СПОСОБ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ ПОРОШКОВЫМИ БИОКЕРАМИЧЕСКИМИ МАТЕРИАЛАМИ
METHOD FOR MODIFYING TITANIUM IMPLANT SURFACES WITH BIOCERAMIC POWDERS

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к способам формирования биокерамических покрытий на титановых имплантатах для стоматологии, травматологии и ортопедии, и может использоваться при изготовлении внутрикостных и чрескостных имплантационных конструкций.
При модифицировании поверхности титановых имплантатов наиболее часто применяют способы плазменного напыления порошковых биокерамических покрытий. При этом механическая прочность таких порошковых покрытий во многих случаях находится на низком уровне, часто наблюдается отскок частиц порошка от подложки при соударении с ней. Кроме того, не всегда удается получить высокоразвитую морфологию плазменно обработанных поверхностей имплантатов для обеспечения их эффективной остеоинтеграции. Известные технологические способы создания биокерамических слоев на имплантатах отличаются повышенной сложностью и трудоемкостью, а механическая прочность получаемых порошковых покрытий находится на низком уровне, что сильно ограничивает функциональную надежность титановых имплантационных конструкций.
Известен способ изготовления имплантатов с биокерамическим покрытием (гидроксиапатит, биоситалл), наносимым методом плазменного напыления [патент РФ №2157245, МПК: A61L 27/06, A61F 2/28, опубл. 10.10.2000 г.], в котором в качестве основы имплантатов используется титановая лента, из которой просекают сетку с квадратными или ромбовидными ячейками с величиной сторон 0,8-2,5 мм и шагом 0,05-0,1 мм. На поверхность сетки методом плазменного напыления наносят слой титана толщиной 50-100 мкм из порошка дисперсностью 60-150 мкм, который затем покрывают слоем биокерамики (гидроксиапатит, биоситалл) толщиной 30-50 мкм из порошка дисперсностью 40-60 мкм. Плазмонапыленное покрытие может быть однослойным (титан) или двухслойным (титан+биокерамика), односторонним или двусторонним.
Недостатком данного способа является отсутствие развитой остеоинтеграционной структуры поверхности титановых имплантатов и технологическая сложность их модифицирования порошковыми биокерамическими материалами.
Известен 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°C [патент РФ №2158189, МПК: B05D 7/24, B05D 7/14, A61L 27/00, опубл. 27.10.2000 г.].
Однако недостатком данного способа является отсутствие технической возможности получения биокерамического слоя (гидроксиапатитового покрытия) с развитой остеоинтеграционной структурой, а также высокая технологическая сложность нанесения частиц порошка биокерамики на поверхность титановых имплантатов.
Ближайшим прототипом, по мнению автора, является способ нанесения гидроксиапатитового покрытия на имплантаты [патент РФ №2417107, МПК: A61L 27/30, B05D 7/24, A61L 27/32, опубл. 27.04.2011 г.], включающий смешивание порошка гидроксиапатита с биологически совместимым связующим веществом в виде фосфатной связки при соотношении связки и порошка 1,0-1,5:1,5-2,0, нанесение получаемой суспензии на металлическую поверхность, сушку и последующую термообработку аргоно-плазменной струей при токе дуги 300-500 A, продолжительности 0,5-2,0 мин на дистанции 40-100 мм.
Однако существенным недостатком данного способа является технологическая сложность модифицирования поверхности имплантатов порошковым биокерамическим материалом.
Задачей изобретения является получение развитой остеоинтеграционной структуры поверхности титановых имплантатов путем создания технологически простых условий их модифицирования порошковыми механически прочными биокерамическими материалами.
Технический результат изобретения заключается в повышении морфологической гетерогенности поверхности имплантатов и в повышении прочности ее срастания с костью.
Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом способе модифицирования поверхности титановых имплантатов порошковыми биокерамическими материалами, включающем термообработку поверхности титановых имплантатов аргоно-плазменной струей, согласно предлагаемому техническому решению, термообработку поверхности титановых имплантатов аргоно-плазменной струей проводят при токе дуги 150-250 A, продолжительности 2,5-3,0 мин на дистанции обработки 80-120 мм с последующей струйной обработкой термоактивированной поверхности порошковым биокерамическим материалом дисперсностью частиц 150-500 мкм при давлении струи 0,6-0,7 МПа в течение 10-15 сек. При этом в качестве порошковых биокерамических материалов применяют механически прочные оксиды титана, тантала, циркония, алюминия. В результате предварительной термообработки имплантатов аргоно-плазменной струей происходит термическая активация титановой поверхности с увеличением ее пластичности, что облегчает внедрение и способствует прочному закреплению в ней частиц порошкового биокерамического материала при последующей струйной обработке имплантатов.
Отличие предлагаемого способа от прототипа заключается в том, что активирующая термообработка поверхности имплантатов путем воздействия на нее аргоно-плазменной струи проводится при токе дуги 150-250 A, продолжительности 2,5-3,0 мин на дистанции 80-120 мм для увеличения уровня пластичности поверхностных титановых слоев, а потом осуществляется порошково-струйная обработка термоактивированной поверхности частицами биокерамического материала дисперсностью 150-500 мкм при давлении струи 0,6-0,7 МПа в течение 10-15 сек для формирования морфологически развитой остеоинтеграционной структуры имплантатов.
Сущность предлагаемого способа заключается в том, что процесс модифицирования поверхности титановых имплантатов порошковыми биокерамическими материалами осуществляют сначала путем предварительной активирующей термообработки поверхности имплантатов аргоно-плазменной струей при токе дуги 150-250 A, продолжительности 2,5-3,0 мин на дистанции 80-120 мм, за счет чего титановая поверхность разогревается до температуры 170-200°C при повышении ее пластичности и снижении твердости, а затем производят струйную обработку (обдувку) такой термически активированной поверхности порошковым биокерамическим материалом (механически прочные оксиды титана, тантала, циркония, алюминия) дисперсностью 150-500 мкм при давлении струи 0,6-0,7 МПа в течение 10-15 сек. При этом в процессе струйной обработки происходит внедрение частиц порошкового биокерамического материала в разогретую титановую поверхность, которые, при охлаждении поверхности, сопровождающемся повышением уровня ее твердости и снижением пластичности, прочно закрепляются в ней с формированием развитой и морфологически гетерогенной биокерамической структуры.
Данные технологические условия модифицирования поверхности титановых имплантатов отличаются от способа по прототипу меньшей трудоемкостью и простотой осуществления процесса, позволяют создавать поверхностные биокерамические структуры с высокой механической прочностью и морфологической гетерогенностью.
Значения тока дуги 150-250 A при предварительной аргоно-плазменной обработке титановых имплантатов обеспечивают придание поверхности необходимого пластического состояния и пониженной твердости для уменьшения сопротивления внедрению частиц порошкового биокерамического материала при последующей струйной обработке поверхности. При этом значения тока дуги меньше 150 A не обеспечивают получение высокопластичного состояния титановой поверхности, что затрудняет внедрение и закрепление частиц порошкового биокерамического материала в поверхностном металлическом слое, а значения тока дуги больше 250 A приводят к необратимым структурно-химическим изменениям в титановой основе, к деформированию самой конструкции имплантата и к снижению прочностных характеристик поверхности.
Значения продолжительности воздействия аргоно-плазменной струи, составляющие 2,5-3,0 мин, выбраны исходя из условий обеспечения высокой пластичности титановой поверхности при термообработке. Отклонение от указанных значений временного режима не позволяет добиться такого состояния поверхности имплантата, при котором происходит эффективное внедрение и закрепление в ней частиц порошкового биокерамического материала при струйной обработке.
Значения дистанции обработки аргоно-плазменной струей меньше 80 мм приводят к чрезмерному нагреву титановой поверхности с опасностью ее локального оплавления, а значения дистанции, превышающие 120 мм, не обеспечивают термическую активацию поверхности, при которой происходит существенное повышение уровня ее пластичности.
Значения дисперсности частиц порошкового биокерамического материала, находящиеся в интервале 150-500 мкм, выбраны из условий получения такой морфологической структуры поверхности, которая обладает высокой остеоинтеграционной способностью.
Значения давления порошковой струи на уровне 0,6-0,7 МПа являются технологически наиболее целесообразными, т.к. при меньших значениях давления не удается обеспечить внедрение и прочное закрепление частиц порошкового биокерамического материала в поверхности термообработанных титановых имплантатов, а при больших значениях давления порошковой струи происходит существенное деформирование титановой поверхности, сопровождающееся ее наклепом и значительным изменением физико-механических свойств.
Значения продолжительности струйной обработки титановых имплантатов частицами порошкового биокерамического материала, составляющие 10-15 сек, позволяют сформировать морфологически развитую биокерамическую структуру имплантатов. В случае, если струйная обработка проводится меньше 10 сек, то не удается модифицировать всю поверхность титановых имплантатов частицами порошкового биокерамического материала, а в случае, если струйная обработка осуществляется больше 15 сек, происходит отскок частиц порошкового биокерамического материала от термоактивированной поверхности имплантатов вследствие ее охлаждения, которое приводит к потере высокой пластичности и повышению твердости поверхностных слоев.
Пример 1. Берут титановый имплантат, закрепляют его на оснастке в камере плазменной установки типа ВРЕC и с помощью плазмотрона проводят предварительную активирующую термообработку его поверхности аргоно-плазменной струей при значении тока дуги 250 A, продолжительности 2,5 мин, на дистанции 80 мм. За счет такой термообработки титановая поверхность разогревается до температур порядка 170-200°C, что сопровождается повышением уровня ее пластичности и снижением твердости поверхностных слоев. Затем выключают плазмотрон и в камере плазменной установки с закрепленным термоактивированным имплантатом проводят струйную обработку (обдувку) поверхности имплантата частицами оксида циркония дисперсностью 150 мкм при давлении порошковой струи 0,6 МПа в течение 10 сек. Данную обработку проводят с помощью пескоструйного аппарата, компрессор которого создает необходимое давление подачи порошка оксида циркония. При этом в процессе струйной обработки происходит внедрение частиц оксида циркония в разогретую титановую поверхность, которые при охлаждении поверхности прочно закрепляются в ней с формированием развитой и морфологически гетерогенной биокерамической структуры.
Пример 2. Берут титановый имплантат, закрепляют его на оснастке в камере плазменной установки типа ВРЕC и с помощью плазмотрона проводят предварительную активирующую термообработку его поверхности аргоно-плазменной струей при значении тока дуги 150 A, продолжительности 3,0 мин, на дистанции 120 мм. За счет такой термообработки титановая поверхность разогревается до температур порядка 170-200°C, что сопровождается повышением уровня ее пластичности и снижением твердости поверхностных слоев. Затем выключают плазмотрон и в камере плазменной установки с закрепленным термоактивированным имплантатом проводят струйную обработку (обдувку) поверхности имплантата частицами оксида титана дисперсностью 500 мкм при давлении порошковой струи 0,7 МПа в течение 15 сек. Данная обработка проводится с помощью пескоструйного аппарата, компрессор которого создает необходимое давление подачи порошка оксида титана. При этом в процессе струйной обработки происходит внедрение частиц оксида титана в разогретую титановую поверхность, которые при охлаждении поверхности прочно закрепляются в ней с формированием развитой и морфологически гетерогенной биокерамической структуры.
Получаемая заявляемым способом модифицирования поверхность титановых имплантатов характеризуется следующими параметрами: адгезией, МПа - 25-27, относительной шероховатостью (безразмерный параметр) 0,6-0,75, плотностью распределения частиц биокерамики (плотностью микровыступов), 1/см - 120-190.
Положительный эффект предполагаемого изобретения, заключающийся в повышении морфологической гетерогенности поверхности имплантатов и в повышении прочности ее срастания с костью, достигается за счет получение развитой остеоинтеграционной структуры поверхности титановых имплантатов путем создания технологически простых условий их модифицирования порошковыми механически прочными биокерамическими материалами.