Способ получения модифицированного биопокрытия с микрочастицами трикальцийфосфата и/или волластонита на имплантате из магниевого сплава
METHOD FOR OBTAINING A MODIFIED BIOCOATING WITH MICROPARTICLES OF TRICALCIUM PHOSPHATE AND/OR WOLLASTONITE ON A MAGNESIUM ALLOY IMPLANT

Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющему формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, в частности, для снижения скорости растворения биорезорбируемых магниевых имплантатов, а также для улучшения их биологической совместимости с живым организмом, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии.
4
2
4
3
3
2
2
Известен способ формирования на магниевом сплаве покрытия из наноразмерного гидроксиапатита, из патента Китая №101302638, опубл. 12.11.2008 [1], путем ступенчатого катодного осаждения в водном растворе, содержащем NHHPO, Na(HO) и Ca(OH)·4НO. В результате катодного осаждения при температуре от 60 до 90°C и напряжении между -5 B и -1 B формируется композитный биоматериал, содержащий наноразмерный гидроксиапатит игольчатой формы, обладающий биосовместимостью и высокой адгезией к подложке.
Коррозионная стойкость покрытий, полученных известным способом, является недостаточно высокой из-за их незначительной толщины, наличия дефектов и низкой сплошности.
Известен способ нанесения на магниевый сплав защитного покрытия, из патента Китая №101411892, опубл. 22.04.2009 [2], путем электролитического осаждения в водном электролите, содержащем соль кальция, дигидро- или гидрофосфат-ион либо другие добавки, с последующей обработкой полученного покрытия раствором гидроксида щелочного металла с получением гидроксиапатита, уплотнением полученного рыхлого слоя гидроксиапатита путем его пропитки раствором полимолочной кислоты и сушкой, в результате чего получают композитное покрытие гидроксиапатит/полимолочная кислота. Предложенный способ получения покрытия позволяет сочетать биоактивность гидроксиапатита и биорезорбируемые свойства полимолочной кислоты и может найти применение для защиты сплавов магния от коррозии в среде организма человека.
Известный способ является сложным, многоступенчатым, что ограничивает его применение. Полученные известным способом покрытия обладают неоднородной структурой и недостаточной толщиной, что не позволяет обеспечить надежную защиту от коррозии поверхности сплава магния.
,
Наиболее близким к предлагаемому изобретению являетсяспособ получения антикоррозионных кальцийсодержащих покрытий на сплавах магнияизвестный из патентаRU2445409, опубл. 20.03.2012 [3].
2
Изобретение относится к электролитическим способам нанесения антикоррозионных биосовместимых покрытий на сплавы магния, применяемые в имплантационной хирургии при изготовлении имплантатов, эксплуатируемых в коррозионно-активной среде, преимущественно содержащей хлорид-ионы, и может быть использовано при изготовлении имплантатов различного функционального назначения, в частности, биодеградируемых. Способ осуществляют путем плазменно-электролитического оксидирования в анодном гальваностатическом режиме при эффективной плотности анодного тока 0,4-0,5 А/см в течение 250-300 с в водном электролите, содержащем, г/л: глицерофосфат кальция 25-35 и фторид натрия 4-6, а также гидроксид натрия NaOH до рН 10,9-11,3. Технический результат - повышение антикоррозионных свойств формируемого на поверхности сплавов магния покрытия путем увеличения его толщины, плотности, однородности и адгезии к подложке при одновременном улучшении его биосовместимости и биологической активности за счет формирования поверхностного слоя, содержащего гидроксиапатит.
Недостатком известного изобретения является недостаточная толщина покрытия. Кроме того, поверхность покрытия является неоднородной, развитой, с порами, наростами и трещинами, что не позволяет обеспечить надежную защиту от коррозии поверхности сплава магния.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения модифицированного биопокрытия с микрочастицами трикальцийфосфата и/или волластонита на имплантате из магниевого сплава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение на имплантатах из магниевого сплава биопокрытия, модифицированного микрочастицами трикальцийфосфата (ТКФ) и/или волластонита, равномерно распределенными по поверхности для успешной остеоинтеграции и снижения скорости биорезорбции магниевого имплантата.
3
4
2
3
2
4
2
2
3
3
4
2
3
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения модифицированного биопокрытия с микрочастицами трикальцийфосфата и/или волластонита на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем соединения кальция, фосфора и натрия, при этом в качестве модифицирующего компонента электролит содержит порошок трикальцийфосфата (β-Ca(PO))и/илипорошок волластонита (CaSiO), и имеет следующий состав, г/л: гидрофосфат натрия (NaHPO·12HO) 30–50, силикат натрия (NaSiO) 10–15, гидроксид натрия (NaOH) 5–10, порошок трикальцийфосфата (β-Ca(PO)) и/илипорошок волластонита (CaSiO)30–50, вода остальное.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400-500 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, в течение 10 минут.
2
4
3
3
Новым является то, что биопокрытие имеет в своем составе, встроенные в структуру покрытия микрочастицы трикальцийфосфата (Ca(PO)) и/или волластонита (CaSiO), равномерно распределенные по поверхности биопокрытия и обеспечивающие успешную остеоинтеграцию имплантата и снижение скорости его растворения.
Раскрытие сущности изобретения.
В настоящее время актуальным является разработка биоактивных покрытий на биорезорбируемых магниевых имплантатах, обеспечивающих повышение интенсивности процессов остеогенеза и снижающих скорость биорезорбции магниевого сплава. Биопокрытия, наносимые на биорезорбируемые магниевые имплантаты, с одной стороны выполняют защитную функцию, снижая скорость их растворения, с другой стороны усиливают процесс остеоинтеграции и замены растворяющегося имплантата новообразованной костной тканью, чему активно способствуют микрочастицы трикальцийфосфата (ТКФ) и/или волластонита, интенсифицирующие процессы остеогенеза.
3
4
2
3
2
4
2
2
3
Биоокрытие на имплантате из магниевого сплава состоит из фосфатов кальция, применение которых обусловлено сходством химического состава с минеральной составляющей костей человека. Кроме того, в состав биопокрытий входит силикат кальция, также являющийся биосовместимым и обеспечивающий снижение биорезорбируемости магниевого сплава. Способ получения биопокрытия осуществляют путем микродугового оксидирования металлического образца из магниевого сплава в электролите, компонентами которого являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями. Для формирования биопокрытий с микрочастицами микрочастицами ТКФ и/или волластонита на магниевой подложке электролит содержит дисперсный порошок 30-50 г/л трикальцийфосфата (β-Ca(PO))с размером частиц 1,5–5,0 мкм и/или волластонита (CaSiO), с размером частиц длина 30 мкм, ширина 3 мкм, а также гидрофосфат натрия (NaHPO·12HO) 30-50 г/л, гидроксид натрия (NaOH) 5-10 г/л, силикат натрия (NaSiO) 10-15 г/л.
Состав электролита позволяет получить биопокрытия с улучшенными прочностными и антикорррозионными свойствами (повышенным значением потенциала коррозии, пониженными значениями тока коррозии и более высоким сопротивлением коррозии по сравнению с прототипом) и повысить их остеогенную активность.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400-450 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность нанесения 10 минут.
Биоактивность биопокрытия с микрочастицамиТКФ и/или волластонитадостигается за счет формирования на поверхности керамического биопокрытия, содержащего фосфаты и силикаты кальция. с равномерной, развитой структурой поверхности, а также компонентов, усиливающих процессы остеогенеза.
Коррозионная стойкость биопокрытия с микрочастицамиТКФ и/или волластонитамагниевого имплантата достигается снижением скорости биорезорбции магниевого сплава за счет формирования на поверхности керамического биопокрытия, содержащего микрочастицы трикальцийфосфата и/или волластонита.
Биопокрытие с микрочастицамиТКФ и/или волластонитаимеет толщину 60-80 мкм; шероховатость по Ra 4,5-8,0 мкм;  общую объемную  пористость 18-22% со средним размером пор 3-15 мкм; адгезионную прочность при царапании (склерометрическим методом) 12,9-17,0 Н.
Е
j
к
к
–7
–7
–2
4
5
2
Биоокрытие с микрочастицами ТКФ и/или волластонита характеризуется электрохимическими свойствами: потенциал коррозии  от -1,65 В до -1,41, ток коррозии  от 7,2×10 до 1,9×10 А см, сопротивление коррозииот4,3×10 до 1,3×10 Ом см, потеря массы при биорезорбции в 0,9% растворе NaCl 1,5-2,0 %.
2
4
Заявляемое биопокрытие содержит кристаллические соединения, такие как ТКФ в α- и β-модификации, гидроксиапатит, волластонит, форстерит (MgSiO) и оксид магния (MgO).
Приборы и методы, с помощью которых проводят измерения свойств.
Исследование морфологии, структуры и элементного состава биопокрытий проводили на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия) с приставкой для энергодисперсионного микроанализа (INCA Energy-250, Oxford Instruments) Для расчета пористости биопокрытий по РЭМ-изображениям применялся стандартный метод «секущей». Общая пористость оценивалась металлографическим методом, который основан на определении просвета пористого материала по микрофотографиям.
Исследование микроструктуры биопокрытий проводились на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 JEOL при ускоряющем напряжении 200 кВ на приготовленных объектах, содержащих фрагменты биопокрытий.
θ
Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник) с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Co-Kα излучении (λ = 0.17902 нм) в диапазоне углов 2 = 10–90º с шагом сканирования 0,02.
Исследование смачиваемости и расчет поверхностной энергии биопокрытий проводили на установке «Easy Drop DSA1» (Kruss).
Шероховатость поверхности биопокрытий определяли на Профилометре-296 (Россия) по параметру Ra (ГОСТ 2789-73).
Коррозионные свойства биопокрытий исследовали электрохимическим методом с помощью системы Versa STAT MC (Princeton Applied Research, США). Измерения проводились в трехэлектродной ячейке К0235 с 0,9% раствором NaCl в качестве электролита.
0
i
0
i
Для исследования скорости биодеградации образцов в соответствии с ISO 10993-5 использовали стандартный 0,9% раствор NaCl в качестве модельной биологической жидкости. Образцы магниевого сплава без биопокрытия и с биопокрытием выдерживали в растворе при 37 °C в течение 16 дней. Потеря массы образцов рассчитывалась по формуле: Δm = (m - m / m0) × 100%, где m - масса до растворения, а m - масса после растворения.
in vitro
Биосовместимость биопокрытий оценивали методом МТТ-анализа, с помощью которого определяли влияние биопокрытий на жизнеспособность клеточных линий мышиных фибробластов 3Т3 (Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР», Новосибирск, Россия).
Пролиферативную активность клеточных линий определяли методом непосредственного подсчета количества клеток после контакта с образцами при помощи оптического микроскопа.
Изобретение иллюстрируется фигурой, на которой представлены РЭМ-изображения микрочастиц ТКФ(а) и волластонита (б), а также изображения поверхности биопокрытий c ТКФ (в), волластонитом (г) и комбинированных (с обоими типами частиц) (д) на магниевом сплаве (Mg0,8Ca).
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1.
1. Берут образец в виде металлической пластины размером 10•10•1 мм, выполненный из магниевого сплава, содержащего 0,8 мас. % Ca (Mg0,8Ca). Пластину подвергают шлифовке до достижения шероховатсти Ra=0,6 мкм, затем проводят ультразвуковую очистку сначала в дистиллированной воде, а затем в спирте суммарно в течение 10 минут. Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 450 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 10 минут.
2
4
2
2
3
3
4
2
Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Берут компоненты электролита: гидрофосфат натрия ((NaHPO)·12HO) 50 г, силикат натрия (NaSiO)12 г, гидроксид натрия (NaOH) 10 г, растворяют в дистиллированной воде. В качестве модифицирующего компонента в раствор добавляют порошок трикальцийфосфата (β-Ca(PO)) с размером частиц 1,5–5,0 мкм в количестве 30 г и доводят объем смеси до метки 1000 мл путем добавления дистиллированной воды.
Е
j
к
к
–7
–2
4
2
Толщина биопокрытийс микрочастицами трикальцийфосфата 60 мкм, шероховатость биопокрытий Ra 4,5 мкм, пористость 23 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 17 Н, потенциал коррозии -1,65 В, ток коррозии  7,2×10 А см, сопротивление коррозии4,6×10 Ом см, потеря массы при биорезорбции в 0,9 % растворе NaCl - 2,0 %, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 89,6 %. Химический состав: Ca (14,4 ат. %), P (18,4 ат. %), O (53,5 ат. %), Mg (13,7 ат. %).
Пример 2.
Порядок подготовки образцов магниевого сплава и процесс нанесения биопокрытия аналогичны примеру 1.
2
4
2
2
3
3
Отличие заключается в используемом составе электролита, который содержит: гидрофосфат натрия ((NaHPO)·12HO) 40 г, силикат натрия (NaSiO) 10 г, гидроксид натрия (NaOH) 5 г, а в качестве модифицирующего компонента порошок волластонита (CaSiO) с размерами частиц: длина 30 мкм, ширина 3 мкм, в количестве 50 г. Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400 В, длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 10 минут.
Е
j
к
к
–7
–2
4
2
Толщина биопокрытий с микрочастицами волластонита 80 мкм, шероховатость Ra биопокрытий 7,5, пористость 20 %. Адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 12,9 Н, потенциал коррозии -1,42 В, ток коррозии  5,2×10 А см, сопротивление коррозии4,3×10 Ом см, потеря массы при биорезорбции в 0,9 % растворе NaCl -1,5 %, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 93,6 %. Химический состав: Ca (10,8 ат. %), Si (17,2 ат. %), O (64,1 ат. %), Mg 7,9 ат. %).
Пример 3.
Порядок подготовки образцов магниевого сплава и процесс нанесения биопокрытия аналогичны примеру 1.
2
4
2
2
3
3
4
2
3
Отличие заключается в используемом составе электролита, который содержит: гидрофосфат натрия ((NaHPO)·12HO) 30 г, силикат натрия (NaSiO) 15 г, гидроксид натрия (NaOH) 7 г, а в качестве модифицирующего компонента порошок трикальцийфосфата (β-Ca(PO))20 г и волластонита (CaSiO) 20 г, а микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 500 В длительность импульсов 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 10 минут.
Е
j
к
к
–7
–2
5
2
Толщина биопокрытий с микрочастицами волластонита и трикальцийфосфата 70 мкм, шероховатость Ra биопокрытий 8 мкм, пористость 18 %. Адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 16,4 Н, потенциал коррозии -1,41 В, ток коррозии  1,9×10 А см, сопротивление коррозии1,3×10 Ом см, потеря массы при биорезорбции в 0,9 % растворе NaCl - 1,5 %, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 92,7 %. Химический состав: Ca (19,3 ат. %), P (6,7 ат. %) Si (9,7 ат. %), O (58,6 ат. %), Mg 5,7 ат. %).