Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов
MICRO- AND NANO-TEXTURED BIOINERT SURFACE CREATION METHOD ON IMPLANTS FROM TITANIUM AND TITANIUM ALLOYS

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к способу модификации поверхности имплантатов из титана и титановых сплавов для травматолого-ортопедических и стоматологических операций путем создания методом распыления микро- и нанорельефного слоя чистого титана.
Уровень техники
Используемые многообразные методы модификации поверхности титановых имплантатов, например, такие как, пескоструйная обработка поверхности для придания шероховатости, травление в кислотах, лазерная обработка поверхности и др. имеют ограниченные возможности по контролируемому управлению топологией поверхности и особенно непригодны для организации поверхности на наноразмерном уровне. Однако именно имплантаты с нанорельефной топологией могут оказать более эффективное воздействие на остеоинтеграционные процессы и помогут глубже понять процесс ремоделирования костной ткани. В пользу аргументации этого предположения свидетельствует способность повышенного взаимодействия нанорельефной поверхности с такими наноразмерными биологическими субстанциями как фиброзная ткань, коллаген, компоненты поврежденных клеток и крови, что в итоге влияет на интенсивность дифференциации и пролиферации остеогенных клеток (Brett P.M. et al., 2004).
Повышенная адсорбция остеобластов на нанометрическую поверхность может стимулировать рост костной ткани в соответствии с 3D топологией этой поверхности.
К основным характеристикам поверхности имплантатов, ответственных за остеоинтеграционные процессы, относятся не только шероховатость поверхности, но и гидрофильность этой поверхности. Гидрофильная поверхность, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия, способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции (Buser D. et al., 2004; Zhao G. et al., 2005).
Известен способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов, заключающийся в нанесении на металлическую основу из титана, сплава нихрома или нержавеющей стали покрытия из биоактивного апатитового материала [патент Японии JPH0223179, A61C8/00; A61F2/28; A61F2/30; A61L27/00; B32B9/00, опубл. 23.05.1990].
Недостатком покрытия из биоактивного апатитового материала является его низкая механическая прочность, что связано со значительным различием в термомеханических и биомеханических свойствах материала основы имплантата и биоматериала покрытия. Повысить прочность и биосовместимость можно за счет напыления на имплантат многослойного покрытия, предложенного в патенте РФ №2025132. На имплантат, выполненного из металлического или металл-керамического сплава в виде штифта, наносится трехслойное покрытие, при этом первый слой содержит биостекло на основе фосфата кальция с добавлением оксидов металлов, второй слой - смесь фосфата кальция и гидроксиапатита, и промежуточный слой содержит фосфат кальция [патент РФ №2025132, МПК A61F2/28, опубл. 30.12.1994].
Однако использование многокомпонентной системы покрытий (CaP-стекло, гидроксиапатит кальция, трикальцийфосфат и добавки оксидов металлов) с различными коэффициентами термического расширения не способствуют прочному закреплению слоев покрытия (особенно первого слоя) с металлической основной имплантата. Необходимого сочетания механической прочности и биологической активности покрытия, а также получения наружного слоя с определенной пористой структурой и морфологией поверхности достигают применяя многослойную технологию плазменного нанесения покрытий, состоящих из одного или двух компонентов, а именно из титана или гидрида титана, гидроксиапатита кальция и их смеси [патент РФ №2074674, МПК A61F2/28, опубл. 10.03.1997].
Данный способ является наиболее близким к предлагаемому и состоит в следующем. На отдробеструенную поверхность титановой основы имплантата плазменным напылением при различных режимах наносят систему покрытий, состоящую из четырех слоев: первых двух - из порошков титана или гидрида титана различной дисперсности, промежуточного слоя из смеси титана или гидрида титана с гидроксиапатитом кальция и наружного слоя из гидроксиапатита. Однако увеличения прочности сцепления покрытий (адгезии) не наблюдается при переходе от промежуточного слоя к наружному биоактивному.
Заявленный способ позволяет в едином технологическом процессе, без нарушения стерильности процесса формирования титанового покрытия, создавать методом магнетронного распыления, путем выбора соответствующих технологических условий, сначала покрытие с микро-, а затем поверх нее - покрытие с наноразмерной шероховатостью для обеспечения хорошей гидрофильности.
Имплантаты для стоматологии в настоящее время производят из технически чистого титана (Grade 1-4 ASTM, ISO) или ВТ 1-0 по ГОСТ, предел прочности которого составляет 300-550 МПа. По механическим свойствам он уступает сплавам титана марки Ti6Al4V (ВТ6), предел прочности которого - 850-1000 МПа.
Сплав Ti6Al4V (ВТ6) также используется для производства имплантатов и костных шурупов, но не может считаться оптимальным, так как увеличение прочности в сплаве достигается за счет введения в его состав алюминия и ванадия. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях.
Предлагаемое изобретение делает возможным использование имплантатов не только из технически чистого титана (Grade 1-4 ASTM, ISO) или ВТ 1-0, но и других механически более прочных марок титана, несмотря на наличие в них примесей токсичных металлов.
Используемые в медицине свойства чистого титана - биоинертность, способность к интеграции в костной ткани без воспалительной инкапсуляции, присущи титану благодаря образующейся на его поверхности пленке оксида титана.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является получение на поверхности имплантатов изготовленных из титана и сплавов титана, как микро- , так и нанорельефных покрытий из особо чистого титана (99,999) с 3D нанопористой топологией.
Задачей предлагаемого изобретения является также получение на поверхности имплантатов изготовленных из титана и сплавов титана покрытий из особо чистого титана (99,999), состоящих из двух слоев – нижнего микрошероховатого слоя и верхнего слоя с наноразмерной шероховатостью.
Поставленная задача решается следующей совокупностью существенных признаков.
-4
Для создания покрытий из особо чистого титана поверхность имплантата после механической обработки и мокрой химической очистки подвергается ионно-плазменной обработке ионами аргона ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10 Торр для очистки поверхности до атомарного уровня путем удаления окисного слоя и других возможных загрязнений в целью обеспечения идеальной адгезии, после чего проводят нагрев имплантата до температуры в интервале от комнатной до 500°С при которой методом DC (Direct Current – постоянный ток) магнетронного распыления из титановой мишени с чистотой 99,999 в среде чистого аргона 99,999 при остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов проводится осаждение на поверхность имплантата слоя наноструктурированного титана, топология и степень шероховатости которой от микроразмерного до наноразмерного, задается мощностью магнетронного распыления, соответственно, в пределах от 50 Вт до 300 Вт и температурой имплантата.
-6
Последовательность существенных признаков - мокрая химическая очистка, обработка ускоренными ионами аргона для получения атомарно чистой поверхности имплантата и обеспечения идеальной адгезии титанового имплантата с титановым покрытием, нагрев имплантата в интервале от комнатной температуры до 500°С, вращение имплантата для обеспечения равномерного покрытия имплантата распыляемым слоем, осаждение методом магнетронного распыления на поверхность имплантата слоя особо чистого титана при заданных технологических условиях, определяющих топологию и степень шероховатости, охлаждение имплантата до комнатной температуры в вакууме не хуже (2-5)⋅10 Торр.
Техническим результатом данного изобретения является получение в едином технологическом процессе (т.е. без извлечения имплантата из камеры) биосовместимого (биоинертного) или однослойного или двухслойного покрытий из чистого титана на имплантатах из титана и сплавов титана имеющих как микро-, так и нанорельефную поверхность, нанесенную на микрорельефную поверхность, что повышает гидрофильность этой поверхности и способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции.
Техническим результатом данного изобретения является также создание имплантатов из высокопрочных сплавов титана, покрытых интегрированным на атомарном уровне слоем чистого титана, который «капсулирует» токсичные для организма примеси, содержащиеся в имплантате, и увеличивает возможности дентальной имплантологии и травматологии за счет применения более прочных имплантатов и костных шурупов.
-4
-6
-6
Указанный технический результат достигается тем, что способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов заключается в нанесении на металлическую титановую основу имплантата биологически инертного покрытия, причем согласно изобретения, механически обработанную поверхность имплантата для получения атомарно-чистой поверхности сначала подвергают ионно-плазменному травлению ионами аргона, ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10 Торр, затем, не извлекая имплантат из камеры, при остаточном давлении 1,5⋅10 Торр проводят нагрев имплантата в интервале от комнатной температуры до 500°С, после этого в вакуумную камеру напускают чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов методом магнетронного распыления при мощности 50 Вт - 300 Вт проводят осаждение слоя наноструктурированного титана, по завершении которого импланты охлаждают до комнатной температуры при давлении ниже 1,5⋅10 Торр.
Для увеличения гидрофильности поверхности и улучшения остеоинтеграции, на поверхности имплантата методом магнетронного распыления сначала осаждают слой чистого (99,999%) титана с микрорельефной шероховатостью поверхности при мощности магнетронного распыления более 200 Вт, а затем, не извлекая имплантат из камеры, при меньшей мощности распыления на этот слой осаждают второй слой с нанорельефной шероховатостью.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведены изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), морфологии поверхности титановых покрытий, полученные при разных мощностях магнетрона - W, a) W = 200 Вт, б) W = 300 Вт.
На фиг. 2 приведены результаты, полученные методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), измерений титановых покрытий, полученных при мощности магнетронного распыления W = 200 Вт; а) и б) соответственно, 2D и 3D изображения морфологии поверхности, в) профиль рельефа поверхности, г) распределение зерен по размерам.
На фиг. 3 приведены результаты АСМ измерений титановых покрытий, полученных при мощности магнетронного распыления W = 300 Вт; а) и б) соответственно, 2D и 3D изображения морфологии поверхности, в) профиль рельефа поверхности, г) распределение зерен по размерам.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
-4
-6
0
-6
Титановые импланты, изготовленные из разных марок титана (ВТ 1-0, ВТ6), после механической обработки подвергали мокрой химической очистке, аналогично очистке, применяемой в микроэлектронной технике, а именно, сначала очищали моющим средством, не содержащим мыла, в ультразвуке, затем промывали в дистиллированной воде ультразвуком, далее промывали этанолом в ультразвуковой ванне и сушили продувкой воздуха, после этого имплантаты помещали в вакуумную камеру магнетронного распыления и подвергали ионно-плазменной обработке ионами аргона ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10 Торр для очистки поверхности до атомарного уровня путем удаления окисного слоя и других возможных загрязнений в целью обеспечения идеальной адгезии, затем при остаточном давлении 1,5⋅10 Торр имплантаты нагревали от комнатной температуры до 500С, после этого в вакуумную камеру напускали чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов проводили осаждение слоя наноструктурированного чистого (99,999%) титана, топология и степень шероховатости которой от микроразмерного до наноразмерного задавали мощностью магнетронного распыления, соответственно, в пределах от 50 Вт до 300 Вт. Толщину осаждаемого слоя титана контролировали временем распыления. После завершения процесса распыления, образцы охлаждались до комнатной температуры при давлении 1,5⋅10 Торр, чтобы исключить образование на их поверхности окисного слоя.
Заявляемый способ позволяет, минуя стадии пескоструйной обработки, которая требует тщательной и трудной очистки поверхности имплантата от остатков пескоструйного материала и экологически вредного процесса химического травления, сразу на поверхности имплантата с очень высокой степенью адгезии формировать слой особо чистого титана, топология поверхности которого и его шероховатость можно менять в пределах от нескольких десятков нанометра до единиц микрометра. Важными преимуществами предлагаемого способа по сравнению с известными методами модификации поверхности имплантата являются:
- возможность создания имплантатов из высокопрочных сплавов титана, поверхность которых содержит слой из особо чистого титана, который полностью исключает вредное действие токсичных примесей, содержащихся в титановых сплавах;
- возможность несложным способом путем изменения технологических условий менять в широких пределах от нескольких десятков нанометра до единиц микрометра шероховатость титанового покрытия;
- возможность повысить гидрофильность титанового покрытия за счет создания двухслойного покрытия, состоящего их нижнего микрорельефного слоя и верхнего нанорельефного слоя, способствующего улучшению процесса остеоинтеграции за счет более эффективного взаимодействия поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами;
- возможность снижения себестоимости изготовления имплантатов и повышения их качества
Результаты проведенных нами многочисленных экспериментальных исследований по нанесению титановых покрытий и измерению их элементного состава показали, что на поверхности покрытия из чистого титана не обнаруживаются следы примесных металлов, которые исходно присутствовали в имплантате из сплава Ti6Al4V (ВТ6). Результаты измерений элементного состава титановых имплантатов до и после нанесения покрытий приведены в таблице 1.
На рисунках (см. фиг. 1а и 1б) приведены СЭМ изображения морфологии поверхности титановых покрытий, полученные при разных мощностях магнетрона.
Как видно из рисунков (фиг. 1а и 1б) титановые покрытия, полученные методом магнетронного распыления, имеют однородную зернистую (шероховатую) поверхность с размерами «зерен» в интервале от 50 до 500 нанометров. Изменение мощности магнетронного распыления позволяет существенно менять морфологию нанорельефа поверхности.
Таким образом, как показывают результаты СЭМ изображений, метод магнетронного распыления, в отличие от других методов модификации поверхности имплантата, позволяет получать нанорельефные поверхности с разной морфологией.
На рисунках (см. фиг. 2-3) приведены 2D и 3D изображения морфологии поверхности, распределение зерен по размерам и профиль рельефа поверхности этих же образцов, полученные методом АСМ.
Как видно из рисунков (фиг.2-3) АСМ измерения показывают такую же морфологию поверхности титановых покрытий, как и результаты СЭМ измерений. При мощности магнетронного распыления W = 200 Вт и 300 Вт максимальные неровности поверхности лежат в пределах ± 150 нм, а размеры зерен меняются в пределах от 50 нм до 450 нм. Результаты наших исследований показали, что меняя параметры магнетронного распыления, можно управлять размерными характеристиками нанорельефа титановых покрытий.
В таблице 1 приведены результаты измерений элементного состава в титановых шайбах ВТ6.0 без титанового покрытия и после покрытия слоем чистого титана методом магнетронного распыления.
Таблица 1.  Атомная и весовая концентрация элементов на поверхности титановой шайбы ВТ6.0.
а) без титанового покрытия,
б) после нанесения титанового покрытия,
Как видно из таблицы 1 концентрация таких токсичных для остеоинтеграции элементов как ванадий, алюминий, железо и углерода уменьшаются, соответственно, от 2.9 ат.% до 0%, от 7.94 ат.% до 0.19 ат.%, железо от 0.14 ат.% до 0.08 ат.%, от 14,62 ат.% до 10.71 ат.%.
На основании измерений элементного состава установлено, что титановые покрытия позволяют не только формировать на имплантатах нанорельефную поверхность, но и резко снижают на этой поверхности концентрацию таких токсичных для остеоинтеграции элементов как ванадий, алюминий, железо и углерода, которые исходно присутствуют в материале имплантата ВТ6.0.
Имплантаты из титана и его сплавов с покрытием, полученным заявленным способом, прошли токсикологические испытания на биосовместимость и биоинертность. В качестве контроля использовали имплантаты, изготовленные из технически чистого титана ВТ1-0, с химической обработкой поверхности.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа, не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого способа в области медицины для создания биоинертной поверхности имплантатов из титана и титановых сплавов, которые используются при проведении травматолого-ортопедических и стоматологических операций, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».