Способ получения модифицированного биопокрытия с наночастицами Fe-Cu на имплантате из титана
METHOD FOR OBTAINING A MODIFIED BIOCOATING WITH Fe-Cu NANOPARTICLES ON A TITANIUM IMPLANT

Изобретение относится к способу обработки поверхности биоинертного титанового имплантата, позволяющему формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань для улучшения его биологической совместимости с живым организмом, и может быть использовано при изготовлении поверхностно-пористых дентальных имплантатов, имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии.
Известно кальций-фосфатное покрытие на титане и титановых сплавах и способ его нанесения, RU2291918, опубл. 20.01.2007 [1].
2
Покрытие содержит, мас.%: титанат кальция 7-9; пирофосфат титана 16-28; кальций-фосфатные соединения - остальное. Способ включает анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового разряда в растворе фосфорной кислоты, содержащем гидроксилапатит и карбонат кальция, при этом анодирование ведут импульсным током со следующими параметрами: время импульса 50-200 мкс; частота следования 50-100 Гц; начальная плотность тока 0,2-0,25 А/мм; конечное напряжение 100-300 В. Покрытие составом, аналогичным составу костной ткани, содержит, мас.%: титанат кальция 7-9; пирофосфат титана 16-28; кальций-фосфатные соединения - остальное, толщиной 40-80 мкм.
a
Недостатком известного изобретения является недостаточный антимикробный эффект покрытия на имплантате из титана, который не исследовался авторами, особенно в случае покрытий с высокими значениями шероховатости (R до 8 мкм).
Известно кальций-фосфатное покрытие на титане и титановых сплавах и способ его нанесения, RU 2221904, опубл. 20.01.2004 [2] г.
Предложен способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов, включающий анодирование имплантата импульсным или постоянным током в условиях искрового разряда с частотой следования импульсов 0,5-10,0 Гц в растворе ортофосфорной кислоты в течение 10-30 мин при постоянном перемешивании, причем анодирование ведут при напряжении 90-200 В и температуре 20-35°С в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 30%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния, или в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния и дополнительно 5-10% суспензии гидроксиапатита дисперсностью менее 70 мкм для создания суспензии. Изобретение позволяет удешевить и упростить способ получения биоактивного покрытия.
Недостатком покрытия, полученного этим способом, является также низкое содержание кальция в нем. Также недостатком этого способа является то, что при его реализации получают покрытие толщиной не более 30 мкм.
Известен способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов, RU2348744, опубл. 10.03.2009 [3].
2
2
При нанесении кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов осуществляют плазменно-электролитическую обработку имплантата импульсным током в электролите, содержащем цитрат кальция и фосфат натрия. Обработку проводят в течение 10-15 мин импульсным током с длительностью анодных и катодных импульсов 0,0033-0,02 с первоначально в монополярном гальваностатическом режиме при эффективном значении плотности тока 3-5 А/см и конечном напряжении формирования 350-380 В. Затем в течение 3-5 мин имплантат обрабатывают в биполярном режиме с потенциодинамической анодной составляющей при напряжении до 280-300 В и гальваностатической катодной составляющей с эффективной плотностью тока 1,0-1,5 А/см. Полученное покрытие обладает высокой биоактивностью и остеоиндуктивностью благодаря его качественному и количественному составу, близкому к минеральному составу костной ткани, соотношению кальций/фосфор, сравнимому с соотношением, присущим костной ткани, а также своей пористой структуре.
Недостатком известного изобретения является недостаточный антимикробный эффект покрытия на имплантате из титана, которая не исследовалась авторами, особенно в случае покрытий с высокими значениями шероховатости (Ra до 8 мкм).
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана (варианты), RU2693468, опубл. 03.07.2019 [4].
3
4
3
9.9
0.1
4
6
2
2
Изобретение относится к четырем вариантам способа получения модифицированного биопокрытия на имплантате из титана. Один из вариантов способа включает анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что для анодирования используют электролит, в составе которого присутствует соединение кальция с фосфором с дополнительно введенными ионами цинка при следующем соотношении компонентов, мас.%: HPO 26,9±0,1; CaCO 7,2±0,1; CaZn(PO)(OH) 4,8±0,1; остальное - НО. Техническим результатом изобретения является получение модифицированных биопокрытий с пористой структурой на имплантате из титана с развитой шероховатой поверхностью и повышенной остеоинтеграцией с костной тканью. При этом модифицированные биопокрытия, полученные по разным вариантам способа, дополнительно обладают повышенными антибактериальными и остеоиндуктивными свойствами; высокой биологической активностью и хорошей адгезией к материалу имплантата.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения модифицированного биопокрытия с наночастицами Fe-Cu на имплантате из титана.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение модифицированного биопокрытия с наночастицами Fe-Cu на имплантате из титана с развитой шероховатой поверхностью, достаточной для успешной остеоинтеграции костной ткани, и при этом биопокрытие обладает антибактериальными свойствами.
При этом модифицированное биопокрытие дополнительно обладает высокими адгезионными прочностными свойствами и высокой биологической активностью.
3
10
4
6
2
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения модифицированного биопокрытия с наночастицамиFe-Cu на имплантате из титана включает анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем карбонат кальция (CaCO) и гидроксиапатит (Ca(PO)(OH), при этом для анодирования используют электролит в состав которого дополнительно введен нанопорошок Fe-Cu с массовым соотношением равном 46:54, при следующем соотношении компонентов, масс.%:
ортофосфорная кислота (Н<sub>3</sub>РО<sub>4</sub>)
26,9±0,1
карбонат кальция (CaCO<sub>3</sub>)
7,2 (±0,1)
гидроксиапатит (Ca<sub>10</sub>(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>(OH)<sub>2</sub>)
4,8 (±0,1)
нанопорошок Fe-Cu
0,4 (±0,01)
остальное
вода
Микродуговое оксидирование проводят в течение 10 мин в анодном режиме при параметрах: напряжение 200 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц. При этом в электролит введен нанопорошок Fe-Cu, полученный методом электрического взрыва соответствующих металлических проволочек.
При осуществлении способа получают покрытие, содержащем в своем составе наночастицы Fe-Cu, встроенные в структуру биопокрытия. Для получения указанной структуры биопокрытия в предлагаемом способе используют один из составов электролита, известный из прототипа [4], в который дополнительно введен нанопорошок Fe-Cu, взятый в массовом соотношении 46:54.
Биопокрытие со встроенными в его структуру наночастицами Fe-Cu имеет толщину около 50 мкм; общую пористость около 22% со средним размером пор 6 мкм; шероховатость 2,8-3,2 мкм; адгезионную прочность покрытия к подложке около  34 МПа и содержит кальцийфосфаты в рентгеноаморфном состоянии.
Раскрытие сущности изобретения.
В настоящее время актуальным является разработка биоактивных покрытий на титановых имплантатах, обеспечивающих повышенную остеоинтеграцию костных клеток и антибактериальную активность. Повышению остеоинтеграции и адгезии клеток титановых имплантатов в живых организмах способствует создание кальций-фосфатного биоактивного покрытия с пористой структурой и его модифицирование с помощью наночастиц Fe-Cu, повышающих антибактериальные и прочностные свойства покрытий.
Способ включает анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового микроразряда в водном растворе ортофосфорной кислоты, содержащем соединения кальция и фосфора, при этом для анодирования используют электролит, в состав которого дополнительно введён нанопорошок Fe-Cu с массовым соотношением равном 46:54.
3
4
3
10
4
6
2
Биопокрытие с наночастицами Fe-Cu на имплантате из титана состоит из фосфатов кальция, применение которых обусловлено сходством химического состава с минеральной составляющей костной ткани человека. Способ получения биопокрытия осуществляют путем микродугового оксидирования металлической подложки из титана в электролите, компонентами которого являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями, масс.%: ортофосфорная кислота HPO – 26,9±0,1; карбонат кальция CaCO – 7,2±0,1; гидроксиапатит Ca(PO)(OH) – 4,8±0,1, нанопорошок Fe-Cu – 0,4±0,01, вода – остальное. Подложка представляет собой технически чистый титан марки ВТ1-0. Титан являлся крупнокристаллическим и состоял из зерен α-фазы.
Бикомпонентный нанопорошок Fe-Cu с ограниченной смешиваемостью вводят в кальцийфосфатные (КФ) покрытия для улучшения биомеханических, антибактериальных и биоактивных и свойств биопокрытий. Такие недостатки биопокрытий как низкая прочность и адгезия к титановой подложке можно решить путем добавления в состав электролита наночастиц Fe для улучшения прочностных и адгезионных свойств биопокрытия. В результате адгезионная прочность биопокрытий после введения в состав электролита нанопорошка Fe-Cu увеличивается от 20 до 34 МПа. В то же время введение в структуру биопокрытия наночастиц Cu улучшает его антибактериальные свойства. Одновременное включение наночастиц Fe-Cu в структуру биопокрытия позволит решить сразу несколько проблем костных имплантатов из титана с КФ покрытием.
В эксперименте использовали нанопорошок Fe:Cu с массовым соотношением равном 46:54 соответственно, так как по результатам исследования антимикробного действия на грамположительные бактерии MRSA (метициллин-резистентный стафилококк) данное соотношение наночастиц Fe:Cu продемонстрировало наибольший антибактериальный эффект.
В состав электролита для формирования биопокрытий вводят нанопорошок Fe-Cu в количестве 0,4 масс.%. Большее количество нанопорошка Fe-Cu, чем заявляемое, может вызвать токсический эффект на здоровые биологические ткани, а при меньшем количестве нанопорошка Fe-Cu, чем заявляемое, не достичь достаточного антибактериального эффекта биопокрытия и его прочностных свойств. В предлагаемом способе использован нанопорошок Fe-Cu, полученный методом электрического взрыва соответствующих металлических проволочек.
Биоактивность биопокрытия с наночастицами Fe-Cu достигается за счет формирования на поверхности биопокрытия, содержащего фосфаты кальция. с равномерной развитой структурой поверхности, а также за счет осаждения в покрытии компонентов, сходных с составом костной ткани, а также компонентов, усиливающих процессы остеогенеза.
Приборы и методы, с помощью которых проводят измерения свойств.
Исследование морфологии, структуры и элементного состава КФ биопокрытий проводили на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия) с приставкой для энергодисперсионного микроанализа (INCA Energy-250, Oxford Instruments). Для расчета пористости биопокрытий по РЭМ-изображениям применялся стандартный метод «секущей». Общая пористость оценивалась металлографическим методом, который основан на определении просвета пористого материала по микрофотографиям.
Исследования микроструктуры биопокрытий проводились на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 (JEOL, Япония).
θ
Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник, Россия) с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Co-Kα излучении (λ = 0.17902 нм) в диапазоне углов 2 = 10-90º с шагом сканирования 0,02º.
Ra
Шероховатость поверхности биопокрытий определяли на Профилометре-296 (Россия) по параметру  (ГОСТ 2789-73).
В работе для измерения адгезионной прочности биопокрытий к металлической основе был выбран метод равномерного отрыва (клеевой метод). Данные испытания проводили на испытательной машине Instron-1185 (ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН) при комнатной температуре со скоростью смещения захвата 0,1 мм/мин.
in vitro
Биосовместимость покрытий оценивали методом МТТ-анализа, с помощью которого определяли влияние биопокрытий на жизнеспособность клеточных линий мышиных фибробластов 3Т3 (Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР», Новосибирск, Россия).
in vitro
Противомикробная активность образцов была проверена методом подсчетов жизнеспособных бактерий. В этом методе динамика гибели бактерий в образце измерялась путем подсчета остаточных бактерий по сравнению со стартером.
Изобретение иллюстрируется фигурами 1-2.
На фиг. 1 представлено РЭМ-изображение КФ покрытия с наночастицами Fe-Cu, сформированных методом микродугового оксидирования при заявленных параметрах режима.
На фиг. 2 представлены РЭМ-изображение и карты распределения элементов покрытий с наночастицами Fe-Cu, сформированных методом микродугового оксидирования при заявленных параметрах режима.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример
Берут образец в виде подложки размером 10⋅10⋅1 мм, выполненный из технически чистого титана марки ВТ1-0. Титан крупнокристаллический и состоит из зерен α-фазы. Подложку подвергают шлифовке до достижения шероховатости по Ra=0,6 мкм, затем проводят ультразвуковую очистку сначала в дистиллированной воде, а затем в спирте, в течение 10 минут.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 200 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 10 минут.
3
4
3
10
4
6
2
Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Для получения 1 л электролита смешивают 765 мл дистиллированной воды с 235 мл 85%-ной ортофосфорной кислотой (НРО), затем по очереди небольшими порциями добавляют карбонат кальция (CaCO) в количестве 90 г. Далее после окончания процесса газовыделения в электролит при постоянном перемешивании вводят гидроксиапатит Ca(PO)(OH)в количестве 60 г, а в качестве модифицирующего компонента вводят нанопорошок Fe-Cu в количестве 5,5 г, взятые в массовом соотношении соответственно 46:54.
R
a
Параметры покрытия следующие. Толщина покрытия 50 мкм, шероховатость  =3,2 мкм, пористость 22%, химический состав: Ca (6.1-8.2 ат.%), P (23.2-21.7 ат.%) Ti (15.8-13.5 ат.%), O (54.6-56.2 ат.%), Fe (0.2-0.3 ат.%), Cu (0.1 ат.%). Адгезионная прочность покрытия к подложке 34 МПа.