Плазменная обработка медицинских изделий из полиуретана не только упрочняет их поверхность, но и повышает антибактериальные свойства. В исследованиях перспективной технологии участвует целый ряд институтов Уральского отделения (УрО) РАН: Институт механики сплошных сред УрО РАН, Институт электрофизики УрО РАН, Институт экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН, Институт технической химии УрО РАН и Пермский государственный национальный исследовательский университет.

Одним из перспективных методов модификации материалов является плазменная обработка. Она увеличивает их твердость, износостойкость, снижает адгезию, то есть прилипание, таких бактерий как стафилококк и кишечная палочка. Однако деформация может привести к растрескиванию поверхности модифицированного пластика из-за повышенной жесткости. Такие изменения провоцируют рост бактерий до величин, превышающих их количество на необработанных материалах. Фактором роста бактерий становятся протяженные дефекты рельефа – трещины и складки. Эта опасность особенно очевидна для медицинских изделий из упругих полиуретанов, которые испытывают большие деформации при использовании: грудных имплантов, межфаланговых протезов, катетеров.

В ходе исследования, проведенного уральскими учеными, поверхность полиуретановых образцов была обработана плазменной имплантацией ионов азота с энергией от 0,1 до 3 кэВ, после чего проводилось механическое нагружение образцов и исследовалось взаимодействие белков крови и бактериальных клеток с материалами до и после нагружения.

Было обнаружено, что эффект растрескивания при деформациях возникают при плазменной обработке с энергией ионов выше 1 кэВ. Использование более низких энергий обработки (до 0,5 кэВ) вызвало увеличение модуля упругости поверхности по сравнению с необработанным полимером в 1,5–2 раза, однако данные покрытия показали устойчивость к механическим нагрузкам при растяжении не менее 50 %. Низкоэнергетическая обработка не оказала значительного влияния на структурно-механические свойства материала. Ионы внедряются в материал на глубину до нескольких нанометров, и значительные изменения происходят не на поверхности (структура поверхности практически не изменилась), а в поверхностном нанослое.

Колонии кишечной палочки на необработанной (слева) и обработанной 0,5 кэВ (справа) поверхностях. На необработанной поверхности контуры кишечной палочки четкие, видны начинающие делиться бактерии; на обработанной поверхности бактерии не имеют четкой формы: их клеточная стенка начала разрушаться на стадии инкубации.

Такая обработка привела к повышению гидрофобности и свободной энергии поверхности полиуретана. Это положительным образом отразилось на биомедицинских характеристиках образцов: было достигнуто снижение жизнеспособность кишечной палочки, что косвенно объясняется возросшей энергией поверхности и обусловлено появлением на ней свободных радикалов, вызвавших окислительный стресс бактерий.

Таким образом, можно сделать вывод, что материалы с малой энергией плазменной обработки имеют перспективы дальнейшего всестороннего исследования с целью разработки деформируемых биомедицинских изделий с улучшенными свойствами.

Более подробная информация – в статье «Исследование перспектив использования модифицированных ионно-плазменной обработкой полиуретанов для создания деформируемых биомедицинских изделий». Морозов И.А., Каменецких А.С., Беляев А.Ю., Щербань М.Г., Лемкина Л.М., Ерошенко Д.В. // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. –

2021. – № 4. – С. 19–30.

Редакция сайта РАН