СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДНОГО БИОСОВМЕСТИМОГО ПОКРЫТИЯ НА ЧРЕКОСТНЫХ ИМПЛАНТАТАХ ИЗ НЕРЖАВЕЮЩЕЙ СТАЛИ
METHOD FOR PREPARING BIOCOMPATIBLE OXIDE COATING ON TRANSOSTEAL STAINLESS STEEL IMPLANTS

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться при изготовлении спицевых, а также стержневых чрескостных имплантатов с оксидным биосовместимым покрытием.
Клиническая эффективность применения чрескостных имплантатов, входящих в состав аппаратов внешнего управляемого остеосинтеза и наиболее часто выполняемых из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, во многом определяется наличием на их поверхности биосовместимого морфологически гетерогенного покрытия, обеспечивающего прочность закрепления изделий в костной ткани. В качестве биосовместимого покрытия могут выступать собственные механически прочные оксидные слои металлического материала, создаваемые путем его термического оксидирования в различных газовых средах. При этом известные способы термического оксидирования металлических имплантатов не позволяют сформировать оксидное биосовместимое покрытие с трещиноватой микро- и наноструктурой, которая во многом определяет уровень остеокондуктивности поверхности имплантатов, существенно повышает эффективность остеоинтеграционных процессов и обеспечивает высокопрочную взаимосвязь имплантируемых изделий с костной тканью.
2
2
Известен способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов, заключающийся в газотермическом оксидировании в смеси, состоящей из инертного (Ar, Ne, Не) и окисляющего (O, CO) газов, с последующим охлаждением оксидированных имплантатов в инертном газе [патент РФ №2322267. Опубл. 20.04.2008].
Недостатком данного способа является невозможность получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой, повышающей эффективность остеоинтеграции имплантатов.
Известен способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана путем воздействия на них перегретого водяного пара при температуре 500-550°C в течение 1,5-2,0 ч [патент РФ №2332239. Опубл. 27.08.2008]. При этом сначала из печи удаляют воздух подачей в рабочий объем перегретого пара под давлением 3-4 атм, потом проводят оксидирование в среде чистого пара, подаваемого под давлением 1,2-1,3 атм. После термообработки оксидированные остеофиксаторы сначала охлаждают в печи в среде пара до температуры 250-300°C, а затем на воздухе до температуры 20-30°C. Однако недостатком данного способа является отсутствие технической возможности, позволяющей сформировать на имплантатах оксидное биосовместимое покрытие с гетерогенной трещиноватой наноструктурой.
Ближайшим прототипом, по мнению авторов, является способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали, заключающийся в том, что осуществляют оксидирование имплантатов на воздухе при температуре 300-600°C, продолжительности 0,3-1,0 ч и атмосферном давлении среды с последующим постепенным охлаждением обработанных изделий в печи до температуры окружающей среды (20-30°C) [патент РФ №2412723. Опубл. 27.02.2011].
Недостатком данного способа является невозможность получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой, повышающей эффективность остеоинтеграции чрескостных имплантатов из нержавеющей стали.
Задачей изобретения является создание технологических условий для получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали.
Технический результат изобретения заключается в обеспечении оксидным покрытием высокой остеокондуктивности поверхности имплантатов и способности их высокопрочного срастания с костной тканью.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом способе получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали, включающем термическое оксидирование на воздухе при температуре 300-600°C с продолжительностью 0,3-1,0 ч и охлаждение на воздухе, согласно новому техническому решению оксидирование имплантатов проводят при многократных последовательных термических циклах нагрев-охлаждение, где после нагрева имплантатов в печи в течение каждых 5-10 мин осуществляют их кратковременное охлаждение с извлечением из печи на 5-10 сек. При этом при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов с формированием на поверхности оксидного покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры.
Способ осуществляется следующим образом. Для получения биосовместимого оксидного покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали проводят их оксидирование на воздухе при значениях температуры от 300°C до 600°C и значениях продолжительности от 0,3 ч до 1,0 ч при последовательных термических циклах нагрев-охлаждение, где при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов с формированием на поверхности оксидного покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин после нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры. В данных технологических условиях на поверхности стальных имплантатов образуются частицы оксидов металлов, входящих в состав сплава, которые за счет осуществления последовательных термических циклов нагрев-охлаждение на воздухе вследствие быстро изменяющихся внутренних напряжений в поверхностных слоях имплантатов растрескиваются с разрывом связей между частицами и покрытие приобретает трещиноватую микро- и наноструктуру, благоприятствующую высокоэффективной остеоинтеграции имплантатов.
Значения температуры нагрева печи свыше 600°C и продолжительности оксидирования более 1,0 ч приводят к образованию механически непрочного хрупкого оксидного покрытия большой толщины (250-300 мкм), которое характеризуется низким уровнем адгезии к поверхности основного металла. Значения температуры менее 300°C и продолжительности обработки менее 0,3 ч не обеспечивают термохимических условий для протекания активных реакционных окислительных процессов на поверхности нержавеющей стали и не позволяют сформировать оксидное покрытие с качествами биосовместимости.
Время охлаждения имплантатов с их извлечением из печи менее чем на 5 сек, не позволяет обеспечить необходимую скорость их охлаждения до момента снижения температуры оксидного покрытия, приводящей к растрескиванию крупных частиц оксидов с формированием микро- и наноразмерных частиц, а также трещиноватой структуры поверхности. Время охлаждения имплантатов с их извлечением из печи более чем на 10 сек, приводит к возникновению высоких внутренних напряжений в оксидном покрытии, при которых происходит макрофрагментация покрытия с разрывом связей между его частицами, что сопровождается разрушением оксидных слоев и их отсоединением от поверхности имплантатов.
Периодичность извлечения имплантатов из печи для цикла охлаждения менее чем через каждые 5 мин после цикла нагрева, не обеспечивает необходимую интенсивность оксидирования и технологически не позволяет создать оксидное биосовместимое покрытие с остеокондуктивными качествами поверхности, а периодичность извлечения имплантатов более чем через каждые 10 мин после цикла нагрева, не позволяет получить морфологически развитую трещиноватую микро- и наноструктуру оксидного покрытия.
Пример 1. Берут предварительно подготовленный для формирования покрытия имплантат из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, помещают его в электропечь сопротивления с температурой 300°C. По истечении 5 мин нагрева в печи имплантат извлекают из нее на 5 сек, при которых происходит кратковременное охлаждение изделия на воздухе, после чего опять помещают в печь с воздушной атмосферой для нагрева в течение следующих 5 мин. Данный термический цикл нагрев-охлаждение последовательно повторяется с вышеуказанным временным интервалом до момента окончания обработки (0,3 ч), в результате чего после процесса оксидирования в таких технологических условиях на поверхности имплантата формируется оксидное покрытие с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой.
Пример 2. Берут предварительно подготовленный для формирования покрытия имплантат из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, помещают его в электропечь сопротивления с температурой 600°C. По истечении 10 мин нагрева в печи имплантат извлекают из нее на 10 сек, при которых происходит кратковременное охлаждение изделия на воздухе, после чего опять помещают в печь с воздушной атмосферой для нагрева в течение следующих 10 мин. Данный термический цикл нагрев-охлаждение последовательно повторяется с вышеуказанным временным интервалом до момента окончания обработки (1,0 ч), в результате чего после процесса оксидирования в таких технологических условиях на поверхности имплантата создается оксидное покрытие с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой.
Способ позволяет получить морфологически развитое трещиноватое оксидное покрытие толщиной 10-60 мкм, суммарной открытой пористостью 15-65%, размером частиц оксидов от 5 нм до 150 мкм, размером пор от 10 нм до 200 мкм, шириной трещин 50-150 нм, глубиной трещин 30-100 нм.
Положительный эффект, заключающийся в обеспечении оксидным покрытием высокой остеокондуктивности поверхности имплантатов и способности их высокопрочного срастания с костной тканью, достигается за счет проведения термического оксидирования и охлаждения имплантатов на воздухе при осуществлении последовательных термических циклов нагрев-охлаждение, где при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов при температуре 300-600°C и продолжительности 0,3-1,0 ч с формированием на поверхности оксидного биосовместимого покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин после нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры, обеспечивающей повышенную остеокондуктивность поверхности имплантатов.