НОВАЯ ПОВЕРХНОСТЬ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ВВЕДЕНИЯ В КОСТНУЮ ТКАНЬ
NEW SURFACE OF METAL TITANIUM IMPLANTS TO BE INSERTED IN BONE TISSUE

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение относится к области металлических имплантатов, предназначенных для введения в костную ткань. Более конкретно изобретение относится к металлической поверхности имплантата, которая обладает хорошей шероховатостью и имеет оптимизированные химический состав и толщину, результатом чего является улучшенный клеточный ответ и, следовательно, улучшенная связь имплантата с костью. Изобретение относится также к способу получения такой поверхности, а также к металлическому имплантату, который ее имеет.
Предшествующий уровень техники
Как хорошо известно из уровня техники, некоторые металлы или металлические сплавы, такие как титан, цирконий, гафний, тантал, ниобий или их сплавы, используют для образования относительно прочных связей с костной тканью. В частности, металлические имплантаты из титана и его сплавов, начиная приблизительно с 1950 года, известны благодаря их способности хорошо связываться с костной тканью. Такого рода связь Брайнмарк назвал остеоинтеграцией (Branemark et al., "Osseointegrated implants in the treatment of the edentulous jaw. Experience from a 10-year period (Остеоинтегрированные имплантаты при лечении лишенной зубов челюсти. 10-летний опыт)", Scand. J. Plast. Reconstr. Surg., II, suppl 16 (1977)).
Хотя связывание между этим металлом и костной тканью является относительно сильным, желательно эту связь усилить. В настоящее время разработано много способов обработки таких металлических имплантатов с целью получения на них подходящей поверхности для улучшения их остеоинтеграпии. Термин «поверхность» предполагает поверхностный слой зоны имплантата, наиболее близкой к его внешнему окружению, состоящий в основном из оксида соответствующего металла, физические свойства которого резко отличаются от материала основной массы, из которой выполнен имплантат.
Некоторые из упомянутых способов относятся к изменению морфологии названного поверхностного слоя, усиливающей его шероховатость с целью увеличения площади контакта и, следовательно, связывания между имплантатом и костной тканью, в результате чего усиливаются механическая ретенция и прочность, т.е. улучшается остеоинтеграция имплантата.
2
3
2
3
Причина того, что названные действия, направленные на увеличение шероховатости поверхности, является предметом исследований, проводимых в последние несколько лет (Buser et al., "Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs (Влияние поверхностных характеристик на интеграцию титановых имплантатов в кости. Гистоморфометрическое исследование на миниатюрных свиньях", J Biom Mater Res, (1991), 25: 889-902; Wennerberg et al., "Torque and histomorphometric evaluation of c.p. titanium screws blasted with 25- and 75-um-sized particles of AlO" (0ценка бокового сдвига и гистоморфометрическая оценка титановых винтов, подвергшихся разрушению частицами AlO с размером 25 и 75 um), J Biom Mater Res, (1996); 30: 251-260; Buser et al., "Removal torque value of titanium implants in the maxilla of miniature pigs" (Значение перемещающего момента титановых имплантатов в верхней челюсти миниатюрных свиней), J Oral Maxillofac Implants (1998) 13: 611-619; и Lazzara et al., "Bone response to dual acid-etched and machined titanium implant surfaces" (Костный ответ на поверхности титановых имплантатов, подвергнутых травлению кислотой и механической обработке), Bone Engineering, cap.34 (2000) J.E.Davies eds.), которые показывают, что остеоинтеграция имплантата в течение короткого и среднего периода времени улучшается благодаря микрометрической шероховатости имплантата.
Наряду с этим другие исследования (Buser et al. 1991, supra; Cochran et al., "Attachment and growth of periodontal cells on smooth and rough titanium" (Прикрепление и рост периодонтальных клеток на гладком и шероховатом титане), Int. J Oral Maxillofac Implants (1994) 9: 289-297; Martin et al., "Effect of titanium surface roughness on proliferation, differentiation, and protein synthesis of human osteoblast-like cells (MG63)" (Влияние шероховатости поверхности титана на пролиферацию, дифференциацию и синтез белков у клеток типа остеобластов человека (MG63)), J Biom Mat Res (1995) 29: 389-401; Lazzara et al. 2000, supra; and Orsini et al., "Surface analysis of machined vs sandblasted and acid-etched titanium implants (Сравнительный анализ поверхности титановых имплантатов, подвергнутых механической обработке или пескоструйной обработке и протравленных кислотой титановых имплантатов", J. Oral Maxillofac Implants (2000) 15: 779-784) показали, что существование на имплантате поверхностного слоя с микрометрической шероховатостью улучшает экспрессию клеток остеобластов, что приводит к улучшенной клеточной дифференциации и повышенной экспрессии остеобластов. Следствием этого эффекта является улучшенная остеоинтеграция и усиленное образование кости.
Кроме того, еще несколько базирующихся на исследованиях производителей, таких как Nobel Biocare, предусмотрели такие способы обработки, которые увеличивают толщину и кристалличность титаноксидного слоя, поскольку из некоторых исследований, как можно предположить, следует вывод о взаимозависимости между степенью кристалличности и улучшенной остеоинтеграции имплантата (Sul et al., "Oxidized implants and their influence on the bone response" (Окисленные имплантаты и их влияние на реакцию костной ткани), J Mater Sci: Mater in Medicine (2002); 12: 1025-1031).
Применяемые в существующем уровне техники способы увеличения шероховатости поверхности имплантата очень разнообразны. Из них можно выделить нанесение на поверхность покрытия, пескоструйную обработку поверхности и химическое воздействие на поверхность.
Обычные способы нанесения покрытия на поверхность металлического имплантата состоят в нанесении какого-либо металлического покрытия, как правило, титанового, или керамического слоя, как правило, из гидроксиапатита, с помощью известных средств, таких как распыление или напыление плазмы (Palka, V. et al., "The effect of biological environment on the surface of titanium and plasma-sprayed layer of hydroxyapatite" (Влияние биологического окружения на поверхность титана и полученного плазменным напылением слоя гидроксиапатита. Journal of Materials Science: Materials in Medicine (1998) 9, 369-373).
2
2
В случае пескоструйной обработки поверхности используют частицы разных материалов и разных размеров, которые надувают на поверхность имплантата таким образом, чтобы изменить его морфологию. Обычно для этого используют частицы корунда (оксида алюминия) (Buser et al. 1991, как выше; Wennerberg et al. 1996, как выше), или частицы оксида титана (Gotfredsen, К. et al., "Anchorage of TiO-blasted, HA-coated, and machined implants: an experimental study with rabbits" (Фиксация подвергнутых обработке струей TiO и механической обработке имплантатов: экспериментальное исследование на кроликах), J Biomed Mater Res (1995) 29, 1223-1231).
6
4
С другой стороны, химическое воздействие на поверхность осуществляют с помощью различных минеральных кислот, таких как фтористоводородная кислота, хлористоводородная кислота, серная кислота и т.д. Так, например, в серии патентов США, принадлежащих Implant Innovations Inc. (US 5603338, US 5876453, US 5863201 и US 6652765), описана двухстадийная кислотная обработка, в результате которой получают пригодную для коммерции поверхность Osseotite. На первой стадии используют водную фтористоводородную кислоту для удаления с металлической поверхности образованного естественным путем оксидного слоя. На второй стадии используют смесь хлористоводородной и серной кислот для получения микрометрической шероховатой поверхности. В европейской патентной заявке ЕР 1477141, также принадлежащей Implant Innovations Inc., описан вариант указанного способа, в котором для обработки поверхностей имплантатов на основе титана и сплавов TiAlV на второй стадии используют смесь фтористоводородной и хлористоводородной кислот.
Было также описано сочетанное применение обоих способов, т.е. пескоструйной обработки поверхности имплантата с последующим химическим воздействием. Так, Бузером (Buser et al. 1991, Buser at al. 1998, как выше) наряду с прочими способами описана пескоструйная обработка оксидом алюминия со средним размером частиц с последующим травлением смесью фтористоводородной и азотной кислот, а также пескоструйная обработка грубым оксидом алюминия с последующим травлением смесью хлористоводородной и серной кислот. Подобным же образом Кочраном (Cochran et al. 1994, как выше) для обработки титановой поверхности использована пескоструйная обработка с последующей химической обработкой хлористоводородной и серной кислотами. Подобным же образом Choi Seok et al. (KR 2003007840) описали пескоструйную обработку частицами фосфата кальция с последующей обработкой смесью хлористоводородной и серной кислот. Аналогичным образом в документе WO 2004/008983 (Astra Tech) описан способ обработки поверхностей имплантата, сочетающий пескоструйную обработку тонкими и грубыми частицами оксида титана с последующей обработкой фтористоводородной кислотой. Наконец, у Franchi(Franchi et al., (2004) "Early detachment of titanium particles from various different surfaces of endosseous dental implants" (Преждевременное отделение титановых частиц от ряда различных поверхностей внутрикостных зубных имплантатов), Biomaterials 25, 2239-2246) и у Guizzardi (Guizzardi et al., (2004) "Different titanium surface treatment influences human mandibular osteoblast response" (Различная обработка титановой поверхности влияет на реакцию челюстных остеобластов человека), J Periodontol 75, 273-282) описана пескоструйная обработка тонкими и грубыми частицами оксида циркония с последующей обработкой неспецифической кислотой.
6
4
Что касается термообработки, Browne (Browne et al. (1996), "Characterization of titanium alloy implant surfaces with improved dissolution resistance" (Охарактеризовывание поверхностей имплантатов из титановых сплавов с повышенной стойкостью к растворению). Journal of Materials Science: Materials in Medicine 7, 323-329) и Lee (Lee et al. (1998), "Surface characteristics of Ti6Al4V alloy: effect of materials, passivation and autoclaving" (Поверхностные характеристики сплава TiAlV: влияние материалов, пассивирования и автоклавирования), Journal of Materials Science: Materials in Medicine 9, 439-448) описывают обработку предварительно не обработанного титанового сплава горячим воздухом при 400°С в течение 45 мин с целью получения повышенной стойкости к растворению и увеличенной толщины оксидного слоя, хотя достигнутая толщина составила только 4 нм.
Таким образом, с помощью указанных способов получают поверхности с микрометрической шероховатостью, но с очень сильно уменьшенной толщиной поверхностного оксида титана, что влечет за собой недостаток, состоящий в отсутствии очень стабильного слоя оксида титана и в отсутствии уменьшения выхода ионов металлов во внешнюю среду.
Существующий уровень техники продолжает по указанной выше причине нуждаться в альтернативных способах обработки поверхностного слоя металлических имплантатов, которые бы обеспечивали микрометрическую поверхностную шероховатость при улучшенных химическом составе и толщине с целью оптимизации остеоинтеграции имплантатов.
Для авторов настоящего изобретения оказалось неожиданным обнаружить, что вдувание частиц оксида циркония под давлением на внешнюю область имплантатов вместе с подобранной комбинацией кислот для последующей кислотной обработки и подходящей финальной термообработки позволяет получать поверхности с микрометрической шероховатостью, химический состав которых практически не содержит примесей, и толщиной, которая приблизительно втрое больше толщины традиционных поверхностей. Эта поверхность обладает также высокой пористостью и морфологией, которая подобна морфологии трабекулярной или губчатой кости, характеристики, которые очень ценны для оптимизации остеоинтеграции и процессов фиксации в кости.
Использование смеси серной и фтористоводородной кислот, так же как и комбинация указанных трех обработок ранее описаны не были. Не был также описан выбор подходящей термообработки поверхностей, которые были подвергнуты пескоструйной обработке и затем обработаны кислотами.
Способ настоящего изобретения, который соединяет в себе указанные технические характеристики, позволяет, таким образом, получать поверхности металлических имплантатов на основе титана с очень хорошими остеоинтеграционными свойствами и клеточным ответом. Кроме того, весьма значительное увеличение толщины поверхностного слоя оксида титана дает большую выгоду в том, что касается уменьшения выделения ионов металлов, почти стехиометрического состава оксида титана и повышенной смачиваемости им поверхности.
Сущность изобретения
Таким образом, цель настоящего изобретения состоит в создании поверхности металлического имплантата на основе титана, предназначенного для введения в костную ткань, которая (поверхность) содержит по существу чистый оксид титана и имеет толщину 8-50 нм.
Другой целью изобретения является создание металлического имплантата на основе титана, предназначенного для введения в костную ткань, который обладает названной выше поверхностью.
Еще одной целью изобретения является предложение способа для получения такой поверхности.
Описание фигур
Фиг.1 - микрофотография (150х) поверхности изобретения.
Фиг.2а - шероховатость в трех измерениях поверхности согласно изобретению, полученная с помощью конфокальной микроскопии.
Фиг.2b - реконструкция плоской зоны у конца имплантата и измерение соответствующей шероховатости.
Фиг.3 - энергорассеивающий рентгеновский спектр (ЭРС) поверхности изобретения.
Фиг.4 - жизнеспособность клеток через 12, 24 и 72 часа как индикатор цитотоксичности поверхности изобретения (03/136/15) в сравнении с другими традиционными поверхностями.
Фиг.5 - активность щелочной фосфатазы на 6-й день культивирования как индикатор продукции костной матрицы остеобластами, посеянными на поверхности изобретения (03/136/15) в сравнении с другими традиционными поверхностями.
Подробное описание изобретения
Настоящее изобретение предлагает поверхность металлического имплантата на основе титана, предназначенного для введения в костную ткань, которая (поверхность) содержит главным по существу чистый оксид титана и имеет толщину 8-50 нм и далее будет называться «поверхностью изобретения».
Как указывалось выше, поверхность имплантата на основе титана является поверхностным слоем или его наиболее внешней зоной, образованной главным образом оксидом титана.
В одном из конкретных вариантов осуществления поверхность изобретения имеет толщину 10-30 нм. В одном из предпочтительных вариантов осуществления поверхность изобретения имеет толщину 15 нм.
Такая толщина, которая почти втрое больше толщины традиционных поверхностей, означает улучшенную остеоинтеграцию имплантата, а также, как об этом уже говорилось выше, значительное снижение примесей.
Таким образом, в контексте изобретения выражение «по существу чистый оксид титана» подразумевает тот факт, что состав оксида титана на поверхности изобретения является почти стехиометрическим - приблизительно 98 вес. % (процентное содержание измеряли с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС) после 1 мин напыления или бомбардировки ускоренными ионами с целью устранения загрязнений, присутствующих на внешней области полученной поверхности, что свойственно данному методу анализа, и получения ее реального состава).
Кроме того, поверхность изобретения обладает хорошей микрометрической шероховатостью и, следовательно, очень хорошими остеоинтеграционными свойствами и способностью к клеточному ответу. Действительно, морфология обработанной поверхности подобна трабекулярной кости и оптимальна для начала восстановления кости. При этом характеристики пористости и шероховатости поверхности обеспечивают возможность равномерного распределения остаточных напряжений, адгезии и фиксации первоначальных белков, а также адгезии, пролиферации и клеточного созревания и стабильности внеклеточной матрицы.
В другом аспекте изобретения предложен, соответственным образом, металлический имплантат на основе титана, который обладает описанной выше поверхностью изобретения, с целью введения его в костную ткань.
6
4
В одном из конкретных вариантов осуществления этот металлический имплантат является имплантатом из титана или сплава титана. Титаном может быть, например, технически чистый титан. В то же самое время титановым сплавом может быть и любой сплав титана, такой как сплав титана, алюминия и ванадия TiAlV.
Металлический имплантат на основе титана является подходящим для введения в костную ткань, вследствие чего он может быть зубным, ортопедическим и т.д. имплантатом в зависимости от костной ткани, для введения в которую он предназначен.
Так, в одном из конкретных вариантов осуществления этот металлический имплантат является зубным имплантатом.
В другом аспекте изобретения предложен способ для получения поверхности предназначенной для введения в костную ткань металлического имплантата на основе титана, далее называемый «способом изобретения», который включает в себя следующие стадии:
(a) вдувание частиц оксида циркония под давлением на внешнюю область имплантата;
(b) химическая обработка подвергнутого пескоструйной обработке внешней области имплантата с помощью кислотной композиции, содержащей серную и фтористоводородную кислоты; и
(c) термообработка подвергнутого пескоструйной обработке и химически обработанной внешней области имплантата путем нагрева в течение 15-120 мин при температуре 200-450°С.
В еще одном конкретном варианте осуществления этого способа вдувание частиц оксида циркония на внешнюю область имплантата на стадии (а) осуществляют под давлением 2-10 атм. В одном из предпочтительных вариантов осуществления вдувание частиц оксида циркония осуществляют при давлении 6 атм.
В еще одном конкретном варианте осуществления способа изобретения используемые на стадии (а) частицы оксида циркония имеют размер 25-500 µм. В одном из предпочтительных вариантов осуществления частицы оксида циркония имеют размер 125 µм.
После пескоструйной обработки частицами оксида циркония проблем биосовместимости не существует, если в конце процесса останутся какие-либо остатки этих частиц, так как этот материал обладает очень высокой биосовместимостью. При этом частицы материала и их размер являются относительно круглыми, что в сочетании с рабочим давлением пескоструйной обработки приводит к образованию вогнутой точки удара, идеальной для хорошего клеточного ответа.
Для проведения пескоструйной обработки или приведения к однородности напряжений механической обработки с помощью частиц оксида циркония может быть использована любая аппаратура типа модели пескоструйной аппаратуры Basic Quattro фирмы Renfert. Эту аппаратуру подсоединяют к контуру со сжатым воздухом, который вдувает загружаемые в машину бусинки оксида циркония. После пескоструйной обработки поверхность очищают каким-либо подходящим способом, например, с применением сжатого воздуха с последующей очисткой с помощью ультразвуковой обработки.
В одном из конкретных вариантов осуществления способа изобретения используемая на стадии (b) кислотная композиция содержит 15-50 об.% серной кислоты и 0,01-1 об.% фтористоводородной кислоты. В одном из предпочтительных вариантов осуществления кислотная композиция содержит 28,8 об.% серной кислоты и 0,024 об.% фтористоводородной кислоты.
Такое особое сочетание кислот создает особую шероховатость и морфологию, которые в сочетании с химическим составом поверхности, получаемой почти без примесей, обеспечивает оптимальный клеточный ответ.
В еще одном из конкретных вариантов осуществления способа изобретения химическая обработка на стадии (b) проводится при температуре 50-110°С в течение 4-60 мин. В одном из предпочтительных вариантов осуществления эту химическую обработку проводят при температуре 75°С в течение 12 мин.
С целью защиты от кислых паров стандартную лабораторную аппаратуру для обработки с химическим воздействием помещают внутрь вытяжного шкафа (например, воздушного вытяжного шкафа Cruma, модели 9001-GH). После химической обработки имплантат извлекают из кислотной ванны, промывают для удаления оставшейся кислоты, после чего очищают и сушат. Для сушки может быть использовано какое-либо традиционное сушильное устройство типа сушильного шкафа фирмы Renfert.
В еще одном конкретном варианте способа изобретения стадию (с) термообработки проводят в течение 60 мин при температуре 285°С.
Эта термообработка при указанной температуре и в течение обусловленного времени приводит к реструктуризации поверхностного слоя оксида титана с повышением кристалличности и уменьшением примесей, следствием чего является улучшение клеточного ответа. Кроме того, такая термообработка увеличивает толщину поверхностного слоя оксида титана. В обычных условиях контактирующий с атмосферой титан окисляется и образует слой оксида титана толщиной примерно 5 нм. Оксидный слой защищает оставшийся титан от окисления. По этой причине было бы полезно иметь более толстый слой оксида титана, но не столь толстый, чтобы хрупкость слоя приводила к образованию микрочастиц в результате трения имплантата о кость при введении. В этом отношении приемлемы получаемые в способе изобретения пределы толщины от 8 до 50 нм.
Так, чтобы получить желаемую толщину, термообработку следует проводить при температуре, достаточно высокой, чтобы ускорить диффузию атмосферного кислорода в материал, но не столь высокой, которая бы приводила к окислению титана, что будет видно по изменению цвета. Для обеспечения этого рабочую температуру выбирают в пределах от 200 до 450°С.
Наконец, вторым параметром, который нуждается в регулировании, является время обработки. Малое время не обеспечивает эффективную диффузию кислорода. Слишком же долгое время приводит к чрезмерному увеличению толщины слоя и делает его неработоспособным. Разумный интервал между двумя этими пределами составляет примерно от 15 мин до 24 час в зависимости от температуры обработки. Таким образом, выбираемое рабочее время варьирует от 15 до 120 мин.
Термообработку проводят, используя для этого традиционные методы, например, используя низкотемпературную печь
В другом аспекте изобретения изготовляют поверхность, которая может быть получена с помощью описанного выше способа изобретения. Эта поверхность содержит по существу чистый оксид титана и имеет толщину, как указано выше, от 8 до 50 нм. В одном из конкретных вариантов осуществления эта поверхность имеет толщину 10-30 нм. В одном из предпочтительных вариантов осуществления эта поверхность имеет толщину 15 нм.
В еще одном аспекте изобретения этим металлическим имплантатом является имплантат из титана или сплава титана. В еще одном конкретном аспекте изобретения этим металлическим имплантатом является зубной имплантат.
Приведенные ниже примеры иллюстрируют изобретение и не должны рассматриваться как ограничение его объема.
Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения
Пример 1. Получение титанового зубного имплантата с поверхностью согласно изобретению
Конически-цилиндрический внутрикостный имплантат Defcon TSA из технически чистого титана подвергают пескоструйной обработке частицами циркония размером 125 µм под давлением 6 атм, устанавливая выходное отверстие перпендикулярно обрабатываемой поверхности на расстоянии от 2 до 3 см. После обработки поверхность очищают воздухом под давлением и затем погружают на 10 мин в чистую воду, подвергаемую действию ультразвука. Затем поверхность сушат сжатым воздухом.
Готовят водный раствор следующего состава: 28,8 об.% серной кислоты и 0,024 об.% фтористоводородной кислоты. Помещают стакан с реагентами в горячую ванну, температура которой установлена на 75+/-2°С. По достижении реагентом желаемой температуры подвергнутый пескоструйной обработке имплантат подвергают химической обработке, погружая его на 12 мин (+/-15 сек) в реагент. В конце обработки имплантат извлекают из кислотной ванны и промывают с помощью встряхивания в течение 15 сек в двух последовательных ваннах с чистой водой. После этого имплантат погружают на 10 мин в чистую воду, подвергаемую действию ультразвука, и затем сушат в сушильном шкафу.
Наконец, обработанный имплантат подвергают финальной термообработке в течение 60 мин при температуре 285°С в низкотемпературной печи Memmert, модели UM-100.
Пример 2. Охарактеризовывание полученной в примере 1 поверхности
Морфология
Полученная в примере 1 морфология была изучена с помощью микрофотографий поверхности и измерения шероховатости с помощью конфокальной микроскопии.
Микрофотографии поверхности
Микрофотографии поверхности были получены с помощью сканирующего электронного микроскопа JEOL JSM 840 с использованием сканирующего луча мощностью 15 кВт.
На фиг.1 показана микрофотография (150х) этой поверхности, на которой видно, что поверхность обладает очень характерной поверхностной шероховатостью с индексом шероховатости Ra (средняя шероховатость) примерно 1 µм, отличающейся скругленной морфологией с резкими наружными краями и наличием глубокой пористости, которая распределена равномерно благодаря действию на поверхность кислоты.
Такой уровень шероховатости удовлетворяет требования, указанные в разных научных статьях (Buser et al. 1991, Cochran et al. 1994, Martin et al. 1995, Wennerberg et al. 1996, Wennerberg et al. 1997, Buser et al. 1998, Lazzara et al. 2000, Orsini et al. 2000, как выше) в отношении необходимости того, чтобы поверхность имплантата обладала шероховатостью, которая бы обеспечивала хорошую фиксацию клеток.
Измерение шероховатости с помощью конфокальной микроскопии
Трехмерное измерение шероховатости проведено с помощью конфокального микроскопа, соединенного с компьютерной программой PLµ, разработанной в отделе оптики Каталонского политехнического университета (Escuela Técnica Universitaria de Terrassa). Измерения проводились в соответствии с нормой DIN 4768 с использованием Гауссовского отсекающего фильтра (800 µм).
На фиг.2а показана шероховатость в трех измерениях поверхности, полученной указанным способом. На фиг.2b показаны также реконструкция плоской зоны у конца имплантата и измерение соответствующей шероховатости согласно профилю поперечного сечения поверхности.
Полученные значения шероховатости дали средние значения Ra (средняя шероховатость), равные 1,0 µм при межпиковом расстоянии Sm, равном 12 µм. Эти значения близки к значениям, приведенным как желательные в цитируемой в предыдущем разделе библиографии.
Химический состав поверхности
Анализ химического состава поверхности проводили двумя различными методами: с помощью энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (ЭРС) и рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС).
Анализ с применением энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (ЭРС)
Этот метод позволяет определять количественный состав поверхности на глубину приблизительно 1 µм с высоким пространственным разрешением. ЭРС позволяет детектировать присутствие атомов с атомным весом от бора до урана и количественно оценивать их присутствие на исследуемой поверхности.
Исследования с помощью ЭРС были выполнены научно-технической службой в Барселонском университете. Был использованы Leica Electroscan 360 SEM и ЭРС-аппаратура Link-Inca, способная детектировать атомы с атомным весом, равным или большим атомного веса бора. На фиг.3 показан полученный энергорассеивающий рентгеновский спектр (ЭРС).
Проведенный с помощью ЭРС анализ показал присутствие на поверхности обработанного образца титана только титана и кислорода с небольшими следами циркония. Присутствие циркония обусловлено предварительным приведением к однородности напряжений механической обработки, которое может оставить приставшие к поверхности несколько частиц оксида циркония. Различные анализы показали, что такого рода поведение наблюдается по всей поверхности обработанного имплантата.
Анализ с применением рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФС)
РФС-анализы проводили на установке электронной спектроскопии для химического анализа (ESCA) и с помощью просвечивающего электронного микроскопа научно-технической службы в Барселонском университете. Результаты представлены в таблице 1 вместе со сравнительными данными РФС-анализа, приведенными в библиографии для различных зубных имплантатов (Wieland et al., "Measurement and evaluation of the chemical composition and topography of titanium implant surfaces" (Измерение и оценка химического состава и топографии поверхностей титановых имплантатов), Bone Engineering, ch.14 (2000); J.E.Davies eds; Massaro et al., "Comparative investigation of the surface properties of commercial titanium dental implants. Part I: chemical composition" (Сравнительное исследование поверхностных свойств продажных титановых зубных имплантатов. Часть 1: химический состав), J Mat Sci: Mat in Medicine (2002) 13: 536-548).
Таблица 1
Результаты анализа поверхности образцов с помощью РФС в сравнении с результатами анализа поверхности других продажных имплантатов
С(%)
О (%)
Si (%)
N (%)
Ti (%)
Na (%)
Cl (%)
TiO<sub>2</sub> слой (им)
Поверхность<sup>1</sup>
27.7
51.2
-
0.6
19.8
-
-
15
"Напыление" мин<sup>2</sup>
1.8
59.8
-
-
36.4
-
-
15
Механически обработанный Brånemark<sup>3</sup>
29.8
51.9
-
-
12.8
5.0
0.5
5.7
ITI SLA<sup>4</sup>
34.9
51.4
следы
1.3
14.5
-
-
5.7
3i Osseotite<sup>5</sup>
53.7
36.2
3,3
5.4
6.8
следы
следы
Нет данных
1 - Поверхность изобретения, проанализированная без «напыления» (включает детектирование загрязнений, присутствующих у большей части внешних зон полученной поверхности, что свойственно этому методу анализа).
2 - Поверхность изобретения через 1 мин «напыления».
3 - Механически обработанный Brånemark - не обработан, только механическая операция (Nobel Biocare).
4 - ITI SLA: пескоструйная обработка + кислотная обработка (Straumann).
5 - 3i Osseotite: кислотная обработка (Biomet 3i).
6
7
6
4
Сравнение результатов показывает, что химический состав поверхности изобретения сопоставим с составами других имеющихся на рынке имплантатов при даже меньшем загрязнении углеродом и кремнием (Wennerberg et al. 1996, как выше; Wieland et al. 2000, как выше; and Sittig et al., "Surface characterization of implant materials c.p.Ti, Ti6Al7Nb and Ti6Al4V with different pretreatments" (Охарактеризовывание поверхности материала имплантатов технически чистых Ti, TiAlNb и TiAlV, предварительно подвергнутых разным обработкам), J Mater Sci: Mater in Medicine (1999), 10: 35-46).
Присутствие на поверхности некоторых элементов, таких как азот, обусловлено операцией термообработки. Другие загрязнители, свойственные другим операциям, такие как кремний и натрий, не детектировались. Содержание остатка до 100% обусловлено детектированным аргоном (не указан), который является остатком операции измерения РФС.
Пример 3. Клеточный ответ поверхности образца титана, полученного способом, аналогичным описанному в примере 1
Исследование проводила исследовательская группа 063-13 (Отдел фармакологии Факультета медицины и одонтологии. Университет Santiago de Compostela, Испания) по биологической оценке образцов титана (диски из технически чистого титана диаметром 5 мм), обработанных способом, аналогичным описанному в примере 1.
3
На рабочие образцы высевают остеобласты человека (8×10 клеток/диск на три диска) в модифицированной культуральной среде Dulbecco с 10%-ной фетальной сывороткой теленка и 1%-ным раствором антибиотика. Измеряют для поверхности изобретения (код 03/136/15) (клеточную биоактивность (индикатор цитотоксичности поверхности) и продукцию щелочной фосфатазы (индикатор продукции костной матрицы остеобластами) в сравнении с тем, что имеет место в случае необработанной поверхности того же титана, подвергнутого механической обработке (код 03/137/07), еще одной необработанной поверхности того же титана, подвергнутой пескоструйной обработке (полировка бумагой с 5-мкм частицами карбида кремния) (код 03/136/18) и необработанной поверхности, подвергнутой пескоструйной обработке плюс кислотная обработка, аналогичной поверхности ITI SLA (код 03/136/09).
На фиг.4 показаны результаты измерения в названных образцах жизнеспособности клеток через 12, 24 и 72 часа. На фиг.5 показаны результаты измерений активности щелочной фосфатазы на 6-й день культивирования образцов.
Активность щелочной фосфатазы в течение длительного времени ассоциируют с биологической кальцификацией. Так, улучшенная экспрессия этого фермента является, по-видимому, необходимой перед началом минерализации костной матрицы, обеспечивая локальное обогащение неорганическим фосфатом для нуклеации и пролиферации кристаллов гидроксиапатита - главного компонента костной ткани.
Как следует из фиг.4 и 5, полученные результаты показывают улучшенный клеточный ответ для поверхности изобретения (код 03/136/15) по сравнению с контрольными поверхностями после механической обработки (код 03/136/07) и пескоструйной обработки (код 03/136/18). Результаты по клеточному ответу поверхности изобретения аналогичны результатам с контрольными поверхностями, подвергнутыми пескоструйной инфракрасной обработке (код 03/136/09).