ОРТОПЕДИЧЕСКИЙ ИМПЛАНТ, ИМЕЮЩИЙ ПОКРЫТИЕ ИЗ КРИСТАЛЛИЧЕСКОГО ГИДРОКСИАПАТИТА, СОДЕРЖАЩЕГО ГАЛЛИЙ, И СПОСОБЫ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ
ORTHOPEDIC IMPLANT HAVING COATING OF CRYSTALLINE HYDROXYAPATITE CONTAINING GALLIUM AND ITS MANUFACTURING METHODS

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА СМЕЖНЫЕ ЗАЯВКИ
Перекрестная ссылка дана на одновременно поданную заявку на патент США № 15/472,189, озаглавленную ORTHOPEDIC IMPLANT HAVING A CRYSTALLINE CALCIUM PHOSPHATE COATING AND METHODS FOR MAKING THE SAME (досье патентного поверенного № 265280-259106, DSP5297USNP), которая включена в настоящий документ путем ссылки.
Область применения изобретения
Настоящее изобретение относится по существу к покрытию из гидроксиапатита, содержащего галлий, а более конкретно к ортопедическому имплантату, имеющему осажденное из раствора покрытие из гидроксиапатита с замещением галлием, а также к способам его изготовления.
Предпосылки создания изобретения
Восстановление костной ткани зачастую предполагает применение ортопедических имплантатов для замещения недостающей кости или поддержки кости в процессе заживления. Обычно желательно покрывать такие ортопедические имплантаты остеокондуктивными материалами для стимуляции роста кости или биологической фиксации.
in vivo
in vivo
Гидроксиапатит (ГА) представляет собой минерал природного происхождения, находящийся в костях и зубах. Исследования показали, что ГА обладает остеокондуктивностью, и по этой причине ортопедические имплантаты покрывают ГА. Известны различные процессы покрытия имплантатов ГА. Одним процессом, применяемым для покрытия имплантатов, является плазменное напыление. В этом процессе порошок ГА подается в высокотемпературный факел с газом-носителем. Порошок ГА частично расплавляется, а затем воздействует на субстрат с высокой скоростью, после чего быстро охлаждается обратно до комнатной температуры. В этом процессе получают смесь из ГА, других фаз фосфата кальция и аморфного фосфата кальция. Эти фазы имеют большие различия в растворимости . В результате этого пленки из гидроксиапатита, полученные плазменным напылением (PSHA), равномерно не растворяются и не разлагаются . При таком неравномерном разложении вблизи от имплантата могут образовываться частицы, которые могут запускать каскад воспалительной реакции, приводящей к остеолизу. Частицы могут также попадать на смежные суставные поверхности, что приводит к усилению их износа. Наконец, процесс плохо пригоден для покрытия пористых структур бесцементных имплантатов, поскольку он действует по «линии прямой видимости». Возможно применение таких способов обработки или последующей обработки PSHA, которые приводят к формированию высококристаллических покрытий с длительными значениями времени резорбции in vivo. Это свойство вызывает опасения по поводу долгосрочного расслоения этих относительно толстых стабильных покрытий.
Другие способы получения покрытий ГА для биологической фиксации включают такие физические способы, как напыление, выпаривание и химическое осаждение из паровой фазы. Эти физические способы не воспроизводят нанокристалличность и большую площадь поверхности, как у биологических апатитов, и полученные покрытия могут неравномерно растворяться и могут высвобождать частицы.
Для получения покрытий ГА также использовали способы с раствором (или суспензией). Например, в публикации Zitelli, Joseph P. and Higham, Paul (2000), A Novel Method For Solution Deposition of Hydroxyapatite Onto Three Dimensionally Porous Metallic Surfaces: Peri-Apatite HA описан процесс, предусматривающий получение суспензии из тонко измельченных частиц ГА, в которую помещают имплантаты и которые покрывают путем наращения частиц из суспензии. Получают микрокристаллические покрытия с большой площадью поверхности, но их адгезия к субстрату слаба.
Также было разработано электрохимически стимулируемое осаждение из раствора. В этом процессе к имплантату, поддерживаемому в водном растворе, прикладывают напряжение, превышающее напряжение, необходимое для гидролиза воды. Этот процесс приводит к осаждению на имплантате материала фосфата кальция. Обычно осажденная пленка представляет собой смесь фаз фосфата кальция (CaP) и требует последующей обработки для преобразования пленок в фазу чистого ГА. Слабая адгезия также вызывает опасения в связи с этими пленками. Наконец, контроль электрохимических токов на пористых имплантатах с неравномерными частицами представляет собой проблему, что затрудняет масштабирование этого процесса.
Также были разработаны биомиметические процессы. В этих процессах используются растворы, имитирующие концентрации текучих сред в организме, и обычно их реализуют при температуре, близкой к температуре тела. В этих процессах возможно получать апатит, аналогичный апатиту, находящемуся в кости, но требуются дни или недели, чтобы получить пленки толщиной несколько микрон. Попытки увеличить скорости, связанные с такими способами, привели к осложнениям при воспроизводимом контроле рН, скорости осаждения и скорости наращивания по сравнению с ростом кристаллов на поверхности имплантата. Было обнаружено, что пленки, образуемые с более высокими скоростями, содержат аморфный материал. Неконтролируемая скорость осаждения также затрудняет достижение целевых масс или толщины покрытий.
Попытки добавления галлия (Ga) в покрытия из апатита предпринимались раньше. Однако предшествующие способы не принесли успеха во внедрении ионов Ga в решетку гидроксиапатита таким образом, чтобы кальций подвергался замещению в установленных местах.
Как описано выше, для усиления остеокондуктивности на ортопедические имплантаты можно наносить покрытия из гидроксиапатита с применением способов, которые либо обеспечивают высокую скорость, но образуют покрытия с определенными неприемлемыми или непредсказуемыми свойствами, либо позволяют получать более желательные продукты, но требуют нескольких дней для образования. Однако необходимо соответствующее покрытие из фосфата кальция, которое быстро образуется и имеет микроструктуру, допускающую равномерное разложение в течение периода нескольких недель без образования частиц.
Краткое описание изобретения
Несколько вариантов осуществления изобретения описываются представленными ниже нумерованными пунктами.
1. Ортопедический имплантат, содержащий металлическую поверхность и слой гидроксиапатита, нанесенный на по меньшей мере часть металлической поверхности, причем слой гидроксиапатита содержит ионы галлия, причем слой гидроксиапатита является кристаллическим.
2. Ортопедический имплантат, содержащий металлическую поверхность и слой гидроксиапатита, нанесенный на по меньшей мере часть металлической поверхности, в котором слой гидроксиапатита содержит ионы галлия, причем слой гидроксиапатита имеет средний размер кристаллита менее около 75 нм в направлении [001].
3. Ортопедический имплантат, содержащий металлическую поверхность и слой гидроксиапатита, нанесенный на по меньшей мере часть металлической поверхности, в котором слой гидроксиапатита содержит ионы галлия, причем слой гидроксиапатита при проведении рентгеновской дифракции (XRD) образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и при этом пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 1,5-10 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
4. Ортопедический имплантат, содержащий металлическую поверхность и слой гидроксиапатита, нанесенный на по меньшей мере часть металлической поверхности, в котором слой гидроксиапатита содержит ионы галлия, причем слой гидроксиапатита непрерывно растворяется в течение более 2 часов in vitro.
5. Ортопедический имплантат, содержащий металлическую поверхность и слой гидроксиапатита, нанесенный на по меньшей мере часть металлической поверхности, в котором слой гидроксиапатита содержит ионы галлия, причем слой гидроксиапатита по существу не содержит карбоната по данным измерения с использованием инфракрасной спектроскопии.
6. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором ионы галлия замещены в кристаллическую решетку слоя гидроксиапатита.
7. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита при проведении XRD образует пик (002) XRD, который сдвинут на угол 2θ от около 0,001° до около 0,1° по сравнению с пиком (002) XRD кристаллического гидроксиапатита без галлия.
8. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита при проведении XRD образует пик (002) XRD, который соответствует сдвигу на d-расстояние от около 0,001 Å до около 0,05 Å по сравнению с пиком (002) XRD кристаллического гидроксиапатита без галлия.
9. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором ионы галлия составляют от около 0,01% масс. до около 5% масс. слоя гидроксиапатита.
10. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет средний размер кристаллита менее около 75 нм в направлении [001].
11. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет средний размер кристаллита от около 10 до около 75 нм в направлении [001].
12. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет средний размер кристаллита от около 20 нм до около 70 нм в направлении [001].
13. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита под воздействием XRD образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и причем пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 1,5-10 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
14. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита при проведении XRD образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и причем пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 2-5 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
in vitro
15. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита растворяется в течение более 2 часов .
in vitro
16. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита растворяется в течение более 5 часов .
in vitro
17. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита растворяется в течение более 24 часов .
in vivo
18. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита резорбируется в течение 6 недель.
19. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита содержит от около 0% масс. до около 5% масс. карбоната.
20. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита по существу не содержит карбоната по данным измерения с использованием инфракрасной спектроскопии.
21. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита находится в контакте с металлической поверхностью.
22. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит оксид металла.
23. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит титан.
24. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит кобальто-хромовый сплав.
25. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит оксид титана.
26. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит титанат.
27. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит титанат натрия.
28. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность представляет собой пористую поверхность оксида металла.
29. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность представляет собой титановую поверхность, обработанную гидроксидом.
30. Ортопедический имплантат по п. 29, в котором гидроксид имеет концентрацию 1 М или более.
31. Ортопедический имплантат по п. 29 или 30, в котором гидроксид имеет концентрацию 2 М или более.
32. Ортопедический имплантат по любому одному из пп. 29-31, в котором гидроксид представляет собой гидроксид натрия.
33. Ортопедический имплантат по любом одному из пп. 29-32, в котором гидроксид представляет собой гидроксид калия.
34. Ортопедический имплантат по любому одному из пп. 29-33, в котором титановая поверхность термически не обработана после обработки гидроксидом.
35. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность имеет толщину более около 50 нм.
36. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность имеет толщину от около 50 нм до около 1 мкм.
37. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность имеет толщину от около 50 нм до около 100 нм.
38. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет кристалличность более около 90%.
39. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет кристалличность от около 70% масс. до около 100% масс.
40. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет фазовую чистоту кристаллического гидроксиапатита более 90%.
41. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет прочность на сдвиг от около 20 МПа до около 80 МПа по определению согласно ASTM F1044.
42. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет прочность на растяжение от около 50 МПа до около 100 МПа по определению в соответствии с ASTM F1147.
43. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита в отсутствие красящих веществ является прозрачным или полупрозрачным.
44. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет соотношение Ca/P 1 к 2.
2
2
45. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита имеет площадь поверхности от около 15 м/г до около 200 м/г.
46. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита не высвобождает частицы в физиологических условиях.
47. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором слой гидроксиапатита представляет собой слой гидроксиапатита с недостатком кальция.
48. Ортопедический имплантат по любому одному из предшествующих пунктов, в котором галлий распределен в слое гидроксиапатита.
49. Способ лечения пациента, включающий в себя введение пациенту ортопедического имплантата по любому одному из предшествующих пунктов.
Кроме того, несколько вариантов осуществления изобретения описываются представленными ниже нумерованными пунктами.
1. Остеокондуктивная композиция, содержащая гидроксиапатит, в которой гидроксиапатит содержит ионы галлия, причем гидроксиапатит является кристаллическим.
2. Остеокондуктивная композиция, содержащая гидроксиапатит, в которой гидроксиапатит содержит ионы галлия, причем гидроксиапатит имеет средний размер кристаллита менее около 75 нм в направлении [001].
3. Остеокондуктивная композиция, содержащая гидроксиапатит, в которой гидроксиапатит содержит ионы галлия, причем гидроксиапатит при проведении XRD образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и при этом пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 1,5-10 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
in vitro
4. Остеокондуктивная композиция, содержащая гидроксиапатит, в которой гидроксиапатит содержит ионы галлия, причем гидроксиапатит непрерывно растворяется в течение более 2 часов .
5. Остеокондуктивная композиция, содержащая гидроксиапатит, в которой гидроксиапатит содержит ионы галлия, причем гидроксиапатит по существу не содержит карбоната по данным измерения с использованием инфракрасной спектроскопии.
6. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой ионы галлия замещены в кристаллическую решетку гидроксиапатита.
7. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит при проведении XRD образует пик (002) XRD, который сдвинут на угол 2θ от около 0,001° до около 0,1° по сравнению с пиком (002) XRD кристаллического гидроксиапатита без галлия.
8. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит при проведении XRD образует пик (002) XRD, который соответствует сдвигу на d-расстояние от около 0,001 Å до около 0,05 Å по сравнению с пиком (002) XRD кристаллического гидроксиапатита без галлия.
9. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой ионы галлия составляют от около 0,01% масс. до около 5% масс. гидроксиапатита.
10. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет средний размер кристаллита менее около 75 нм в направлении [001].
11. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет средний размер кристаллита от около 10 до около 75 нм в направлении [001].
12. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет средний размер кристаллита от около 20 нм до около 70 нм в направлении [001].
13. Остеокондуктивная композиция по любом одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит при проведении XRD образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и причем пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 1,5-10 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
14. Остеокондуктивная композиция по любом одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит при проведении XRD образует пик (002) XRD и пик (112) XRD, и причем пик (002) XRD имеет интенсивность, которая в 2-5 раз превышает интенсивность пика (112) XRD.
in vitro
15. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит растворяется в течение более 2 часов .
in vitro
16. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит растворяется в течение более 5 часов .
in vitro
17. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит растворяется в течение более 24 часов .
in vivo
18. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит резорбируется в течение 6 недель.
19. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит содержит от около 0% масс. до около 5% масс. карбоната.
20. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит по существу не содержит карбоната по данным измерения с использованием инфракрасной спектроскопии.
21. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит находится в контакте с металлической поверхностью.
22. Остеокондуктивная композиция по п. 21, в которой металлическая поверхность содержит оксид металла.
23. Остеокондуктивная композиция по п. 21 или 22, в которой металлическая поверхность содержит титан.
24. Остеокондуктивная композиция по п. 21 или 23, в которой металлическая поверхность содержит кобальто-хромовый сплав.
25. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 21-24, в которой металлическая поверхность содержит оксид титана.
26. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 21-25, в которой металлическая поверхность содержит титанат.
27. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 21-26, в которой металлическая поверхность содержит титанат натрия.
28. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 21-27, в которой металлическая поверхность представляет собой пористую поверхность оксида металла.
29. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 21-28, в которой металлическая поверхность представляет собой титановую поверхность, обработанную гидроксидом.
30. Остеокондуктивная композиция по п. 29, в которой гидроксид имеет концентрацию 1 М или более.
31. Остеокондуктивная композиция по п. 29 или 30, в которой гидроксид имеет концентрацию 2 М или более.
32. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-31, в которой гидроксид представляет собой гидроксид натрия.
33. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-32, в которой гидроксид представляет собой гидроксид калия.
34. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-33, в которой титановая поверхность термически не обработана после обработки гидроксидом.
35. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-34, в которой металлическая поверхность имеет толщину более около 50 нм.
36. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-35, в которой металлическая поверхность имеет толщину от около 50 нм до около 1 мкм.
37. Остеокондуктивная композиция по любому одному из пп. 29-36, в которой металлическая поверхность имеет толщину от около 50 нм до около 100 нм.
38. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет кристалличность более около 90%.
39. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет кристалличность от около 70% масс. до около 100% масс.
40. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет фазовую чистоту кристаллического гидроксиапатита более 90%.
41. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет прочность на сдвиг от около 20 МПа до около 80 МПа по определению в соответствии с ASTM F1044.
42. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет прочность на растяжение от около 50 МПа до около 100 МПа по определению в соответствии с ASTM F1147.
43. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит в отсутствие красящих веществ является прозрачным или полупрозрачным.
44. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет соотношение Ca/P 1 к 2.
2
2
45. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит имеет площадь поверхности от около 15 м/г до около 200 м/г.
46. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит не высвобождает частицы в физиологических условиях.
47. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой гидроксиапатит представляет собой гидроксиапатит с недостатком кальция.
48. Остеокондуктивная композиция по любому одному из предшествующих пунктов, в которой галлий распределен в гидроксиапатите.
Кроме того, несколько вариантов осуществления изобретения описываются представленными ниже нумерованными пунктами.
1. Способ формирования покрытия из гидроксиапатита, включающий в себя этапы, на которых металлическую поверхность приводят в контакт с пересыщенным раствором, содержащим ионы кальция, ионы фосфата и ионы галлия, и уменьшают количество воздуха, контактирующего с пересыщенным раствором, во время этапа покрытия.
2. Способ формирования покрытия из гидроксиапатита, включающий в себя этап, на котором металлическую поверхность приводят в контакт с пересыщенным раствором, содержащим ионы кальция, ионы фосфата и ионы галлия, причем pH раствора изменяется на менее 0,1 ед. pH в час во время этапа приведения в контакт.
3. Способ формирования покрытия из гидроксиапатита, включающий в себя этап, на котором металлическую поверхность приводят в контакт с пересыщенным раствором, содержащим ионы кальция, ионы фосфата и ионы галлия, причем гидроксиапатит формируется на металлической поверхности со скоростью от 0,05 мкм/час до 1,5 мкм/час.
4. Способ формирования покрытия из гидроксиапатита, включающий в себя этап, на котором смешивают первый раствор, содержащий ионы галлия и ионы фосфата, и второй раствор, содержащий ионы кальция, с образованием пересыщенного раствора, и металлическую поверхность приводят в контакт с пересыщенным раствором.
5. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность представляет собой поверхность оксида металла.
6. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие из гидроксиапатита образуется на ортопедическом имплантате, содержащем металлическую поверхность.
7. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя уменьшение количества воздуха, находящегося в контакте с пересыщенным раствором во время этапа покрытия.
8. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором pH пересыщенного раствора изменяется менее чем на 0,1 ед. pH/час во время этапа приведения в контакт.
9. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя обеспечение снижения pH во время этапа приведения в контакт на заданную величину, которая составляет менее 0,15 ед. pH.
10. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором гидроксиапатит формируется на металлической поверхности со скоростью от 0,05 мкм/ч до 1 мкм/ч.
11. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие из гидроксиапатита представляет собой покрытие из гидроксиапатита с недостатком кальция.
12. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором pH пересыщенного раствора составляет от около 7,5 до около 7,9.
13. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором концентрация кальция в пересыщенном растворе составляет от около 1,4 мМ до около 1,8 мМ.
14. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором концентрация фосфата в пересыщенном растворе составляет от около 2 мМ до около 2,3 мМ.
15. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором концентрация галлия в пересыщенном растворе составляет от около 0,01 мМ до около 1,0 мМ.
16. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором изменение свободной энергии Гиббса, связанное с формированием покрытия из гидроксиапатита, составляет от около 8 кДж/моль до около 8,4 кДж/моль в начале этапа приведения в контакт.
.
2
.
2
17. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие формируется со скоростью на единицу площади поверхности от около 0,015 мг/часмм до около 0,05 мг/часмм.
18. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий этап, на котором извлекают металлическую поверхность из пересыщенного раствора через от около 0,5 часа до около 12 часов.
19. Способ по п. 18, дополнительно включающий в себя после этапа извлечения этап, на котором металлическую поверхность приводят в контакт с дополнительным количеством пересыщенного раствора, который ранее не контактировал с металлической поверхностью.
20. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором температура пересыщенного раствора составляет от около 45 °С до около 50 °С.
21. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором температура пересыщенного раствора составляет от около 46,5°С до 47,5°С.
22. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором пересыщенный раствор дополнительно содержит соль и буферный раствор.
23. Способ по п. 22, в котором соль представляет собой хлорид натрия, а буферный раствор представляет собой трис(гидроксиметил)аминометан.
24. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя перемешивание пересыщенного раствора во время этапа приведения в контакт.
25. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором на металлической поверхности происходит рост гетерогенных кристаллов, а роста гомогенных кристаллов не происходит.
26. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя формирование титанового слоя на корпусе имплантата с формированием металлической поверхности.
27. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя активацию металлической поверхности путем приведения металлической поверхности в контакт с основанием.
28. Способ по п. 27, в котором основание представляет собой анион гидроксида.
29. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность представляет собой поверхность диоксида титана.
30. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность представляет собой активированную металлическую поверхность.
31. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором металлическая поверхность содержит титанат.
32. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором процесс происходит в условиях инертной атмосферы.
33. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором процесс происходит в атмосфере аргона.
34. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором первый раствор, содержащий ионы галлия и ионы фосфата, и второй раствор, содержащий ионы кальция, смешивают при температуре от около 15°C до около 35°С.
35. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие из гидроксиапатита дополнительно не обрабатывают для повышения кристалличности после этапа приведения в контакт.
36. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, причем способ оценивают на количество покрытия из фосфата кальция на металлической поверхности.
37. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие из гидроксиапатита формируется преимущественно посредством гетерогенной нуклеации таким образом, что пересыщенный раствор остается визуально без мутности во время этапа приведения в контакт.
38. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие из гидроксиапатита формируется при по существу непрерывной скорости в течение всего этапа приведения в контакт.
39. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя определение количества покрытия из гидроксиапатита на основании количества ионов кальция и ионов фосфата.
40. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором проводят по меньшей мере два сеанса осаждения.
41. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя определение количества покрытия из гидроксиапатита на основании pH пересыщенного раствора.
42. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно содержащий определение толщины покрытия из гидроксиапатита на основании продолжительности этапа приведения в контакт.
43. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором pH пересыщенного раствора изменяется от около 0,01 до около 0,1 ед. рН/час во время этапа приведения в контакт.
.
2
.
2
44. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором покрытие формируется со скоростью на единицу площади поверхности от около 0,005 мг/часмм до около 0,015 мг/часмм.
45. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, в котором начальный pH пересыщенного раствора составляет от около 7,5 до около 7,9, а температура пересыщенного раствора составляет от около 38°С до около 60°С.
46. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя этап, на котором нагревают покрытие в растворе фосфата для уменьшения растрескивания поверхности.
47. Способ по любому одному из предшествующих пунктов, дополнительно включающий в себя этап, на котором покрытие приводят в контакт со сверхкритической текучей средой для уменьшения растрескивания поверхности.
48. Остеокондуктивная композиция, образованная по способу по любому одному из предшествующих пунктов.
49. Ортопедический имплантат, содержащий остеокондуктивную композицию, образованную по способу по любому одному из предшествующих пунктов.
Описанные выше и другие объекты, признаки и преимущества настоящего изобретения будут очевидны из представленного ниже описания и приложенных чертежей.
Краткое описание рисунков
2
На ФИГ. 1 представлена диаграмма, которая показывает массы покрытий из гидроксиапатита, образованных на субстратах, покрытых кристаллическим и аморфным диоксидом титана (TiO) толщиной от 50 нм до 500 нм.
2
На ФИГ. 2 представлено изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) аморфного покрытия из TiO толщиной 200 нм после обработки гидроксидом.
2
На ФИГ. 3 представлено изображение СЭМ кристаллического покрытия из TiO толщиной 200 нм, которое не обрабатывали гидроксидом.
На ФИГ. 4 представлен наложенный спектр рентгеновской дифракции (XRD) под скользящим углом, который показывает спектры аморфных покрытий из TiO2 толщиной 200 нм с обработкой гидроксидом и без нее и аморфных покрытий из TiO2 толщиной 500 нм с обработкой гидроксидом и без нее.
На ФИГ. 5 представлен наложенный спектр XRD под скользящим углом, который показывает спектры кристаллических покрытий из TiO2 толщиной 200 нм с обработкой гидроксидом и без нее и кристаллических покрытий из TiO2 толщиной 500 нм с обработкой гидроксидом и без нее.
На ФИГ. 6 представлено изображение СЭМ слоя титана, гальванически осажденного на сердцевину из CoCrMo.
На ФИГ. 7 представлено изображение полномасштабного сосуда для нанесения покрытия.
На ФИГ. 8 представлено изображение СЭМ покрытия SoDHA при увеличении 15 000х.
На ФИГ. 9A представлено изображение СЭМ покрытия SoDHA при увеличении 100х.
На ФИГ. 9B представлено изображение СЭМ покрытия SoDHA при увеличении 400х.
На ФИГ. 10 представлена диаграмма, которая показывает соотношение между pH и массой осадков гидроксиапатита в ходе соответствующих им процессов осаждения.
На ФИГ. 11 представлена диаграмма, которая показывает скорости осаждения на разных площадях поверхности для процесса осаждения гидроксиапатита из раствора (SoDHA).
На ФИГ. 12 представлена диаграмма, которая показывает соотношения Ca/P в пяти образцах, созданных в соответствии с процессом SoDHA в полномасштабной системе осаждения, показанной на ФИГ. 7.
На ФИГ. 13 представлена диаграмма, которая показывает кристалличность гидроксиапатита в пяти образцах, описанных на ФИГ. 12.
На ФИГ. 14 представлена диаграмма, которая показывает процентную долю кристаллического гидроксиапатита в материалах, образованных в процессе SoDHA, в пяти образцах, описанных на ФИГ. 12.
На ФИГ. 15 представлена диаграмма, которая показывает прочность на растяжение гидроксиапатита в пяти образцах, описанных на ФИГ. 12.
На ФИГ. 16 представлена диаграмма, которая показывает прочность на сдвиг гидроксиапатита в пяти образцах, описанных на ФИГ. 12.
На ФИГ. 17 представлено крепление для купона из стержня бедренной кости, применяемое для характеризации с помощью XRD, описанной в настоящем документе.
На ФИГ. 18 представлены наложенные сканы XRD покрытых таким способом SoDHA дисков ГA с замещением галлием в условиях раствора Ga от 0% масс. до 20% масс.
На ФИГ. 19 представлены углы 2θ от 25° до 27° наложенных сканов XRD, показанных на ФИГ. 18.
На ФИГ. 20 представлены % Ga в SoDHA дисках ГA с замещением галлием, образованных в условиях раствора Ga от 0% масс. до 20% масс.
На ФИГ. 21 представлен спектр инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR) соскобленного порошка ГА, осажденного с помощью процесса SoDHA-G.
На ФИГ. 22 представлена диаграмма, которая показывает скорость растворения образца ГА по процессу SoDHA с замещением галлием.
На ФИГ. 23 представлена диаграмма, которая показывает скорость растворения стандартного образца ГА от Национального института стандартов и технологий (NIST).
На ФИГ. 24 представлены графики дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) соскобленных порошков SoDHA, не имеющие различимых экзотермических пиков при нагревании.
На ФИГ. 25 представлено врастание кости в имплантатах, имеющих покрытия из SoDHA и из SoDHA с замещением галлием, на модели собаки.
На ФИГ. 26А представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием, высушенного на воздухе без последующей обработки, при увеличении 400х.
2
На ФИГ. 26В представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием, высушенного в сверхкритическом CO, при увеличении 400х.
На ФИГ. 27 представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием, высушенного в печи, при увеличении 400х.
На ФИГ. 28А представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 70 °С в течение 2 часов в растворе фосфата галлия при увеличении 800х.
На ФИГ. 28В представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 70 °С в течение 2 часов в сиропе фосфата галлия при увеличении 1000х.
На ФИГ. 29А представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 90 °С в течение 1 часа в растворе фосфата галлия при увеличении 501х.
На ФИГ. 29В представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 90 °С в течение 1 часа в сиропе фосфата галлия при увеличении 500х.
На ФИГ. 30А представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 90 °С в течение 2 часов в растворе фосфата галлия при увеличении 500х.
На ФИГ. 30В представлено изображение СЭМ покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки при 90 °С в течение 2 часов в сиропе фосфата галлия при увеличении 500х.
На ФИГ. 31 представлены наложенные сканы XRD покрытия из SoDHA без последующей обработки, покрытия из SoDHA с замещением галлием без последующей обработки, и покрытия из SoDHA с замещением галлием после гидротермической обработки; и
на ФИГ. 32А-В представлены характерные изображения, которые иллюстрируют способ количественной оценки плотности трещин.
Подробное описание иллюстративных вариантов осуществления
Хотя настоящее изобретение может быть подвергнуто различным модификациям и использованию альтернативных форм, в качестве примеров на чертежах продемонстрированы конкретные варианты осуществления, подробно описанные в настоящем документе. Однако следует понимать, что изобретение не ограничено конкретными описанными формами; напротив, намерение заключается в том, чтобы охватить все модификации, эквиваленты и альтернативы в пределах объема и сущности изобретения, определенных в приложенной формуле изобретения.
+3
in vivo
Настоящее изобретение относится к ортопедическим имплантатам с покрытием из фосфата кальция, таким как ортопедические имплантаты с покрытием из гидроксиапатита (ГА) с замещением галлием, а также к способам их изготовления. Без стремления к ограничению теорией считается, что наличие галлия в покрытиях позволяет улучшать биосовместимость по сравнению с традиционными покрытиями из гидроксиапатита. В настоящем изобретении ионы галлия (Ga) встраиваются или внедряются в решетку гидроксиапатита (ГА), таким образом обеспечивая локальное управляемое высвобождение данного терапевтического иона по мере резорбции покрытия из ГА в течение нескольких недель . Галлий может накапливаться во вновь формируемой кости, помогать формированию новой кости, регулировать снижение воспаления, а также обладать антибактериальной активностью. Описанные в настоящем документе покрытия из ГА с замещением галлием могут применяться в многофункциональных покрытиях в целях улучшения остеогенного потенциала на месте имплантации и усиления антибактериальной эффективности.
Описанные в настоящем документе покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием имеют высокооднородную микроструктуру. Когда имплантаты применяют для человека или животного, покрытие из гидроксиапатита с замещением галлием равномерно разлагается в течение продолжительного периода времени без высвобождения частиц. В некоторых вариантах осуществления этот период составляет 6 недель или менее. Покрытия, описанные в настоящем документе, также имеют преимущественные свойства адгезии и/или когезии, такие как повышенная прочность на растяжение, по сравнению с предшествующими покрытиями. Кроме того, описанные в настоящем документе покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием могут быстро формироваться на субстрате путем управляемого, но быстрого процесса роста, который допускает оценку процесса с помощью диагностики процесса, которая позволяет определять полную массу покрытия на партии частей без необходимости измерения массы покрытия на частях, что приводит к однородной микроструктуре и химическому составу покрытий.
Осажденные из раствора керамические покрытия могут быть предрасположены к растрескиванию во время высушивания. По мере увеличения толщины покрытия этот эффект может усугубляться. В некоторых случаях можно наблюдать растрескивание осажденных из растворов покрытий SoDHA с замещением галлием (SoDHA-G) по мере их высушивания после формирования. Без стремления к ограничению теорией, покрытия из SoDHA-G показывают большую предрасположенность к растрескиванию по сравнению с покрытиями из SoDHA без галлия, что возможно является результатом напряжения решетки, вызванного внедрением галлия в решетку гидроксиапатита. Два примера независимых способов уменьшения трещин при высушивании, описанных в настоящем документе, содержат: (1) замену органического растворителя и сверхкритическую экстракцию растворителя; и (2) устранение трещин повторным осаждением посредством гидротермической обработки. Следует понимать, что замена органического растворителя и устранение трещин повторным осаждением могут проводиться независимо друг от друга или в комбинации.
Описанные в настоящем документе композиции и способы могут улучшать бесцементную фиксацию ортопедических имплантатов для улучшенного приживления и расширять применение бесцементных имплантатов в процедурах, в которых цементированные имплантаты являются стандартной практикой. Специалисту в данной области понятно, что это может обеспечивать сокращение длительности операции и снижение затрат на медицинское обслуживание.
Покрытие из гидроксиапатита с замещением галлием
10-x
x
4
6
2-x
3
x
Описанные в настоящем документе покрытия из фосфата кальция содержат ГА с замещением галлием. При использовании в настоящем документе термин ГА включает, без ограничений, гидроксиапатит с недостатком кальция (CDHA), в котором ионы кальция были замещены галлием. В некоторых вариантах осуществления описанный в настоящем документе ГА представляет собой нестехиометрический ГА с замещением галлием. ГА с замещением галлием может иметь формулу CaGa(PO)(OH)(CO), где x составляет от около 0 до около 1 или от около 0,1 до около 1. Следует понимать, что описанные в настоящем документе формулы описывают стехиометрические эквиваленты. Покрытия из ГА имеют характерные молярные соотношения кальция и фосфата (отношение Ca/P). Отношение Ca/P может составлять от около 1 до около 2, от около 1,2 до около 2, от около 1,3 до около 2, от около 1,39 до около 2, от около 1 до около 1,8, от около 1,2 до около 1,8, от около 1,3 до около 1,8, от около 1,39 до около 1,8, от около 1 до около 1,7, от около 1,2 до около 1,7, от около 1,3 до около 1,7, от около 1,39 до около 1,7, от около 1 до около 1,649, от около 1,2 до около 1,649, от около 1,3 до около 1,649, от около 1,39 до около 1,649 или от около 1,5 до около 1,67. Следует понимать, что ГА с замещением галлием можно модифицировать путем регуляции концентраций кальция и фосфата в растворах, из которых могут формироваться покрытия из ГА.
В покрытиях из ГА с замещением галлием некоторые из ионов кальция замещены на ионы галлия, по сравнению с традиционным ГА. Биоактивное покрытие из гидроксиапатита с замещением галлием, создаваемое по настоящему документу, желательно содержит молярное отношение ионов галлия к ионам кальция от около 1: 10 до около 1: 5000, от около 1: 10 до около 1: 1500 или от около 1: 20 до около 1: 1500. Соответственно могут изменяться отношения Са/Р в зависимости от замещения Ga в решетке гидроксиапатита.
-1
-1
Как дополнительно описано ниже, покрытия из ГА с замещением галлием могут формироваться из пересыщенных растворов, которые остаются по существу без мутности вследствие гомогенной нуклеации в растворе на всем протяжении процесса покрытия. В некоторых вариантах осуществления покрытия из ГА с замещением галлием не содержат карбоната, что способствует контролю рН во время формирования покрытия. Без стремления к ограничению теорией считается, что осаждение из растворов, по существу не содержащих мутности вследствие гомогенной нуклеации, играет роль в покрытиях из ГА с замещением галлием, осаждаемых с предсказуемыми скоростями покрытия, и в ГА с замещением галлием, имеющем высокую кристалличность, однородную микроструктуру и улучшенную биосовместимость. В некоторых вариантах осуществления % масс. карбоната в покрытиях составляет от около 0% до около 25%, от около 0% до около 20%, от около 0% до около 15%, от около 0% до около 10%, от около 0% до около 5%, от около 0% до около 3%, от около 0% до около 2%, от около 0% до около 1%, от около 0% до около 0,1%, от около 0,1% до около 25%, от около 0,1% до около 20%, от около 0,1% до около 15%, от около 0,1% до около 10%, от около 0,1% до около 5%, от около 0,1% до около 3%, от около 0,1% до около 2%, от около 0,1% до около 1%, от около 1% до около 25%, от около 1% до около 20%, от около 1% до около 15%, от около 1% до около 10%, от около 1% до около 5%, от около 1% до около 3%, от около 1% до около 2%, от около 2% до около 25%, от около 2% до около 20%, от около 2% до около 15%, от около 2% до около 10%, от около 2% до около 5% или от около 2% до около 3%. В некоторых вариантах осуществления концентрацию карбоната в покрытиях измеряют спектроскопическими способами, такими как инфракрасная (ИК) спектроскопия. Покрытия могут по существу не содержать карбоната. В настоящем документе покрытия, «по существу не содержащие карбоната», относятся к покрытиям, которые не имеют различимого пика карбоната от 1500 см до 1300 см при проведении ИК-спектроскопии.
Процентное содержание кристаллического ГА с замещением галлием в покрытиях, описанных в настоящем документе, составляет от около 50% до около 100%, от около 60% до около 100%, от около 70% до около 100%, от около 80% до около 100%, от около 90% до около 100%, от около 50% до около 99%, от около 60% до около 99%, от около 70% до около 99%, от около 80% до около 99%, от около 90% до около 99%, от около 50% до около 95%, от около 60% до около 95%, от около 70% до около 95%, от около 80% до около 95% или от около 90% до около 95%. Без стремления к ограничению теорией считается, что покрытия образуются путем гетерогенной нуклеации, что приводит к получению покрытий, которые преимущественно содержат кристаллический ГА или OCP с замещением галлием.
Компонент ГА с замещением галлием в покрытиях из ГА с замещением галлием имеет высокую кристалличность по измерениям, к примеру, методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC). Кристалличность составляет более около 50%, более около 80%, более около 90%, более около 95%, более около 96%, более около 97%, от около 80% до около 99,9%, от около 90% до около 99,9%, от около 95% до около 99,9%, от около 96% до около 99,9% или от около 97% до около 99,9%.
in vivo
Компонент ГА с замещением галлием в покрытиях имеет высокую чистоту кристаллической фазы в своей преобладающей фазе. Чистота кристаллической фазы составляет более около 80%, более около 90%, более около 95%, более около 96%, более около 97%, от около 80% до около 99,9%, от около 90% до около 99,9%, от около 95% до около 99,9%, от около 96% до около 99,9% или от около 97% до около 99,9%. Высокая кристалличность и высокая чистота кристаллической фазы компонента ГА с замещением галлием в покрытиях из ГА с замещением галлием улучшает биосовместимость и равномерность разложения , при этом не допуская высвобождения частиц. В некоторых вариантах осуществления кристалличность измеряют дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC).
Компонент ГА с замещением галлием в покрытиях имеет низкое содержание аморфной фазы или совсем не содержит ее. Содержание аморфной фазы составляет менее около 20%, менее около 15%, менее около 10%, менее около 5%, менее около 4%, менее около 3%, от около 0,1% до около 3%, от около 0,1% до около 5%, от около 0,1% до около 10% или от около 0,1% до около 20%. Содержание аморфной фазы может быть слишком низким для обнаружения. В некоторых вариантах осуществления содержание аморфной фазы измеряют дифференциальной сканирующей калориметрией (DSC).
Кристаллическую структуру покрытий из ГА с замещением галлием можно характеризовать методом рентгеновской спектроскопии, таким как рентгеновская порошковая дифракционная спектроскопия. При характеризации методом рентгеновской порошковой дифракции покрытия из ГА с замещением галлием образуют несколько характерных углов 2θ дифракции. Числовые значения, показанные в скобках, представляют собой индексы Миллера, связанные с каждым пиком. Рентгеновские спектры покрытий из ГА с замещением галлием могут образовывать углы 2θ дифракции, включая около 26 ± 2° (002), около 28 ± 2° (102), около 32 ± 2° (112), около 50 ± 2° (213) и около 53 ± 2° (004) или 26 ± 0,5° (002), около 28 ± 0,5° (102), около 32 ± 0,5° (112), около 50 ± 0,5° (213) и около 53 ± 0,5° (004). Рентгеновские спектры покрытий из ГА с замещением галлием могут образовывать углы 2θ дифракции, включая около 26 ± 1° (002), около 28 ± 1° (102), около 32 ± 1° (112), около 50 ± 1° (213) и около 53 ± 1° (004). Рентгеновские спектры покрытий из ГА с замещением галлием могут образовывать углы 2θ дифракции, включая около 25,58 ± 0,1°, около 28,13 ± 0,1°, около 31,75 ± 0,1°, около 32,17 ± 0,1°, около 49 ± 0,1° и около 53 ± 0,1°. Следует понимать, что углы дифракции, приведенные в настоящем документе, могут иметь систематический сдвиг вследствие вариаций в приборах.
Спектры XRD покрытий из ГА с замещением галлием имеют характерные относительные интенсивности. В настоящем документе относительная интенсивность пика в спектре XRD относится к интенсивности пика, поделенной на интенсивность самого интенсивного пика в спектре. Пики, связанные с направлениями (002), (211), (112), (202), (213) и (004), могут иметь относительные интенсивности 100%, 40-50%, 45-55%, 15-25%, 10-20% и 15-25% соответственно. Любой один из пиков, связанных с направлениями (002), (211), (112), (202), (213) и (004), может иметь относительную интенсивность 100%, 30-60%, 35-65%, 5-35%, 0-30% и 5-35% соответственно. В некоторых вариантах осуществления слой гидроксиапатита имеет отношение интенсивности XRD пика (002) к пику (211), которое составляет более около 1, более около 1,25, более около 1,5, более около 1,75, более около 2,0, более около 2,5, более около 3,0 или более около 3,5.
В результате замещения галлием угол 2θ пика (002) дифракции сдвигается по сравнению с покрытием из ГА, формируемым в процессе осаждения из раствора без галлия, судя по характеристикам покрытий, полученным методом рентгеновской спектроскопии. Результирующий сдвиг пика (002) дифракции может составлять около до около 0,25°, до около 0,2°, до около 0,15°, от около 0,01° до около 0,25°, от около 0,01° до около 0,2°, от около 0,01° до около 0,15°, от около 0,05° до около 0,25°, от около 0,05° до около 0,2°, или от около 0,05° до около 0,15°. Сдвиг пика (002) дифракции может увеличиваться с увеличением концентрации ионов галлия. Сдвиг угла 2θ пика (002) дифракции связан со сдвигом на d-расстояние в диапазоне от около 0,001 Å до около 0,05 Å, от около 0,0025 Å до около 0,025 Å, или от около 0,0037 Å до около 0,0226 Å.
-1
3-
-1
4
Покрытия из ГА с замещением галлием можно также характеризовать методом инфракрасной спектроскопии с преобразованием Фурье (FTIR). Покрытия из ГА с замещением галлием образуют полосы FTIR при около 1100 см, характерные для PO. В покрытиях из ГА с замещением галлием отсутствуют полосы FTIR, характерные для карбоната, от около 1400 до 1500 см.
В некоторых вариантах осуществления покрытия из ГА с замещением галлием представляют собой нанокристаллы. Соответственно, покрытия из ГА с замещением галлием по настоящему описанию приводят к получению малых размеров кристаллитов по определению методами рентгеновской дифракции или сканирующей электронной микроскопии. Гидроксиапатит с замещением галлием имеет средний размер кристаллита в пределах от около 1 нм до около 100 нм, от около 5 нм до около 100 нм, от около 10 нм до около 100 нм, от около 15 нм до около 100 нм, от около 1 нм до около 80 нм, от около 5 нм до около 80 нм, от около 10 нм до около 80 нм, от около 15 нм до около 80 нм или от около 15 нм до около 70 нм. Средний размер кристаллита в направлении (002) составляет от около 60 нм до около 80 нм, от около 65 нм до около 75 нм, от около 66 нм до около 73 нм или от около 68 нм до около 69 нм. Средний размер кристаллита в направлении (200) составляет от около 10 нм до около 30 нм, от около 15 нм до около 25 нм, от около 16 нм до около 23 нм или от около 18 нм до около 22 нм. Средний размер кристаллита в направлении (210) составляет от около 40 нм до около 60 нм, от около 45 нм до около 55 нм, от около 46 нм до около 53 нм или от около 48 нм до около 52 нм. В некоторых вариантах осуществления пленки ГА с замещением галлием имеют размер кристаллита в по меньшей мере одном направлении, который составляет менее длины волны света, и зерна связаны друг с другом без присутствия второй аморфной или кристаллической фазы, которая имеет другой показатель преломления. В таких вариантах осуществления покрытия являются прозрачными или полупрозрачными.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
Покрытия из ГА с замещением галлием по настоящему описанию являются высокопористыми и имеют большие площади поверхности. Площадь поверхности составляет от около 5 м/г до около 100 м/г, от около 10 м/г до около 75 м/г, от около 10 м/г до около 50 м/г, от около 10 м/г до около 200 м/г, от около 10 м/г до около 150 м/г, от около 10 м/г до около 100 м/г, от около 50 м/г до около 200 м/г, от около 50 м/г до около 150 м/г, от около 50 м/г до около 100 м/г или от около 15 м/г до около 35 м/г. Площадь поверхности можно определять по способу Брунауэра - Эмметта - Теллера (BET). Данная площадь поверхности может приводить к значительным улучшениям адсорбции терапевтических агентов на этих покрытиях, как дополнительно описано ниже. Повышенную способность к загрузке можно использовать для подбора дозы и длительного высвобождения терапевтических агентов, таким образом повышая эффективность лечения.
Без стремления к ограничению теорией, еще одно преимущество от уменьшения размера кристаллита в ГА с замещением галлием может заключаться в сглаживании поверхностной нано-топографии на поверхностях имплантата, повышающем таким образом адсорбцию фибриногена из крови после имплантации. Это в свою очередь усиливает адгезию и активацию тромбоцитов, которые инициируют каскад воспаления и процесс заживления. Также было доказано, что нано-топография повышает силу адгезии фибринового сгустка (или внеклеточного матрикса) к поверхности имплантата, обеспечивая таким образом его интеграцию во время формирования новой кости и стягивания раны в течение процесса заживления.
Описанные в настоящем документе покрытия могут высвобождать кальций и/или галлий in vitro по существу с постоянной скоростью или с постоянной скоростью в течение длительного периода времени по результатам измерения кальциевыми электродами, как описано в ASTM F1926. В настоящем документе по существу постоянная скорость представляет собой скорость, которая изменяется менее чем на 20% каждый час. В настоящем документе постоянная скорость представляет собой скорость, которая изменяется менее чем на 5% каждый час. Покрытия могут высвобождать кальций с по существу постоянной скоростью в течение по меньшей мере около 5 часов, по меньшей мере около 10 часов, по меньшей мере около 15 часов, по меньшей мере около 20 часов, от около 5 часов до около 100 часов, от около 5 часов до около 50 часов, от около 5 часов до около 30 часов, от около 5 часов до около 25 часов, от около 10 часов до около 100 часов, от около 10 часов до около 50 часов, от около 10 часов до около 30 часов, от около 10 часов до около 25 часов, от около 15 часов до около 100 часов, от около 15 часов до около 50 часов, от около 15 часов до около 30 часов или от около 15 часов до около 25 часов. Покрытия могут высвобождать кальций с постоянной скоростью в течение по меньшей мере около 5 часов, по меньшей мере около 10 часов, по меньшей мере около 15 часов, по меньшей мере около 20 часов, от около 5 часов до около 100 часов, от около 5 часов до около 50 часов, от около 5 часов до около 30 часов, от около 5 часов до около 25 часов, от около 10 часов до около 100 часов, от около 10 часов до около 50 часов, от около 10 часов до около 30 часов, от около 10 часов до около 25 часов, от около 15 часов до около 100 часов, от около 15 часов до около 50 часов, от около 15 часов до около 30 часов или от около 15 часов до около 25 часов.
Описанные в настоящем документе покрытия из ГА с замещением галлием могут иметь высокую адгезию к субстрату и имеют высокую когезию по сравнению с ранее описанными покрытиями. Адгезию и когезию можно количественно оценивать путем измерения значений предельного напряжения растяжения и сдвига. Описанные в настоящем документе покрытия проходят наружу от поверхности ортопедического имплантата. В настоящем документе напряжение сдвига представляет собой компонент напряжения, параллельный поверхности объекта, а напряжение растяжения представляет собой компонент напряжения от поверхности объекта.
,
Пиковое напряжение сдвига в покрытиях из ГА с замещением галлием, как определено в соответствии с ASTM F1044, может составлять от около 10 МПа до около 150 МПа, от около 10 МПа до около 100 МПа, от около 10 МПа до около 75 МПаот около 10 МПа до около 65 МПа или от около 28,2 МПа до около 63,6 МПа. Пиковое напряжение растяжения, как определено в соответствии с ASTM F1147, может составлять от около 25 МПа до около 120 МПа, от около 40 МПа до около 120 МПа, от около 50 МПа до около 120 МПа, от около 60 МПа до около 120 МПа, от около 68 МПа до около 120 МПа, 25 МПа до около 100 МПа, от около 40 МПа до около 100 МПа, от около 50 МПа до около 100 МПа, от около 60 МПа до около 100 МПа, от около 68 МПа до около 100 МПа, от 25 МПа до около 95 МПа, от около 40 МПа до около 95 МПа, от около 50 МПа до около 95 МПа, от около 60 МПа до около 95 МПа, от около 68 МПа до около 95 МПа, от 25 МПа до около 90 МПа, от около 40 МПа до около 90 МПа, от около 50 МПа до около 90 МПа, от около 60 МПа до около 90 МПа или от около 68 МПа до около 90 МПа.
Покрытия из ГА с замещением галлием могут иметь среднюю толщину, измеренную от поверхности ортопедического имплантата, на которую они нанесены, от около 150 нм или более, от около 1 мкм до около 50 мкм, от около 1 мкм до около 25 мкм, от около 1 мкм до около 20 мкм, от около 1 мкм до около 15 мкм, от около 1 мкм до около 10 мкм, от около 1 мкм до около 8 мкм, от около 3 мкм до около 50 мкм, от около 3 мкм до около 25 мкм, от около 3 мкм до около 20 мкм, от около 3 мкм до около 15 мкм, от около 3 мкм до около 10 мкм, от около 3 мкм до около 8 мкм, от около 5 мкм до около 50 мкм, от около 5 мкм до около 25 мкм, от около 5 мкм до около 20 мкм, от около 5 мкм до около 15 мкм, от около 5 мкм до около 10 мкм, от около 5 мкм до около 8 мкм или около 7 мкм.
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
2
При нанесении на пористые поверхности врастания, такие как Porocoat или Gription, покрытия из ГА с замещением галлием могут иметь массу на единицу площади поверхности от около 1 до около 100 мг/см, от около 1 до около 75 мг/см, от около 1 до около 50 мг/см, от около 1 до около 25 мг/см, от около 1 до около 12 мг/см, от около 5 до около 100 мг/см, от около 5 до около 75 мг/см, от около 5 до около 50 мг/см, от около 5 до около 25 мг/см, от около 5 до около 12 мг/см, от около 7 до около 15 мг/см, от около 7 до около 14 мг/см, от около 7 до около 12 мг/см, от около 9 до около 15 мг/см, от около 9 до около 14 мг/см, от около 9 до около 12 мг/см, от около 9 до около 11 мг/см, от около 9 до около 12 мг/см или от около 8 до около 12 мг/см.
in vivo
Когда ортопедический имплантат с нанесенными покрытиями из ГА с замещением галлием, описанными в настоящем документе, применяют у пациента или животного (например, собаки), значения скорости резорбции таковы, что покрытие из ГА с замещением галлием резорбируется в течение от около 3 до около 15 недель, от около 4 до около 15 недель, от около 5 до около 15 недель, от около 6 до около 15 недель, от около 3 до около 14 недель, от около 4 до около 14 недель, от около 5 до около 14 недель, от около 6 до около 14 недель, от около 3 до около 12 недель, от около 4 до около 12 недель, от около 5 до около 12 недель, от около 6 до около 12 недель, от около 1 до около 6 недель или менее около 6 недель.
В некоторых вариантах осуществления покрытие из ГА с замещением галлием дополнительно содержит один или более дополнительных терапевтических агентов. В покрытие могут быть введены добавки дополнительного материала для улучшения остеокондукции и/или доставки противоинфекционных материалов.
Терапевтический агент может содержать белки, липиды, (липо)полисахариды, факторы роста, цитостатические агенты, гормоны, антибиотики, противоинфекционные агенты, антиаллергенные агенты, противовоспалительные агенты, прогестационные агенты, гуморальные агенты, жаропонижающие агенты и питательные агенты. Терапевтический агент может представлять собой остеоиндуктивное вещество, остеокондуктивное вещество или вещество, являющееся как остеоиндуктивным, так и остеокондуктивным.
Металлическая поверхность
2
Слои фосфата кальция, описанные в настоящем документе, размещены около поверхности ортопедического имплантата. Поверхность может представлять собой металлическую поверхность, такую как поверхность из титана или сплава CoCr или поверхность из диоксида титана (TiO). В некоторых вариантах осуществления внешняя поверхность слоя металла является аморфной, а остальная часть слоя металла является кристаллической. В других вариантах осуществления весь слой металла является кристаллическим. Например, граница раздела между поверхностью и покрытием из фосфата кальция может содержать активированный слой, из которого покрытие из фосфата кальция кристаллизуется и растет наружу. Следует понимать, что вся поверхность может быть полностью покрыта ГА или поверхность может быть замаскирована таким образом, чтобы заданная часть поверхности была покрыта ГА.
2
2
Поверхность может представлять собой активированную металлическую поверхность. Например, когда металлическая поверхность представляет собой титановую поверхность, поверхность можно активировать с образованием внешней поверхности из титаната, что облегчает нуклеацию и усиливает адгезию между поверхностью титана и покрытием из фосфата кальция. Активация титановой поверхности также облегчает управляемый рост на ней кристаллов из слоя фосфата кальция без дополнительной термообработки, как будет дополнительно описано ниже. В некоторых вариантах осуществления нативный оксид или оксид, полученный в процессах пассивации, превращают в титанат посредством обработки гидроксидом. В некоторых вариантах осуществления титанат представляет собой титанат натрия. Альтернативно на сердцевину имплантата может быть нанесен кристаллический TiO. Такие кристаллические пленки индуцируют нуклеацию без дополнительной обработки. В некоторых вариантах осуществления поверхность имплантата выполнена из материала, отличного от титановых сплавов. В этом случае активацию можно выполнять путем осаждения нанометровых пленок кристаллического TiOx на поверхность имплантата. Альтернативно тонкие аморфные слои TiOx можно осаждать и превращать в титанат посредством обработки аморфной пленки гидроксидом. Дополнительные средства активации включают создание поверхностей, которые содержат COOH, NH или другие заряженные остатки, как будет очевидно специалистам в данной области.
В некоторых вариантах осуществления вся сердцевина имплантата представляет собой титан. В других вариантах осуществления по меньшей мере часть сердцевины имплантата покрыта титаном, на который, в свою очередь, наносят покрытие из фосфата кальция, описанное в настоящем документе. Сердцевина и/или поверхность имплантата может содержать такой материал, как CoCrMo или PEEK.
Альтернативно имплантат может содержать приемлемый материал, такой как материалы на основе кремния, материалы на основе керамики или материалы на основе полимера. Другие предполагаемые материалы включают кобальт, хром, железо, тантал, ниобий, цирконий и их сплавы (например, сплавы титана и сплавы тантала), а также кобальтовые, кобальто-хромовые сплавы и нержавеющую сталь. Имплантат может содержать биосовместимые полимеры, природные или синтетические полимеры, такие как полиэтилен (например, сверхвысокомолекулярный полиэтилен или оксид полиэтилена), полипропилен, политетрафторэтилен, полигликолевую кислоту, полимолочную кислоту, другие полисахариды и сополимеры любых из представленных выше веществ (например, сополимеры полимолочной кислоты и полигликолевой кислоты), включая каркасы для тканевой инженерии, состоящие из синтетических полимеров (например, поли-HEMA) и биологических макромолекул (например, коллагена и хондроитинсульфата).
Слой металла или оксида металла может иметь толщину по меньшей мере около 25 нм, по меньшей мере около 30 нм, по меньшей мере около 35 нм, по меньшей мере около 40 нм, по меньшей мере около 45 нм, по меньшей мере около 50 нм, по меньшей мере около 60 нм, по меньшей мере около 70 нм, по меньшей мере около 80 нм, по меньшей мере около 90 нм или по меньшей мере около 100 нм. В некоторых вариантах осуществления слой может иметь толщину от около 25 нм до около 125 нм, от около 30 нм до около 125 нм, от около 35 нм до около 125 нм, от около 40 нм до около 125 нм, от около 45 нм до около 125 нм, от около 50 нм до около 125 нм, от около 25 нм до около 100 нм, от около 30 нм до около 100 нм, от около 35 нм до около 100 нм, от около 40 нм до около 100 нм, от около 45 нм до около 100 нм или от около 50 нм до около 100 нм. Пленки толщиной менее 100 нм могут прекращать проявлять цвета интерференции после обработки гидроксидом. Предпочтительную толщину слоя можно определять на основании желаемого цветового профиля ортопедического имплантата.
Кристаллическую структуру титановой поверхности можно охарактеризовать с применением рентгеновской спектроскопии, такой как рентгеновская порошковая дифракция. Титановые поверхности показывают несколько характерных углов 2θ дифракции при характеризации с помощью рентгеновской порошковой дифракции. Рентгеновские спектры титановых пленок показывают углы 2θ дифракции около 26°, около 28°, около 32°, около 49° и около 53°.
Металлическую поверхность можно модифицировать перед нанесением покрытия из ГА. Например, металлическую поверхность можно модифицировать с точки зрения шероховатости поверхности, чтобы облегчить сцепление апатитового покрытия с биосовместимым субстратом. Возможные способы модификации шероховатости металлической поверхности включают травление кислотой или пескоструйную обработку.
Формирование и активация оксида титана
2
2
Как описано выше, на поверхности ортопедического протеза может быть образован слой оксида титана. Предпочтительными процессами образования слоя TiO являются конформные (не по линии прямой видимости) процессы, которые позволяют получать пленки, прочно прикрепляющиеся к сердцевине. Было показано, что осаждение атомного слоя может позволять получать как аморфные, так и кристаллические пленки, которые хорошо прикрепляются и имеют равномерную толщину. Можно также использовать процессы золь-гель и электроосаждение пленок TiO.
После того как поверхность была образована или стала доступна иным образом, можно проводить активацию поверхности для стимулирования нуклеации и роста фосфата кальция. Для активации поверхности оксида титана можно применять щелочные условия. В некоторых вариантах осуществления титановую поверхность обрабатывают источником гидроксида, таким как гидроксид натрия. Обработка гидроксидом позволяет получить пористую поверхность титаната на металле, которая облегчает нуклеацию и рост фосфата кальция.
Процесс осаждения гидроксиапатита с замещением галлием из раствора (SoDHA-G)
Описанные в настоящем документе покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием формируются на активированных поверхностях путем осаждения из пересыщенных растворов. При достаточно оптимизированных значениях пересыщения на активных поверхностях формируются и растут стабильные ядра, что приводит к образованию покрытий из фосфата кальция, описанных в настоящем документе. Без стремления к ограничению теорией считается, что рост преимущественно происходит посредством гетерогенного механизма нуклеации, а не гомогенного механизма в условиях, дополнительно описанных ниже. Этот процесс приводит к получению продукта в виде гидроксиапатита с замещением галлием, такого как описанные выше покрытия.
2
Растворы кальция и фосфата/галлия получают и доводят до желательных концентраций путем разбавления. Исходные растворы кальция и фосфата/галлия смешивают вместе, получая раствор, который пересыщен по отношению к гидроксиапатиту. Заготовки ортопедических имплантатов, которые имеют активированные поверхности, приводят в контакт с пересыщенным раствором, достигая формирования покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием с воспроизводимой скоростью в условиях раствора, который не образует мутности. В некоторых вариантах осуществления субстрат имеет поверхность из пленки кристаллического TiO, которая необязательно активирована. В некоторых вариантах осуществления субстрат имеет поверхность из аморфной пленки, которая была обработана основанием, таким как гидроксид. Предполагается, что имплантаты можно замаскировать для обеспечения осаждения только на выбранных участках имплантатов.
Мутность раствора можно определять с помощью оптических датчиков, которые оценивают диапазон УФ-излучения. Для обнаружения мутности, обусловленной гомогенной нуклеацией в растворе, использовали зонд-датчик Optek AS16F, работающий на длине волны 430 нм. Без стремления к ограничению теорией считается, что процесс покрытия с контролируемыми скоростями происходит преимущественно при гетерогенной нуклеации.
Степень пересыщения в растворе для покрытия зависит от активностей ионов кальция, фосфата и галлия в растворе, а также от pH раствора. Значения активности, в свою очередь, зависят от концентрации раствора, образования видов ионов и ионной силы. Исходные растворы кальция и фосфата смешивают вместе, получая раствор, который пересыщен по отношению к желательному продукту - фосфату кальция. Ортопедические имплантаты, которые имеют активированные поверхности, приводят в контакт с пересыщенным раствором, достигая формирования покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием с высокой и воспроизводимой скоростью.
3
3
3
2
4
2
4
4
2
4
3
2-
-
Имплантаты покрывают в растворе, который пересыщен по отношению к фазам ГА. В некоторых вариантах осуществления пересыщенный раствор содержит Ga(NO), Ca(NO), KHPO, KHPO, NaCl и буферный раствор - трис-(гидроксиметил)-аминометан (ТРИС). Соотношение HPO/HPO можно выбирать для достижения целевого pH раствора. Можно использовать другие противоионы, помимо NO и K, как будет понятно специалистам в данной области. Концентраты кальция и фосфата/галлия можно получать с сертифицированной концентрацией, а впоследствии разбавлять до рабочих концентраций перед смешиванием для создания конечных пересыщенных растворов.
2+
Растворы, применяемые для формирования ГА, содержат катионы кальция с концентрацией от около 0,5 до около 1,5 мМ, от около 0,6 до около 1,5 мМ, от около 0,7 до около 1,5 мМ, от около 0,5 до около 1,3 мМ, от около 0,6 до около 1,3 мМ, от около 0,7 до около 1,3 мМ, от около 0,5 до около 1,1 мМ, от около 0,6 до около 1,1 мМ, от около 0,7 до около 1,1 мМ, от около 0,5 до около 1,05 мМ, от около 0,6 до около 1,05 мМ, от около 0,7 до около 1,05 мМ или от около 0,62 до около 1,05 мМ. В некоторых вариантах осуществления ион кальция представляет собой Ca.
4
4
2
4
3-
2-
-
Растворы, применяемые для формирования ГА, содержат анионы фосфата с концентрацией от около 0,75 мМ до около 1,75 мМ, от около 1,0 мМ до около 1,75 мМ, от около 1,25 мМ до около 1,75 мМ, от около 0,75 мМ до около 1,5 мМ, от около 1,0 мМ до около 1,5 мМ, от около 1,25 мМ до около 1,5 мМ, от около 0,75 мМ до около 1,35 мМ, от около 1,0 мМ до около 1,35 мМ, от около 1,25 мМ до около 1,35 мМ, от около 0,75 мМ до около 1,3 мМ, от около 1,0 мМ до около 1,3 мМ или от около 1,25 мМ до около 1,3 мМ. В некоторых вариантах осуществления ионы фосфата представляют собой PO, HPO, HPO или их комбинацию.
3+
3
3
Растворы фосфата, применяемые для формирования ГА, включают катионы галлия с концентрацией от около 0,01 мМ до около 0,4 мМ, от около 0,01 мМ до около 0,3 мМ, от около 0,01 мМ до около 0,2 мМ, от около 0,01 мМ до около 0,1 мМ, от около 0,01 мМ до около 0,4 мМ, от около 0,05 мМ до около 0,3 мМ, от около 0,05 мМ до около 0,2 мМ или от около 0,05 мМ до около 0,1 мМ. В некоторых вариантах осуществления ион галлия представляет собой Ga. В некоторых вариантах осуществления источник галлия представляет собой Ga(NO).
Растворы, применяемые для формирования ГА с замещением галлием, имеют pH от около 7,5 до около 8, от около 7,55 до около 8, от около 7,6 до около 8, от около 7,65 до около 8, от около 7,5 до около 7,9, от около 7,55 до около 7,9, от около 7,6 до около 7,9, от около 7,65 до около 7,9, от 7,5 до около 7,85, от около 7,55 до около 7,85, от около 7,6 до около 7,85, от около 7,65 до около 7,85, от 7,5 до около 7,8, от около 7,55 до около 7,8, от около 7,6 до около 7,8, от около 7,65 до около 7,8, от 7,5 до около 7,75, от около 7,55 до около 7,75, от около 7,6 до около 7,75, от около 7,65 до около 7,75, от 7,5 до около 7,7, от около 7,55 до около 7,7, от около 7,6 до около 7,7, от около 7,65 до около 7,7 или около 7,684. pH может представлять собой pH в начале процесса покрытия для данного цикла покрытия. pH может представлять собой pH, когда раствор имеет температуру 25 °С.
В некоторых вариантах осуществления в состав пересыщенного раствора входит буферный раствор для стабилизации pH. В некоторых вариантах осуществления буферный раствор представляет собой трис(гидроксиметил)аминометан (Трис). Концентрация Трис составляет от около 1 мМ до около 10 мМ, от около 2 мМ до около 10 мМ, от около 3 мМ до около 10 мМ, от 1 мМ до около 8 мМ, от около 2 мМ до около 8 мМ, от около 3 мМ до около 8 мМ, от 1 мМ до около 6 мМ, от около 2 мМ до около 6 мМ, от около 3 мМ до около 6 мМ или около 5 мМ.
Пересыщенный раствор может содержать соль для увеличения ионной силы. В некоторых вариантах осуществления соль представляет собой хлорид натрия. Концентрация соли составляет от около 100 мМ до около 200 мМ, от около 100 мМ до около 175 мМ, от около 100 мМ до около 160 мМ, от 125 мМ до около 200 мМ, от около 125 мМ до около 175 мМ, от около 125 мМ до около 160 мМ, от 140 мМ до около 200 мМ, от около 140 мМ до около 175 мМ или от около 140 мМ до около 160 мМ.
Температура раствора в процессе покрытия составляет от около 40 °C до около 50 °C, от 42 °C до около 50 °C, от 44 °C до около 50 °C, от 46 °C до около 50 °C, от около 40 °C до около 48 °C, от 42 °C до около 48 °C, от 44 °C до около 48 °C, от 46 °C до около 48 °C, от 46,5 °C до около 47,5 °C или около 47 °C. Имплантаты можно поддерживать при температуре процесса с точностью 0,5 °C.
sp
-120
ГА представляет собой малорастворимую соль с K порядка 10, которая, следовательно, имеет очень узкую «метастабильную зону», в которой может происходить управляемая гетерогенная нуклеация. Неожиданно было обнаружено существование интервала, позволяющего управляемо осаждать кристаллический ГА с замещением галлием на активированную поверхность ортопедического имплантата из относительно стабильных пересыщенных растворов. При определении этого интервала было отмечено, что низкие концентрации пересыщения приводили к низким скоростям нуклеации, а высокие концентрации пересыщения приводили к неконтролируемым высоким скоростям нуклеации, нарастанию и неравномерному росту на субстрате. Без стремления к ограничению теорией считается, что процесс покрытия в условиях чрезмерного пересыщения происходит преимущественно за счет гомогенной нуклеации и нарастания.
Различные условия могут приводить к повышению стабильности раствора. В некоторых вариантах осуществления растворы смешивают при комнатной температуре, а не при температуре, при которой происходит процесс осаждения. В некоторых вариантах осуществления исходные растворы кальция добавляют к исходным растворам фосфата, содержащим NaCl и Трис. В некоторых вариантах осуществления температура исходных растворов не ниже комнатной температуры. В некоторых вариантах осуществления раствор помещают в сосуд, имеющий гладкие стенки, а не шероховатые стенки.
Неожиданно оказалось возможным определять интервал концентраций пересыщенного раствора или альтернативно интервал свободной энергии Гиббса, который позволял управляемо выращивать кристаллы ГА с замещением галлием за желательный период времени. Растворы, применяемые в процессе SoDHA с замещением галлием, были приготовлены таким образом, чтобы dG для образования ГА с замещением галлием составляла от около 7 кДж/моль до около 9 кДж/моль, от 7 кДж/моль до около 8,8 кДж/моль, от 7 кДж/моль до около 8,6 кДж/моль, от 7 кДж/моль до около 9,4 кДж/моль, от 7 кДж/моль до около 8,2 кДж/моль, от 7,2 кДж/моль до около 9 кДж/моль, от 7,2 кДж/моль до около 8,8 кДж/моль, от 7,2 кДж/моль до около 8,6 кДж/моль, от 7,2 кДж/моль до около 9,4 кДж/моль, от 7,2 кДж/моль до около 8,2 кДж/моль, от 7,4 кДж/моль до около 9 кДж/моль, от 7,4 кДж/моль до около 8,8 кДж/моль, от 7,4 кДж/моль до около 8,6 кДж/моль, от 7,4 кДж/моль до около 9,4 кДж/моль, от 7,4 кДж/моль до около 8,2 кДж/моль, от 7,6 кДж/моль до около 9 кДж/моль, от 7,6 кДж/моль до около 8,8 кДж/моль, от 7,6 кДж/моль до около 8,6 кДж/моль, от 7,6 кДж/моль до около 9,4 кДж/моль, от 7,6 кДж/моль до около 8,2 кДж/моль, от 7,8 кДж/моль до около 9 кДж/моль, от 7,8 кДж/моль до около 8,8 кДж/моль, от 7,8 кДж/моль до около 8,6 кДж/моль, от 7,8 кДж/моль до около 9,4 кДж/моль, от 7,8 кДж/моль до около 8,2 кДж/моль, от около 8,0 кДж/моль до около 8,4 кДж/моль, около 8 кДж/моль, около 8,2 кДж/моль или около 8,4 кДж/моль.
Величины dG для формирования ГА без галлия, а также относительной пересыщенности растворов в отношении ГА без галлия в процессе SoDHA для ГА, приведены в таблице 1. Эти характерные значения не ограничены возможными значениями, связанными с описанными в настоящем документе способами.
Таблица 1. Изменения энергии и величины пересыщения в процессе SoDHA для ГА (без галлия)
<b>dG для ГА</b>
<b>dG для OCP</b>
<b>SS для OCP</b>
<b>SS для ГА</b>
-8,06451
-3,11966
3,230353
20,72261
-8,11148
-3,14875
3,265878
21,09168
-8,14687
-3,16101
3,280953
21,37415
-8,16934
-3,18283
3,307977
21,55537
-8,24149
-3,25443
3,398208
22,14794
-8,27348
-3,25519
3,399187
22,41587
-8,34018
-3,32947
3,495425
22,985
-8,34495
-3,33445
3,501971
23,0262
-8,34869
-3,33828
3,507014
23,05862
-8,3538
-3,34325
3,513581
23,10291
Как дополнительно описано ниже, покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием возможно формировать из пересыщенных растворов, которые остаются по существу без мутности вследствие гомогенной нуклеации в растворе на протяжении всего процесса покрытия. Без стремления к ограничению теорией считается, что осаждение из растворов, по существу не содержащих мутности вследствие гомогенной нуклеации, играет роль в покрытиях из гидроксиапатита с замещением галлием, осаждаемых с предсказуемыми скоростями покрытия и имеющих высокую кристалличность, однородную микроструктуру и улучшенную биосовместимость.
ГА с замещением галлием представляет собой малорастворимую соль и имеет очень узкую «метастабильную зону», в которой могут происходить управляемая гетерогенная нуклеация и рост. Неожиданно оказалось возможным определять интервалы уровней пересыщения и температуры, которые позволяли управлять гетерогенной нуклеацией и выращивать кристаллы гидроксиапатита с замещением галлием за желательный отрезок времени. При этих значениях пересыщения на активных поверхностях формируются и растут стабильные ядра, что приводит к образованию покрытий из гидроксиапатита с замещением галлием, описанных в настоящем документе.
Процесс SoDHA с замещением галлием дополнительно содержит перемешивание раствора, когда он находится в контакте с субстратом. Слишком слабое перемешивание во время смешивания исходных растворов может дестабилизировать раствор. Перемешивание с высоким сдвиговым усилием во время смешивания исходных растворов может дестабилизировать раствор. Перемешивание может осуществляться встряхиванием.
Процесс может содержать уменьшение количества воздуха, находящегося в контакте с пересыщенным раствором. В некоторых вариантах осуществления процесс может проводиться в условиях инертной атмосферы, например, в атмосфере аргона или азота. Инертная атмосфера ограничивает растворение в пересыщенном растворе диоксида углерода, который может изменять pH без осаждения СаР, препятствуя применению pH для внутреннего отслеживания процесса. В таких условиях полученные покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием по существу не содержат карбоната.
Процесс происходит при контролируемой, но относительно высокой скорости покрытия. Скорость покрытия можно описать показателями массы покрытия или толщины покрытия. При фиксированном числе имплантатов в растворе для покрытия более высокие массы покрытия получают на имплантатах с большой удельной площадью поверхности, таких как имплантаты со структурами врастания, покрытыми пористым металлом. Однако толщина покрытия практически не зависит от удельной площади поверхности имплантата. Наконец, как массовые, так и объемные скорости покрытия зависят от общей площади поверхности/объема раствора для покрытия, как показано на Фиг. 11.
Осаждение ГА с замещением галлием в рамках процесса происходит таким образом, что толщина увеличивается со скоростью от около 0,01 мкм/ч до около 10 мкм/ч, от около 0,01 мкм/ч до около 5 мкм/ч, от около 0,01 мкм/ч до около 4 мкм/ч, от около 0,01 мкм/ч до около 3 мкм/ч, от около 0,01 мкм/ч до около 2 мкм/ч, от около 0,01 мкм/ч до около 1 мкм/ч, скоростью от около 0,1 мкм/ч до около 10 мкм/ч, от около 0,1 мкм/ч до около 5 мкм/ч, от около 0,1 мкм/ч до около 4 мкм/ч, от около 0,1 мкм/ч до около 3 мкм/ч, от около 0,1 мкм/ч до около 2 мкм/ч, от около 0,1 мкм/ч до около 1 мкм/ч, скоростью от около 0,5 мкм/ч до около 10 мкм/ч, от около 0,5 мкм/ч до около 5 мкм/ч, от около 0,5 мкм/ч до около 4 мкм/ч, от около 0,5 мкм/ч до около 3 мкм/ч, от около 0,5 мкм/ч до около 2 мкм/ч или от около 0,5 мкм/ч до около 1 мкм/ч.
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
.
2
Осаждение ГА на Gription в рамках процесса происходит со скоростью от около 0,005 мг/чмм до около 0,09 мг/чмм, от около 0,005 мг/чмм до около 0,025 мг/чмм, от 0,005 мг/чмм до около 0,0225 мг/чмм, от 0,005 мг/чмм до около 0,02 мг/чмм, от 0,005 мг/чмм до около 0,0175 мг/чмм, от около 0,005 мг/чмм до около 0,015 мг/чмм, от около 0,0075 мг/чмм до около 0,09 мг/чмм, от около 0,0075 мг/чмм до около 0,025 мг/чмм, от 0,0075 мг/чмм до около 0,0225 мг/чмм, от 0,0075 мг/чмм до около 0,02 мг/чмм, от 0,0075 мг/чмм до около 0,0175 мг/чмм, от около 0,0075 мг/чмм до около 0,015 мг/чмм, от около 0,025 мг/чмм до около 0,09 мг/чмм, от около 0,01 мг/чмм до около 0,025 мг/чмм, от 0,01 мг/чмм до около 0,0225 мг/чмм, от 0,01 мг/чмм до около 0,02 мг/чмм, от 0,01 мг/чмм до около 0,0175 мг/чмм или от около 0,01 мг/чмм до около 0,025 мг/чмм.
Процесс покрытия может представлять собой процесс «с постоянным составом» или процесс «с переменным составом».
В процессе с постоянным составом реагенты, которые расходуются на осаждение гидроксиапатита с замещением галлием на имплантаты, полунепрерывно добавляют обратно в раствор для осаждения на протяжении всего процесса покрытия. Добавление реагентов выполняют на основании падения pH, которое соответствует осаждению гидроксиапатита с замещением галлием из раствора. Таким образом, количество реагентов в процессе, которое добавляют обратно в раствор для осаждения, становится заменителем количества гидроксиапатита с замещением галлием, осажденного на имплантаты. Без стремления к ограничению теорией, уравнения, по которым рассчитывают состав «титранта» (растворов, которые добавляют обратно в сосуд для осаждения в ответ на изменение pH, вызванное осаждением CDHA), если галлий не включен в ГА, могут быть следующими:
3
CaNO3
• TCaNO=(Nb) (W)+(10 - x) Ceff
PO4
• TP=(Nb) (W)+6 Ceff
NaCl
• TNaCl=(Nb) (W) - (20-2x) Ceff
KOH
• TKOH=(Nb) (W)+(14-2x) Ceff,
где Ceff равен числу молей CaP, осажденных на литр добавленного титранта, х представляет собой нестехиометрический коэффициент в CDHA, Nb=число бюреток титранта, добавленного к раствору, а W представляет собой концентрацию реагентов в пересыщенном растворе.
В процессе с переменным составом движущим к осаждению химическим силам позволяют снижаться от их исходных условий на величину, которая поддерживается в широком диапазоне движущих сил, в отличие от постоянно высокой движущей силы, которая достигается в процессе с постоянным составом. Когда нижний предел движущей силы достигается путем истощения некоторой фракции покрывающих реагентов вследствие осаждения СаР из раствора, раствор для покрытия сливают и в сосуд для процесса осаждения добавляют новый раствор для покрытия. В одном варианте осуществления процесса с переменным составом используется количественная связь между изменением pH раствора и количеством и составом гидроксиапатита с замещением галлием, который осаждается из раствора для покрытия. Этой связью можно воспользоваться, чтобы определять, когда пора сливать покрывающие растворы и заменять их свежим раствором, а также определять заданную конечную точку процесса, в которой достигнуты массы покрытия из гидроксиапатита с замещением галлием. Для замедления снижения pH, которое сопровождает осаждение гидроксиапатита с замещением галлием, выбирают такое количество буфера, которое все же позволяет pH достаточно снижаться, чтобы воспользоваться изменением pH в целях внутренней диагностики процесса. В некоторых вариантах осуществления измерения pH можно проводить периодически, а не непрерывно. Значения скорости покрытия повышаются при меньших значениях времени сеансов осаждения с большей кратностью сеансов покрытия. В некоторых вариантах осуществления в растворах для покрытия отсутствует карбонат, который мог бы способствовать применению pH в целях отслеживания или управления процессом во время формирования покрытия.
Без стремления к ограничению теорией считается, что реакции, если галлий не включен, осуществляются согласно стехиометрии, указанной в таблице 2.
Таблица 2. Стехиометрия для процессов ГА и ОСР
<b>ГА</b>
<b>ОСР</b>
Ca<sub>10</sub>
(PO<sub>4</sub>)<sub>6</sub>
(OH)<sub>2</sub>
Ca<sub>8</sub>
(HPO<sub>4</sub>)<sub>2</sub>
(PO<sub>4</sub>)<sub>4</sub>
-6 H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
-2 HPO<sub>4</sub>
-4 H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
+12 H
+2 H
+8 H
+14 H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
-14 HPO<sub>4</sub>
-8 HPO<sub>4</sub>
+8 H<sub>2</sub>PO<sub>4</sub>
<b>Всего</b>
<b>+8 H</b><sub><b>2</b></sub><b>PO</b><sub><b>4</b></sub>
<b>-14 HPO</b><sub><b>4</b></sub>
<b>-10 HPO</b><sub><b>4</b></sub>
<b>+4 H</b><sub><b>2</b></sub><b>PO</b><sub><b>4</b></sub>
Как показано в таблице 2, осаждение фосфата кальция сопровождается падением концентраций кальция и фосфата и снижением pH. Эти изменения концентрации и рН приводят к снижению степени пересыщения в процессе реакции наряду с уменьшением скорости осаждения.
Соотношение между pH и количеством осадка можно масштабировать для разных объемов раствора. Этим соотношением между изменением pH и количеством осажденной фазы можно воспользоваться для отслеживания процесса, чтобы обеспечить формирование предсказуемого количества осадка.
pH пересыщенного раствора можно отслеживать, чтобы определять степень готовности нанесенного покрытия. В некоторых вариантах осуществления субстрат приводят в контакт с раствором до тех пор, пока одна или более из концентрации кальция, концентрации фосфата и pH не уменьшится до заданного уровня.
Хотя скорости нуклеации, скорости роста и относительные движущие силы в процессе SoDHA с замещением галлием изменяются по мере осаждения ГА с замещением галлием, был разработан способ сведения к минимуму изменений этих величин в ходе осаждения. В качестве процесса, применяемого для покрытия имплантатов, использовали процесс с переменным составом. В настоящем документе процесс с переменным составом относится к процессу, который допускает изменение термодинамических переменных в ходе процесса. В процессе с переменным составом, описанном в настоящем документе, имплантаты можно покрывать во множестве партий раствора, что позволяет концентрациям ионов и pH падать только до заданного уровня во время каждого из циклов. Для уменьшения степени изменения концентраций применяли множество последовательных осаждений, причем каждый сеанс осаждения содержал этап, на котором ортопедический имплантат приводили в контакт со свежим раствором. Изменение pH, связанное с осаждением, можно уменьшить путем буферизации раствора с помощью буферного раствора, такого как буферный раствор ТРИС.
В некоторых вариантах осуществления выполняли три последовательных осаждения. Для процесса из трех последовательных осаждений изменения концентрации во время каждого сеанса осаждения снижаются на две трети по сравнению с осаждением в одном сеансе. В некоторых вариантах осуществления выполняется только один сеанс осаждения. В некоторых вариантах осуществления выполняют 2 или 3 сеанса осаждения. Можно выполнять от 1 до 10, от 2 до 10, от 3 до 10, от 1 до 5, от 2 до 5 или от 3 до 5 сеансов осаждения. В некоторых вариантах осуществления число используемых сеансов осаждения зависит от отношения площади поверхности имплантата к объему в сосуде для покрытия. Более высокие отношения площади поверхности имплантата к объему могут соответствовать большему числу сеансов с меньшей длительностью. Более низкие отношения площади поверхности к объему могут соответствовать меньшему числу сеансов с большей длительностью. Комбинация буферизации pH и обновления растворов сводит к минимуму изменение термодинамических движущих сил и может помогать обеспечивать то, чтобы на всем протяжении процесса осаждения формировалась одинаковая фаза фосфата кальция.
Общее время контакта с составом раствора для осаждения по способу, обладающему признаками изобретения, как правило, составляет около 30 минут или более. Общее время контакта предпочтительно составляет около 8 часов или менее. Более предпочтительно биосовместимый субстрат подвергается многократным сеансам со значениями времени контакта от около 1 минуты до около 2 часов, от около 1 минуты до около 1 часа, от около 1 минуты до около 30 минут, от около 5 минут до около 2 часов, от около 5 минут до около 1 часа, от около 5 минут до около 30 минут, около 2 часов или менее, около 1 часа или менее или около 30 минут или менее. В целом, более длительное общее время контакта и меньшая длительность сеансов покрытия позволяют получать большую толщину покрытия из биоактивного гидроксиапатита. Кроме того, время контакта зависит от числа биоактивных субстратов, которые покрываются в любой один момент времени.
В некоторых вариантах осуществления для отслеживания хода процесса SoDHA-G используется соотношение между массой осадка и изменением pH. В дополнительных вариантах осуществления для отслеживания хода процесса SoDHA-G можно воспользоваться соотношением между массой осадка и изменением концентрации кальция и/или фосфата. В других вариантах осуществления процесс осуществляют в течение заданной длительности времени, а pH, концентрацию кальция и концентрацию фосфата не отслеживают.
В некоторых вариантах осуществления для высушивания покрытий из SoDHA-G можно использовать сверхкритическую текучую среду. Этот способ содержит замещение воды из покрытия органическим растворителем с его последующей экстракцией сверхкритической текучей средой. После образования покрытия из SoDHA-G выполняют замещение органическим растворителем путем погружения изделий с покрытием в органический растворитель на заданный период времени. После замещения органическим растворителем изделие с покрытием помещают в сосуд, в который вводят сверхкритическую текучую среду. Затем давление в сосуде снижают до атмосферного, при этом поддерживая температуру выше критической температуры для сверхкритической текучей среды. Таким образом, давление сверхкритической текучей среды снижается непосредственно от сверхкритического состояния до газообразного, что позволяет избежать действия капиллярных сил, способных вызывать трещины.
2
2
В некоторых вариантах осуществления органический растворитель представляет собой спирт. Например, органическим растворителем может быть метанол, этанол или изопропанол. В некоторых вариантах осуществления сверхкритическая текучая среда представляет собой сверхкритический CO (ск CO).
Кроме того, в некоторых вариантах осуществления покрытия из SoDHA-G могут подвергаться условиям гидротермического переосаждения. После формирования покрытия из SoDHA-G эти покрытия можно помещать в раствор фосфата-галлия и нагревать. Данная гидротермическая обработка может выполняться при температурах от около 50°C до около 350 °C, от около 60°C до около 350 °C, от около 70°C до около 350 °C, от около 80°C до около 350 °C, от около 50°C до около 150 °C, от около 60°C до около 150 °C, от около 70°C до около 150 °C, от около 80°C до около 150 °C, от около 50°C до около 99 °C, от около 60°C до около 99 °C, от около 70°C до около 99 °C, от около 80°C до около 99 °C, от около 50°C до около 95 °C, от около 60°C до около 95 °C, от около 70°C до около 95 °C, от около 80°C до около 95 °C, от около 50°C до около 90 °C, от около 60°C до около 90 °C, от около 70°C до около 90 °C, от около 80°C до около 90 °C, от около 50°C до около 85 °C, от около 60°C до около 85 °C, от около 70°C до около 85 °C, от около 80°C до около 85 °C, от около 50°C до около 80 °C, от около 60°C до около 80°C или от около 70°C до около 80 °C. Покрытия могут подвергаться нагреванию в течение периодов времени от около 15 минут до около 24 часов, от около 15 минут до около 4 часов, от около 15 минут до около 3 часов, от около 15 минут до около 2 часов, от около 30 минут до около 24 часов, от около 30 минут до около 4 часов, от около 30 минут до около 3 часов, от около 30 минут до около 2 часов, от около 1 часа до около 24 часов, от около 1 часа до около 4 часов, от около 1 часа до около 3 часов, от около 1 часа до около 2 часов или около 2 часов.
Описанные в настоящем документе способы максимально увеличивают количество материала, который растет на субстрате, и сводят к минимуму количество, которое нарастает на поверхности из материала, гомогенно осаждаемого в суспензии. Кроме того, эти способы обеспечивают контролируемую предсказуемую скорость осаждения, позволяют получать пленки с высокой адгезией и когезией, а также однородную микроструктуру, которая разлагается равномерно и без высвобождения частиц. Предсказуемые скорости осаждения позволяют легко получать целевую толщину пленки. Способы также обеспечивают приемлемое покрытие пористых структур и приемлемы для различных геометрических форм имплантата.
Определения
sp
sp
1/v
В настоящем документе относительное пересыщение продукта (S) определяется следующим уравнением: S=[IAP/K], где IAP представляет собой ионную активность продукта, Kпредставляет собой постоянную растворимости продукта, а v представляет собой число ионов в элементарной формуле продукта.
sp
sp
В настоящем документе изменение свободной энергии Гиббса (dG), связанное с фазовым изменением, определяется следующим уравнением: dG=RT/v * ln[IAP/K], где R представляет собой универсальную газовую постоянную, T представляет собой абсолютную температуру, IAP представляет собой ионную активность продукта, Kпредставляет собой постоянную растворимости продукта, а v представляет собой число ионов в элементарной формуле продукта.
1/v
В настоящем документе относительное пересыщение S равно (IAP/Ksp).
В настоящем документе гомогенное осаждение или гомогенная нуклеация относятся к нуклеации твердой фазы из пересыщенного раствора, которая не вызвана инородной поверхностью, что приводит к появлению мутности в пересыщенном растворе для покрытия.
В настоящем документе гетерогенное осаждение или гетерогенная нуклеация относятся к нуклеации твердой фазы на фазе примеси из пересыщенного раствора, который по существу не имеет мутности в процессе осаждения.
8
4
2
4
4
В настоящем документе «фосфат октакальция», или «OCP», относится к фосфату кальция, который имеет формулу Ca(HPO)(PO).
В настоящем документе пересыщенный раствор относится к раствору, в котором растворенное вещество содержится в неравновесной концентрации. Когда концентрация превышает точку насыщения, считается, что раствор пересыщен.
В настоящем документе «in vitro» в отношении исследований растворения означает исследование в физиологическом растворе с Трис-буферизованным солевым раствором при pH 7,4, как описано в ASTM F1926.
Пример 1. Активация CoCr путем осаждения атомного слоя пленок TiO
2
Пленки TiO2 были получены путем осаждения атомного слоя на поверхностях CoCr после пескоструйной обработки в компании Beneq (г. Хельсинки, Финляндия). Пленки получали из заготовок TiCl4 и H2O. Аморфные пленки получали при 90 °С, а кристаллические (Anatase плюс Rutile) пленки получали при 200 °С. Пленки активировали гидроксидом по способам, описанным в примере 3 (4 часа, 5 М NaOH, 60 °С). Аморфные пленки толщиной 500, 200, 100 и 50 нм (500A, 200A, 100A и 50A) и кристаллические пленки толщиной 500 и 200 нм (500 °C, 200 °C) оценивали на их способность к формированию покрытий из гидроксиапатита по способу SoDHA при применении номинальных концентраций, как дополнительно описано в примерах 5 и 6.
Масса покрытия из ГА на образцах находилась в диапазоне от около 6 мг до около 8 мг, как показано на Фиг. 1. Как аморфные, так и кристаллические пленки были способны к нуклеации ГА после активации сильным основанием. Эксперименты с получением покрытия показали, что осаждение происходило на осажденном кристаллическом оксиде титана, но с меньшими скоростями, чем наблюдались на травленном в NaOH аморфном или кристаллическом оксиде титана.
На Фиг. 2 показано изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) активированной аморфной пленки толщиной 200 нм перед нанесением покрытия из ГА. На Фиг. 3 показано изображение СЭМ активированной кристаллической пленки толщиной 200 нм перед нанесением покрытия из ГА. На аморфных пленках была заметна характерная для титаната топография. Пленки, полученные с толщиной более 100 нм, после обработки гидроксидом показывали цвета интерференции.
Спектры рентгеновской дифракции (XRD) под скользящим углом были получены для аморфных и кристаллических титановых покрытий толщиной 200 нм и 500 нм до и после активации NaOH. Спектры XRD для аморфных пленок показаны на Фиг. 4. Спектры XRD для кристаллических пленок показаны на Фиг. 5.
Пример 2. Электролитическое формирование пленок TiO
на сплаве CoCr
2
4
2
2
4
2
2
2
2
2
2
2
2
Получали раствор электролита с 0,05 М TiCl и 0,25 М HO в растворителе - смеси метанол/вода (3/1% об.). pH раствора фиксировали в диапазоне от 0,9 до 1,0. Все химикаты имели чистоту ОСЧ. Для приготовления раствора электролита в растворитель медленно добавляли TiCl, а затем HO. Во время добавления HO наблюдали немедленное изменение цвета от прозрачного до темно-оранжевого, что указывает на формирование перекисного комплекса. Электролиты после получения и измерения pH (при необходимости с регулировкой рН) хранили при температуре около 4 °C. Электроосаждение выполняли гальваностатическим способом до достижения желательной плотности заряда. Температуру фиксировали с помощью криостата на 0 °С. Для контроля плотности тока/заряда с одновременной записью кривых время - напряжение разрабатывали самодельную программу Labview (контролирующую источник питания Xantrex XDC 300-20). Приложенную плотность заряда фиксировали в диапазоне от 2,5 Кл/см до 40 Кл/см. Плотность тока изменялась от -50 мА/см до -50 мА/см.
4
2
2
Хорошую однородность пленки получали в 0,05 M TiCl, 0,5 M HO в растворителе - смеси метанол/вода (3: 1% об.) (pH=0,97). Хороший рост наблюдали при напряжении -1,1 В в течение 1 часа при 60 °C. На Фиг. 6 представлено изображение СЭМ, которое показывает гальванически осажденное в таких условиях титановое покрытие на субстрате CoCrMo.
Пример 3. Активация поверхности титана
Диски Ti6-4 диаметром 2,5 сантиметра (1 дюйм), покрытые пористым металлическим покрытием Gription производства компании DePuy, очищали и активировали на последующих этапах. Диски устанавливали в контейнер с водой, полученной обратным осмосом (ОО), и щелочным детергентом и обрабатывали ультразвуком 2 раза в течение 15 мин. Затем диски устанавливали в контейнер только с водой ОО и обрабатывали ультразвуком 2 раза в течение 15 минут. 4 диска помещали в стакан объемом 500 мл и добавляли 200 мл 5 М NaOH. Диски помещали во вторичную упаковку, а поверх стакана надевали свободную крышку. Температуру стакана устанавливали на 60 °С и выдерживали в течение 4 часов. Диски извлекали из стакана и промывали в воде ОО, обрабатывали ультразвуком 4 раза в течение 15 минут. Диски оставляли на ночь в печи при 60°C для высушивания. Не было обнаружено влияния термообработки этого активационного слоя на склонность к усилению нуклеации и роста покрытий из СаР в способах, описанных в настоящем документе, а примеры, приведенные ниже, были выполнены без термообработки активированной поверхности. Эксперименты с покрытием показали, что осаждение происходило и на кристаллическом титане, но с меньшими скоростями, чем наблюдались на травленном в NaOH аморфном титане.
Пример 4. Получение исходного раствора
Концентрат и исходные растворы для нанесения покрытия из ГА на диски диаметром 2,5 сантиметра (1 дюйм) в 1-литровом сосуде были приготовлены на последующих этапах.
3
3
Готовили раствор 36 мМ Ca. Брали чистую 2-литровую бутыль, и в бутыль помещали стержень магнитной мешалки. Отвешивали 8,50194 г Ca(NO) и насыпали в 2-литровую бутыль. Бутыль продували аргоном в течение 3-5 минут. В бутыль добавляли 1000 мл деионизированной (ДИ) воды с удельным сопротивлением 18 МОм или выше. Бутыль помещали на плиту с мешалкой и перемешивали содержимое до полного растворения Ca(NO). Раствор фильтровали, применяя вакуумный фильтр 0,22 мкм для клеточных культур (компания Corning, объем воронки 1000 мл; приемник: 90 мм; размер пор: 0,22 мкм; PES, № 431098).
i
2
4
2
4
Готовили раствор 40 мМ фосфата (P). Брали чистую 2-литровую бутыль, и в бутыль помещали стержень магнитной мешалки. Отвешивали 5,444 г KHPOи насыпали в 2-литровую бутыль. Отвешивали 19,0387 г Трис и 273,675 г NaCl и добавляли в бутыль. Бутыль продували аргоном в течение 3-5 минут. Добавляли 898,1 мл ДИ воды с сопротивлением 18 MОм или выше. С помощью ручной пипетки в бутыль добавляли 5,8 мл 6 н. HCl. Бутыль помещали на плиту с мешалкой и перемешивали содержимое до полного растворения Трис, NaCl и KHPO. Конечный объем раствора составлял 1 л, а pH раствора составлял приблизительно 8,23 при 25 °C. При необходимости pH можно регулировать до этой величины с помощью HCl или NaOH. Раствор фильтровали, применяя вакуумный фильтр 0,22 мкм для клеточных культур (компания Corning, объем воронки 1000 мл; приемник: 90 мм; размер пор: 0,22 мкм; PES, № 431098).
Готовили 495,3 мл исходного раствора 2,0787 мМ Ca. Ранее приготовленный раствор 36 мМ кальция помещали на плиту с мешалкой и перемешивали в течение пяти минут. Чистую 1-литровую бутыль продували аргоном. С помощью пипетки добавляли 28,6 мл раствора 36 мМ кальция. Добавляли 466,7 мл деионизированной воды с сопротивлением 18 MОм или выше.
i
Готовили 500 мл исходного раствора 2,5690 мМ P. Ранее приготовленный раствор 40 мМ фосфата помещали на плиту с мешалкой на пять минут. Чистую 1-литровую бутыль продували аргоном. С помощью пипетки добавляли 32,112 мл раствора 40 мМ фосфата. Добавляли 467,888 мл ДИ воды с сопротивлением 18 MОм или выше.
Готовили раствор 1,7792 мМ Ca. Ранее приготовленный раствор 36 мМ кальция помещали на плиту с мешалкой и перемешивали в течение пяти минут. Чистую 1-литровую бутыль продували аргоном. Для достижения желательной концентрации смешивали раствор 36 мМ кальция и ДИ воду с сопротивлением 18 MОм.
i
Готовили 500 мл раствора 2,2262 мМ P. Ранее приготовленный раствор 40 мМ фосфата помещали на плиту с мешалкой на пять минут. Чистую 1-литровую бутыль продували аргоном. Для достижения желательной концентрации смешивали раствор 40 мМ фосфата и ДИ воду с сопротивлением 18 MОм.
3
3
3
3
3
3
3
Готовили исходный раствор галлия/фосфата. Сначала готовили приблизительно 2 л исходного раствора 1,2730 мМ фосфата путем разведения концентрата 40 мМ фосфата, как описано выше. Этот раствор откладывали в сторону и брали вторую чистую бутыль на 2 л. На весах взвешивали GaNOгидрат, на основании желательной доли % масс. Ga в растворе GaNO/фосфата, и добавляли во вторую пустую чистую бутыль на 2 л. Приблизительно 200-300 мл исходного раствора фосфата добавляли в бутыль на 2 л, содержащую GaNO. На бутыль, содержащую GaNO и 200-300 мл исходного раствора фосфата, надевали крышку. После встряхивания бутыли образовывался мутный раствор. Этот раствор переливали в чистую мерную колбу на 500 мл. В мерную колбу добавляли исходный раствор фосфата до достижения линии заполнения. Содержимое мерной колбы переливали обратно в бутыль на 2 л, в которой раньше содержался этот раствор. Мерную колбу еще два раза заполняли исходным раствором фосфата и каждый раз переливали раствор в бутыль на 2 л с GaNO. Еще 50 мл исходного раствора фосфата отмеряли в мерном цилиндре и добавляли к раствору GaNO. На бутыль на 2 л, содержащую раствор, надевали крышку и снова встряхивали для повторного подтверждения того, что все твердые вещества растворились с образованием раствора GaNO/фосфата.
Раствор галлия/фосфата готовили с соотношением от 5 до 20% масс. Ga. После тщательного перемешивания регулировали рН до 8,3-8,4, добавляя несколько микролитров 6 н. NaOH.
Пример 5. Нанесение покрытия из ГА осаждением из раствора в сосуде объемом 1 л
На титановые купоны диаметром 2,5 сантиметра (1 дюйм), покрытые пористым металлом, наносили покрытие. Для 1-литрового сосуда с рубашкой была предусмотрена крышка для обеспечения газовой защиты Ar в процессе осаждения. В 1-литровый сосуд с рубашкой добавляли 500 мл исходного раствора 2,569 мМ фосфата, полученного по примеру 4, и сосуд помещали на плиту с мешалкой. Стержень мешалки вращался со скоростью 200 об/мин. Затем в сосуд наливали 495,3 мл исходного раствора 2,0787 мМ Ca, полученного по примеру 4. Общий объем при 25°C составлял 1 л вследствие расширения объема, связанного с разбавлением NaCl. pH раствора составлял 7,68; а расчетная dG составляла 8,242. Относительное SS для ГА составляло около 22,15 в начале процесса покрытия. Нагретую воду для бани пропускали через сосуд с рубашкой, и температура раствора достигала 47°C. Температуру контролировали с точностью 0,5°C. Датчики температуры калибровали по резистивному датчику температуры (RTD), отслеживаемому по NIST. Травленые (активированные) диски помещали в крепления, которые позволяли подвешивать диски в 1-литровом сосуде с рубашкой.
После покрытия диски переносили в первый контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. Затем диски переносили из первого контейнера во второй контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. После этого диски переносили из второго контейнера в третий контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. После замачивания диски переносили на лоток с 6 лунками и помещали для высушивания в печь при 60°C на 60 мин.
2
Такой процесс повторяли три раза, каждый раз со свежим раствором. Каждый сеанс контролировали по фиксированной величине dpH. Для больших отношений площади поверхности к объему имплантата можно применять большее число сеансов с меньшей длительностью. Для меньших отношений площади поверхности к объему имплантата можно применять меньшее число сеансов с большей длительностью. При отношении площади поверхности к объему имплантата, равному 941 мм/л, которое применяли в исследованиях на животных (пример 17), применяли полное время покрытия 5,73 часа с 2,35 сеансами покрытия длительностью 2,44 часа на сеанс.
После покрытия диски переносили в первый контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. Затем диски переносили из первого контейнера во второй контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. После этого диски переносили из второго контейнера в третий контейнер с ДИ водой и оставляли для замачивания на 1 минуту. После замачивания диски переносили на лоток с 6 лунками и помещали для высушивания в печь при 60°C на 60 мин.
Пример 6. Валидация полномасштабного процесса
Номинальный процесс, описанный в примере 5, повторяли в «полномасштабной» системе, показанной на Фиг. 7. Полномасштабная система выполнена с возможностью охвата до 40 вертлужных чашек или 16 стержней бедренной кости в одном цикле покрытия из одного или более сеансов покрытия. Ряд циклов покрытия проводили с использованием как стандартных стержней бедренной кости TriLock BPS компании DePuy, так и стержней, модифицированных для вставки купонов диаметром два с половиной сантиметра (один дюйм) (см. Фиг. 17), при номинальных, а также (+) и (-) предельных параметрах процесса. Предельные параметры определяли как+и - 2% концентраций Ca и фосфата и ± 0,06 ед. pH. Покрытия характеризовали различными способами, как описано в примерах.
Пример 7. Применение dpH для отслеживания процесса
Отслеживали pH и массу осадка в процессе SoDHA, описанном в примере 5, при номинальных величинах, в процессе SoDHA, описанном в примере 5, при номинальных величинах без Трис, в процессе SoDHA, описанном в примере 5, при номинальных величинах с 5 мМ Трис. Соотношение между pH и количеством осадка можно масштабировать в разных объемах раствора и при разных значениях буферной силы с применением программы термодинамики растворов, такой как Chemist версии 1.0.3 компании Micromath Scientific Software, 9202 Litzsinger Road, г. Сент-Луис, штат Миссури, 63144. Этим соотношением между изменением pH и количеством осажденной фазы можно воспользоваться для отслеживания процесса, чтобы подтвердить формирование целевого количества осадка. На основании соотношений, представленных в таблице 2, был составлен табличный калькулятор для вычисления концентрации и активности реагентов в зависимости от количества осажденной фазы СаР. Фазы CaP, которые можно моделировать с помощью этого калькулятора, содержат стехиометрический ГА, стехиометрический OCP, нестехиометрический CDHA, а также смеси ГА или CDHA с OCP. Для каждого приращения осажденной фазы СаР вводили сниженные концентрации реагента в программу Chemist, которая рассчитывает pH системы на основании типа буферного раствора и анализируемых уровней. На Фиг. 10 показаны предсказанные и экспериментальные графики pH в зависимости от общего количества мг осажденного СаР, которые содержат:
10-x
4
6-x
4
x
2-x
1) CDHA с формулой Ca(PO)(HPO)(OH), где x=до 1,0
a) без буферного раствора ТРИС
b) с 5 мМ буферным раствором ТРИС
2) Смесь 80% OCP и 20% CDHA при x=1,5 с 5 мМ ТРИС.
Экспериментальные величины на этом графике взяты из примера 5.
Пример 8. Характеризация покрытия из ГА
На Фиг. 8 показано изображение сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) покрытия из ГА, осажденного с помощью процесса SoDHA, на плоском титановом диске при увеличении 15 000х. На Фиг. 9A и 9B показаны изображения сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) покрытия из ГА, осажденного с помощью процесса SoDHA, на пористой структуре врастания (Gription) при увеличении 100х и 400х соответственно. Видно, что покрытие из ГА на всей поверхности диска было непрерывным.
2
На Фиг. 11 показано влияние субстратов, имеющих различные площади поверхности (мм), на скорость осаждения (мг/ч) при фиксированных dG, температуре и скорости перемешивания. Материалы были покрыты ГА при номинальных значениях в полномасштабной системе осаждения с применением номинальных условий, как описано в примере 5. Можно видеть, что скорость покрытия уменьшается по мере увеличения площади поверхности. Этой тенденцией можно воспользоваться для оценки времени покрытия на основании площади поверхности данного субстрата.
3
2
3
Плотности объектов ГА и OCP близки друг другу и составляют около 3,1 г/см. Отложения из ГА, полученные при номинальных значениях по примеру 5, весили 7 мг на плоских купонах, имели площадь поверхности 5,07 см и имели толщину около 7 мкм, что соответствует фактической плотности около 1,97 г/см и пористости около 36%.
Пример 9. Характеризация полномасштабного процесса
Покрытия, полученные в соответствии с процессом в полномасштабной системе по примеру 5 при номинальных и предельных значениях процесса, соответствовали следующим спецификациям.
Масса покрытия: от 0,08 до 0,12 мг/мм2 проекции площади поверхности
% кристаллического ГА в анализе по Ритвельду: > 70%
% аморфного фосфата кальция: < предела обнаружения с помощью DSC, как описано в примере 11.
Параметры размеров кристаллита в XRD:
1/β (200) 1,63 +- 0,13
1/β (002) 4,15 +- 0,10
1/β (210) 1,5 +- 0,10
Адгезия при растяжении по определению в соответствии с ASTM F1147 (измеренная на плоской поверхности после пескоструйной обработки): > 68 МПа; отношение Ca/P: от 1,39 до 1,65
На Фиг. 12-16 представлены сводные данные, полученные в полномасштабной системе, по оценкам при номинальных и предельных условиях процесса. Во всех случаях интервалы ошибок равны 3 стандартным отклонениям данных.
На Фиг. 12 показано соотношение Ca/P для материалов с покрытием из ГА, полученных в полномасштабной системе путем осаждения по примеру 6 при номинальных и предельных параметрах процесса. Отношение Ca/P определяли способами влажной химии. «NIST» относится к стандартному гидроксиапатиту Национального института стандартов и технологий.
На Фиг. 13 показана кристалличность покрытий по XRD для материалов с покрытием из ГА, полученных в полномасштабной системе путем осаждения по примеру 6 при номинальных и предельных параметрах процесса. Кристалличность определяли на основании площадей под выбранными пиками дифракции покрытия и сравнивали с площадями тех же пиков у высококристаллического стандарта NIST. Непоказанный остаток материала не является аморфным, как обнаружено в слоях PSHA. Значение кристалличности менее 100% отражает малые размеры зерен в пленках и тот факт, что границы зерен беспорядочны и значительно не влияют на площади пиков дифракции. Содержание аморфного материала определяется с помощью DSC.
На Фиг. 14 показана процентная доля ГА как кристаллического материала из всех кристаллических материалов на покрытых ГА субстратах, полученных осаждением в полномасштабной системе по примеру 6. Иными словами, это показатель фазовой чистоты пленок.
На Фиг. 15 показана адгезия при растяжении по определению по ASTM F1147 в пленках ГА, полученных путем осаждения в полномасштабной системе по примеру 6.
На Фиг. 16 показана адгезия при сдвиге по определению по ASTM F1044 в пленках ГА, полученных путем осаждения в полномасштабной системе по примеру 6.
Пример 10. Дифференциальная сканирующая калориметрия (DSC)
Ранее были проведены исследования методом дифференциальной сканирующей калориметрии (DSC) для прямого наблюдения и качественной оценки термической рекристаллизации аморфных фаз фосфата кальция в материалах гидроксиапатита, нанесенных плазменным напылением. Сообщалось, что аморфный фосфат кальция рекристаллизуется посредством ряда экзотермических реакций, которые происходят при разных температурах (в пределах диапазона от 500°C до 750 °C) и с разными амплитудами в зависимости от изменений параметров плазменного напыления (например, мощности плазмы, скорости подачи, толщины покрытия и т. д.). Реакции наблюдаются по экзотермическому пику при приблизительно 500-550 °С (кристаллизация богатых гидроксильными группами аморфных областей в материале), экзотермическому пику при приблизительно 600-650°C (диффузия гидроксильных ионов в обедненные гидроксилами области) и экзотермическому пику при приблизительно 720-750°C (кристаллизация фазы оксиапатита).
В данном примере DSC применяли для наблюдения за фазовыми переходами (например, рекристаллизацией), которые могут происходить в материалах из гидроксиапатита/фосфата кальция вследствие наличия примесей и/или аморфных фаз при нагревании до 725 °С.
Осажденные из раствора с помощью процесса SoDHA порошки ГА, полученные по примеру 5, соскабливали с плоских купонов-свидетелей из Ti64. Каждый порошковый материал испытывали как минимум 3 раза с помощью DSC. Площади пиков и положения пиков (от 550 до 710 °С) измеряли с помощью программного обеспечения для анализа DSC Pyris для всех образцов порошка, а также рассчитывали значения энергии рекристаллизации (Дж/г).
Анализ DSC порошков SoDHA, соскобленных с покрытых титановых купонов-свидетелей, который не показывает различимых экзотермических пиков при нагревании, показан на Фиг. 24.
В интересующей области, т.е. от 550°C до 710 °C, не были заметны экзотермические пики на кривых нагревания DSC, построенных для соскобленных порошков SoDHA, что указывает на весьма малое количество или даже отсутствие стекловидных аморфных фаз. На основании полученных кривых DSC испытуемые порошки SoDHA содержали менее 2% масс. стекловидного аморфного материала. Также отметили, что порошки SoDHA на выходе после анализа с помощью DSC имели серый цвет, что указывает на содержание малого количества титана, снятого с субстратов при соскабливании и впоследствии окисленного во время испытания DSC.
Пример 11. Первое испытание покрытия из SoDHA с замещением галлием
Исследования внедрения галлия начинали с добавления ионов галлия к исходному раствору кальция. Повторяли процесс, описанный в примере 6, за исключением того, что вместо раствора кальция применяли раствор галлия/кальция. Такой способ дестабилизировал процесс осаждения, а галлий в сформированных таким путем пленках находился в отдельной фазе. Появление мутности наблюдали через разные временные интервалы после добавления нитрата галлия в исходный раствор кальция. Это отражалось низкой эффективностью покрытия, а галлий, который обнаруживали в сформированных таким путем покрытиях, находился в дискретных несущих галлий частицах. На поверхности желательного покрытия SoDHA имелось значительное количество слабо связанного осадка фосфата кальция.
Пример 12. Покрытие из SoDHA с замещением галлием
Повторяли процесс, описанный в примере 6, за исключением следующих модификаций. Вместо раствора фосфата применяли раствор галлия/фосфата. К раствору галлия/фосфата добавляли 500 мл раствора кальция. pH в начале этих экспериментов составлял обычно 7,68-7,8.
3
3
Неожиданно было обнаружено, что галлий встраивается в решетку ГА путем добавления галлия в исходный раствор, содержащий фосфат, Трис и NaCl. Такое встраивание подтверждается данными, которые показывают зависимые от дозы галлия сдвиги параметров решетки, размера кристаллита и площади поверхности по методу Брунауэра - Эмметта - Теллера (BET), как дополнительно описано в примере 9. Испытания покрытий из SoDHA с замещением галлием показали, что добавление соли галлия (Ga(NO)) в исходный раствор фосфата (Pi) с буфером Трис создает раствор для эффективного покрытия со способностью к гетерогенному покрытию испытуемого изделия без появления мутности раствора.
Процесс повторяли с применением «полномасштабной» системы в сосуде для покрытия, показанном на Фиг. 7. В полномасштабной системе 40 вертлужных чашек помещали в 64 л пересыщенного раствора.
Пример 13. Характеризация методом XRD покрытий из ГА с замещением галлием
В данном примере покрытия из ГА с замещением галлием, полученные путем осаждения в полномасштабной системе согласно примеру 12, характеризовали методом XRD.
Шесть покрытых дисков, представляющих 0% масс., 5% масс., 10% масс., 15% масс. и 20% масс. Ga в решетке ГА, добавленных в раствор для покрытия, анализировали методом спектроскопии дифракции рентгеновских лучей (XRD).
Соскобленные порошки ГА с замещением галлием анализировали методом порошковой XRD (в сочетании с анализами по Ритвельду и FWHM). Соскабливание покрытого ГА материала до самого субстрата Ti выполняли с осторожностью, чтобы не загрязнить порошок титаном. Вследствие относительно малой массы порошка (4-9 мг) на каждом из покрытых плоских субстратов, соскабливали покрытие 6 субстратов, чтобы получить 15-20 мг порошка ГА с замещением галлием. Сканы XRD для дисков с таким покрытием из ГА с замещением галлием измеряли с вычислением фона и его исключением с помощью программного обеспечения Panalytical X'Pert.
Наложенные графики XRD приведены на Фиг. 18 и показывают, что покрытия из ГА с замещением галлием представляли собой чистую фазу до пределов обнаружения рентгеновского оборудования (не наблюдалось пиков XRD, связанных с другими фазами) и что покрытие из ГА было сильно текстурировано в ориентации кристаллов (001).
В таблице 3 показаны величины 2θ для образца с 20% масс. галлия вместе с относительными интенсивностями различных пиков, по определению методом XRD в образцах ГА с замещением галлием. Фон рассчитывали и исключали с помощью программного обеспечения Panalytical X'Pert. Относительную интенсивность каждого пика рассчитывали как процентную долю от наиболее интенсивного пика в скане. Следует отметить, что не все пики, опубликованные NIST в данных SRM для ГА, наблюдались в таком покрытии из ГА с замещением галлием вследствие предпочтительной ориентации в покрытии. Следует также отметить, что пик 100% интенсивности в случайно ориентированном порошке ГА представляет собой пик (211), который появляется на 2θ 31,70°, тогда как пик 100% интенсивности, наблюдаемый на таком покрытии дисков из ГА с замещением галлием, представляет собой пик (002), который появляется на 2θ 25,95°. Повышенная интенсивность пика (002) указывает на высокую ориентированность кристаллов в направлении (001).
Таблица 3. Разнесение и интенсивность пиков XRD для ГА с замещением галлием на 20% масс.
d-расстояние
2θ
Относительная интенсивность (%)
002
25,95±0,02
100
211
31,70±0,02
45-46
112
32,21±0,02
47-48
202
34,09±0,02
21-22
213
49,61±0,02
14,5-15,5
004
53,37±0,02
18-19
3+
2+
Как показано на Фиг. 18, по мере возрастания массовой доли Ga наблюдалось уменьшение содержания кристаллической фазы ГА. Это заметно по снижению интенсивностей пиков на графиках XRD с повышением массовой доли Ga. Следует также отметить, что систематический сдвиг пика (002) заметен при больших углах 2θ (что соответствует уменьшению d-расстояния) с повышением доли Ga в покрытиях из SoDHA с замещением галлием. В таблице 4 показаны средние положения пиков (002) ГА, которые измерены на покрытых дисках, образованных из растворов с разными концентрациями галлия. Прогрессирующее уменьшение d-расстояния в решетке согласуется с меньшим размером ионов Ga (0,62Å), которые замещают места Ca1 в решетке ГА взамен более крупных ионов Ca (0,99Å).
Таблица 4. Средние величины и стандартное отклонение разнесения пиков (002) XRD в ГА с замещением галлием при разных концентрациях галлия
% масс. Ga в растворе
(002) d-расстояние (Å)
Средняя
Станд. отклон.
0%
3,4506
0,0006
5%
3,4491
0,0016
10%
3,4456
0,0013
15%
3,4400
0,0016
20%
3,4348
0,0011
Анализ сдвигов пика (002) подтверждает наблюдения на дисках с таким покрытием, что (002) d-расстояние уменьшается с повышением массовой доли Ga в покрытиях SoDHA. Это согласуется с увеличением замещения Ga в местах Ca1 в решетке ГА. Такие данные подтверждают, что галлий успешно внедряется в решетку гидроксиапатита.
Пример 14. Дополнительные результаты покрытия из ГА с замещением галлием
Массовую долю галлия в решетке SoDHA определяли в покрытиях из ГА с замещением галлием, сформированных согласно примеру 12 из растворов, которые содержат 5% масс., 10% масс. и 20% масс. нитрата галлия, как показано на Фиг. 20.
Результаты, которые представлены в таблице 5, показывают количества кристаллического гидроксиапатита, аморфного и неупорядоченного кристаллического вещества в образцах гидроксиапатита с замещением галлием, сформированных из растворов с разными количествами Ga согласно примеру 12.
Таблица 5. Средний % масс. кристаллического и аморфного вещества в ГА с замещением галлием при разных концентрациях галлия
% масс. Ga в растворе
Средний % масс. кристаллического ГА
Средний % масс. аморфного/неупорядоченного кристаллического вещества
0% Ga
91,7
8,2
5% Ga
74,5
25,4
10% Ga
64,8
33,0
15% Ga
53,1
46,9
20% Ga
38,7
61,2
Как показано в таблице 6, по анализу FWHM (ширина на уровне полумаксимума) видно, что средние размеры кристаллита в направлениях (200), (002) и (210) значительно уменьшаются с внедрением Ga в решетку ГА. Средние размеры кристаллита в направлениях (200), (002) и (210) показаны в таблице 7. Следует отметить, что размер кристаллита в направлении (200) становится слишком малым для измерения после добавления уже 10% масс. Ga. Без стремления к ограничению теорией предполагается, что уменьшение размера кристаллита в покрытии из ГА является первичной причиной расчетного снижения кристалличности в анализе по Ритвельду вследствие расширения пиков, связанного с весьма малым размером кристаллов.
Таблица 6. Средние величины 1/β пиков XRD в ГА с замещением галлием при разных концентрациях галлия
% масс. Ga в растворе
1/β ГА (200)
1/β ГА (002)
1/β ГА (210)
0% Ga
2,51
6,50
1,67
5% Ga
2,10
3,34
1,52
10% Ga
1,38
2,32
1,23
15% Ga
-
1,82
0,92
20% Ga
-
1,49
0,64
Таблица 7. Средние размеры кристаллита (τ) пиков XRD ГА с замещением галлием при разных концентрациях галлия
% масс. Ga в растворе
τ ГА (200) (нм)
τ ГА (002) (нм)
τ ГА (210) (нм)
NIST SRM 2910a (по измерению)
38,72
82,07
119,58
NIST SRM 2910a (по сообщению)
36,26
81,76
130,09
Номинальный
20,50
68,61
49,19
5% Ga
17,11
35,27
44,85
10% Ga
11,28
24,45
36,15
15% Ga
Невозможно измерить
19,16
27,14
20% Ga
Невозможно измерить
15,75
18,89
Пример 15. Характеризация с помощью FTIR
Для SoDHA ГА с замещением галлием, сформированного по примеру 12, был получен спектр FTIR. Спектр FTIR показан на Фиг. 21.
Пример 16. Растворение
Скорости растворения покрытия из SoDHA с замещением галлием, сформированного по примеру 12, и эталонного материала гидроксиапатита NIST определяли путем помещения образцов в Трис буферные солевые растворы с pH 7,4 и измерения изменения концентрации кальция. На Фиг. 22 показаны результаты растворения для покрытия из SoDHA с замещением галлием, а на Фиг. 23 показаны результаты растворения для стандарта NIST. Тогда как образец NIST прекратил высвобождать кальций после менее двух часов, образец SoDHA с замещением галлием высвобождал кальций в течение более 20 часов без четкого плато растворения.
Пример 17. Исследование на собаках
Цель данного доклинического исследования заключалась в определении реакции кости на покрытие из гидроксиапатита с добавкой галлия для ортопедических имплантатов. Имплантаты помещали с прилеганием либо по линии, либо через зазор в трабекулярных костях собак. Отбирали образцы ткани через 6 недель после операции. Показателями результатов были фиксация имплантата (измеряемая разрушающим механическим испытанием), нарастание кости и врастание кости (измеряемые с помощью сканирующей электронной микроскопии обратного рассеяния и гистологии), заполнение зазора новой костью (измеряемое с помощью гистологии). Вторичные показатели включали описательную гистологию для отчета о реакции ткани вокруг имплантатов и количественную оценку % остаточного покрытия из ГА с замещением галлием.
Имплантаты помещали в цилиндрические дефекты, создаваемые в губчатой кости крупных собак смешанной породы со зрелым скелетом. Собак выбрали в качестве модели для испытания, поскольку структура собачьей кости очень похожа на кость человека. Места имплантации, выбранные для данного исследования, дают большой объем губчатой кости. В данное исследование были включены в совокупности 5 собак. В данном исследовании участвовали пять специально выращенных подопытных собак (22-27 кг). Зрелость скелета подтверждали данными рентгенологического обследования, указывающими на закрытие пластин роста. Перед операцией собаки акклиматизировались в течение периода по меньшей мере двух недель. В период исследования собаки содержались поодиночке. Все пять собак по прибытии считались здоровыми, осмотр участкового ветеринара перед операцией не выявил явных аномалий.
Влияние этих покрытий на фиксацию имплантата оценивали как с зазором 1 мм, так и с линейным или точным прилеганием, поскольку они представляют собой выбор из сценариев прилегания имплантата к кости хозяина, которые встречаются в процедурах полной замены сустава у человека. Каждому животному создавали по четыре дефекта в губчатой кости с созданием расположенных рядом областей с прилеганием по линии и через радиальный зазор 1 мм между имплантатами диаметром 6 мм с пористой поверхностью с покрытием и костью хозяина. Эти дефекты создавали билатерально в проксимальной части плечевой кости, дистальной части бедренной кости и проксимальной части большеберцовой кости. У каждого животного дополнительно создавали два дефекта в губчатой кости дистальнее первого дефекта в плечевой кости билатерально, чтобы поместить отдельный имплантат с прилеганием через радиальный зазор 1 мм. Это выполнялось вследствие ограниченного числа анатомических мест, приемлемых для имплантации расположенных рядом имплантатов в данной модели.
Имплантировали следующие испытуемые изделия:
имплантаты Gription™ с покрытием из ГА по процессу SoDHA (версия ГА процесса покрытия SoDHA) длиной 10 мм и длиной 11 мм, диаметром 6 мм (прилегание имплантата по линии) или 8 мм (прилегание имплантата через зазор 1 мм);
имплантаты Gription™ с покрытием из ГА с замещением галлием по процессу SoDHA (версия ГА с замещением галлием процесса покрытия SoDHA) длиной 10 мм и длиной 11 мм, диаметром 6 мм (прилегание имплантата по линии) или 8 мм (прилегание имплантата через зазор 1 мм).
Все экспериментальные работы в данном исследовании были рассмотрены и одобрены местным комитетом по содержанию и использованию животных (протокол № 2008A0083-R2, утвержден 23.06.2014 г.). С животными в настоящем исследовании обращались в соответствии с требованиями Акта о благополучии животных.
Собак содержали в клетках с дорожками из нержавеющей стали и площадью пола приблизительно 24 квадратных фута. Полы были возвышены, выполнены из растянутой сетки с виниловым покрытием и выполнены с возможностью удаления для проведения санитарной обработки. Клетки мыли из шланга дочиста по меньшей мере один раз в день или при необходимости чаще во избежание скопления экскрементов. Животные могли оставаться на месте во время ежедневной уборки, причем были приняты меры для того, чтобы животные оставались сухими. Все моющие или дезинфицирующие средства, применяемые в виварии, были обозначены как «Безопасные для пищевых продуктов» по USDA (Министерство сельского хозяйства США) и одобрены к применению участковым ветеринаром.
Санитарную обработку клеток и помещений для содержания выполняли с помощью моечного аппарата высокого давления или другого одобренного оборудования через каждые 2-6 недель (частота на основании биологического мониторинга). Во время санитарной обработки животных выводили из клеток во избежание попадания на них горячей воды или дезинфицирующих растворов. Все поверхности клетки и помещение после обработки дезинфицирующими растворами тщательно промывали.
Собакам давали корм в количестве, подходящем по их весу и активности, согласно регламентам USDA и Национального совета по исследованиям. Все корма давали в мисках из нержавеющей стали. Животных, которым не проводили процедуры, кормили по меньшей мере один раз в день. Животные, которым проводили процедуры, голодали 12-24 часа перед процедурой. Не использовали известных загрязняющих веществ, которые, как считается, влияют на достоверность исследования.
Подопытные животные имели свободный доступ к чистой пресной воде, а также не имелось известных загрязняющих веществ, которые считаются влияющими на достоверность исследования.
Животным вводили предоперационный транквилизатор ацепромазин (0,05 мг/кг в/м) и внутривенную инъекцию гидрохлорида кетамина и диазепама для создания общей анестезии. Собак интубировали и поддерживали анестезию ингаляционной смесью изофлурана с кислородом. Хирургический план оценивали путем мониторинга пульса, частоты сердцебиения, дыхания и рефлексов (глазного, щипкового). В латеральную вену предплечья вставляли внутривенный катетер и вводили периоперационный антибиотик (цефазолин). В течение хирургического вмешательства вводили стерильные изотонические текучие среды (LRS или подобные) в поддерживающих дозах. Все четыре конечности подготавливали к операции в последовательном порядке с выстриганием шерсти (от локтя до проксимальной части лопатки на передней конечности, от скакательного сустава до бедра на задней конечности). После начальной обработки кожи хирургическим антисептиком собак переносили в операционный кабинет и укладывали в боковое лежачее положение. Находящиеся сверху переднюю и заднюю конечности подвешивали, прикрепляя лентой к стойке для вливаний, и протирали латеральные стороны плеча и бедра комбинацией хирургического антисептика (повидон-йод или хлоргексидин) и спирта. Хирургические поля изолировали стерильными повязками и противомикробными наклейками для надреза (Ioban 2; компания 3M, г. Сент-Пол, штат Миннесота, США). Выполняли малые разрезы (длиной < 20 мм) на латеральной стороне проксимальной части плеча и на дистальной стороне латеральной части бедра, открывая метафизарные области каждой из костей. С помощью дрели размещали проволочные направители и подтверждали флюороскопическим снимком, что проволочные направители ориентированы в трабекулярной кости под углом 90 градусов к кортикальной поверхности. Затем с помощью трубчатого сверла высверливали отверстие диаметром 6 мм и общей глубиной 20 мм. Проксимальную половину отверстия рассверливали до конечного диаметра 8 мм. В плечевой кости и в бедренной кости выполняли одинаковую процедуру. Всего размещали четыре имплантата: имплантаты 6 мм вставляли в каждый дефект и полностью погружали в дистальную половину отверстия с помощью специального импактора. Затем в отверстие вставляли и полностью погружали имплантат 8 мм (состоящий из имплантата с диаметром сердцевины 6 мм с 8 мм прокладками на каждом конце). Таким образом, каждый дефект кости содержал один имплантат с линейным прилеганием поверхностей имплантата и кости, и один имплантат с цилиндрическим зазором 1 мм между имплантатом с покрытием из ГА с замещением галлием и окружающей костью. После размещения плечевых и бедренных имплантатов закрывали разрезы кожи с помощью подкожных рассасывающихся шовных нитей (Monocryl, PDS II или подобных) и усиливали шов наложением кожных скоб. Раны закрывали клейкими повязками, переворачивали собак на другой бок, протирали кожу и размещали имплантаты по точно такой же процедуре, что описана для первой стороны. После размещения плечевых и бедренных имплантатов протирали кожу на медиальных сторонах левой и правой голеней комбинацией хирургического антисептика (повидон-йод или хлоргексидин) и спирта. Хирургические поля изолировали стерильными повязками и противомикробными наклейками для надреза (Ioban 2; компания 3M, г. Сент-Пол, штат Миннесота, США). Выполняли малые разрезы (длиной < 20 мм) на медиальной стороне метафиза большеберцовых костей. Как и прежде, размещали проволочные направители и высверливали по одному отверстию (диаметром 6 мм, длиной 10 мм) в губчатой кости, под прямым углом к медиальному кортексу большеберцовых костей. Размещали имплантаты 6 мм с линейным прилеганием и закрывали подкожным швом и кожными скобами, как описано выше. После операции за собаками наблюдали до их восстановления после анестезии. Удаляли эндотрахеальную трубку, когда у собаки восстанавливался глотательный рефлекс. Одновременно удаляли все внутривенные катетеры. Послеоперационное обезболивание включало введение опиатного анальгетика (бупренорфин) каждые 6-12 часов в течение 3 послеоперационных дней. Нестероидные противовоспалительные препараты (карпрофен или мелоксикам) и антибиотики (цефалексин) вводили в первое утро после операции и продолжали введение в течение 7-10 послеоперационных дней. Сотрудники исследовательской группы наблюдали собак по меньшей мере дважды в сутки, пока не были сняты кожные скобы на 10-14 день после операции.
В назначенный срок собак подвергали эвтаназии путем внутривенного введения большой дозы пентобарбитона натрия и подтверждали смерть по отсутствию сердечной и дыхательной деятельности. Хирургические поля на правых и левых проксимальных частях плечевых костей, дистальных частях бедренных костей и проксимальных частях большеберцовых костей вскрывали, фотографировали и затем отрезали с помощью анатомической пилы, соблюдая осторожность для сохранения целостности имплантатов и окружающей кости. С целью документации реакции кости вокруг каждого имплантата делали контактные рентгеновские снимки в двух плоскостях. Образцы костей исследовали методом микро-КТ (с разрешением 30 мкм), а затем упаковывали со льдом для перевозки в течение ночи в компанию DePuy Synthes Joint Replacement, г. Уорсо, штат Индиана, США. После получения на месте в г. Уорсо образцы разрезали пополам под прямым углом к оси имплантата; одну половину использовали для механических испытаний в компании DePuy Synthes, а вторую половину помещали в 70%-й спирт и возвращали в Государственный университет штата Огайо для проведения гистологического исследования без предварительной декальцинации.
Пример 18. Результаты гистологического исследования
Гистологическое исследование без предварительной декальцинации проводили на фиксированных образцах разделов имплантат-кость после обработки в Technovit 7200 и изготовления срезов под прямым углом к оси имплантата с помощью алмазной ленточной пилы. Для обеспечения точного выравнивания и разреза имплантата применяли специальную оправку для выравнивания. Из каждого имплантата получали по два среза. Эти срезы шлифовали до конечной толщины 100-150 мкм, полировали и затем окрашивали поверхность трихромом по Голднеру. Описывали природу и протяженность контакта кости, образование фиброзной ткани и воспаление вокруг протеза.
Залитые блоки, содержащие разделы имплантат-кость, полировали, покрывали графитом и исследовали под СЭМ с обратным рассеянием. Получали изображения в оттенках серого по всему периметру имплантата и измеряли процентную долю прирастания кости и врастания кости на поверхности имплантата методом полуавтоматического анализа изображения (Bioquant Osteo II). Измеряли линейную протяженность (%) остаточного покрытия из ГА на поверхности имплантата.
Гистоморфометрический анализ с каждым стеклом проводили вслепую по отношению к его обработке. Были выполнены цифровые снимки с низким увеличением каждого среза, которые содержали зазор и дополнительное количество ткани, окружающей каждый имплантат. Был проведен статический гистоморфометрический анализ, чтобы определить % прирастания кости на поверхности имплантата, % кости внутри пористого материала и % кости в области зазора. Врастание измеряли как % от всех пустот. Дополнительные оцениваемые параметры содержали среднюю толщину покрытия. Результаты, усредненные по различным образцам, для ГА по процессу SoDHA и ГА с замещением галлием по процессу SoDHA на имплантатах с зазором показаны в таблице 8. Данные, которые иллюстрируют благоприятное врастание кости при добавлении Ga, также представлены графически на Фиг. 25.
Таблица 8. Результаты гистоморфометрии
Имплантаты с зазором
% врастания
% прирастания
SoDHA
11,6 ± 6,8
12,5 ± 3,6
SoDHA-галлий
24,6 ± 11,2
22,6 ± 10,4
Данные гистологического исследования указывали на то, что имплантаты Gription™, покрытые по процессу SoDHA с замещением галлием, имели значительно лучшие (~ 2X) показатели, чем оба Gription™ по процессу SoDHA в верхних проксимальных частях плечевой кости. На основании отсутствия воспаления, частиц и рентгенопрозрачности, окружающих имплантаты, не было обнаружено отрицательных реакций на имплантаты или испытуемые покрытия из ГА в любом из мест имплантации через 6 недель после имплантации.
Пример 19. Замена органическим растворителем и экстракция растворителя сверхкритическим CO
2
2
2
2
2
2
2
Покрытые купоны Gription™ после пескоструйной обработки промывали ДИ водой после формирования покрытия по процессу SoDHA-G, как описано в примере 12. Остаточный водный растворитель заменяли этанолом 3 раза в ходе этапа замачивания. Изучали периоды замачивания 1 и 20 часов. После замены на органический растворитель в этаноле купоны помещали на штатив и погружали в сосуд из нержавеющей стали объемом 100 мл. Купоны покрывали этанолом, а верхнюю крышку сосуда закрывали. Поток CO проходил в направлении от верхней части сосуда и через дно наружу. Сосуд наполняли жидким CO до давления 10 МПа (100 бар), и жидкий этанол вытеснялся жидким CO при комнатной температуре и потоке газообразного CO со скоростью приблизительно 2 литра в минуту. Время вытеснения составляло приблизительно ½ часа. После полного вытеснения этанола сосуд нагревали до 38°C и высушивали в течение 4 часов сверхкритическим CO при скорости потока газа 5 литров/мин. После назначенного времени высушивания 4 часа давление из сосуда сбрасывали до атмосферного, поддерживая температуру выше критической температуры CO, равной 32 °С. Сброс давления проводили со скоростью потока газа со скоростью приблизительно 1 литр/минута в течение приблизительно ½ часа.
2
Морфологию поверхностей пленок с обработкой и без нее исследовали под сканирующим электронным микроскопом, как показано на Фиг. 26А и 26В соответственно. Обработка сверхкритическим CO существенно уменьшала растрескивание покрытий по процессу SoDHA-G по сравнению с обычным высушиванием.
Пример 20. Повторное осаждение посредством гидротермической обработки SoDHA-G
Купоны с покрытием по процессу SoDHA-G, полученные по примеру 12, быстро переносили из ДИ воды в стеклянную бутыль, содержащую либо 15 мл сиропа 40 мМ фосфат-Ga (Pi), приготовленного по примеру 4, либо 15 мл исходного раствора 2,2262 мМ фосфат-Ga (Pi), приготовленного по примеру 4. Затем стеклянную бутыль закупоривали крышкой. Гидротермическую обработку пленок SoDHA-G проводили при 70°C или 90°C в течение 2 часов. После гидротермической обработки купоны с покрытием SoDHA-G обильно ополаскивали ДИ водой в течение одной минуты и помещали в печь при 60°C для высушивания в течение 1 часа.
Морфологию поверхностей пленок SoDHA-G и гидротермически обработанного SoDHA-G (SoDHA-G-HT) исследовали сканирующей электронной микроскопией (FE-SEM, Quanta 600 F). На Фиг. 27 представлено изображение SoDHA-G под сканирующим электронным микроскопом. На Фиг. 28А и 28В представлены изображения под сканирующим электронным микроскопом пленок SoDHA-G-HT, обработанных соответственно исходным раствором фосфата-Ga и сиропом фосфата-Ga, и гидротермически обработанных при 70 °С в течение 2 часов. На Фиг. 29А и 29В представлены изображения под сканирующим электронным микроскопом пленок SoDHA-G-HT, обработанных соответственно исходным раствором фосфата-Ga и сиропом фосфата-Ga, и гидротермически обработанных при 90 °С в течение 1 часа. На Фиг. 30А и 30В представлены изображения под сканирующим электронным микроскопом пленок SoDHA-G-HT, обработанных соответственно исходным раствором фосфата-Ga и сиропом фосфата-Ga, и гидротермически обработанных при 90 °С в течение 2 часов. На Фиг. 26-30В представлено улучшение в отношении растрескивания в зависимости от оптимизации температуры и времени гидротермической обработки. Фазовый состав пленок SoDHA и SoDHA-HT идентифицировали с помощью дифрактометрии рентгеновских лучей (Philips Analytical) с применением излучения Cu Kα при 45 кВ, 40 мА. Как показано на Фиг. 31, картины рентгеновской дифракции SoDHA, SoDHA-G и SoDHA-G-HT (гидротермически обработанного в исходном растворе Pi-Ga при 90 °С в течение 2 часов) снимали от 4° до 60° (2θ) с шагом 0,02° и скоростью 0,01°/с. Результаты XRD показали, что пик (002) гидроксиапатита не смещался после гидротермической обработки, подтверждая отсутствие заметной утраты Ga из решетки.
5 (пять) купонов Gription™ с покрытием SoDHA-G, полученным согласно примеру 12, быстро переносили из ДИ воды в стеклянную бутыль, содержащую 250 мл исходного раствора 2,2262 мМ фосфата-Ga (Pi), приготовленного согласно примеру 4. Десять (10) купонов Gription™ с покрытием SoDHA-G, полученным согласно примеру 12, быстро переносили из ДИ воды в стеклянную бутыль, содержащую 250 мл сиропа 40 мМ фосфата-Ga (Pi), приготовленного согласно примеру 4. Затем стеклянные бутыли закупоривали крышкой. Гидротермическую обработку пленок SoDHA-G проводили при 90°C в течение 2 часов. После гидротермической обработки купоны Gription™ с покрытием SoDHA-G обильно промывали ДИ водой в течение одной минуты и помещали в печь при 60°C для высушивания в течение 1 часа.
Покрытия, гидротермически обработанные и высушенные по процедуре (без гидротермической обработки), растворяли в 0,1 М соляной кислоте и анализировали растворы на галлий методом атомной эмиссионной спектроскопии с индуктивно связанной плазмой (ICP). Содержание галлия в покрытиях без гидротермической обработки и с обработкой исходным раствором фосфата-Ga составляло 2,58% масс. и 2,71% масс. соответственно. Однако неожиданно было обнаружено, что содержание галлия в покрытиях, гидротермически обработанных сиропом фосфата-Ga, повысилось до 5,67% масс. Это показало, что гидротермическая обработка в концентрированных растворах, содержащих галлий, была эффективным способом повышения содержания галлия в покрытиях из гидроксиапатита.
Пример 21. Количественная оценка растрескивания
Преимущество последующей обработки по примерам 19 и 20, имеющей целью уменьшение растрескивания, количественно оценивали посредством анализа изображения путем измерения числа пересечений трещин на заданной горизонтальной сетке. Изображения снимали с увеличением 1000х микроскопом FEI Quanta 600 F SEM, а затем импортировали в программное обеспечение Axio Vision (AxioVision SE64 Release 4.9.1.0 от компании Carl Zeiss Microscopy GmbH) и поверх большей части изображения помещали сетку с 25 горизонтальными линиями 193,5 мкм в длину и по вертикали через каждые 6 мкм. Пересечения трещин на изображении с линиями сетки отмечали вручную. Пересечения отмечались оператором вручную во избежание ошибок, вызванных работой программного обеспечения. Число пересечений в данной области использовали как количественную меру степени растрескивания поверхности покрытий SoDHA-G. Характерное изображение, иллюстрирующее такой способ, представлено на Фиг. 32.
На купонах после пескоструйной обработки покрытия SoDHA-G, которые высушивали обычным способом при 60 °С без этапа последующей обработки, показывали свыше 600 пересечений, тогда как покрытия SoDHA-G с гидротермической обработкой показывали от 200 до 400 пересечений трещин. SoDHA-G с оптимизированными параметрами гидротермической обработки показывал минимальное растрескивание с менее чем 200 пересечениями. Число пересечений трещин и плотность пересечений на характерных высушенных обычным способом и затем обработанных покрытиях показаны в таблице 9.
Таблица 9. Подсчет пересечений трещин и их плотности на образцах с различной последующей обработкой
<b>Образец</b>
<b>Число пересечений</b>
<b>Плотность пересечений (пересечений/мм</b><sup><b>2</b></sup><b>)</b>
Образец с пескоструйной обработкой - Flat 4050 SoDHA-G100, высушенный в печи при 60 °C, без этапа последующей обработки
654
17467
Образец с пескоструйной обработкой - Flat 4054 SoDHA-G, гидротермически обработан (HT) сиропом PiGa при 85°C 1 час
348
9294
Образец с пескоструйной обработкой - Flat 4053 SoDHA-G, HT исходным PiGa при 90°C 2 часа
230
6142
Образец вертлужной чашки - Cup 102 SoDHA-G100, HT сиропом PiGa при 90°C 2 часа
30
801
Образец вертлужной чашки - Cup 414 SoDHA-G100, HT сиропом PiGa при 90°C 2 часа
108
2884
Образец Gription - Disk 26 SoDHA-G100, HT исходным PiGa при 90°C 2 часа, обработан вакуумом
60
1603
Хотя изобретение подробно представлено на рисунках и в тексте выше, такие иллюстрация и описание должны считаться примерами и не носят ограничительный характер. Следует понимать, что здесь показаны и описаны только иллюстративные варианты осуществления и что объем защиты распространяется на все изменения и модификации в пределах сущности изобретения.
Настоящее изобретение обладает множеством преимуществ, которые обусловлены различными характеристиками покрытий из ГА с замещением галлием, описанных в настоящем документе. Следует отметить, что альтернативные варианты осуществления аппарата, системы и способа каждого из покрытий настоящего изобретения могут не содержать всех описанных элементов, но при этом могут обладать по меньшей мере некоторыми преимуществами, обусловленными такими элементами. Специалисты в данной области могут легко разработать собственные варианты реализации покрытий из фосфата кальция, включающие в себя один или более признаков настоящего изобретения и соответствующие сущности и объему настоящего изобретения, как определено в прилагаемой формуле изобретения.