Способ изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием

Способ изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием

Реферат

Изобретение относится к медицине, а именно к челюстно-лицевой хирургии и травматологии, и может быть использовано для изготовления внутритканевых эндопротезов на титановой основе.

Известен способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана (патент РФ №2385740, МПК: A61L 27/54, A61F 2/02, А61С 8/00, опубл. 10.04.2010). Данное изобретение относится к медицине, конкретно к способу обработки поверхности титановых имплантатов, позволяющему формировать биоактивную поверхность. Биоактивное покрытие на имплантате из титана содержит кальций-фосфатные соединения и имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью. Покрытие имеет толщину 10-40 мкм, общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм, шероховатость 2,5-5 мкм, адгезионную прочность 30-35 МПа. Способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана заключается в нанесении покрытия микродуговым оксидированием, но перед нанесением покрытия поверхность титанового имплантата подвергают механической и химической обработке, затем проводят микродуговое оксидирование с получением многоуровневой пористой структуры кальций-фосфатного покрытия.

Данный способ позволяет формировать биоактивное покрытие на имплантатах с высокими значениями шероховатости и адгезии, но не позволяет получить покрытие с антикоагуляционными и антимикробными свойствами, что ограничивает применение данного покрытия.

Известен способ получения лантансодержащего биопокрытия на имплантате из титана и его сплавов (патент РФ №2386454, МПК: А61b 31/08, A61F 2/02, 61L2 7/06, A61L 27/30, опубл. 20.04.2010). Формирование покрытия на титане и титансодержащих сплавах (ВТ 1-0, ВТ 1-00, ВТ-6, ВТ-16 и др.) осуществляют предварительной подготовкой лантансодержащего раствора, подготовкой поверхности: электрохимическим путем последовательно в двух электролитах получают слой смеси оксидов титана и меди в электролите концентрацией 200 г/л серной кислоты с добавлением 50 г/л сульфата меди в дистиллированной воде при постоянном анодном токе, затем катодным внедрением создают слой лантана в виде фрагментов в электролите концентрацией 0,5 М салицилата лантана в диметилформамиде при постоянном катодном напряжении 3 В.

Способ позволяет получить остеоинтеграционное оксидное биопокрытие, обладающее бактерицидными и антикоагулянтными свойствами, однако в данном способе не решен вопрос о формировании развитой морфологии покрытия. Данный способ позволяет получать лантансодержащее покрытие при строгих фиксированных технологических операциях, что создает неудобство применения способа.

Наиболее близким к предлагаемому решению является способ изготовления внутрикостных имплантатов (патент РФ на изобретение №2074674, МПК A61F 2/28, опубл. 10.03.1997 г.), заключающийся в том, что на титановую основу имплантата методом плазменного напыления наносят систему покрытий из четырех слоев - двух слоев титана или гидрида титана различной дисперсности и толщины, третьего слоя из механической смеси титана или гидрида титана или гидроксилапатита с соотношением соответственно 60-80 мас.% и 20-40 мас.% и наружного слоя - гидроксилапатита.

Данный способ позволяет получать покрытие с высокими значениями прочности, однако способ не позволяет получать покрытие с антикоагуляционными свойствами.

Задача заявляемого изобретения заключается в получении покрытия с антикоагуляционными свойствами с помощью финишной ультразвуковой обработки в растворе трихлорлантана, что обеспечивает развитую морфологию поверхности и создание антикоагуляционного эффекта в прилежащих к эндопротезу тканях.

Технический результат заключается в получении покрытия с антикоагуляционными свойствами путем финишной ультразвуковой обработки в растворе трихлорлантана (LаС1₃).

Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием, заключающемся в многослойном плазменном напылении на металлическую основу имплантата биологического активного покрытия, при этом первым и вторым слоями дистанционно напыляют титан, третьим слоем наносят механическую смесь порошка титана и гидроксиапатита, четвертый слой формируют на основе гидроксиапатита, согласно заявляемому техническому решению имплантаты с многослойным биоактивным покрытием помещают в емкость с раствором трихлорлантана с концентрацией 0,04% Lads, помещенную в дополнительную емкость с водой, и проводят обработку со стороны поверхности напыленного многослойного биоактивного покрытия ультразвуковым излучением.

Изобретение поясняется чертежом, где на Фиг.1 приведена схема установки для многоместной обработки поверхности медицинских имплантатов с воздействием ультразвука, причем позициями обозначены: 1 - электродвигатель вращения кассеты с имплантатами; 2 - эксцентриковый привод возвратно-поступательного движения кассеты; 3 - электродвигатель возвратно-поступательного движения; 4 - ультразвуковой генератор; 5 - механизм регулировки положения кассеты; 6 - ультразвуковой пьезокерамический преобразователь с фокусирующим излучателем; 7 - механизм регулировки положения излучателя; 8 - уплотнительное кольцо; 9 - емкость; 10 - съемная ячейка; 11 - обрабатываемый имплантат; 12 - кассета; 13 - шпиндель; 14 - гильза.

Способ изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием заключается в следующем.

Предварительную подготовку поверхности медицинского имплантата осуществляют, например, с помощью струйной обработки порошком электрокорунда с размером частиц 200-250 мкм под давлением 6,5 атм (Лясникова А.В. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство, клиническое применение / А.В. Лясникова и др. - Саратов: Саратов. гос. техн. ун-т, 2006. - 254 с.; Лясникова А.В. Биосовместимые материалы и покрытия нового поколения: особенности получения, наноструктурирование, исследование свойств, перспективы клинического применения / А.В. Лясникова и др. - Саратов: Научная книга, 2011. - 220 с.).

Затем выполняют ультразвуковое обезжиривание, например, путем загрузки имплантатов, прошедших воздушно-абразивную обработку, в ультразвуковую ванну УЗУМИ-2 со специальным раствором (3…6 г/л Nа_зРO₄ и 3…6 г/л поверхностно-активного вещества ОП-10), частота ультразвуковых колебаний составляет 35 кГц, продолжительность обработки 5 мин. Благодаря такому обезжириванию загрязненность поверхности имплантата остаточными органическими веществами снижается до уровня 10^-9 г/см².

Далее осуществляют формирование многослойного покрытия, например, с помощью электроплазменного напыления на установке ВРЕС 744.3227.001. Режимы плазменного напыления при формировании первых двух слоев такие, как напряжение, ток дуги и дистанция напыления выбирают экспериментальным путем, результаты которого представлены в таблице.

Экспериментальное определение технологических параметров плазменного напыления двух первых слоев
Технологический параметр	Единицы измерения	Значение при напылении титана
Ток плазменной дуги	А	450-500
Напряжение дуги	В	35-37
Дистанция напыления	мм	80-90
Дисперсность порошка	мкм	100-120
Расход плазмообразующего газа	л/мин	55-60

Выбранные технологические режимы плазменного напыления объясняются следующим образом.

Увеличение мощности дуги значительно повышает энтальпию и температуру плазменной струи, температуру, скорость и дисперсность напыляемых частиц, что обусловливает рост плотности покрытия, производительности напыления и коэффициент использования материала. Наиболее рациональное регулирование мощности дуги, параметров напыления и качества получаемого покрытия обеспечиваются при максимально возможном напряжении при 35-37 B и сила тока 450-500 А.

Слишком малые дистанции не обеспечивают необходимого прогрева частиц, а также значения их скорости, создают опасность перегрева напыляемой поверхности и всего изделия, а чрезмерно большая дистанция вызывает падение температуры и скорости плазменного потока в зоне формирования покрытия. Зернистость частиц порошка выбирается из условия необходимости их быстрого нагрева до температуры плавления и распыления.

Повышение расхода плазмообразующего газа снижает теплофизические характеристики потока частиц, плотность покрытия и эффективность напыления, увеличивая при этом дисперсность и скорость частиц. В зависимости от требуемых показателей дисперсности частиц и плотности покрытия следует устанавливать наименьший возможный расход плазмообразующего газа на уровне 55-60 л/мин.

Плазменное напыление третьего и четвертого слоя производят при силе тока 430-450 A, напряжении 35-37 В, дистанции 50 и 80 мм, дисперсности 40-90 мкм и расходе аргона 65-70 л/мин. Технологические режимы плазменного напыления третьего и четвертого слоя выбираются из соображений, описанных выше.

Плазменное напыление позволяет формировать покрытие с развитым микрорельефом и необходимой пористостью применительно к изделиям медицинского назначения (Лясникова А.В. Материалы и покрытия в медицинской практике / В.Н. Лясников, А.В. Лясникова, Т.Г. Дмитриенко. - Саратов: Научная книга, 2011. - 300 с.).

Далее готовят раствор трихлорлантана 0,04% LaCl₃, растворенного в воде, например, дистиллированной, и помещают его установку для многоместной обработки поверхности медицинских имплантатов (Фиг.1) с преобразователем на пьезокерамических элементах ЦТС-19 или ЦТС-24 размерами 52×22×8 мм, питание которого осуществляют от ультразвукового генератора 4, выполненного в виде УГТ-901 или УГТ-902 мощностью соответственно 250 и 150 Вт. Рабочую частоту преобразователя выбирают 22 кГц (меньшие частоты нецелесообразны вследствие высокой шумности, частоты 44 и более кГц не обеспечивают нужный КПД). Высокая производительность обеспечивается многоместной обработкой. В емкость 9, выполненную из титана или нержавеющей стали, заливают водопроводную воду и в нее же помещают излучающую часть ультразвукового преобразователя 6, закрепленную на механизме регулировки положения излучателя 7. При этом для предотвращения протекания жидкости цилиндрическую часть излучателя соединяют со стенкой емкости 9 через уплотнительные кольца 8. Емкость 10, выполненную в виде сменной ячейки из оргстекла с толщиной стенки не более 1 мм, заполняют раствором трихлорлантана (LаС1₃) и размещают на необходимом расстоянии от фокусирующей части излучателя посредством электродвигателя вращения кассеты с имплантатами 1, эксцентрикового привода возвратно-поступательного движения кассеты 2 и электродвигателя возвратно-поступательного движения 3. В ячейку емкости 10 опускают шпиндели 13, закрепленные на гильзе 14 и кассете 12 с установленными имплантатами 11.

Использование рабочей частоты преобразователя 22 кГц обусловлено тем, что меньшие частоты нецелесообразны вследствие высокой шумности, частоты более 22 кГц не обеспечивают нужный КПД.

Использование раствора трихлорлантана LaCl₃ менее 0,04% неэффективно, т.к. не происходит удовлетворительного распределения частиц LaCl₃ в воде, а применение более 0,04% трихлорлантана приводит к чрезмерной его взвеси в воде. Поэтому оптимальным интервалом является использование 0,04% раствора трихлорлантана LaCL₃ в воде.

Финишную обработку ультразвуковым излучением в растворе трихлорлантана осуществляют в течение 35 с при интенсивности ультразвука 9,6 Вт/см. Частоту вращения имплантатов устанавливают равной 100 об/мин, частоту обкатки 30 об/мин, скорость возвратно-поступательного движения 30 дв.х./мин.

Интенсивность ультразвукового воздействия и время обработки определяют, исходя из требований, предъявляемых к качеству поверхности. При малых интенсивностях ультразвука настройку осуществляют путем смещения частоты сигналов ультразвукового генератора 4 от резонансного значения в пределах 2,5% регулировкой переменного воздушного конденсатора (бесступенчато). При этом первоначальную настройку в резонанс осуществляют посредством индикатора часового типа с ценой деления 0,001 мм или индуктивной измерительной системы типа 214. При больших интенсивностях ультразвука - путем ступенчатого изменения выходной мощности силового трансформатора ультразвукового генератора 4. Контроль интенсивности ультразвукового воздействия осуществляют визуально по размерам кавитационной области и по изменению температуры рабочей жидкости в зоне кавитации. Оптимальным значением интенсивности при обработке медицинских имплантатов в растворе трихлорлантана является 9,6 Вт/см². Время, необходимое для качественного насыщения поверхности медицинских имплантатов ионами лантана, а также время, при котором не происходит размерной обработки поверхности, сопровождающейся разрушением внешнего слоя покрытия, выбирается равным 35 с (Лясникова А.В. Обоснование и реализация комбинированной механической и физико-химической обработки титановых деталей в ультразвуковом поле с учетом электроплазменного напыления композиционных покрытий: дис… докт. техн. наук. - Саратов, 2009. - 320 с.).

Таким образом, разработан способ придания медицинским имплантатам антикоагуляционных свойств, позволяющий получать покрытие, которое будет способствовать быстрой и надежной остеоинтеграции имплантата с биологическими тканями и обладать при этом антикоагуляционным эффектом.

1. Способ изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием, заключающийся в многослойном плазменном напылении на металлическую основу имплантата биологического активного покрытия, при этом первым и вторым слоями дистанционно напыляют титан, третьим слоем наносят механическую смесь порошка титана и гидроксиапатита, четвертый слой формируют на основе гидроксиапатита, отличающийся тем, что имплантаты с многослойным биоактивным покрытием помещают в емкость с раствором трихлорлантана с концентрацией 0,04% LaCl₃, помещенную в дополнительную емкость с водой, и проводят обработку со стороны поверхности напыленного многослойного биоактивного покрытия ультразвуковым излучением.

2. Способ изготовления внутрикостных имплантатов с многослойным покрытием по п.1, отличающийся тем, что обработку ультразвуковым излучением в растворе трихлорлантана осуществляют в течение 35 с при интенсивности ультразвука 9,6 Вт/см² и частоте 22 кГц.