрытия на его основе. Фиг. 2 - спектр поглощения покрытия, сформированного с использованием ацетата серебра. Фиг. 3 - результаты АСМ исследований покрытий на основе нитрата серебра, сформированных до образования расплава, имеющего характерный черный цвет. Фиг. 4 - результаты электронной просвечивающей микроскопии покрытия, сформированного с использованием смеси нитрата серебра и полиэтиленгликоля. Фиг. 5 - схема взаимного расположения зоны воздействия электронного луча на мишень и осаждение продуктов разрушения мишени на поверхности изделия. Осуществление заявляемого способа придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения поясняется схемой взаимного расположения зоны воздействия электронного луча на мишень и осаждение продуктов разрушения мишени на поверхности изделия (фиг. 5), на которой представлены 1 - вакуумная камера, 2 - электронная пушка, 3 - электронный луч, 4 - мишени, 5 - механизм подачи мишеней в зону воздействия электронного луча, 6 - заслонка, 7 - сетчатый электрод, 8 - держатели изделий (для обработки рулонных материалов и отдельных изделий). Заявляемый способ придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения осуществляют следующим образом. Мишени, представляющие собой механические смеси нитрата, или ацетата, или оксида серебра и полиэтиленгликоля или поливинилпиролидона, берут при следующем соотношении компонентов в смеси нитрат, или ацетат, или оксида серебра 30-70 полиэтиленгликоль или поливинилпиролидон 30-70. В вакуумной камере 1 на держателях 8 размещают изделия. В зависимости от вида изделий используют либо держатели изделий планетарного типа, либо держатели изделий для перемотки рулонных материалов. Отдельные изделия (имплантаты) перед размещением в вакуумной камере предварительно обрабатывают в спирте с целью антисептической обработки. Количество изделий, размещаемых в вакуумной камере 1, зависит от ее размеров. При реализации способа придания изделиям медицинского назначения антибактериальных свойств изделия в вакуумной камере не должны затенять друг друга. После размещения изделий устанавливают мишень 4 или при наличии механизма подачи мишеней в зону воздействия электронного луча 5 - несколько мишеней 4. Наличие механизма подачи мишеней в зону воздействия электронного луча 5 позволяет проводить 4 17017 1 2013.04.30 непрерывную обработку рулонных материалов. Осуществляют откачку вакуумной камеры 1 до давления 1-10 Па. На сетчатый электрод 7 подают переменное низкочастотное напряжение относительно заземленных частей держателей изделий 8 и осуществляют активацию поверхности изделий. Одновременно с приложением низкочастотного напряжения включают механизм вращения держателей изделий 8. Это позволяет проведению более равномерной плазменной обработки изделий при использовании держателей изделий планетарного типа и проведению активационной обработки всего рулонного материала. После активационной обработки проводят откачку вакуумной камеры 1 до рабочего давления 10-3 Па. Включают питание электронной пушки 2 и электронным лучом 3 воздействуют на мишень 4. Если для придания медицинскому изделию антибактериальных свойств выбран нитрат серебра, то следят за тем, чтобы в результате воздействия электронного луча толщина расплава мишени составляла 12 мм, воздействие электронным лучом на мишень продолжают до полного расплавления мишени и до последующего формирования однородного расплава черного цвета. Включают вращение держателей изделий 8 и под действием электронов осуществляют осаждение продуктов разрушения мишени, представляющих собой формируемый на поверхности изделия слой наночастиц серебра. Изделие приобретает антибактериальные свойства. Если для придания антибактериальных свойств медицинскому изделию выбраны оксид серебра или механическая смесь оксида серебра и полиэтиленгликоля, или поливинилпирролидона, то воздействие электронным лучом на мишень продолжают до получения однородного расплава мишени. Формируемый слой, придающий антибактериальные свойства изделию, представляет собой полимерную матрицу с распределенными внутри нее наночастицами серебра. После осаждения продуктов разрушения мишени производят отключение вращения держателей изделий, осуществляют напуск в вакуумную камеру 1 атмосферы и извлекают изделия. При наличии специального вакуумного оборудования упаковку можно проводить без полной разгерметизации вакуумной камеры. Пример осуществления способа. Для придания антибактериальных свойств была выбрана марля медицинская отбеленная гигроскопическая ГОСТ 9412-93, которую поместили в вакуумную камеру ВУ-2 МП 1 (фиг. 5). В качестве мишеней 4, подвергаемых электронно-лучевому диспергированию, использовали механическую смесь оксида серебра и полиэтиленгликоля при соотношении компонентов в смеси в мас.- 50-50 соответственно. Масса мишени составляла 0,6 г. В вакуумной камере 1 разместили рулон на держателе изделий 8. Длина обрабатываемого материала - 15 м, количество слоев - 2. На механизме подачи мишеней 5 размещали мишени 4 механической смеси оксида серебра и полиэтиленгликоля. Вакуумную камеру 1 закрыли и осуществили откачку до давления 1 Па. На сетчатый электрод 7 подали переменное низкочастотное напряжение относительно заземленных частей держателей изделий 8 (1000 Гц). Одновременно с приложением низкочастотного напряжения включили механизм вращения держателей изделий 8. Активационную обработку проводили при токе разряда 20 мА. Скорость перемотки материала - 1 м/мин. После активационной обработки отключили напряжение,подаваемое на сетчатый электрод 7, отключили механизм вращения держателей изделий 8 и произвели откачку вакуумной камеры 1 до давления 10-3 Па. При достижении давления в вакуумной камере 10-3 Па включили питание электронной пушки 2. Электронным лучом 3 воздействовали на мишень 4. Параметры электроннолучевого диспергирования плотность тока 50500 А/м 2, энергия частиц 0,12,5 кэВ,5 17017 1 2013.04.30 площадь пятна (15)10-4 м 2. Расстояние от держателя изделий 8 до мишени 4-10 см. При появлении в зоне действия электронного луча на мишень 4 однородного расплава включили вращение держателя изделий 8. После полного разрушения под действием электронов мишени 4 (электронно-лучевого испарения содержимого мишени), отключили перемотку материала. Электронным лучом 3 воздействовали на следующую мишень 4. После полного разрушения всех мишеней питание электронной пушки 2, вращение держателя изделий 8 отключили и осуществили напуск атмосферы в вакуумную камеру 1,материал извлекли и упаковали в герметичные контейнеры. В результате получили перевязочный материал, содержащий композиционный слой, в полимерной матрице которого расположены частицы серебра, придающие антибактериальные свойства материалу. Пример 2. Для придания антибактериальных свойств были выбраны имплантаты, используемые при проведении краниопластических операций. Пять имплантатов перед размещением в вакуумной камере 1 обработали в спирте с целью антисептической обработки и разместили их на держателях изделий 8. Для придания имплантатам антибактериальных свойств был выбран порошок нитрата серебра. Масса мишени 4 порошка нитрата серебра составляла 0,3 г. Мишень 4 поместили в вакуумную камеру 1, заслонку 6 установили в положение закрыто. Масса мишени была выбрана исходя из следующих соображений необходимостью придания высоких антибактериальных свойств всем поверхностям имплантатов необходимостью формирования под действием электронного луча расплава толщиной 12 мм. Вакуумную камеру 1 закрыли и осуществили откачку до давления 1 Па. На сетчатый электрод 7 подали переменное низкочастотное напряжение относительно заземленных держателей 8 изделий (1000 Гц) и осуществили активацию поверхности имплантатов при токе разряда 35 мА в течение 30 мин. Одновременно с приложением низкочастотного напряжения включили механизм вращения держателей изделий 8. После активационной обработки отключили напряжение, подаваемое на сетчатый электрод 7, отключили механизм вращения держателей изделий 8 и произвели откачку вакуумной камеры 1 до давления 10-3 Па. При достижении давления в вакуумной камере 10-3 Па включили питание электронной пушки 2. Электронным лучом 3 воздействовали на мишень. Параметры процесса нанесения аналогичны параметрам, представленным в примере 1. После образования под действием электронов кипящего расплава характерного черного цвета заслонку перевели в положение открыто. Одновременно с открытием заслонки включили вращение держателя изделий 8. Плотность тока луча регулировали таким образом, чтобы отсутствовало бурное кипение расплава, сопровождающееся интенсивным разбрызгиванием материала мишени. После осаждения продуктов разрушения мишени 4 отключили питание электронной пушки 2, вращение держателя изделий 8 и осуществили напуск атмосферы в вакуумную камеру 1. После напуска имплантаты, содержащие на поверхности наночастицы серебра,извлекли и упаковали в герметичные контейнеры. Пример 3. Для придания антибактериальных свойств были выбраны сетчатые эндопротезы, применяемые в герниопластике. В качестве материала мишени использовали ацетат серебра массой 0,3 г. Последовательность действий и параметры процесса придания антибактериальных свойств сетчатым эндопротезам аналогичны параметрам, представленным в примере 1. Пример 4. Придание антибактериальных свойств осуществляли имплантатам, применяемым в аллопластике (хирургия грыж брюшной стенки), в вакуумной камере ВУ-2 МП. 6 17017 1 2013.04.30 В качестве материала мишени использовали механическую смесь порошков ацетата серебра и поливинилпирролидона при соотношении компонентов в мас.- 70-30 соответственно. В результате получили эндопротезы, содержащие на поверхности полимерную матрицу с распределенными внутри нее наночастицами серебра, придающими антибактериальные свойства эндопротезам. Пример 5. Антибактериальные свойства придавали шовному материалу в вакуумной камере ВУ 2 МП. Для этого шовный материал разместили на держателях изделий рулонного типа 8. Нити на рулоне укладывали в один ряд количество нитей в ряду - 15, среднее расстояние между ними - 1 мм. В качестве мишени использовали механическую смесь нитрата серебра и полиэтиленгликоля при соотношении компонентов в мас.- 30-70 соответственно. Масса мишени составляла 0,6 г. Получили шовный материал, на поверхности которого содержались наночастицы серебра. Для определения антибактериальной активности сформированных покрытий образцы медицинских изделий (марля), полученные в результате осуществления заявляемого способа, с соблюдением асептики нарезали на квадраты размером 1515 мм (масса около 25 мг). Готовили ряд пробирок с 5 мл триптиказо-соевого бульона и вносили в них суточные культуры микроорганизмов до конечных концентраций 105, 106, 107, 108 и 109 микробных клеток/мл. Концентрацию микроорганизмов контролировали с помощью денситометра в единицах оптической плотности по . Тестировали бактериальные культуры 25923 (антибиотикочувствительный), .35591 (метициллинрезистентный), .25922 (антибиотикочувствительный), .-3 (продуцирующий бета-лактамазу расширенного спектра ),13883 (антибиотикочувствительный), .700603 (продуцирующий бета-лактамазу расширенного спектра ),27853 (антибиотикочувствительный), . 257(мультиантибиотикорезистентная, продуцирующая метало-бета-лактамазу),13311,29930,10231, .6258. Затем в пробирки помещали образцы с приобретенными антибактериальными свойствами (покрытиями), встряхивали их на шейкере в течение 30 мин. Посевы инкубировались 24 ч при 37 С, наличие роста оценивалось визуально и по оптической плотности с помощью денситометра. Для изучения устойчивости бактерицидного эффекта сформированных тонких пленочных покрытий к вымыванию проводили циклическую отмывку образцов стерильным подогретым до 37 С изотоническим раствором хлорида натрия. Проведено исследование четырех образцов с различным количеством циклов отмывки образец 1 - 5 циклов, образец 2 - 10 циклов, образец 3 - 20 циклов, образец 4 - 40 циклов. После выполнения отмывки, исследуемые образцы вносили в пробирки с 5 мл стерильного бульона МюллераХинтона (МНВ), встряхивали на шейкере в течение 5 мин для лучшей диффузии наночастиц с поверхности образцов в питательную среду. В качестве контроля дополнительно использовали МНВ с образцом, не подвергавшимся отмывке, и МНВ без образца (контроль роста). В пробирки автоматической пипеткой вносили 100 мкл бактериальной суспензии .25923 (посевная доза составила 1,5107 микробных клеток). Посевы инкубировали 24 ч при температуре 37 С. Наличие роста оценивали визуально по проявлению диффузного помутнения. Выявлено выраженное бактерицидное действие изделий, которым придали антибактериальные свойства заявляемым способом в отношении всех тест-культур. Антибактериальный эффект связан с диффузией наночастиц серебра в питательную среду. Рост .-3, . АТСС 27853, . 257 и .7 17017 1 2013.04.30 29930 отсутствовал в пробирках с исходной концентрацией микроорганизмов от 105 до 108 клеток/мл. Для .25923 и .25922 бактерицидный эффект отмечен при исходных концентрациях микробных клеток от 105 до 107 в 1 мл. Для остальных тест-культур бактерицидный эффект отмечен при исходных концентрациях микробных клеток от 105-106 в 1 мл, при исходной концентрации 107 клеток/мл бактерицидный эффект отсутствовал, но оптическая плотность бактериальной суспензии не увеличивалась после 24 ч инкубации (бактериостатический эффект). Получен рост микроорганизмов в отрицательном контроле (МНВ). Результаты определения устойчивости антибактериального эффекта, полученные при многократных циклических отмывках образцов в изотоническом растворе хлорида натрия,представлены в таблице. Устойчивость антибактериального эффекта покрытий в опыте с циклическим вымыванием Серии Покрытие на основе Примечаниеналичие роста, - - отсутствие роста. Из приведенных примеров осуществления заявляемого способа придания антибактериальных свойств изделию медицинского назначения можно сделать вывод о том, что заявляемый способ обеспечивает придание высоких антибактериальных свойств изделиям любой формы и на основе любого материала, а также на готовых изделиях. Заявляемый способ обеспечивает формирование в осаждаемых под действием электронов продуктах разрушения мишени наночастиц серебра, что в свою очередь придает изделию антибактериальные свойства, не вызывает резистентность микроорганизмов к антибактериальному веществу. Кроме того, обеспечена стерильность при осуществлении способа, так как все операции способа осуществляют в вакуумной камере. Высокая адгезия осаждаемых продуктов разрушения мишени, содержащих наночастицы серебра или полимерную матрицу с распределенными внутри нее наночастицами металла (серебра), объясняется свойствами самих наночастиц серебра (высокой поверхностной энергией), а также наличием полярных групп у полимерной матрицы. Источники информации 1.2003176827, МПК 61 13/00, 2003. 2.6238686, МПК 01 59/16, 2001. 3.6468521, МПК 01 15/44, 2002. 4. РБ 13256, МПК 08 7/00, 2010 (прототип). Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 9