Способ обработки поверхности медицинского металлического имплантата
METHOD FOR TREATMENT OF SURFACE OF MEDICAL METAL IMPLANT

Способ обработки поверхности относится к области применения кластерных ускорителей для обработки поверхности твердых материалов, а именно к получению медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6.
Известен «Способ и система повышения эффективности искусственных суставов путем применения газо-кластерной ионно-лучевой технологии» (патент US6863786 от 08.03.2005 компании Exogenesis Biomedical Technology). Способ модификации поверхности включает формирование структуры поверхности на атомарном уровне с использованием GCIB (газовые кластерные ионные пучки) для нанесения заранее определенного рисунка на поверхность суставного имплантата для уменьшения износа от трения на границе раздела поверхностей.
Недостатком способа является отсутствие исследований по зависимости физико-химических и биомедицинских свойств материала от дозы облучения.
Наиболее близким техническим решением является «Способ и устройство обработки нейтральным пучком, основанные на технологии пучка газовых кластерных ионов» (Патент РФ №2579749 от 23.08.2010). Способ обработки поверхности заготовки включает формирование пучка газовых кластерных ионов, содержащий газовые кластерные ионы, ускорение газовых кластерных ионов и формирование пучка ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка внутри камеры пониженного давления; стимулирование фрагментации и/или диссоциации, по меньшей мере, части ускоренных газовых кластерных ионов вдоль траектории пучка посредством увеличения интервала скоростей ионов в пучке ускоренных газовых кластерных ионов; удаление заряженных частиц из траектории пучка, чтобы сформировать ускоренный нейтральный пучок вдоль траектории пучка в камере пониженного давления; удерживание заготовки на траектории пучка и обрабатывание, по меньшей мере, части поверхности заготовки путем ее облучения ускоренным нейтральным пучком. Способ осуществляется предложенным устройством.
Недостатком известного технического решения является требование использовать для модификации поверхности изделий нейтральный пучок, что не приводит к требуемой модификации поверхности медицинского изделия.
Задача заявляемого технического решения состоит в обеспечении модификации поверхности медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6 с различными физико-химическими и биомедицинскими свойствами.
Технически результат изобретения – обеспечение различных параметров медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6 в зависимости от применения в хирургии ортопедической или сердечно-сосудистой.
Технически результат достигается за счет того, что заявляемый способ обработки поверхности медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6 происходит при заданных режимах обработки кластерным пучком из аргона. Отличительной особенностью способа является подбор технологических режимов для создания заданной шероховатости поверхности. Предлагаемые режимы пучково-кластерной обработки:
16
2
- для материала имплантата для остеоинтеграции (титан Grade4 и сплав Ti6A17Nb) доза облучения не менее 5×10 атом/см;
17
2
- для материала имплантата для сердечно-сосудистой хирургии (титан ВТ1-0 и сплав ВТ-6) доза облучения 2×10 атом/см
При этом параметры обработки следующие:
- управляющее напряжение для кластерного пучка из атомов аргона составляет не менее 20 кВ, среднее число атомов в кластере -  2500;
- давление на входе в сопло составляет не менее 5 атм;
- давление в камере образца составляет не более 0,2 мПа;
-в качестве рабочего газа использовался аргон с чистотой 99,999%.
Медицинский имплантат ортопедического назначения при модифицировании его поверхности улучшает не менее чем на 30% свойства остеоинтеграции за счет повышения характеристик роста клеток остеобласта на поверхности.
Медицинский имплантат для сердечно-сосудистой системы при модифицировании его внутренней и внешней поверхностей приобретает различные физико-химические свойства этих поверхностей, что повышает не менее чем на 25% тромборезистентность имплантата.
Следовательно, всей совокупностью указанных технологических особенностей реализуется указанный технический результат, заключающийся в обеспечении различными параметрами модифицированной поверхности медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6 в зависимости от применения в хирургии ортопедической или сердечно-сосудистой.
Пример
демонстрирует осуществление настоящего способа модификации поверхности. Пример носит иллюстрирующий характер и никоим образом не ограничивают объем притязаний.
16
2
17
2
Для материалов (титан Grade 4 и сплав Ti6A17Nb), применяемых для изготовления имплантатов для ортопедии, и требующих повышенной смачиваемости поверхности (уменьшения угла смачивания), оптимальным режимом модификации поверхности является доза облучения 5×10 атом/см (Режим 3), в то время, как для сглаживания (увеличения угла смачивания) поверхности титана ВТ1-0 и сплава ВТ-6, применяемых для изготовления имплантатов для сердечно-сосудистой хирургии, оптимальной дозой является 2×10 атом/см (Режим 6). Эти режимы облучения были приняты базовыми в дальнейших исследованиях обработки поверхности рассматриваемых материалов для имплантатов.
Для сравнения в таблице 1 приведены режимы пучково-кластерной обработки.
Материал: коммерчески чистый титан (ASTM F67) и сплав TiA16V4 (ASTM F136). Измерение шероховатости поверхности проводили на атомно-силовом микроскопе Интегра (НТ-МДТ, Россия) (таблица 2). Углы смачивания измерены на дистиллированной воде.
2
Клетки. Для проведения испытаний использовали первичную культуру мезенхимальных стромальных (стволовых) клеток, выделенных из пульпы зачатка третьего моляра человека, извлеченного по ортодонтическим показаниям (клетки DPSC линии Th22). Клетки культивировали в среде ДМЕМ («ПанЭко»), содержащей 10% ЭТС (HyClone), 100 ед./мл пенициллина/стрептомицина и добавлением 2 мML-глютамина в стандартных условиях (атмосфере 5% СО, при 37°С). При достижении субконфлюентного состояния клетки обрабатывали 0,25% раствором трипсин-ЭДТА и пассировали в соотношении 1:4. При проведении исследований использовали культуру клеток на 4 пассаже.
2
2
Посев клеток производился в ячейки 24-луночного планшета концентрации 40 тыс. кл/см в среде ДМЕМ/Р12 (1:1) с добавлением 10% эмбриональной телячьей сыворотки (FBS) и 100Ед/мл пенициллин/стрептомицина и 2 мМL-глютамина) и культивировали при 37° в атмосфере 5% СО.
На фиг. 1 представлены значения интенсивности флуоресценции клеток DPSC клон Th 22, при культивировании на поверхности титана Grade 4 при различных режимах обработки поверхности: 1 - контроль; 2 - режим 3; 3 - режим 6; 4 - режим 2; 5 - режим 4; 6 - режим 6; 7 - режим 5.
17
2
У титана Grade 4 на 1 сутки при всех режимах пучково-кластерной обработки (за исключением режима ИКП 2*10 атом/см) количество адгезировавших клеток более, чем на 20% превышает число клеток в контроле. На сроке 72 часа клетки, культивируемые на поверхности титана Grade 4, достигают состояния монослоя.
На фиг. 2 представлены значения интенсивности флуоресценции клеток DPSC клон Th 22, при культивировании на поверхности сплава Ti6A17Nb при различных режимах обработки поверхности: 1 - контроль; 2 - режим 3; 3 - режим 6; 4 - режим 2; 5 - режим 4; 6 - режим 6.
У сплава Ti6A17Nb на 1 сутки при всех режимах пучково-кластерной обработки количество адгезировавших клеток значительно меньше, чем на необработанной поверхности. Однако при дальнейшем культивировании в течение 72 часов клетки достигают состояния монослоя, причем плотность монослоя достоверно выше, чем на необработанной поверхности. С учетом разницы в исходном числе клеток на поверхности, можно говорить о том, что пролиферативная активность клеток более чем на 20% превышает таковую у клеток в контроле.
16
2
17
2
Таким образом, данные экспериментального исследования позволили обеспечить выбор эффективных режимов кластерно-пучковой обработки поверхности медицинского металлического имплантата для остеоинтеграции и медицинского металлического имплантата для сердечно-сосудистой хирургии из сплава титана, выбранного из Grade4, Ti6A17Nb, ВТ1-0, ВТ-6. Учитывая общие механизмы адгезии субстрат-зависимых клеток можно установить, что обработка материалов в режиме 3 (ИКП 5×10 атом/см) может быть эффективна для увеличения остеоинтегративных свойств поверхности костных имплантатов, а воздействие ионно-кластерной обработки в режиме 6 (ИКП 2×10 атом/см) может дать эффект повышения тромборезистентности изделий из титана ВТ1-0, применяемых для кардиологических изделий.