Способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов

Способ может быть использован в деталях трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов. При изготовлении полимерной детали исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена предварительно подвергают термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140°С и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 часов. После чего порошок прессуют при 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа и осуществляют механическую доводку размеров полимерной детали. Причем в качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой (6-10,5)×10⁶ дальтон и размерами частиц 5-250 мкм. Кроме того, состав исходного порошка может дополнительно содержать 0,05-0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм. Полученные полимерные детали трения скольжения позволяют достичь пониженный коэффициент трения при скольжении по контртелу, выполненному из биологически инертного сплава, низкий относительный износ как материала детали эндопротеза, так и контртела - титанового сплава, повысить стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена, микротвердость как по всему объему изготавливаемой детали, так и на се поверхности трения скольжения, повысить краевой угол смачивания, а также свести к минимуму механическую прецизионную доводку размеров детали. 1 з.п. ф-лы.

 

Изобретение относится к области химии полимеров, а именно к способам изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов.

Известен способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов, включающий прессование полимерной детали из исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена при температуре 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа и последующую механическую доводку размеров полимерной детали (см. Краснов А.П. и др. Трение и свойства СВМПЭ, обработанного сверхкритическим диоксидом углерода. Международный научный журнал «Трение и износ». Республика Беларусь, г.Гомель, 2003, том 24, №4, с.429-435).

Однако изготовленные известным способом полимерные детали трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов имеют следующие недостатки:

- имеют повышенный коэффициент трения при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного сплава, например титанового сплава марки Ti6Al4V (0,22-0,23),

- имеют недостаточно стабильную структуру поверхностного слоя детали из сверхвысокомолекулярного полиэтилена,

- имеют недостаточную микротвердость как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения (Нμ=2,5 МПа),

- имеют низкий краевой угол смачивания (60-67°),

- высокий относительный износ как материала детали эндопротеза, так и контртела - титанового сплава.

Задачей изобретения является создание способа изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов.

Техническим результатом является пониженный коэффициент трения при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного сплава, например титанового сплава марки Ti6Al4V, низкий относительный износ как материала детали эндопротеза, так и контртела - титанового сплава, повышенная стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена, высокая микротвердость как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения, высокий краевой угол смачивания, а также сведение к минимуму механической прецизионной доводки размеров изготавливаемого эндопротеза за счет улучшения текучести и прессуемости исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена.

Технический результат достигается использованием способа изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов, включающий прессование полимерной детали из исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена при температуре 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа и последующую механическую доводку размеров полимерной детали, причем исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена подвергают термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140°С и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 часов перед прессованием из него полимерной детали, при этом в качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой (6-10,5)×10⁶ дальтон и размерами частиц 5-250 мкм. При этом в качестве исходного используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащий 0,05-0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм.

Среди существенных признаков, характеризующих способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных протезов, отличительными являются:

- выполнение термической обработки исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140°С и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 часов перед прессованием из него полимерной детали,

- использование в качестве исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой (6-10,5)×10⁶ дальтон и размерами частиц 5-250 мкм,

- использование в качестве исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащего 0,05 - 0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм.

Способ осуществляется следующим образом. Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой (6-10,5)×10⁶ дальтон и размерами частиц от 5 до 250 мкм перед прессованием подвергается термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140°С и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 часов. При этом в качестве исходного используется также порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащий 0,05-0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм. Затем из обработанного в сверхкритическом диоксиде углерода порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготавливается прессованием в пресс-форме полимерная деталь искусственного эндопротеза при температуре 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа, которая проходит минимальную механическую прецизионную доводку размеров поверхности трения скольжения.

Экспериментальные и натурные испытания предложенного способа изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных протезов показали его высокую эффективность. Способ при своем использовании обеспечивает на изготовленной детали пониженный коэффициент трения (0,15-0,21) при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного титанового сплава, например, марки Ti6Al4V, низкий относительный износ как материала детали эндопротеза, так и контртела - титанового сплава, повышенную стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена, высокую микротвердость (Нμ=3,6-3,9 МПа) как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения, высокий краевой угол смачивания (76-80°). При этом предложенный способ обеспечивает сведение к минимуму механической прецизионной доводки размеров изготавливаемого эндопротеза за счет отсутствия воздействия сверхкритического диоксида углерода на поверхность детали, улучшения текучести и прессуемости исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Одновременно было установлено, что с использованием предложенного способа улучшены самосмазывающиеся свойства поверхности трения скольжения, также достигнуто повышение стерильности изготавливаемой детали трения скольжения эндопротеза, поскольку вся масса пресс-композиции предварительно подвергалась воздействию сверхкритического диоксида углерода.

Реализация предложенного способа изготовления полимерных деталей трения скольжения для искусственных эндопротезов иллюстрируется следующими практическими примерами.

Пример 1. Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 6×10⁶ дальтон и размерами частиц от 5 до 25 мкм перед прессованием подвергли термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40°С и удельном давлении 25 МПа в течение 4 часов. Затем из обработанного в сверхкритическом диоксиде углерода порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготовили прессованием в пресс-форме полимерную деталь искусственного эндопротеза при температуре 200°С и удельном давлении 10 МПа, которую затем подвергли минимальной механической прецизионной доводке размеров поверхности трения скольжения. Готовая полимерная деталь искусственного эндопротеза имеет следующие свойства: коэффициент трения при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного титанового сплава марки Ti6Al4V, составляет 0,21, повышенная стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена детали обеспечила снижение относительного износа материала детали эндопротеза на 12% и контртела - титанового сплава на 10%, микротвердость детали эндопротеза составляет как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения Нμ=3,6 МПа, краевой угол смачивания равен 76°.

Пример 2. Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 10,5×10⁶ дальтон и размерами частиц от 35 до 100 мкм перед прессованием подвергли термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 140°С и удельном давлении 15 МПа в течение 2 часов. Затем из обработанного в сверхкритическом диоксиде углерода порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготовили прессованием в пресс-форме полимерную деталь искусственного эндопротеза при температуре 190°С и удельном давлении 30 МПа, которую затем подвергли минимальной механической прецизионной доводке размеров поверхности трения скольжения. Готовая полимерная деталь искусственного эндопротеза имеет следующие свойства: коэффициент трения при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного титанового сплава марки Ti6Al4V, составляет 0,15, повышенная стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена детали обеспечила снижение относительного износа материала детали эндопротеза на 18% и контртела - титанового сплава на 25%, микротвердость детали эндопротеза составляет как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения Нμ=3,8 МПа, краевой угол смачивания равен 80°.

Пример 3. Исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена с молекулярной массой 10,5×10⁶ дальтон и размерами частиц от 105 до 250 мкм и дополнительно содержащий 0,1 мас.% серебра с размерами их частиц 10-100 нм перед прессованием подвергли термической обработке в сверхкритическом двуоксиде углерода при температуре 80°С и удельном давлении 20 МПа в течение 3 часов. Затем из обработанного в сверхкритическом диоксиде углерода порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготовили прессованием в пресс-форме полимерную деталь искусственного эндопротеза при температуре 200°С и удельном давлении 60 МПа, которую затем подвергли минимальной механической прецизионной доводке размеров поверхности трения скольжения. Готовая полимерная деталь искусственного эндопротеза имеет следующие свойства: коэффициент трения при трении скольжения по контртелу, выполненному из биологически инертного титанового сплава марки Ti6Al4V, составляет 0,19, повышенная стабильность структуры сверхвысокомолекулярного полиэтилена детали обеспечила снижение относительного износа материала детали эндопротеза на 18% и контртела - титанового сплава на 24%, микротвердость детали эндопротеза составляет как по всему объему изготавливаемой детали, так и на ее поверхности трения скольжения Нμ=3,9 МПа, краевой угол смачивания равен 76°.

1. Способ изготовления полимерных деталей трения скольжения из сверхвысокомолекулярного полиэтилена для искусственных эндопротезов, включающий прессование полимерной детали из исходного порошка сверхвысокомолекулярного полиэтилена при температуре 190-200°С и удельном давлении 10-60 МПа и последующую механическую доводку размеров полимерной детали, отличающийся тем, что исходный порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена подвергают термической обработке в сверхкритическом диоксиде углерода при температуре 40-140°С и удельном давлении 15-25 МПа в течение 2-4 ч перед прессованием из него полимерной детали, при этом в качестве исходного порошка используют сверхвысокомолекулярный полиэтилен с молекулярной массой (6-10,5)·10⁶ дальтон и размерами частиц 5-250 мкм.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве исходного используют порошок сверхвысокомолекулярного полиэтилена, дополнительно содержащий 0,05-0,15 мас.% меди, серебра или железа с размерами их частиц 10-100 нм.