Дробеструйная обработка металлических имплантатов оксида титана
SHOT-BLASTING PROCESSING OF METAL IMPLANTS OF TITANIUM OXIDE

Область изобретения
Настоящее изобретение относится к способу получения металлического имплантата, предназначенного для имплантации в костную ткань.
Уровень техники
Зубные имплантаты представляют собой медицинские изделия для восстановления функции, утраченной в связи с потерей одного или нескольких зубов.
Для имплантации в костную ткань зубных имплантатов, которые обычно являются металлическими имплантатами, в настоящее время часто используют одностадийную операцию. В этой одностадийной операции первую часть имплантата, такую как зубной винтообразный имплантат, помещают посредством хирургической операции в костную ткань, а затем к первой части имплантата прикрепляют заживляющий колпачок, непосредственно после хирургической операции. Затем предоставляют возможность заживления мягкой ткани вокруг заживляющего колпачка или вторичной части имплантата. Когда используют заживляющий колпачок, колпачок удаляют через несколько недель или месяцев без какого-либо хирургического вмешательства, а вторичные части имплантата, такие как абатмент и временная коронка, прикрепляют к первой части имплантата. Одностадийная операция описана, например, в L. Cooper et al. «A multicenter 12-month evaluation of single-tooth implants restored 3 weeks after 1-stafe surgery», The International Journal of Oral & Maxillofacial Implants (2001), Vol 16, No 2 (2001).
Ранее использовали двухстадийную операцию. Двухстадийная операция, которая в некоторых случаях все же является предпочтительной и сегодня, обычно включает на первой стадии помещение в костную ткань путем хирургического вмешательства первой части имплантата, такой как зубной винтообразный имплантат, где его оставляют ненагруженным и погруженным на период заживления, часто на три месяца или более, чтобы обеспечить возможность роста костной ткани на поверхности имплантата и позволить имплантату хорошо прикрепиться к костной ткани, причем разрезу в мягкой ткани, покрывающей ложе имплантата, предоставляют возможность заживления через имплантат. На второй стадии мягкую ткань, покрывающую имплантат раскрывают и к первой части имплантата, такой как указанный винтообразный имплантат, прикрепляют вторичные части имплантата, такие как зубной абатмент и/или реставрирующий зуб, посредством чего формируют конечную конструкцию имплантата. Эта операция описана, например, Brånemark et al: «Osseointegrated implants in the Treatment of the Edentuluos Jaw, Experience from a 10-year period», Almquist & Wiksell International, Stockholm, Sweden. Однако тот факт, что имплантат не должен находиться под нагрузкой в течение периода заживления, означает, что вторичные части имплантата могут не быть прикреплены к первой части имплантата и/или использованы в течение периода заживления. Ввиду дискомфорта, связанного с этим, требуется свести к минимуму период времени, необходимый для вышеуказанной первой стадии или даже выполнять имплантацию в целом за одно действие, т.е. использовать одностадийную операцию.
Для некоторых пациентов может считаться лучшим ожидание в течение по меньшей мере трех месяцев, перед обеспечением функциональной нагрузки имплантата, как в случае одностадийной, так и двухстадийной операции. Однако альтернативным использованием одностадийной операции является то, что имплантат приводят в рабочее состояние сразу после имплантации (немедленная нагрузка) или через несколько недель после имплантации (ранняя нагрузка). Эти операции описаны, например, D. М. Esposito, рр 836-837, в Titanium in Medicine, Material Science, Surface Science, Engineering, Biological Responses and Medical Application, Springer-Vertag (2001).
Следовательно, существенным является то, что имплантат устанавливает достаточную стабильность, и кость между имплантатом костной тканью обеспечивает возможность вышеописанной немедленной или ранней нагрузки имплантата. Также следует отметить, что немедленная или ранняя нагрузка имплантата может быть благоприятной для остеогенеза.
Двумя важными факторами для получения высокой прочности фиксации имплантата в кости являются: i) химический состав материала имплантата и ii) разработка конструкции имплантата для всех масштабов длины. Механизмы остеоинтеграции костных имплантатов в возрастающем объеме исследовали в течение последних 30 лет, и современные костные имплантаты детально разработаны в отношении состава материала, формы и поверхностных свойств, чтобы содействовать остеоинтеграции. Например, зубные имплантаты, широко используемые в настоящее время, выполнены из титана или титановых сплавов, имеют исполнение в форме винта и шероховатую поверхность контакта с костью.
Полагают, что повышенная шероховатость поверхности, которая дает более высокую площадь поверхности контакта и прикрепления между имплантатом и костной тканью, обеспечивает лучшие механическое удерживание и прочность между имплантатом и костью. Более того, известно, что остеобласты, т.е. костеобразующие клетки, чувствительны и реагируют на множество химических и физических особенностей нижележащей поверхности. Топографические особенности в различных масштабах длины вызывают, например, центры зародышеобразования для коллагена и минералов, приклеивание клетки и биомеханическая стимуляция являются необходимыми для предотвращения резорбции кости, и, в конечном счете, для нарастания кости. Следовательно, поверхность контакта с костью костного имплантата часто снабжают микрошероховатостью, которая, как было продемонстрировано, оказывает влияние на пролиферацию клеток и дифференциацию костеобразующих клеток, и локальное производство факторов роста клетками вокруг костного имплантата (Martrin J. Y. et al, Clin Oral Implants Res, Mar 7(1), 27-37, 1996; Kieswetter K, et al., J Biomed Res, Sep., 32(1), 55-63, 1996).
Математическая модель, описывающая взаимосвязь между шероховатостью поверхности и межповерхностной прочностью сдвига, была представлена в S, Hansson and M. Norton, Journal of Biomechanics 32 (1999) 829-836.
2
3
Было предложено несколько способов обработки металлических имплантатов для обеспечения шероховатости поверхности. Одним широко используемым способом является дробеструйная обработка оксидом алюминия (AlO). Однако недостатком дробеструйной обработки частицами оксида алюминия является то, что некоторые частицы могут оставаться на поверхности имплантата или частично внедряться в нее после дробеструйной обработки. Такие загрязняющие частицы дробеструйной обработки могут препятствовать остеоинтеграции титанового имплантата, а также могут отделяться после имплантации и причинять вред организму. Чтобы избежать загрязняющих веществ, остающихся после процесса дробеструйной обработки, были предложены различные способы очистки, включающие очистку органическим растворителем, электрохимическое полирование и обработку щелочными или кислотными растворами.
В WO 92/05745 предложен альтернативный способ, направленный на то, чтобы за одну операцию обеспечить чистоту поверхности имплантата макроскопическую структуру поверхности, которая благоприятствует хорошему удерживанию имплантата в кости. Способ включает дробеструйную обработку титанового имплантата частицами оксида титана, предпочтительно, диоксида титана. Поскольку диоксид титана хорошо допустим и, фактически, также является составляющей имплантата как такового (поверхности титана по природе покрыты слоем оксида титана), операция дробеструйной обработки не вносит никакого чужеродного, загрязняющего материала на поверхность имплантата. Имплантаты, подвергнутые дробеструйной обработке в соответствии со способом, известным из WO 92/05745, показали улучшенное удерживание в кости в течение 6 месяцев после имплантации, по сравнению с имплантатами, не подвергнутыми дробеструйной обработке.
Однако остается потребность в улучшенных способах обеспечения шероховатости поверхности, чтобы получить требуемую сильную фиксацию имплантата в кости, через небольшое время после имплантации. В частности предпочтительно обеспечить возможность или улучшить результат раннего или немедленного обеспечения нагрузки, как описано выше.
Краткое описание изобретения
Целью настоящего изобретения является обеспечение улучшенного способа придания шероховатости поверхности и дополнительное усиление остеоинтеграции имплантатов, предназначенных для имплантации в костную ткань.
Согласно первому аспекту изобретения, этой и других целей достигают посредством способа обработки поверхности металлического имплантата для обеспечения требуемой шероховатости поверхности, т.е. способа придания шероховатости поверхности металлического имплантата, включающего осуществление дробеструйной обработки металлического имплантата частицами одного или более оксидов титана, включающими по меньшей мере один нестехиометрический оксид титана, причем указанные частицы имеют компактную морфологию и размер от 1 до 300 мкм. Способ дробеструйной обработки приводит к неожиданно высокой прочности удерживания имплантата спустя всего 4-11 недель после имплантации в кость, как измерено посредством испытаний на момент вывинчивания.
2
Термин «нестехиометрический оксид титана» означает оксид титана, в котором отношение Ti:O не составляет 1:2. Соответственно, «стехиометрический оксид титана» означает диоксид титана, TiO.
В некоторых воплощениях частицы в основном состоят из одного или более оксидов титана.
В некоторых воплощениях частицы включают по меньшей мере два оксида титана.
В некоторых воплощениях частицы могут содержать больше нестехиометрического оксида титана, чем стехиометрического оксида титана. Например, основная часть оксида(ов) титана частиц может представлять собой нестехиометрический(ие) оксид(ы) титана. Под «основной частью» понимают количество более 50%. Следовательно, в некоторых воплощениях изобретения частицы могут содержать по меньшей мере 50 масс. % нестехиометрического оксида титана, исходя из общего содержания оксида титана в частицах. В некоторых воплощениях частицы могут содержать по меньшей мере 60 масс. %, по меньшей мере 70 масс. % или по меньшей мере 80 масс. % нестехиометрического оксида титана, исходя из общего содержания оксида титана в частицах. Кроме того, в некоторых воплощениях изобретения частицы имеют массовое отношение нестехиометрического оксида титана к стехиометрическому оксиду титана от 51:49 до 99:1, такое как 60:40 до 95:5, например, 70:30 до 90:10.
2
3
3
4
6
11
7
13
9
17
2
3
3
4
6
11
7
13
8
15
9
17
В некоторых воплощениях, по меньшей мере один нестехиометрический оксид титана может быть выбран из TiO, TiO, TiO, TiO и TiO. В некоторых воплощениях по меньшей мере один нестехиометрический оксид титана может быть выбран из TiO, TiO, TiO, TiO, TiO и TiO.
2
2
В одном воплощении частицы могут иметь твердость по Виккерсу от примерно 1000 до примерно 1200 кг-сила/мм, или от 980 до примерно 1100 кг-сила/мм.
В некоторых воплощениях частицы могут иметь размер от 5 до 200 мкм. Например, по меньшей мере 90 масс. % частиц имеют размер от 6,8 (или примерно 7) до 125 мкм, а предпочтительно, от 6,8 (или примерно 7) до 90 мкм. В некоторых воплощениях, по меньшей мере 95 масс. % частиц имеют размер от 6,8 (или примерно 7) до 125 мкм, и предпочтительно, от 6,8 (или примерно 7) до 90 мкм. В других воплощениях, по меньшей мере 90 масс. % частиц имеют размер от 90 до 180 мкм.
Частицы, используемые в способе по воплощениям изобретения, должны иметь нерегулярную морфологию. Однако большая часть частиц обычно не имеет удлиненную форму.
В воплощениях изобретения имплантат может включать титан или его сплав. Поскольку титан, подверженный воздействию воздуха, содержит химически стойкий слой оксида, операция дробеструйной обработки не приводит к внесению каких-либо чужеродных, загрязняющих материалов на имплантат. Имплантат обычно является костным имплантатом (т.е. имплантатом, предназначенным для имплантации в костную ткань), например, зубным имплантатом.
Способ обычно включает стадии подготовки металлического имплантата, содержащего поверхность, и дробеструйную обработку, по меньшей мере, части поверхности металлического имплантата описанными выше частицами.
Следует отметить, что изобретение относится ко всем возможным сочетаниям признаков, приведенных в формуле изобретения.
Краткое описание чертежей
На Фиг. 1 представлено изображение, выполненное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), поверхности титанового имплантата, обработанной согласно воплощениям изобретения.
На Фиг. 2 представлено изображение, выполненное с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), поверхности другого титанового имплантата, обработанной согласно воплощениям изобретения.
На Фиг. 3 a-c представлены изображения, выполненные с помощью СЭМ при различных увеличениях, показывающие крупные частицы для дробеструйной обработки, используемые в воплощениях изобретения.
На Фиг. 4 а-с представлены изображения, выполненные с помощью СЭМ при различных увеличениях, показывающие мелкие частицы для дробеструйной обработки, используемые в воплощениях изобретения.
На Фиг. 5 а-b показаны спектры рентгеновской дифракции для мелких и крупных частиц для дробеструйной обработки соответственно, используемых в воплощениях изобретения.
Фиг. 6 представляет собой изображения полированных частиц для дробеструйной обработки, которые были подвергнуты измерению твердости.
Фиг. 7 а-с представляют собой фотографии, на которых показан порошок для дробеструйной обработки из частиц темной окраски, используемый в воплощениях изобретения, и светлый порошок из частиц диоксида титана, соответственно.
Подробное описание изобретения
Принимая в расчет, что оксид титана подходит в качестве материала для дробеструйной обработки и мог бы обеспечить приемлемые поверхности, были проведены обширные исследование на предмет изучения этого открытия и разработка процесса дробеструйной обработки, который может обеспечить дополнительно улучшенные результаты. Неожиданно было обнаружено, что дробеструйная обработка металлического имплантата, в частности, титанового имплантата, порошком для дробеструйной обработки, состоящим из частиц оксида титана, имеющих особые свойства, приводит к очень благоприятному результату, как это очевидно из испытаний на момент вывинчивания имплантированных винтообразных имплантатов.
Как используют в этом описании, термин «имплантат» включает в себя любое устройство, из которого по меньшей мере часть предназначена для имплантации в организм позвоночного животного, в частности, млекопитающего, такого как человек. Имплантаты могут использоваться для замещения анатомически дефектов и/или восстановления любых функций организма.
«Костный имплантат» относится к имплантату, предназначенному для имплантации, по меньшей мере, в костную ткань.
Как правило, имплантат состоит из одной или нескольких частей. Например, зубной имплантат обычно включает зубной винтообразный имплантат, связанный со вторичными частями имплантата, такими как абатмент и/или восстановленный зуб. Однако, любое устройство, такое как зубной винтообразный имплантат, предназначенное для имплантации, может само по себе относится к имплантату, даже если к нему могут быть присоединены другие части.
Имплантат, обрабатываемый способом по изобретению, представляет собой костный имплантат, и может являться зубным имплантатом, таким как винтообразный имплантат, абатмент, или их сочетанием, таким как однокомпонентный имплантат. Имплантат может также представлять собой ортопедический имплантат, такой как компонент тазобедренного сустава, предназначенный для имплантации в шейку бедра пациента.
2
2
3
3
4
Имплантат, обрабатываемый способом по изобретению, может состоять из любого подходящего металла, например, титана или его сплава, циркония или его сплава, гафния или его сплава, ниобия или его сплава, тантала или его сплава, хромованадиевого слава или любого сочетания этих материалов. Можно отметить, что в контакте с кислородом (например, воздухом), титан, цирконий, гафний, тантал, ниобий и их сплавы моментально покрываются тонким оксидным слоем, называемым естественным оксидным слоем. Естественный оксидный слой, присутствующий на поверхности титановых деталей, главным образом состоит из диоксида титана (IV), TiO, с незначительным количеством ΤiO, TiO и TiO.
Альтернативно, имплантат может включать неметаллическое тело или сердцевину, снабженную металлическим слоем, например, нанесенным слоем титана, например, нанесенным металлическим поверхностным слоем, покрывающим неметаллическое тело, или тело может частично состоять из неметаллического материала. Примеры неметаллических материалов включают керамический, пластмассовый и композиционный материал.
Способ по изобретению включает дробеструйную обработку поверхности медицинского имплантата, например, зубного имплантата, порошком для дробеструйной обработки, включающим частицы оксида титана.
На Фиг. 1 и 2 представлены изображения, выполненные с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), демонстрирующие поверхности, обработанные согласно воплощениям изобретения. Поверхность, показанная на Фиг. 1, представляет собой поверхность титана, которую подвергли дробеструйной обработке относительно мелкими частицами оксида титана (по меньшей мере 90% частиц имеет размер примерно от 7 до 90 мкм). На Фиг. 2 показана поверхность титана, которую подвергли дробеструйной обработке относительно крупными частицами оксида титана (по меньшей мере 90% частиц имеет размер от 90 до 180 мкм).
Частицы, используемые для дробеструйной обработки в соответствии с настоящим изобретением, обычно имеют размер от 1 до 300 мкм, чаще от 5 до 200 мкм. Например, по меньшей мере 90 масс. % частиц имеет размер от 90 до 180 мкм. В одном воплощении предпочтительно по меньшей мере 95%, а более предпочтительно, по меньшей мере 99 масс. % частиц имеет размер от 106 до 180 мкм.
В других воплощениях, по меньшей мере 90 масс. % частиц может иметь размер от 5 до 125 мкм, или от примерно 7 до 125 мкм. Предпочтительно, в одном воплощении, по меньшей мере 50 масс. % частиц имеет размер от 45 до 90 мкм.
Было обнаружено, что эти размеры предоставляют преимущество, в частности, в сочетании с морфологией и химическим составом и/или характеристиками твердости, описанными ниже, заключающееся в том, что одни могут давать в высокой степени благоприятную шероховатость поверхности на поверхности металлического тела, предназначенного для имплантации в костную ткань, например, титанового имплантата, предназначенного для имплантации в челюстную кость. Более мелкие частицы для дробеструйной обработки могут также быть особенно полезными для дробеструйной обработки винтообразного имплантата с резьбой.
Более мелкие частицы для дробеструйной обработки дают более мелкие неровности поверхности, чем более крупные частицы, и размер неровностей обычно меньше, чем размер частиц.
Полная дробеструйная обработка поверхности титана с использованием частиц для дробеструйной обработки, имеющих размер 5-200 мкм может привести к размеру неровностей на поверхности от 1 до 50 мкм. «Полная дробеструйная обработка» означает, что отсутствуют области, не подвергнутые обработке, так что вся площадь поверхности, обработанной дробеструйной обработкой, или части поверхности, была подвергнута ударному воздействию частиц для дробеструйной обработки. Такой пример подвергнутых дробеструйной обработке поверхностей показан на Фиг. 1 и 2. Как можно видеть, неровности поверхности имеют размер от примерно одного или нескольких микрометров, по меньшей мере, вплоть до примерно 50 мкм. Варьирование неровностей поверхности может быть отчасти обусловлено распределением по размерам частиц для дробеструйной обработки, но также отчасти тем фактом, что площадь ударного воздействия второй частицы для дробеструйной обработки может частично перекрывать такую площадь, полученную от воздействия первой частицы, так что образуются неровности различных форм и размеров.
Более того, было обнаружено, что морфология частиц также влияет на форму и размер шероховатости поверхности, получаемой в результате операции дробеструйной обработки. Частицы, используемые в настоящем изобретении, обычно имеют неправильную форму, которая может в некоторой степени различаться для отдельных частиц, но которая, однако, обычно ограничена или компактна, а не является удлиненной, по меньшей мере для большинства частиц.
На Фиг. 3 а-b и Фиг. 4 а-с представлены изображения, выполненные с помощью СЭМ, частиц для дробеструйной обработки, которые можно использовать в воплощениях настоящего изобретения. На Фиг. 3 а-с показаны, при различных увеличениях, частицы для дробеструйной обработки, из которых по меньшей мере 90 масс. % имеют размер от 90 до 180 мкм (в контексте настоящего изобретения, их также называют «крупные частицы для дробеструйной обработки» или «крупный порошок для дробеструйной обработки»). Полоска масштаба представляет 500 мкм (Фиг. 3а), 200 мкм (Фиг. 3b) или 100 мкм (Фиг. 3c). На Фиг. 4 а-с показаны, при различных увеличениях, частицы для дробеструйной обработки, из которых по меньшей мере 90 масс. % имеют размер от примерно 7 до 90 мкм (в контексте настоящего изобретения, их также называют «мелкие частицы для дробеструйной обработки» или «мелкий порошок для дробеструйной обработки»). Полоска масштаба представляет 200 мкм (Фиг. 4а), 100 мкм (Фиг. 4b) или 50 мкм (Фиг. 4с).
Как можно видеть на этих чертежах, большинство частиц имеет неправильную, даже угловатую или хлопьевидную, форму, которая, однако обычно является компактной, а не удлиненной. Фактически, было обнаружено, что удлиненные (стержневидные или игольчатые) частицы не обеспечивают удовлетворительной шероховатости поверхности.
Частицы, используемые в изобретении, обычно имеют высокую степень чистоты и состоят в основном из оксида титана, включая очень незначительное количество (например, 1,5 масс. % или менее) других веществ, таких как другие оксиды металлов. В данном контексте, «в основном» означает, что частицы могут содержать вплоть до 3 масс. % материала, отличного от оксида титана.
2
2
3
3
4
6
11
7
13
9
17
8
15
Как используют в данном описании, выражение «оксид титана» включает в себя один или более оксидов титана, в частности, кристаллической формы, в том числе, например, TiO, TiO, TiO, TiO, TiO, ΤiO и/или TiO. Другой кристаллической формой оксида титана является TiO. В тех случаях, когда подразумевают, в частности, TiO, его называют «моноксидом титана». Следовательно, выражение «один или более оксидов титана» означает по меньшей мере один оксид титана, который может представлять собой любую из известных оксидных форм титана.
2
3
3
5
6
11
n
2n-1
7
13
9
17
x
Диоксид титана, т.е. оксид титана (IV), является наиболее стабильным оксидом титана, и его относят к так называемому стехиометрическому оксиду. Следовательно, нестехиометрический оксид титана означает оксид титана, в котором отношение Ti:О не составляет 1:2. Нестехиометрические оксиды титана включают TiO, TiO, TiO, фазы типа Магнели TiO, где n составляет от 4 до 9, такие как ΤiO и ΤiO, а также TiO, 0,70≤x≤1,30. (N.N. Greenwood and A. Eamshaw, Chemistry of the elements. Pergamon Press, 1984, ISBN 0-08-022056-8).
6
11
7
13
9
17
8
15
2
2
2
3
3
4
6
11
7
13
9
17
8
15
В воплощениях изобретения частицы для дробеструйной обработки включают по меньшей мере один нестехиометрический оксид титана. Например, частицы могут включать один или более из TiO, TiO и/или TiO, и/или TiO. Однако частицы дополнительно также включают стехиометрический оксид титана, т.е. TiO, до некоторой степени. Таким образом, кристаллические формы оксида титана, присутствующие в частицах, используемых в воплощениях изобретения, могут включать TiO (обычно рутил и/или анатаз), TiO, TiO, TiO, TiO и/или TiO, и/или TiO.
В воплощениях изобретения частицы могут включать большее количество нестехиометрических оксидов титана, чем количество стехиометрического оксида титана. Например, основная часть оксида(ов) титана в частицах может представлять собой нестехиометрический(е) оксид(ы) титана. Под «основной частью» понимают более 50%. Следовательно, в некоторых воплощениях изобретения частицы могут включать более 50 масс. % нестехиометрических оксидов титана, исходя из общего содержания оксида титана в частицах. В некоторых воплощениях частицы могут содержать по меньшей мере 60 масс. %, по меньшей мере 70 масс. % или по меньшей мере 80 масс. % нестехиометрического оксида титана, исходя из общего содержания оксида титана в частицах. Однако, обычно может также присутствовать небольшое содержание стехиометрического оксида титана (диоксид титана в форме рутила и/или анатаза), например, по меньшей мере 1 масс. %, по меньшей мере 5 масс. % или по меньшей мере 10 масс. %. Обычно содержание стехиометрического оксида титана составляет менее 50 масс. %, например, 40 масс. % или менее, такое как 30 масс. % или менее. В некоторых воплощениях содержание стехиометрического оксида титана, относительно общего содержания оксида титана, может составлять примерно 20 масс. %.
В воплощениях изобретения частицы могут иметь массовое содержание нестехиометрического оксида титана, относительно общего содержания оксида титана, от 50 до 99 масс. %, например, от 50 до 95 масс. %, например, от 50 до 90 масс. %, такое как от 60 до 90 масс. % или от 70 до 90 масс. %. В некоторых воплощениях массовое отношение нестехиометрического оксида титана к стехиометрическому оксиду титана может составлять примерно 80:20.
Массовое содержание стехиометрического и нестехиометрического оксидов можно оценить на основе спектра рентгеновской дифракции (РД).
Спектры рентгеновской дифракции, показывающие составы мелкого порошка для дробеструйной обработки и крупного порошка для дробеструйной обработки показаны на Фиг. 5а и Фиг. 5b, соответственно.
2
Более того, как можно видеть на Фиг. 3 а-с и Фиг. 4 а-с, и возможно еще более явно, на Фиг. 7а, частицы, используемые в настоящем изобретении, имеют темную окраску (серую или черную). Эту темную окраску можно объяснить искаженной кристаллической решеткой, что таким образом возможно может указывать на присутствие одного или более нестехиометрических оксидов, которые прерывают, например, кристаллическую решетку TiO. Частицы обычно являются плотными, т.е. непористыми. Для сравнения, на Фиг. 7b показан порошок диоксида титана, который имеет белый цвет. На Фиг. 7 с показан темный, по меньшей мере частично содержащий нестехиометрический оксид титана, порошок для дробеструйной обработки, как используемый в изобретении, после стехиометрического, белого порошка диоксида титана.
2
100
В некоторых воплощениях изобретения используемые частицы могут иметь твердость, которая выше, чем твердость чистого TiO в форме рутила (следует отметить, что рутил тверже анатаза). Предпочтительно частицы могут иметь твердость по Виккерсу (VH) по меньшей мере примерно 1000, или по меньшей мере 980. Например, частицы могут иметь твердость по Виккерсу от 900, или предпочтительно, от примерно 1000, вплоть до 2500, вплоть до 2000, вплоть до 1500 или вплоть до 1200.
2
В одном приведенном в качестве примера воплощении частицы имеют твердость по Виккерсу от 980 до примерно 1100 (см. приведенный ниже пример 1). В таблице 1 представлена твердость различных материалов для дробеструйной обработки: частиц согласно приведенному в качестве примера воплощению изобретения, TiO и корунда.
Полагают, что твердость частиц для дробеструйной обработки может вносить вклад в преимущественные результаты дробеструйной обработки. Также полагают, что твердость, по меньшей мере отчасти, обусловлена химическим составом.
Используемые в изобретении частицы могут представлять собой так называемые плавленые и дробленые частицы, и это означает, что их получают путем сплавления с образованием большой детали из оксида титана, а впоследствии большую деталь подвергают дроблению, чтобы образовать конечные частицы. Такие способы, в общем, известны, и их обычно используют для производства порошка оксида титана, предназначенного для термически напыляемых покрытий для таких применений, как обеспечение термической изоляции и коррозионной стойкости. Неожиданно было обнаружено, что частицы, полученные этим способом, дают отличные результаты, когда их используют для дробеструйной обработки металлических имплантатов.
Например, используемые в настоящем изобретении частицы могут быть получены, например, из неочищенного оксида титана, который очищают посредством конверсии в тетрахлорид титана. В этом способе исходный материал восстанавливают углеродом, окисляют хлором с получением тетрахлорида титана (карботермическое хлорирование). Тетрахлорид титана, который представляет собой плотную, бесцветную жидкость, подвергают дистилляции, повторно восстанавливают в чистом кислородном пламени или плазме при температуре 1500-2000 К, чтобы получить чистый оксид титана. Продукт впоследствии сплавляют и подвергают дроблению с обеспечением требуемого размера частиц.
Способ дробеструйной обработки согласно изобретению включает обеспечение металлического тела, предназначенного в качестве имплантата, и дробеструйную обработку, по меньшей мере, части поверхности металлического тела. Поверхность металлической детали может обычно включать тонкий слой естественного оксида металла, такого как естественный оксид титана, в случае титанового тела.
Процесс дробеструйной обработки можно выполнять с использованием традиционного оборудования. Подвергаемый дробеструйной обработке имплантат можно вращать в течение операции дробеструйной обработки, так что более чем одну сторону имплантата подвергают дробеструйной обработке. Операцию дробеструйной обработки можно выполнять на части поверхности имплантата или на всей поверхности имплантата.
Имплантат можно подвергать любому виду предварительной обработки, чтобы создать требуемую поверхность основы для последующей модификации согласно способу по изобретению. Например, имплантат можно предварительно обрабатывать посредством механической, химической или термической обработки, или любого их сочетания, чтобы получить требуемые начальные характеристики поверхности. Химическая обработка может включать, например, процесс очистки или обезжиривания.
После дробеструйной обработки по изобретению, имплантат можно, при необходимости, подвергать дополнительной обработке поверхности, чтобы обеспечить дополнительную модификацию поверхности, например, чтобы обеспечить более мелкую шероховатость поверхности, например, посредством травления кислотой.
Примеры
Пример 1. Определение характеристик частиц для дробеструйной обработки
(a) Рентгеновская дифракция (РД)
Крупные и мелкие порошки для дробеструйной обработки, соответственно, как описано выше, подвергали анализу с помощью РД. РД представляет собой быстрый и неразрушающий метод анализа химического состава и кристаллографической структуры материалов.
2
2
Спектры РД представлены на Фиг. 5а и 5b, соответственно. Включены сравнительные пики для рутила и анатаза (оба TiO). Из спектров можно сделать заключение, что частицы содержат нестехиометрические оксиды титана различного состава. Кроме того, судя по количеству пиков, которые не представляют рутил или анатаз (т.е. TiO), по сравнению с количеством пиков, которые представляют рутил или анатаз, можно сделать заключение, что значительная часть, и даже основная часть, оксида титана частиц для дробеструйной обработки, образована из нестехиометрических оксидов титана.
(b) Определение твердости
Было получено три образца посредством смешивания частиц оксида титана с полимерной смолой, которая была отверждена. Образы мололи и полировали для обеспечения плоской измерительной поверхности (см. Фиг. 6).
Твердость измеряли с помощью тестера микротвердости Matsuzama МТХ50. В методе определения твердости по Виккерсу используют пирамидальный алмазный индентор, который прикладывают к поверхности образца с определенной нагрузкой. Угол скоса индентора составляет 136°. Твердость соотносят с размером полученного отпечатка индентора и рассчитывают согласно приведенным ниже уравнениям:
2
где А представляет собой площадь поверхности вдавливания (мм);
d представляет собой диагональную длину вдавливания (мм);
θ представляет собой плоский угол скоса пирамидального алмазного индентора (°), т.е. 136°:
F представляет собой испытательную нагрузку (кг-сила, также называемая кп, килопонд), и
HV означает твердость по Виккерсу.
Нагрузку тестера твердости устанавливали равной 100 г. Измерения проводили на 7 отдельных частицах (один отпечаток индентора на каждую частицу). Каждый отпечаток измеряли дважды. На Фиг. 6 показано изображение полированных частиц после вдавливания.
Средняя твердость составила примерно 1040, при стандартном отклонении 45, см. в представленной ниже таблице 2.
Пример 2. Операция дробеструйной обработки
Титановые винтообразные имплантаты тщательно очищали и обезжиривали в соответствии с традиционными способами. Винтообразные имплантаты подвергали дробеструйной обработке мелкими или крупными частицами для дробеструйной обработки, как определено в данном описании. В качестве среды-носителя использовали воздух. Каждый винтообразный имплантат вращали, чтобы подвергнуть обработке все стороны.
Пример 3. Определение характеристик подвергнутой дробеструйной обработке поверхности имплантата
(а) СЭМ
Подвергнутые дробеструйной обработке поверхности (титановые винтообразные имплантаты) исследовали с использованием сканирующей электронной микроскопии (СЭМ). Изображения представлены на Фиг. 1 и 2. Полоска масштаба представляет 50 мкм.
Топографическую оценку поверхностей, подвергнутых дробеструйной обработке мелкими и крупными частицами, соответственно, также выполняли с использованием СЭМ. Топографические данные полученных поверхностей представлены в таблице 3. «Мелкие» означает частицы для дробеструйной обработки, из которых 90% имеют размер от примерно 7 до 90 мкм. «Крупные» означает частицы для дробеструйной обработки, из которых 90% имеют размер от примерно 90 до 180 мкм.
Пример 4. Эффект от имплантатов, подвергнутых дробеструйной обработке
Использовали винтообразные имплантаты (крепления) из титана технической чистоты (т.ч). 24 имплантата обрабатывали только на станке («обработанные на станке имплантаты») и 24 имплантата обрабатывали на станке, а затем подвергали дробеструйной обработке с использованием крупных частиц для дробеструйной обработки, как описано выше («подвергнутые дробеструйной обработке имплантаты»). Два обработанных на станке и два подвергнутых дробеструйной обработке имплантата, имплантировали в каждый проксимальный метафиз большеберцовой кости взрослых особей новозеландских (Н3) белых кроликов. Общее количество исследуемых кроликов составило 12 особей. Прочность удерживания оценивали с использованием испытаний на момент вывинчивания на двух имплантатах из каждой группы (обработанных на станке и подвергнутых дробеструйной обработке), через 2, 4, 7, 9 и 11 недель соответственно. Результаты представлены в таблице 4.
2
3
2
2
3
2
2
2
3
2
3
Эти результаты можно сравнить с ранее проведенными опубликованными исследованиями, направленными на изучение прочности удерживания посредством испытаний на момент вывинчивания, используя такой же тип имплантатов с резьбой и хирургической оценки. В одном исследовании [A. Wennerberg, Т. Albrektsson, С. Johanson and В. Anderssson, Biomaterials 17 (1996) 15-22], было обнаружено, что имплантаты титана т.х., подвергнутые дробеструйной обработке либо частицами AlO размером 25 мкм, либо частицами TiO размером 25 мкм, соответственно, приводили к значениям момента вывинчивания только примерно 25 Нем после 12 недель имплантации в большеберцовую кость кролика. В другом исследовании [А. Wennerberg, Т. Albreksson, and В. Anderssson, Journal of Material Science: Materials in Medicine, 6, (1995) 302-309], с использованием идентичных методов, мплантаты титана т.х., подвергнутые дробеструйной обработке либо частицами AlO размером 25 мкм, либо частицами TiO размером 25 мкм, соответственно, приводили к средним значениям момента вывинчивания примерно 42-45 Н⋅см после 12 недель имплантации в большеберцовую кость кролика (максимальное значение для имплантата, подвергнутого дробеструйной обработке TiO, составляло 66 Н⋅см). Более того, также оценивали поверхность, подвергнутую дробеструйной обработке частицами AlO размером 250 мкм, и не было обнаружено никакого улучшения по сравнению с поверхностью, подвергнутой дробеструйной обработке частицами AlO размером 25 мкм (Wennerberg et al, 1995).
2
3
В еще одном сравнительном исследовании [A. Wennerberg, Т. Albrekson and Lausmaa, Journal of Biomedical Materials Research, 30 (1996) 251-260], в котором использовали идентичные методы, имплантаты, подвергнутые дробеструйной обработке частицами AlO размером 25 мкм показали значения момента вывинчивания примерно 40-45 Н⋅см (среднее) после 12 недель имплантации в большеберцовую кость Н3 кролика.
2
Таким образом, с учетом результатов, полученных посредством дробеструйной обработки, по существу чистым TiO, настоящий способ, в котором используют частицы для дробеструйной обработки, содержащие по меньшей мере один нестехиометрический оксид титана и имеющие распределение частиц по размерам, описанное выше, дает неожиданно благоприятные результаты в показателях значений момента вывинчивания через 4-11 недель после имплантации.
Специалисту в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение не ограничено предпочтительными воплощениями, описанными выше. Напротив, возможно множество модификаций и вариантов в пределах области защиты, определяемой приложенной формулой изобретения.
Кроме того, варианты исполнения раскрытых воплощений понятны и могут быть реализованы специалистом в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основании изучения чертежей, описания и приложенной формулы изобретения. В формуле изобретения слово «включающий» не подразумевает исключения других элементов или стадий, и элементы, упомянутые в единственном числе, не исключают наличия элементов во множественном числе. Сам факт того, что некоторые количественные оценки цитируются во взаимозависимых пунктах, не указывает на то, что сочетание этих количественных оценок не может быть использовано для достижения преимущества.