Углеродсодержащий материал с двойными карбидами для эндопротезов

Углеродсодержащий материал с двойными карбидами для эндопротезов

Реферат

Предлагаемое изобретение относится к медицине, в частности к сердечно-сосудистой хирургии, связанной с протезированием искусственных клапанов сердца (ИКС), и может быть использовано при изготовлении эндопротезов иных органов в ортопедии, стоматологии, травматологии и др., а также в различных областях техники.

Известен углеродсодержащий материал LTI (Low Temperature Isotropic form Pyrolitic Carbon), содержащий 10 мас.% кремния (Si) [1]. Изотропный пироуглерод LTI получают путем газофазного пиролиза углеводородов в установках с псевдоожиженном слоем. LTI используется только в виде покрытия толщиной 250 мкм на графитовой подложке определенной конфигурации для изготовления элементов ИКС. Технология предусматривает индивидуальную обработку каждой детали. Физико-механические свойства LTI приведены в таблице 1. Практическое применение способа, основанного на технологии псевдоожиженного слоя, ограничено из-за невозможности получения пиролитического отложения с толщиной, достаточной для изготовления монолитных изделий.

Известен углеродсодержащий материал - углеситалл [2], содержащий 12-18 мас.% бора (В). Этот материал, выбранный нами в качестве прототипа, получают путем пиролиза в виде монолитного отложения с толщиной, достаточной для изготовления деталей ИКС. Физико-механические свойства углеситалла приведены в таблице 1. Однако прочность и твердость углеситалла ниже, чем у LTI.

Целью изобретения является повышение прочности, твердости и износостойкости углеситалла.

Указанная цель достигается тем, что предложенный материал

включает, мас.%:

Бор	1-19
Кремний	1-9
Бор + кремний	Не более 20
Изотропный пироуглерод	Остальное.

Отличие предложенного материала заключается в вышеуказанном соотношении компонентов.

Предлагаемый состав материала выбран на основании изучения физико-механических характеристик, комплекса медико-биологических исследований и испытаний образцов материала.

По физико-механическим характеристикам, а также по результатам испытаний на токсикологию и тромборезистентность все материалы, содержащие бор в интервале 10-20 мас.% или кремний 10 мас.% и изотропный пироуглерод - остальное, удовлетворяют требованиям, предъявляемым к материалу для эндопротезов. Однако углеситалл имеет прочность, твердость и, следовательно, износостойкость ниже, чем LTI. В свою очередь технология получения LTI не позволяет получить пироуглеродное отложение с толщиной, достаточной для изготовления элементов ИКС.

В основу предлагаемого изобретения положена задача повышения прочности, твердости и износостойкости углеситалла путем введения в его состав кремния до 9 мас.%. Это позволит получить пироуглеродное отложение с толщиной, достаточной для изготовления элементов ИКС, и более высокими физико-механическими свойствами.

Способ получения материала предлагаемого состава основан на объемной кристаллизации углерода из газовой фазы с последующей конденсацией на поверхности подложки. Осуществляют процесс в электровакуумном пиролизном реакторе. Для реактора ф200 мм в качестве подложки применяют внутреннюю поверхность цилиндра из графита. Реагенты: природный газ, пропан, треххлористый бор (BCl₃), метилтрихлорсилан (СН₃Cl₃Si), или трихлорсилан (SiHCl₃), или хлорид кремния (SiCl₄) и инертный газ (например, азот). Состав материала регулируют соотношением вводимых реагентов.

Пример 1.

Состав материала: бор 9 мас.%, кремний 1 мас.% и изотропный пироуглерод 90 мас.%. Материал такого состава имеет следующие физико-механические свойства:

Плотность, г/см3	1,80-2,10
Прочность на изгиб, МПа	300-400
Микротвердость, кг/мм2	100-150
Размеры кристаллитов, нм	8-9

Пример 2.

Состав материала: бор 10 мас.%, кремний 5 мас.% и изотропный пироуглерод 85 мас.%. Материал такого состава имеет следующие физико-механические свойства:

Плотность, г/см3	1,80-2,10
Прочность на изгиб, МПа	350-450
Микротвердость, кг/мм2	120-170
Размеры кристаллитов, нм	7-8

Пример 3.

Состав материала: бор 11 мас.%, кремний 9 мас.% и изотропный пироуглерод 80 мас.%. Материал такого состава имеет следующие физико-механические свойства:

Плотность, г/см3	1,80-2,10
Прочность на изгиб, МПа	400-500
Микротвердость, кг/мм	140-200
Размеры кристаллитов, нм	6-7

В таблице 1 приведены физико-механические свойства изотропных пироуглеродных материалов. Из анализа таблицы видно, что предлагаемый материал занял пустующее место в ряду этих материалов. Физико-механические свойства плавно изменяются от пирографита изотропного без легирующих элементов до материала LTI, легированного кремнием.

Таким образом, материал предлагаемого состава имеет более высокую прочность и твердость, чем углеситалл. Это позволит увеличить износостойкость элементов ИКС и, следовательно, приведет к увеличению долговечности и надежности ИКС. Материал предлагаемого состава позволит изготовить из него прочные и надежные дентальные имплантаты, эндопротезы различных суставов и другие изделия медицинского назначения.

Таблица 1Физико-механические свойства изотропных пироуглеродов
Свойства	Пирографит изотропный (ПГИ)	Углеситалл	Материал предлагаемого состава	LTI
Плотность, кг/м3	1800-2100	1800-2100	1800-2100	1700-2200
Легирующий элемент	нет	В	B+Si	Si
Размер кристаллитов, нм	16-20	9-10	6-9	3-5
Микротвердость, кг/мм	40-70	70 -140	100-200	230-370
Модуль упругости, ГПа	13-15	20-25	23-28	27-31
Прочность при изгибе, МПа	100-150	250-450	300-500	350-530

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Dauskardt R.H., Ritche R.O., Pyrolitic carbon coatincs,// In: Hench L.L., Wilson.

J. (eds). Singapore, World Scientific Publ. Co. - 1993: 261-279.

2. Патент RU №2163105 C1, A 61 F 2/24, 20.02.2001.

Углеродсодержащий материал для эндопротезов, содержащий изотропный пироуглерод и бор, отличающийся тем, что он дополнительно содержит кремний при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Бор	1-19
Кремний	1-9
Изотропный пироуглерод	Остальное

при условии, что

Бор + кремний

Не более 20