Способ напыления биосовместимого покрытия модифицированного компонентом с низкой температурой разложения
METHOD OF SPUTTERING BIOCOMPATIBLE COATING MODIFIED WITH LOW DECOMPOSITION TEMPERATURE COMPONENT

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии, и может быть использовано для изготовления внутрикостных имплантатов на металлической основе.
Известен способ нанесения гидроксиапатитового покрытия на имплантат из биоинертных материалов и их сплавов (патент РФ на изобретение №2417107, МПК A61L 27/30, B05D 7/24, A61L 27/32 С1, опубл. 27.04.2011), который осуществляется путем смешивания порошка гидроксиапатита с биологически совместимым связующим веществом в виде фосфатной связки при соотношении связки и порошка 1,0-1,5:1,5-2,0, нанесения получаемой суспензии на металлическую поверхность, сушки и последующей термической обработки аргоно-плазменной струей при токе дуги 30-500 А, продолжительностью 0,5-2,0 мин. на дистанции 40-100 мм.
Однако полученные биоактивные покрытия не обладают достаточной прочностью и развитой морфологией поверхности.
Также известен способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с плазмонапыленным многослойным биоактивным покрытием, в котором повышение адгезии покрытия и достижение необходимой пористой структуры решается путем плазменного напыления на титановую основу имплантата при различных режимах системы покрытий из пяти слоев, состоящих из титана или гидрида титана, гидроксиапатита кальция и их смеси (патент РФ на изобретение №2146535, МПК A61L 27/00, F61C 8/00, опубл. 20.03.2000 г.).
Однако данный способ является дорогостоящим и трудоемким, при этом он не обеспечивает получение прочного покрытия с антимикробным эффектом.
Наиболее близким к предполагаемому решению является способ изготовления внутрикостных имплантатов с антимикробным эффектом (патент РФ на изобретение №2512714, МПК A61L 27/02, A61L 27/06, A61L 27/12, A61F 2/28, В82В 3/00, опубл. 10.04.2014), включающий послойное нанесение плазменным напылением 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 или оксида алюминия, при этом при формировании четвертого слоя смешивают порошок бемита дисперсностью не более 50 нм с порошками гидроксиапатита или оксида алюминия в количестве 5-20% порошка бемита от общего количества веществ, при этом бемит берут в виде суспензии, приготовленной с добавлением поверхностно-активного вещества, растворенного в дистиллированной воде концентрацией 0,25-5%, обработанного в ультразвуковой ванне, затем полученную суспензию из бемита и гидроксиапатита или оксида алюминия обрабатывают в ультразвуковой ванне, сушат, отжигают и измельчают.
Однако в описанном способе не определена величина адгезии на сдвиг, а также не решена проблема сохранения бемита в порах гидроксиапатита.
2
3
Как известно, бемит AlO(ОН) вводят в качестве компонента в керамические биосовместимые покрытия для придания антибактериального эффекта. Однако бемит имеет низкую температуру разложения. Так при 450°С он разлагается на AlO и воду. При пропитке частиц гидроксиапатита (ГА) суспензией на основе дистиллированной воды, поверхностно-активного вещества (ПАВ) полиэтиленглюколя 400 (ПЭГ) под воздействием ультразвука, бемит проникает в поры частиц ГА и при электроплазменном напылении на титановую подложку сохраняется в порах.
Технической проблемой предлагаемого изобретения является повышение адгезии, а также эффекта сохранения частиц бемита в порах ГА при электроплазменном напылении биосовместимых покрытий.
Техническим результатом является подбор тока электроплазменного напыления для повышения адгезии на сдвиг и сохранения частиц бемита в порах ГА биосовместимых покрытий.
Поставленная проблема достигается тем, что в способе напыления биосовместимого покрытия, модифицированного компонентом с низкой температурой разложения, включающем послойное нанесение электроплазменным напылением на титановую основу покрытия, состоящего из слоя титана и слоя гидроксиапатита, модифицированного бемитом, согласно заявляемому техническому решению электроплазменное напыление слоя из гидроксиапатита, модифицированного бемитом, производят с дистанции напыления 50-60 мм в течение 6-8 с и токе дуги 320 А. При модификации гидроксиапатита бемитом, берут порошок бемита в количестве 20 масс. % порошка от общего количества смеси.
Изобретение поясняется чертежами
Фиг. 1 - Схема склеивания образцов из титана для испытания на сдвиг;
Фиг. 2 - Приспособление для склеивания образцов;
Фиг. 3 - СЭМ-микрофотографии морфологии поверхности плазмонапыленных биосовместимых покрытий;
Фиг. 4 – СЭМ-изображение при энергодисперсионном анализе ГА покрытия, модифицированного бемита.
Позициями на чертеже обозначены:
1 - Клеевой шов,
2 - Верхняя пластина,
3 - Нижняя пластина.
Осуществление способа.
Способ напыления биосовместимого покрытия, модифицированного компонентом с низкой температурой разложения, включающий послойное нанесение электроплазменным напылением на титановую основу покрытия, состоящего из слоя титана и слоя гидроксиапатита, модифицированного бемитом, при этом электроплазменное напыление слоя из гидроксиапатита, модифицированного бемитом, производят с дистанции напыления 50-60 мм в течение 6-8 с и токе дуги 320 А. Кроме того, при подготовке смеси из гидроксиапатита и бемита, берут порошок бемита в количестве 20 масс. % порошка от общего количества смеси.
Порошок гидроксиапатита, модифицированного бемитом, получают в соответствии с изобретением по патенту №2512714. Для этого берут бемит в виде суспензии, приготовленной с добавлением поверхностно-активного вещества полиэтиленгликоля 400, растворенного в дистиллированной воде с концентрацией 5% в соотношении на 1 г бемита 8 мл раствора ПАВ, и обрабатывают полученную суспензию в ультразвуковой ванне ПСБ-ГАЛС в течение 2 минут.
Затем производят электроплазменное напыление биосовместимых покрытий, при этом нижним слоем напыляют слой титана при токе дуги 350 А, а затем слой гидроксиапатита, модифицированного бемитом (ГА + 20% AlO(ОН).
Формирование слоя ГА + 20% AlO(ОН) производят с дистанции напыления 50-60 мм в течение 6-8 с и токе дуги 320 А. Параметры электроплазменного напыления, такие как дистанция напыления, время напыления, ток дуги определяют экспериментальным путем.
Для определения адгезии применяют метод испытания предела прочности на сдвиг. Для этого верхнюю (2) и нижнюю (3) пластины с напыленным покрытием размером 20×60×2 мм склеивают между собой эпоксидным клеем ЭПД-20 (1), с зоной перекрытия образцов 15 мм (Фиг. 1). Склеивание образцов проводят при помощи приспособления (Фиг. 2). Испытание выполняют на разрывной машине ИР5082-100 при скорости передвижения нижнего захвата 10 мм/мин.
Пример осуществления способа.
Порошок гидроксиапатита, модифицированного бемитом, получали в соответствии с изобретением по патенту №2512714.
Послойное электроплазменное напыление биосовместимых покрытий осуществляли в атмосфере в струе защитного газа аргона, например, на полуавтоматической установке УПН-28. При этом сначала напыляли нижний слой титана при токе дуги 350 A, а затем слой гидроксиапатита, модифицированного бемитом (ГА + 20% AlO(ОН).
Формирование слоя ГА + 20% AlO(ОН) производят с дистанции напыления 50-60 мм в течение 6-8 с и токе дуги 320 А.
Ток дуги при электроплазменном напылении слоя ГА + 20% AlO(ОН), время напыления и дистанция напыления были получены экспериментальным путем. В таблице 1 приведены результаты экспериментального определения тока дуги при электроплазменном напылении слоя ГА + 20% AlO(ОН).
Из таблицы 1 видно, что при токе дуги 320 А достигается наибольшая величина адгезии, равная 18,5 МПа. Поэтому для повышения величины адгезии плазмонапыленного биосовместимого покрытия со слоем гидроксиапатита, модифицированного бемитом, целесообразно использовать ток дуги, равный 320 А. Кроме того, в данном случае возможно прогорание частиц бемита в порах гидроксиапатита при использовании больших величин тока.
При дистанции напыления меньше 50 мм, кинетическая энергия частиц недостаточна для хорошей адгезии покрытия, а при дистанции напыления больше 60 мм частицы недостаточно прогреты для обеспечения хорошей адгезии покрытия.
Время напыления было определено экспериментальным путем в зависимости от типа используемого материала. При небольшой длительности электроплазменного напыления характерен недостаточный прогрев частиц порошка и тонкий неравномерный слой покрытия, а при использовании большего времени напыления наоборот - слишком толстый слой покрытия, что негативно сказывается на адгезии покрытия. Поэтому при электроплазменном напылении слоя гидроксиапатита, модифицированного бемитом, в данном случае целесообразно использование времени, равного 6-8 сек.
Адгезию определяли методом испытания предела прочности на сдвиг. Верхнюю (2) и нижнюю (3) пластины с напыленным покрытием размером 20×60×2 мм склеивали между собой эпоксидным клеем ЭПД-20 (1), с зоной перекрытия образцов 15 мм (Фиг. 1). Склеивание образцов проводилось при помощи приспособления (Фиг. 2). Испытание выполняли на разрывной машине ИР5082-100 при скорости передвижения нижнего захвата 10 мм/мин.
Путем экспериментальных исследований было установлено, что максимальная адгезия (прочность на сдвиг) достигается при токе дуги 320 А и равна 18,5 МПа. Следовательно, можно судить о том, увеличение адгезии связано с рационально выбранным режимом напылении слоя гидроксиапатита, модифицированного бемитом. Помимо увеличения адгезии биосовместимых покрытий возможно повышение эффекта сохранения бемита в порах ГА за счет меньшего количества выгорания мелких частиц бемита (Фиг. 3).
Анализ содержания алюминия в порах частиц покрытия и между ними, выполненный энергодисперсионным методом показал, что метод модифицирования порошка ГА бемитом характеризуется наличием бемита не только между частицами ГА, но и в их порах (Фиг. 4). В таблице 2 приведены данные энергодисперсионного анализа наличия алюминия в порах модифицированного ГА.
Таким образом, можно сделать вывод, что для повышения величины адгезии биосовместимых покрытий, содержащих модифицированный бемитом гидроксиапатит, а также повышения эффекта сохранения бемита в порах целесообразно использовать предложенный ток дуги, равный 320 А.