СПОСОБ ЭЛЕКТРОВЗРЫВНОГО НАПЫЛЕНИЯ БИОИНЕРТНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ МОЛИБДЕНА И НИОБИЯ НА ИМПЛАНТАТЫ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ
METHOD FOR ELECTRIC EXPLOSIVE SPRAYING OF BIOINERT COATINGS BASED ON MOLYBDENUM AND NIOBIUM ON IMPLANTS FROM TITANIUM ALLOYS

Изобретение относится к технологии нанесения покрытий на металлические поверхности с использованием концентрированных потоков энергии, в частности, к технологии получения на поверхности имплантатов из титановых сплавов, работающих в организме человека, покрытий на основе молибдена и ниобия, которые могут быть использованы в области медицины с целью получения биосовместимых низкомодульных сплавов.
2
2
Известно покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его приготовления (RU 2502526, МПК A61L 27/06, A61L 27/02, А61Е 2/02, опубл. 27.12.2013). Покрытие на имплантат из титана и его сплавов состоит из двух слоев, первый слой состоит из оксидов титана, в основном ТiO, второй слой состоит из оксида алюминия гамма-модификации, общая толщина двухслойного покрытия составляет от 40 до 180 мкм при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид титана, в пересчете на ТiO - 10-30; гамма-оксид алюминия - 70-90. Способ получения покрытия включает механическую обработку поверхности имплантата, обезжиривание, термическую обработку для получения на поверхности имплантата оксидов титана, последующее нанесение второго слоя. Обезжиривание ведут в растворе щелочи - KОН, NaOH, термическую обработку осуществляют в интервале температур 700-800°С с последующим получением двухслойного покрытия из оксида титана и оксида алюминия, при этом вначале наносят гидроксид алюминия в нагретом до 60-90°С растворе алюминатов щелочных металлов с последующей выдержкой в этом растворе до комнатной температуры, дальнейшей промывкой, сушкой и термической обработкой покрытия при температуре 500-600°С для получения вторичного покрытия из оксида алюминия.
Недостатком способа является низкая адгезия вторичного биоинертного или биосовместимого покрытия.
2
Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ нанесения биоинертных покрытий на основе циркония на титановые имплантаты (RU №2686092, МПК A61L 27/04, A61F 2/02, С23С 4/00, C25D 11/26, опубл. 24.04.2019). Способ нанесения биоинертных покрытий на основе циркония на титановые имплантаты включает электрический взрыв циркониевой фольги массой 50-500 мг, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности имплантата из титанового сплава при поглощаемой плотности мощности 1,5-1,8 ГВт/м, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней биоинертного покрытия на основе циркония.
Недостатком способа является низкая антибактериальная активность биоинертных электровзрывных покрытий на основе циркония.
Технической проблемой, решаемой заявляемым изобретением является получение биоинертного или биосовместимого покрытия на основе молибдена и ниобия на поверхности различных имплантатов из титановых сплавов, обладающего антибактериальной активностью.
2
Существующая техническая проблема решается тем, что предложен способ электровзрывного напыления биоинертных покрытий на основе молибдена и ниобия на имплантаты из титановых сплавов, включающий электрический взрыв двухслойного композиционного электрически взрываемого проводника, один из слоев которого состоит из молибденовой фольги массой 50-500 мг, а второй слой - из ниобиевой фольги равной 0,5-2,0 массы первого слоя, формирование из продуктов взрыва импульсной многофазной плазменной струи, оплавление ею поверхности имплантата из титанового сплава при поглощаемой плотности мощности 1,5-1,8 ГВт/м, осаждение на поверхность продуктов взрыва и формирование на ней биоинертного покрытия на основе молибдена и ниобия.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в том, что, при электрическом взрыве композиционного электрически взрываемого проводника, состоящего из молибденовой и ниобиевой фольг, продукты разрушения образуют плазменную струю, служащую инструментом формирования на поверхности имплантатов из титановых сплавов покрытия на основе молибдена и ниобия. Электровзрывное напыление приводит к формированию покрытия на основе молибдена и ниобия с высокой адгезией с имплантатом из титанового сплава. Использование недорогих металлов, обладающих антимикробной и антибактериальной эффективностью, приобретает все большую важность в последнее время. К таким металлам относятся молибден и ниобий. Формирование покрытия на основе молибдена и ниобия обеспечивает антимикробный и антибактериальный эффект. Преимущество заявляемого способа по сравнению с прототипом заключается в формировании поверхностного слоя с высокой адгезией покрытия с подложкой из титанового сплава, низкой шероховатостью и гомогенизированной структурой, обладающего антибактериальным эффектом, что увеличивает срок службы имплантатов, и расширяет область практического применения.
Пролиферативную активность клеточных линий определяли методом непосредственного подсчета количества клеток после их контакта с образцами с нанесенными покрытиями с помощью оптического микроскопа. Исследования проводили на клеточной культуре фибробластов подкожной соединительной ткани мыши (L929). Линия получена из коллекции культур клеток ФГУН ГНЦ «Вектор». Количество клеток определяли методом непосредственного подсчета при помощи 4-х сеточной камеры Горяева и оптического инвертированного микроскопа Axio Observer (Zeiss). Для подсчета клеток использовали витальную окраску трипановым синим для одновременного определения количества живых и погибших клеток.
2
2
Клеточную линию культивировали в среде Игла MEM с добавлением 10% фетальной бычьей сыворотки (FBS) и 5% пенициллин-стрептомицина-глутамина в сосудах площадью 75 см. Культивирование клеток проводили при температуре 37±1°С и 5% СO в течение 24 часов. Культуру клеток рассевали в культуральные 24-луночные планшеты (общий объем 2 мл) в количестве 50000 клеток на одну лунку. Образцы помещали на монослой клеток в каждую лунку. Клетки инкубировали с образцами в течение 24 часов. В ходе эксперимента за контроль принимали культуру, не контактировавшую с образцами. После инкубирования производили непосредственный подсчет клеток. В результате проведенных исследований было выявлено, что процент выживших клеток на поверхности биоинертных покрытий на основе молибдена и ниобия составляет 100%, что указывает на высокую пролиферативную активность фибробластов. При этом на образце без покрытия (титановый сплав ВТ6) процентное содержание выживших клеток составило 91%.
Проводили исследования на растровом электронном микроскопе образцов с биоинертными электровзрывными молибденовыми покрытиями. Для этого образцы с высаженными на их поверхность культурами клеток промывали и фиксировали в специальных растворах, а затем высушивали в гексане. По окончании процесса высушивания культуру извлекали из держателя и помещали в эксикатор с влагопоглотителем для временного хранения. На полученных изображениях проводили подсчет клеток фибробластов с помощью программного обеспечения «Photoshop». В результате статистического анализа полученных изображений было выявлено, что наибольшее количество клеток обнаружено на образцах с покрытием на основе молибдена и ниобия. На образцах без покрытия (титановый сплав ВТ6) среднее количество клеток было на 20% меньше.
5
Противомикробная активность образцов была проверена методом подсчетов жизнеспособных бактерий. В этом методе in vitro динамика уничтожения бактерий в образце измерялась путем подсчета остаточных бактерий по сравнению с контролем. Культуры микроорганизмов Staphylococcus aureus (MRSA) культивировали в течение 24 часов при температуре 37±1°С, затем готовили взвесь микроорганизмов в концентрации 10 КОЕ/мл. Staphylococcus aureus 209 - грамположительные шаровидные клетки диаметром 0,5-1,5 мкм. Измерение эффективности сорбции поводили на бактериях Staphylococcus aureus согласно рекомендациям (Ворошилова А.А. Окисляющие нефть бактерии показатели интенсивности биологического окисления нефти в природных условиях / А.А. Ворошилова, Е.Д. Дианова // Микробиология. - 1952. - Т. 21. - С. 408-415.). Для определения эффективности сорбции, образцы стерилизованного в автоклаве продукта с массой 100 мг помещали в стерильные колбы и добавляли 30 мл бактериальной суспензии с концентрацией 1,0×10 КОЕ/мл. Адсорбцию микроорганизмов на образцах проводили при постоянном перемешивании суспензии в течение 30 мин на магнитной мешалке РЕ-6600 (Ecroskhim, Россия) со скоростью 500 об/мин. Далее пробы центрифугировали в течение 3 минут при скорости вращения 1300 об/мин и осуществляли посев 1 мл надосадочной жидкости на МПА. Посевы инкубировали в термостате при температуре 37±1°С в течение 24 ч. Через сутки после инкубирования проводили подсчет колоний. Остаточные жизнеспособные бактерии (КОЕ/мл) подсчитывали после 3 и 6 ч инкубации при 37°С. Микроорганизмы в PBS использовали только в качестве контролей. Для каждого образца были проведены два независимых эксперимента с пятью повторениями на образец на один эксперимент. Статистический анализ проводили с помощью непарного t-теста Стьюдента, а р<0,05 считали статистически значимым. Биоинертное покрытие на основе молибдена и ниобия обладает антибактериальным эффектом. Количество КОЕ уменьшается после 6 часов культивирования до 7 523 с имплантатом из титанового сплава без покрытия (титановый сплав ВТ6) - 10 225.
4
2
2
2
L
Цитотоксическое действие образцов с биоинертными молибденовыми покрытиями определяли при помощи МТТ-теста на клеточной культуре фибробластов подкожной соединительной ткани мыши (L929). (ФБУН ГНЦ ВБ «Вектор», Россия). Конечная концентрация клеток составила 0,5⋅10клеток/100 мкл в лунке 96-луночного микропланшета. Клетки культивировали в виде монослоя в среде Игла MEM (Lonza, Швейцария) с добавлением 10% FCS, 2 mМ L-глутамина и 5% пенициллин/стрептомицина/глутамина. Культивирование клеток проводили при температуре 37±1°С и 5% СO в течение 24 часов. После инкубирования питательную среду осторожно удаляли и два раза промывали клетки раствором DPBS. Клетки с образцами инкубировали при температуре 37±1°С и 5% СO в течение 24, 48 и 72 часов. Затем в каждую лунку добавляли по 100 мкл питательной среды и по 10 мкл раствора МТТ (3-4,5-диметилтиазол-2,5 дифенил тетразилия бромида). Инкубирование с раствором МТТ проводили в течение 2 часов при температуре 37±1°С и 5% СO. По окончании инкубирования питательную среду осторожно удаляли и добавляли в каждую лунку по 100 мкл диметилсульфоксида для растворения кристаллов формазана. Через 15 минут определяли оптическую плотность на микропланшетном спектрофотометре Multiscan FC при длине волны 620 нм. Далее вычисляли процент живых клеток (CL) по формуле C=(As/Ac)⋅100%, где As - оптическая плотность исследуемого образца, Ас - оптическая плотность контрольного образца. Контрольной группой служили клетки без добавления образца с покрытиями. Для статистической обработки данных использовались параметрические методы с уровнем достоверности р≤0,05. Образцы с покрытиями на основе молибдена и ниобия не являются токсичными, что подтверждают исследования цитотоксичности. При этом, количество выживших клеток после контакта с образцом с покрытиями на основе молибдена и ниобия на 3% выше, чем у образца без покрытия (титановый сплав ВТ6).
2
2
2
2
Исследования методом сканирующей электронной микроскопии показали, что при электровзрывном напылении на имплантатах из титановых сплавов путем электрического взрыва композиционного электрически взрываемого проводника, один из слоев которого состоит из молибденовой фольги массой 50-500 мг, а второй слой - из ниобиевой фольги равной 0,5-2,0 массы первого слоя при поглощаемой плотности мощности 1,5-1,8 ГВт/м происходит формирование покрытия на основе молибдена и ниобия. Указанный режим, при котором поглощаемая плотность мощности составляет 1,5-1,8 ГВт/м, установлен эмпирически и является оптимальным, поскольку при интенсивности воздействия ниже 1,5 ГВт/м не происходит образование рельефа между покрытием и подложкой из титанового сплава, вследствие чего возможно отслаивание покрытия, а выше 1,8 ГВт/м происходит формирование развитого рельефа поверхности напыляемого покрытия. При значении массы молибденовой фольги менее 50 мг становится невозможным изготовление из нее двухслойного композиционного электрически взрываемого проводника. При значении массы молибденовой фольги более 500 мг покрытие на основе молибдена и ниобия на поверхности имплантатов из титановых сплавов обладает большим количеством дефектов. При значении массы ниобия менее 0,5 или более 2,0 массы фольги покрытие на основе молибдена и ниобия на поверхности имплантатов из титановых сплавов также обладает дефектной структурой. Граница электровзрывного покрытия с подложкой не является ровной, что позволяет увеличить адгезию покрытия с подложкой.
2
2
Микротвердость измеряли на микротвердомере HVS-1000A. Значение микротвердости по Виккерсу сформированных покрытий составляет 1,1-1,25 ГПа. Модуль упругости сформированных покрытий составил 200-250 Гн/м, предел прочности при растяжении 750-780 Мн/м.
Способ поясняется рисунками, где:
на фиг. 1 представлена структура поперечного сечения поверхностного слоя биоинертного покрытия на основе молибдена и ниобия - покрытие получено на титановом сплаве марки ВТ6;
на фиг. 2 - структура поперечного сечения поверхностного слоя биоинертного покрытия на основе молибдена и ниобия и подложкой (титановый сплав ВТ6);
на фиг. 3 - увеличенное изображение структуры биоинертного покрытия на основе молибдена и ниобия.
Примеры конкретного осуществления способа:
Пример 1.
2
2
Обработке подвергали штифт (ввинчивается в челюстную кость) дентального имплантата (титановый сплав марки ВТ6, химический состав %: Ti 90,04, Fe 0,5, С 0,1, Si 0,1, V 3,5, N 0,05, Al 5,3, Zr 0,2, О 0,2, H 0,01) площадью 1 см. Использовали двухслойный композиционный электрически взрываемый проводник, один из слоев которого состоял из молибденовой фольги массой 50 мг, а второй слой - из ниобиевой фольги массой 25 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность титанового штифта при поглощаемой плотности мощности 1,5 ГВт/м и формировали на ней электровзрывное покрытие на основе молибдена и ниобия. Электровзрывное напыление осуществляли на электровзрывной установке ЭВУ 60/10 М (Автоматизированная электровзрывная установка для повышения эксплуатационных характеристик материалов / Ю.Д. Жмакин, Д.А. Романов, Е.А. Будовских и др. // Промышленная энергетика. - 2011. - №6. С. 22-25).
Получили биоинертное покрытие на основе молибдена и ниобия с высокой адгезией покрытия с подложкой на уровне когезии, обладающее антибактериальной активностью.
Пример 2.
2
2
Обработке подвергали пластину Т-образную косую (титановый сплав марки ВТ1-0, химический состав %: Ti 99,48, Fe 0,18, С 0,07, Si 0,1, N 0,04, О 0,12, Н 0,01) площадью 15 см, применяемую для остеосинтеза дистального метаэпифиза лучевой кости. Использовали двухслойный композиционный электрически взрываемый проводник, один из слоев которого состоял из молибденовой фольги массой 500 мг, а второй слой - из ниобиевой фольги массой 1000 мг. Сформированной плазменной струей оплавляли поверхность пластины Т-образной косой при поглощаемой плотности мощности 1,8 ГВт/м и формировали на ней электровзрывное покрытие на основе молибдена и ниобия. Получили биоинертное покрытие на основе молибдена и ниобия с высокой адгезией с подложкой на уровне когезии, обладающее антибактериальной активностью. Электровзрывное напыление осуществляли на электровзрывной установке ЭВУ 60/10 М (Автоматизированная электровзрывная установка для повышения эксплуатационных характеристик материалов / Ю.Д. Жмакин, Д.А. Романов, Е.А. Будовских и др. // Промышленная энергетика. - 2011. - №6. С. 22-25).
Предлагаемый способ позволяет сформировать поверхностный слой с высокой адгезией покрытия с подложкой из титанового сплава, низкой шероховатостью, гомогенизированной структурой и антибактериальной активностью, что увеличивает срок службы имплантатов, и расширяет область практического применения.