УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПОВЕРХНОСТИ ИМПЛАНТАТОВ
DEVICE FOR IMPLANT SURFACE TREATMENT

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано при производстве имплантатов и костных шурупов, а также в стоматологии при операциях имплантации, в травматологии при остеосинтезе.
Известно устройство изготовления стоматологического имплантата с многослойным биоактивным покрытием (патент РФ 2146535), которое включает узел пескоструйной обработки имплантата для получения шероховатости поверхности и узел плазменного напыления, которое позволяет обеспечить адгезионную прочность, однако не создает поверхностной упорядоченной пористости покрытия, в результате чего снижается уровень его остеоинтеграции.
Известно устройство [1] для получения наноструктурированной (наноструктурной) пористой поверхности имплантатов из титана и сплавов титана, включающее узел пескоструйной обработки, узлы травления в растворах кислот и анодирования. Данное устройство не позволяет получить достаточную поверхностную пористость покрытия, что снижает его остеоинтеграционные свойства.
Наиболее близким к заявляемому является устройство для модификации поверхности имплантатов, описанное в [2]
Устройство-прототип включает в себя эксимерный лазер KrF (1) (248 нм, длина импульса 30 нс, 50 Гц) (LPX 305, «Лямбда физике», Гёттинген, Германия), комплект линз и имплантат, установленный на вращающемся столике.
Недостатками устройства является отсутствие узла продольного перемещения имплантата, что не позволяет обеспечить равномерной обработки лазерным лучом всей поверхности имплантата. Кроме того, устройство - прототип имеет ограниченный диапазон применения, в частности, для обработки титановых зубных имплантатов с плазменным напылением. Для более биосовместимых материалов, в частности для циркония, эта установка не позволяет получить качественной поверхности, из-за использования не оптимальной длиной волны излучения лазера, равной 248 нм.
Техническая задача изобретения состоит в обеспечении равномерного облучения поверхности имплантата лазерным лучом за счет придания ему возможности не только вращательного движения, но и равномерного продольного перемещения. Кроме того, в задачу изобретения входит также создание возможностей придания поверхности имплантатов на основе циркония свойств, повышающих их остеоинтеграцию с костной тканью пациентов.
Поставленная задача решается тем, что в устройство для модификации поверхности имплантатов, включающее в себя камеру с имплантатом и лазер, дополнительно введены сосуд с водой, обогреватель, паропровод, реверсивный двигатель, перемещающий узел, захват, гайка и два концевых выключателя, причем конец вала реверсивного двигателя выполнен в виде плоского выступа, введенного в шлиц, который выполнен на одном торце оси перемещающего узла, на другом торце оси перемещающего узла механически закреплен зажим, ось перемещающего узла выполнена в виде цилиндра с резьбой, вкрученной в гайку, механически закрепленную через стойку с внутренней стенкой камеры, при этом на образующей поверхности оси перемещающего узла установлены элементы концевых выключателей.
На фиг. 1. приведена схема реверсивного двигателя РД-09. На фиг. 2 приведена схема заявляемого устройства. Фиг. 1 и фиг. 2 служат для пояснения сущности изобретения. На фиг. 1 введены следующие обозначения: 1, 2, 3, 4 - клеммы на корпусе реверсивного двигателя РД-09. Цифрой 5 - обозначены контакты концевого выключателя.
На фиг. 2 введены следующие обозначения:
5 - контакты концевого выключателя; 6 - камера; 7 - стойка; 8 - лазер; 9 - луч лазера; 10 - паропровод; 11 - имплантат; 12 - обогреватель; 13 - вода; 14 - сосуд; 15 - реверсивный двигатель; 16 - вал двигателя; 17 - плоский выступ; 18 - ось перемещающего узла; 19 - шлиц; 20 - гайка; 21 - подставка; 22 - зажим; 23 - пружина.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
В сосуд 14 (рис. 2) заливают воду 13 и включают обогреватель 12. После того, как вода закипает, водяной пар через паропровод 10 начинает поступать к имплантату 11, закрепленному в зажиме 22, при помощи сжимающей пружины 23. Захват 23 выполнен в виде шарнирного манипулятора, захваты которого сжимаются под действием стягивающей пружины 23. При поступлении водяного пара к имплантату 11 включают реверсивный двигатель 15, установленный на подставки 21 и лазер 8. Луч лазера 9 начинает облучать поверхность имплантата. Для того, чтобы луч лазера 9 равномерно облучал поверхность имплантата 11, указанный имплантат необходимо не только равномерно вращать вокруг своей оси, но и равномерно перемещать в продольном направлении. Указанное вращение и перемещение имплантата происходит следующим образом. Пусть вал 16 реверсивного двигателя 15 после включения вращается по часовой стрелке. Плоский выступ 17 на торце вала двигателя 16, введенный в шлиц 19 оси перемещающего узла 18, которая начинает вращаться и вкручиваться по резьбе в гайку 20, механически прикрепленную через стойку 7 к стенке камеры 6. При этом имплантат 11 начинает вращаться вместе с осью 18 и одновременно перемещаться в продольном направлении за счет вкручивания в резьбу гайки 20. Как только ось 18 переместится на заданное расстояние, которое определяется продольными размерами имплантата 1, срабатывают контакты 5 концевого выключателя. При срабатывании концевого выключателя 5 (фиг. 1) конденсатор С отключается от клеммы 4 реверсивного двигателя, и подключается к клемме 3 и 2, за счет чего реверсивный двигатель начинает вращаться противоположную сторону (против часовой стрелки). Вал двигателя 16 (фиг. 2)также начинает вращаться против часовой стрелки. При этом за счет шлицевого соединения ось 18 перемещающего узла также начинает вращаться против часовой стрелки. Это вращение приводит к тому, что ось 18 начинает выкручиваться из резьбы гайки 20, за счет чего имплантат 11, продолжая вращаться, начинает перемещаться в противоположном, относительно начального, продольном направлении. Это происходит до тех пор, пока имплантат 11 не пройдет заданного расстояния, определяемого габаритами имплантата. После чего вновь срабатывают контакты концевого выключателя 5 и реверсивный двигатель начинает вращаться в противоположном направлении. Обработка имплантата заканчивается после 4-6 циклов переключения реверсивного двигателя.
Суть изобретения заключается в следующем. Известно, что до недавнего времени наиболее распространенными были зубные имплантаты, выполненные из титановых сплавов, что в частности и описывается в устройстве-прототипе. Однако титан обладает относительно низкой биосовместимостью, и у некоторых пациентов наблюдается на титан аллергия. Под действием электрогальванизма отделившие частицы титана соединяются с белками, и воспринимается иммунной системой как чужеродный белок.
Имплантаты из диоксида циркония лишены подобных недостатков. Из свойств циркония наибольший интерес представляют такие, как биологическая инертность, значительная стойкость к различным химическим воздействиям, высокие характеристики усталостной выносливости, склонность к «самозалечиванию» поверхностных дефектов, технологичность, прочность. Поэтому изделия из сплава циркония нашли широкое применение в стоматологической практике. Сплавы циркония используются в основном для производства дентальных имплантатов. Этим и обусловлен выбор диоксида циркония в заявляемом способе. Однако часть поверхности имплантатов, которую вставляют в альвеолярную кость, выполненные из циркония или его оксидов, обычно имеет твердость, значительно превышающую твердость альвеолярной кости. Это приводит к значительному ухудшению сцепления имплантата с альвеолярной костью. Поэтому для улучшения процессов соединения имплантата с альвеолярной костью на поверхности имплантатов создают шероховатость поверхности с помощью ее механической обработки, лазерной обработки и т.п. Однако для улучшения биологического сродства и достижения высоких показателей соединения с костью простого придания шероховатости на поверхности имплантата недостаточно, так как при этом биологическое сродство и высокие показатели соединения с костью являются труднодостижимыми.
В заявляемом устройстве значительного улучшения биологической совместимости имплантата, изготовленного из циркония, добиваются путем его облучения лучом лазера в парах воды. При прохождения лазерного луча через водяной пар под действием высокой температуры луча происходит интенсивное разложение воды на ионы кислорода, ионы гидроксильной группы и ионы водорода. При этом на поверхности циркониевого имплантата образуется слой из гидроксида циркония. Высокие градиенты температуры, возникающие на облучаемой поверхности имплантата, проникновение ионов гидроксильной группы, кислорода и разогретых молекул воды приводят к образованию на облучаемой поверхности гидроксидного слоя, обладающего значительно меньшей твердостью, чем циркониевая основа имплантата, с многочисленными порами и мелкими трещинами. При установки указанного имплантата в альвеолярную кость поверхностный слой действует в качестве буферного слоя, обеспечивающего сокращение разницы в степени твердости между костью и основой, вследствие чего указанная мягкая поверхность дополнительно улучшает характеристики, и процесс срастания с костью. При этом, поскольку на поверхностном слое имплантата создаются многочисленные поры и микротрещины, то после установки имплантата в альвеолярную кость, костные клетки начинают входить в указанные поры и трещины в поверхностном слое. Вхождение костных клеток в микротрещины приводит к значительному увеличению площади поверхности контакта между имплантатом и костью, что обеспечивает эффект межмолекулярного соединения и возможность получения улучшенных характеристик адгезии и соединения с костью.
Пример конкретного выполнения.
Каркас зубного имплантата 11 (фиг. 2) был выполнен из циркония. Нижняя часть (дистальный конец) зубного имплантата 11 была выполнена в виде сужающегося книзу усеченного конуса. На указанном конусе была выполнена самонарезающая резьба, что обеспечивает возможность непосредственного ввинчивания имплантата 11 в высверленное отверстие в альвеолярной кости. Каркас зубного имплантата 11 закрепляли зажимом 22, расположенным на торце оси 18 перемещающего узла, размещенного в камере 6, которую увлажняли водяным паром, получаемым при испарении воды 13 из сосуда 14, при разогреве на электрической плитке 12. Для вращения и продольного перемещения имплантата был использован реверсивный двигатель РД-09. На фиг. 1 показана схема питания и реверсивного переключения указанного двигателя от сети переменного напряжения 220 В. Двигатель РД-09 имеет встроенный редуктор, благодаря которому скорость вращения вала двигателя может изменяться в широком диапазоне от 1,75 до 185 об/мин. Скорость продольного перемещения имплантата зависит от шага резьбы в гайке 20 и оси 18 и от скорости вращения вала двигателя. Расстояние продольного перемещения определяется длиной выступа 17 на конце вала и глубиной шлица 19 на торце оси 18. В зависимости от продольных размеров имплантата 11 величина продольного перемещения задается расстоянием между контактами концевых выключателей.
Предварительно было установлено, что наилучшие результаты при обработке лазерным лучом части поверхности зубного имплантата, соединенной с альвеолярной костью, достигаются в том случае, если длина волны луча лазера лежит в диапазоне (914÷1342) нм. В связи с этим нами был использован лазер (твердотельный лазер) с диодной накачкой на основе кристалла ванадата легированного неодимом, активные элементы которого Nd : YVO с основной длиной волны, которая составляет 1064 нм. После обработки поверхности циркониевого имплантата 11 лазерным лучом, исследовались характеристики их обработанных поверхностей.
Исследования с помощью электронной микроскопии поверхности имплантата 11, обработанной лазерным лучом, показали, что она, по сравнению с необработанной поверхностью имеет многочисленные микротрещины и поры диаметром 1,5-4 мкм, равномерно распределенные по поверхности имплантата. Рентгеноструктурный анализ показал, что поверхностный слой и состоит, в основном, из гидроксида циркония. Поверхности необработанных и обработанных лазерным облучением образцов имплантатов исследовали на твердость по методу Виккерса. Количественным показателем твердости по Виккерсу является число твердости (HV). В результате двух измерений твердости по Виккерсу необработанного лучом лазера образца имплантата, выполненного только из циркониевой основы, были получены значения 998 (HV) и 1129 (HV). В отличие от этого, твердость по Виккерсу облученной поверхности образцов имплантата, в котором поверхностный слой состоял из гидроксида циркония, составила 336 (HV) и 328 (HV). Таким образом, обработанная поверхность зубного имплантата примерно в 1,5 менее твердая, чем альвеолярная кость, твердость которой по Виккерсу обычно составляет 500 (HV).
Эффективность остеоинтеграции имплантатов в костную ткань не облученных и облученных лазерным лучом имплантатов, исследовалась на подопытных животных (крысах). Исследования показали, что коэффициент срастания поверхности корпуса имплантата и костной тканью для сравнительного (не облученного лазерным лучом) образца составил порядка 28%, а для опытного (облученного лазерным лучом) образца - 65%, что, говорит о значительном повышении эффективности врастания имплантата, облученного лазером в костную ткань. Более высокая эффективность остеоинтеграции облученного лазерным лучом имплантата обусловлена двумя факторами: высокой пористостью и многочисленными микротрещинами, заполняемыми костной тканью в процессе вживления имплантата в кость, и буферными свойствами умягченного слоя имплантата.
Таким образом, по сравнению с прототипом, имплантат имеет возможность равномерно вращаться и перемещаться в продольном направлении, что дает возможность равномерного облучения лучом лазера всей поверхности имплантата. Обработка водяным паром поверхности имплантата, в процессе его облучения лазерным лучом, позволяет получить равномерный слой гидроксида циркония с многочисленными порами и микротрещинами, причем твердость полученного слоя ниже твердости альвеолярной кости. Полученные при помощи установки имплантаты из циркония имеют более высокую эффективность соединения с костной тканью. Заявляемая установка может быть использована не только для зубных имплантатов, но и любых других имплантатов, изготавливаемых на основе циркония.
Источники информации
1. Патент РФ №2154463, 2000. Покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его нанесения.
2. Лазерное модифицирование титановых имплантатов с целью улучшения клеточной адгезии. Heinrich K. Dengler Т. Koerner В. Stritzker С. Haczek Н. Deppe Кафедра Экспериментальной физики IV, Университет Аугсбурга.
//http://www.findpatent.ru/patent/246/2469744.html (Прототип)