СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ГИДРОКСИАПАТИТОВОГО ПОКРЫТИЯ НА ИМПЛАНТАТЫ
METHOD OF APPLYING HYDROXYAPATITE COAT ON IMPLANTS

Изобретение относится к области медицины, а именно к способам нанесения биоактивных гидроксиапатитовых покрытий на имплантаты для стоматологии, травматологии и ортопедии.
Гидроксиапатитовое покрытие имплантатов обеспечивает их ускоренное и эффективное приживление в костных структурах за счет высокого уровня биологической активности поверхности. Наиболее распространенной технологией нанесения порошковых гидроксиапатитовых покрытий является плазменное напыление [1-3], заключающееся в пропускании порошка гидроксиапатита через плазмотрон, расплавлении частиц порошка в плазменной струе с последующим их оседанием на поверхность имплантата. Однако нанесение гидроксиапатитового покрытия порошково-плазменным методом является технологически сложным процессом и характеризуется низкой экономической эффективностью расхода напыляемого материала, т.к. только 40-50% частиц гидроксиапатитового порошка оседает на поверхности обрабатываемого изделия, а остальное их количество - на стенках напылительной камеры, не попадая на изделие. При этом механическая прочность покрытия во многих случаях находится на низком уровне, часто наблюдается отскок частиц порошка от подложки при соударении с ней.
Известен способ изготовления имплантатов с биокерамическим покрытием (гидроксиапатит, биоситалл), наносимым методом плазменного напыления [4]. Недостатком данного способа является большой расход используемого порошкового материала и недостаточный для продолжительного функционирования имплантатов уровень механической прочности покрытия.
Ближайшим прототипом, по мнению авторов, является способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий, включающий смешивание порошка гидроксиапатита со связующим веществом, в качестве которого используют фосфатные связки, взятые в соотношении к порошку 1,0-1,5:1,5-2,0, сушку и термообработку обжигом при температуре 250-600°С [5]. Способ характеризуется высокоэкономичным расходом гидроксиапатитового порошка, т.к. все его частицы, предварительно закрепленные на поверхности имплантата с помощью связующего вещества, участвуют в процессе создания покрытия. Однако недостатком данного способа является недостаточная механическая прочность покрытия.
Задачей изобретения является создание экономически эффективного способа нанесения гидроксиапатитового покрытия с повышенной механической прочностью.
Поставленная задача достигается тем, что смешивают порошок гидроксиапатита с биологически совместимым связующим веществом, в качестве которого используют фосфатные связки, взятые в соотношении к порошку 1,0-1,5:1,5-2,0, наносят получаемую суспензию на поверхность имплантата, производят сушку нанесенной суспензии для ее предварительного закрепления на имплантате и осуществляют термообработку аргоно-плазменной струей при токе дуги 300-500 А, продолжительности 0,5-2,0 мин на дистанции 40-100 мм.
Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что термообработка проводится путем воздействия аргоно-плазменной струи при токе дуги 300-500 А, продолжительности 0,5-2,0 мин на дистанции 40-100 мм.
Приведенные пределы значений технологического режима обработки обеспечивают получение гидроксиапатитовых покрытий с повышенной адгезией и когезией, являющимися основными показателями механической прочности покрытий.
Эффективная термообработка аргоно-плазменной струей при значениях режима I<300 А, τ<0,5 мин невозможна, т.к. получаемое покрытие не обладает высокой механической прочностью и склонно к разрушению даже при небольших функциональных нагрузках на имплантат. Это связано с тем, что термообработка аргоно-плазменной струей при таких значениях режима не обеспечивает поверхностное оплавление частиц гидроксиапатитового порошка, в результате чего не происходит их усиленное взаимодействие с основой имплантата и друг с другом.
Аргоно-плазменная обработка при значениях I>500 А, τ>2,0 мин создает опасность выгорания частиц гидроксиапатита в объеме формируемого покрытия, что является технологически неприемлемым фактором.
Дистанция обработки (расстояние от среза сопла плазмотрона до поверхности изделия) выбирается в зависимости от дисперсности применяемого гидроксиапатитового порошка, а также от толщины создаваемого биоактивного покрытия и варьируется в пределах от 40 до 100 мм для возможности поверхностного оплавления частиц гидроксиапатита и их прочной взаимосвязи с поверхностью имплантата и между собой.
При дистанции обработки менее 40 мм прочность взаимосвязи покрытия с поверхностью имплантата повышается, но отсутствуют выраженная шероховатость и пористость гидроксиапатитового слоя, необходимые для остеоинтеграции имплантата и его надежного закрепления в костной ткани. При дистанции обработки, превышающей 100 мм, исключается возможность оплавления частиц гидроксиапатитового порошка с отсутствием условий их усиленной взаимосвязи с основой имплантата и друг с другом, что приводит к существенному снижению механической прочности покрытия.
Сущность изобретения заключается в том, что процесс формирования покрытия осуществляется путем смешивания порошка гидроксиапатита с фосфатной связкой, нанесения получаемой суспензии на поверхность имплантата, сушки нанесенной суспензии для предварительного закрепления объема покрытия на изделии и термообработки аргоно-плазменной струей при токе дуги 300-500 А, продолжительности 0,5-2,0 мин, на дистанции 40-100 мм. При этом порошок гидроксиапатита смешивают со связующим веществом для удержания гидроксиапатитовых частиц на поверхности имплантата, а термообработку аргоно-плазменной струей проводят для обеспечения поверхностного оплавления частиц порошка и их усиленной физико-механической взаимосвязи с металлической основой и друг с другом за счет эффекта приваривания частиц. Присутствие в объеме покрытия не проплавленных твердых ядер частиц гидроксиапатита создает выраженную шероховатость и морфологическую гетерогенность поверхности с наличием пористой структуры, необходимой для эффективной остеоинтеграции имплантата.
Покрытие, полученное заявляемым способом, иллюстрировано фотоизображениями, где на фиг.1 показана поверхностная, остеоинтеграционная структура гидроксиапатитового слоя, сформированного на титановом (ВТ1-00) стоматологическом имплантате, а на фиг.2 - на стальном (12Х18Н9Т) ортопедическом имплантате-остеофиксаторе.
Пример 1. Приготавливают суспензию из порошка гидроксиапатита дисперсностью Δ=50 мкм и биологически совместимого связующего вещества так, чтобы получаемый раствор был насыщен частицами гидроксиапатита и содержал минимальное количество связующего вещества, достаточное для удержания суспензии на поверхности имплантата. В качестве связующего вещества берут кальцийфосфатную связку и смешивают ее с порошком гидроксиапатита в соотношении 1,0:1,5. С помощью кисти полученную суспензию наносят на имплантат и подвергают сушке в печи при температуре 50°С в течение 20 мин. Затем имплантат с закрепленной суспензией помещают в камеру плазменной установки типа ВРЕС и производят термообработку покрытия аргоно-плазменной струей при значении тока дуги I=350 А, продолжительности τ=1,0 мин на дистанции L=70 мм. В данных технологических условиях происходит оплавление поверхности гидроксиапатитовых частиц, их приваривание к основе имплантата и друг к другу при сохранении твердых ядер в объеме частиц.
Пример 2. Приготавливают суспензию из порошка гидроксиапатита дисперсностью Δ=70 мкм и биологически совместимого связующего вещества так, чтобы получаемый раствор был насыщен частицами гидроксиапатита и содержал минимальное количество связующего вещества, достаточное для удержания суспензии на поверхности имплантата. В качестве связующего вещества берут магнийфосфатную связку и смешивают ее с порошком гидроксиапатита в соотношении 1,2:1,9. С помощью кисти суспензию наносят на имплантат и подвергают сушке в печи при температуре 50°С в течение 20 мин. Затем имплантат с закрепленной суспензией помещают в камеру плазменной установки и производят термообработку покрытия аргоно-плазменной струей при токе дуги I=450 А, продолжительности τ=1,5 мин на дистанции L=90 мм. В результате формируется биоактивное механически прочное покрытие из поверхностно-оплавленных частиц гидроксиапатитового порошка.
Полученные данным способом гидроксиапатитовые покрытия прошли испытания на механическую прочность, определяемую методами нормального отрыва и сдвига. Результаты проведенных испытаний представлены в табл.
Положительный эффект - повышенная механическая прочность покрытия при сдвиге и высокоэкономичный расход гидроксиапатитового порошка - достигается тем, что, благодаря поверхностному оплавлению частиц при термообработке происходит усиление их взаимосвязи с поверхностью имплантата и друг с другом, существенно повышая прочность покрытия, а все то количество порошка гидроксиапатита, которое наносится на поверхность имплантата в виде смеси со связующим веществом, участвует в процессе создания покрытия при исключении отскока частиц и их осыпания с металлической основы.
Стоматологические внутрикостные имплантаты из титана ВТ1-0, ВТ1-00, а также ортопедические чрескостные остеофиксаторы из титановых сплавов ВТ6, ВТ16 и нержавеющей стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, покрытые предлагаемым способом, позволяют добиться наилучших лечебно-реабилитационных результатов благодаря повышенной механической прочности биоактивного покрытия, сохраняющейся на протяжении всего срока функционирования изделий.
Источники информации
1. Бутовский К.Г. и др. Электроплазменное напыление в производстве внутрикостных имплантатов. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. 200 с.
2. Патент РФ на изобретение №2146535. Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с плазмонапыленным многослойным биоактивным покрытием. Опубл. 20.03.2000.
3. Патент РФ на изобретение №2134082. Способ изготовления имплантатов для чрескостного остеосинтеза. Опубл. 10.08.1999.
4. Патент РФ на изобретение №2157245. Способ изготовления имплантатов. Опубл. 10.10.2000.
5. Патент РФ на изобретение №2158189. Способ нанесения гидроксиапатитовых покрытий. Опубл. 27.10.2000 (прототип).
Дисперсность порошка гидроксиапатита Δ, мкм
Режим аргоно-плазменной обработки
Прочность покрытия на отрыв σ, МПа
Прочность покрытия при сдвиге σ, МПа
Прочность покрытия при сдвиге σ, МПа (по прототипу)
I, А
τ, мин
L, мм
50
350
1,0
70
21
3,8
2,07-3,07
70
450
1,5
90
24
4,7