Биоактивное покрытие на имплантате из титана и способ его получения
Владельцы патента RU 2385740:
Учреждение Российской академии наук Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения РАН (ИФПМ СО РАН) (RU)
Изобретение относится к медицине, конкретно к способу обработки поверхности титановых имплантатов, позволяющему формировать биоактивную поверхность. Описывается биоактивное покрытие на имплантате из титана, обладающее высокой адгезией к поверхности имплантата и развитой шероховатой поверхностью, достаточной для успешной остеоинтеграции костной ткани и способ его получения. Биоактивное покрытие на имплантате из титана содержит кальций-фосфатные соединения и имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью, Покрытие имеет толщину 10-40 мкм, общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм, шероховатость 2,5-5 мкм, адгезионную прочность 30-35 МПа. Покрытие содержит кальций-фосфаты в рентгеноаморфном состоянии. Описан способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана, который заключается в нанесении покрытия микродуговым оксидированием, но перед нанесением покрытия поверхность титанового имплантата подвергают механической и химической обработке, затем проводят микродуговое оксидирование с получением многоуровневой пористой структуры кальций-фосфатного покрытия. Механическая и химическая обработки представляют собой пескоструйную обработку поверхности титанового имплантата с последующим ее химическим травлением. Пескоструйную обработку проводят с использованием порошка окиси алюминия Al2O3 или окиси кремния SiO2 фракции 250-380 мкм с получением шероховатости 1,5-5 мкм. Химическое травление проводят путем протравливания поверхности титанового имплантата в кислотном травителе, нагретом до температуры кипения, на основе соляной и серной кислот, следующего состава: 10 частей HCl (30%) и 80 частей H2SO4 (60%)) и 10 частей Н2О, с формированием пор размером 1-2 мкм. Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 250-300 В, длительность импульса 50-100 мкс, и частота следования импульсов - 50-100 Гц, в течение 3-10 минут в водном растворе электролита на основе ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция, следующего состава, мас.%: H3PO4 - 20, Са10(PO4)6(ОН)2 - 6, СаСО3 - 9. Имплантат выполнен из титана в наноструктурном состоянии со средним размером зеренно-субзеренной структуры 60-110 мкм. Имплантат для костной ткани улучшает биологическую совместимость с живым организмом. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 3 табл.
Изобретение относится к способу обработки поверхности титановых имплантатов, позволяющему формировать биоактивную поверхность, с целью дальнейшего использования для имплантации в костную ткань для улучшения его биологической совместимости с живым организмом.
Известен имплантат и способ обработки поверхности имплантата (Д1), заключающийся в том, что при обработке поверхности имплантата, предназначенного для имплантации в костную ткань, обеспечивают микрошероховатость, включающую поры и пики. Диаметр пор ≤1 мкм, глубина пор ≤500 нм, ширина пика на уровне половины глубины пор от 15 до 150% диаметра пор. Изобретение позволяет улучшить прикрепление имплантата с костной ткани.
Недостатком известного способа является то, что у него отсутствуют биоактивные свойства, поскольку сформированная шероховатая поверхность не содержит кальций-фосфатных соединений, повышающих остеоинтеграцию имплантата с костной тканью.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является кальций-фосфатное покрытие на титане и титановых сплавах и способ его нанесения (Д2), включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового разряда в растворе фосфорной кислоты, содержащем гидроксилапатит и карбонат кальция, при этом анодирование ведут импульсным током со следующими параметрами: время импульса 50-200 мкс; частота следования 50-100 Гц; начальная плотность тока 0,2-0,25 А/мм2; конечное напряжение 100-300 В. Покрытие составом, аналогичным составу костной ткани, содержит, мас.%: титанат кальция 7-9; пирофосфат титана 16-28; кальций-фосфатные соединения - остальное, толщиной 40-80 мкм.
Недостатком известного изобретения является недостаточно высокая адгезионная прочность покрытия на имплантате из титана, которая не исследовалась авторами, особенно в случае имплантатов сложной конфигурации, в частности дентальных имплантатов.
Задачей предлагаемого изобретения является разработка биоактивного покрытия на имплантате из титана, обладающего высокой адгезией к поверхности имплантата и развитой шероховатой поверхностью достаточной для успешной остеоинтеграции костной ткани и способа его получения.
Указанный технический результат достигается тем, что биоактивное покрытие на имплантате из титана содержит кальций-фосфатные соединения.
Новым является то, что покрытие имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью, многоуровневость которой сформирована предварительной механической и химической обработкой поверхности титанового имплантата, а затем нанесением кальций-фосфатного биоактивного покрытия.
Покрытие имеет толщину 10-40 мкм.
Покрытие имеет общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм.
Покрытие имеет шероховатость 2,5-5 мкм.
Покрытие имеет адгезионную прочность 30-35 МПа
Покрытие содержит кальций-фосфаты в рентгеноаморфном состоянии.
Указанный технический результат также достигается тем, что способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана заключается в нанесении покрытия микродуговым оксидированием.
Новым является то, что перед нанесением покрытия поверхность титанового имплантата подвергают механической и химической обработке, затем проводят микродуговое оксидирование с получением многоуровневой пористой структуры покрытия, обеспечивающей остеоинтеграцию костных клеток.
Механическая и химическая обработки представляют собой пескоструйную обработку поверхности титанового имплантата с последующим ее химическим травлением.
Пескоструйную обработку проводят с использованием порошка окиси алюминия Al2O3 или окиси кремния SiO2 фракции 250-380 мкм с получением шероховатости 1,5-5 мкм.
Химическое травление проводят путем протравливания поверхности титанового имплантата в кислотном травителе, нагретом до температуры кипения, на основе соляной и серной кислот, следующего состава: 10 частей HCl (30%) и 80 частей H2SO4 (60%) и 10 частей Н2О, с формированием пор размером 1-2 мкм.
Микродуговое оксидирование проводят в водном растворе электролита на основе ортофосфорной кислоты, гидроксилапатита и карбоната кальция, следующего состава, мас.%: Н3РО4 - 20, Са10(PO4)6(ОН)2- 6, СаСО3 - 9.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 250-300 В, длительность импульса 50-100 мкс, частота следования импульсов - 50-100 Гц, в течении 3-10 минут.
Имплантат выполнен из титана в наноструктурном состоянии со средним размером зеренно-субзеренной структуры 60-110 мкм.
В настоящее время актуальным является разработка биоактивных покрытий на титановых имплантатах, обеспечивающих повышенную остеоинтеграцию костных клеток. Повышению остеоинтеграции титановых имплантатов в живых организмах способствует создание кальций-фосфатного биоактивного покрытия нем с многоуровневой пористой структурой, которая сформирована предварительной механической и химической обработкой поверхности титанового имплантата.
Широко распространенными способами подготовки поверхности перед нанесением покрытия являются абразивная или гидроабразивная обработка. Это связано с тем, что результат действия абразива на поверхность металла имеет комплексный характер.
С одной стороны, он снимает с поверхности различные загрязнения, возникающие при первичной обработке металлов для формирования изделий (штамповка, литье, резание и др.), а также удаляет образовавшийся на поверхности оксидный слой. С другой стороны, изменяются параметры шероховатости поверхности, причем как с их увеличением, так и с уменьшением в процессе абразивной обработки, что зависит от многих факторов: скорости абразивных частиц, их природы, размеров, угла атаки и др.
При выборе зернистости абразива для пескоструйной обработки необходимо учитывать, что величина зерен должна находиться в определенной зависимости от исходной шероховатости поверхности. Если размеры абразивных зерен слишком малы по сравнению с шероховатостью, то их действию подвергаются и выступы, и впадины. При обработке происходит копирование профиля со скруглением выступов, причем площадь поверхности возрастает в 5-8 раз вследствие появления многочисленных микроуглублений. Если величина зерен слишком велика, то они не проникают во впадины шероховатости и сглаживают только выступы, формируя поверхность с большой шероховатостью, зависящей только от их размеров. При размерах зерен, сравнимых с исходной шероховатостью поверхности, происходит сглаживание микрорельефа с уменьшением площади поверхности.
Основное требование к абразивным материалам заключается в том, чтобы их твердость превышала твердость материала обрабатываемой металлической поверхности. При прочих равных условиях образование микрорельефа с наибольшей шероховатостью дает окись алюминия Al2O3 (корунд), с наименьший - окись кремния SiO2 (кварцевый песок).
Исследования влияния шероховатости, полученной после пескоструйной обработки, на адгезионные характеристики покрытий показали, что с ростом шероховатости увеличивается прочность сцепления покрытия с титановыми имплантатами. Это объясняется в первую очередь увеличением истинной поверхности шероховатых титановых имплантатов.
Эксперименты показали, что пескоструйную обработку надо проводить с использованием порошка окиси алюминия Al2O3 или окиси кремния SiO2 фракции 250-380 мкм с получением оптимальной шероховатости 1,5-5 мкм. Для создания шероховатой поверхности титанового имплантата применялась пескоструйная воздушно-абразивная обработка с использованием пескоструйного аппарата пневматического действия АПС-22.
Последующее химическое протравливание проводилось в кислотном травителе на основе соляной и серной кислот, следующего состава: 10 частей HCl (30%) и 80 частей H2SO4 (60%) и 10 частей Н2О, при кипячении, с формированием пор размером 1-2 мкм.
После пескоструйной обработки и химического протравливания для очистки поверхности образцы титановых имплантатов помещались в ультразвуковую мойку Elmasonic 515Н.
Для придания титановым имплантатам биологических свойств после предварительно сформированной поверхности с многоуровневой шероховатостью наносилось кальций-фосфатное покрытие с помощью микродугового метода в анодном режиме в электролите на основе ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция, следующего состава, мас.%: Н3РО4 - 20, Са10(PO4)6(ОН)2 - 6, СаСО3 - 9.
Технологические характеристики микродугового метода: импульс задающего напряжения 250-300 В, длительность импульса 50-100 мкс, начальная плотность тока - 20-25 А/см2, частота следования импульсов - 50-100 Гц, время нанесения 3-10 минут.
В результате осуществления пескоструйной обработки, химического травления и нанесения кальций-фосфатного покрытия вышеописанными технологическими приемами авторами получено качественно новое биоактивное покрытие на титановом имплантате с многоуровневой пористой структурой и шероховатой поверхностью, обеспечивающей повышенную остеоинтеграцию костных клеток. Предлагаемое биоактивное покрытие имеет следующие характеристики: толщину 10-40 мкм; общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм; шероховатость 2,5-5 мкм; адгезионную прочность 30-35 МПа. Кальций-фосфаты в покрытии находятся в рентгеноаморфном состоянии.
Изобретение иллюстрируется следующими фигурами.
На Фиг.1 изображена поверхность опытных образцов дентальных имплантатов: а) после пескоструйной обработки абразивным материалом (окись алюминия Al2O3); б) после последующего кислотного травления.
На Фиг.2 изображена поверхность опытных образцов дентальных имплантатов из наноструктурного титана с кальций-фосфатным покрытием: а) пластина; б) дентальный имплантат.
На Фиг.3 изображена схема формирования многоуровневой пористой структуры на поверхности дентального имплантата:
а - после пескоструйной обработки на поверхности имплантата образуется шероховатость (1);
б - после химического травления на шероховатой поверхности имплантата появляются поры (2);
в - после микродугового оксидирования на шероховатой (1) с порами (2) поверхности титанового имплантата образуется кальций-фосфатное покрытие (3) с порами (4).
Пример конкретного выполнения 1.
Были использованы образцы в форме пластин и дентальные винтовые внутрикостные имплантаты, изготовленные из наноструктурного титана, полученного методом многократного одноосного прессования со сменой оси деформации и понижением температуры и последующей прокатке при комнатной температуре в сочетании с дорекристаллизационными отжигами, со средним размером элементов структуры (фрагментов, субзерен, зерен) менее 100 нм [Д5,6].
При проведении основных этапов получения биоактивного покрытия с многоуровневой пористой структурой и шероховатой поверхностью на титановых имплантатах, которая включает пескоструйную обработку, химическое травление и нанесение кальций-фосфатного покрытия с применением вышеописанных технологий, образцы титановых имплантатов подвергались измерениям свойств поверхности на различных этапах обработок.
Шероховатость поверхности определялась на профилометре «Профилометр-296» по Ra (ГОСТ 2789-73).
Испытания на адгезионную прочность методом отрыва проводили на испытательной машине Instron при комнатной температуре со скоростью смещения захвата 0,1 мм/мин. К противоположным поверхностям плоского образца с покрытиями с помощью высокопрочного клея Loctite Hysol приклеивали цилиндры, основания которых располагались строго параллельно. При отрыве цилиндров от поверхности измерялось усилие отрыва F, необходимого для отделения покрытия от основы по всей площади контакта S. Адгезионная прочность покрытия к основе (титану) определялась как Р=F/S.
После первого этапа подготовки поверхности имплантатов - пескоструйной обработки, исследования морфологии поверхности пластин и имитаторов дентальных имплантатов методом растровой электронной микроскопии показали, что поверхность имеет ярко выраженный рельеф (Фиг.1). Глубина впадин рельефа зависит от вида абразивного материала и размера его зерна. При этом в случае использования кварцевого и корундового порошка мелкой фракции шероховатость поверхности титана оказывается следующей: Ra <1 мкм (7 класс по ГОСТ 2789-73) и 1,6 мкм < Ra <2,5 мкм (6 класс) соответственно. Применение в качестве абразивного материала корунда крупной фракции позволяет повысить шероховатость поверхности до Ra >2,5 мкм (5 класс), тем самым получить оптимальную шероховатость (см. табл.1).
Второй этап - химическое протравливание в кислотном травителе на основе соляной и серной кислот позволило очистить поверхность и сформировать многоуровневую поверхность с высокопористой структурой (30-50%) и размерами пор 1-2 мкм (Фиг.1).
Затем для придания титановым имплантатам биологических свойств после предварительно сформированной поверхности с многоуровневой шероховатостью наносились кальций-фосфатные покрытия с помощью микродугового метода в анодном режиме в электролите на основе ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция. Кальций-фосфатные покрытия, нанесенные в указанном электролите, находятся в рентгеноаморфном состоянии, имеют высокую пористость (35-50%), шероховатость (Ra >2,5 мкм, 5 класс) и высокую биосовместимость (см. табл.1, 2).
На Фиг.2 изображена поверхность опытных образцов дентальных имплантатов из наноструктурного титана с кальций-фосфатным покрытием: а) пластина; б) дентальный имплантат. Исследования морфологии поверхности кальций-фосфатных покрытий методом растровой электронной микроскопии показали, что пористая структура, формируемая на экспериментальных пластинах (Фиг.2, а) и дентальных имплантатах (Фиг.2, б), идентична. Кальций-фосфатное покрытие на дентальных имплантатах равномерное, не имеет дефектов и трещин. При этом кальций-фосфатное покрытие повторяет рельеф предварительно подготовленной поверхности с использованием пескоструйной обработки окиси алюминия крупной фракции и последующего химического протравливания.
Шероховатость экспериментальной пластины из наноструктурного титана с кальций-фосфатным покрытием составляет Ra >2,5 мкм (5 класс по ГОСТ 2789-73), что позволяет прогнозировать хорошую остеоинтергацию костной ткани с имплантатом с кальций-фосфатным покрытием.
Формирование многоуровневой пористой структуры поверхности позволяет повысить адгезионную прочность кальций-фосфатного покрытия с титановым имплантатом на 25%. После обработки поверхности имплантатов по указанной технологической схеме адгезионная прочность покрытия к титановой подложке достигает 35 МПа (табл.3).
Нанесение кальций-фосфатных покрытий на поверхность дентальных имплантатов придает им биоактивные свойства, о чем свидетельствуют биологические испытания. Микродуговое кальций-фосфатное покрытие индуцирует рост тканевых пластинок со 100%-ой вероятностью, что свидетельствует об оптимальности их поверхностного рельефа для прикрепления и созревания клеток. Кальций-фосфатные покрытия находятся в рентгеноаморфном состоянии, имеют высокую пористость (35-50%), шероховатость (Ra >2,5 мкм, 5 класс), высокую адгезионную прочность (до 35 МПа) и высокую биосовместимость с живым организмом.
Источники информации
1. Патент РФ №2314772, А61С 8/00 и др., опубл. 20.01.2008.
2. Патент РФ 2291918, C25D 11/26, A61F 2/02, опубл. 20.01.2007.
3. Бутовский К.Г., Лясников А.В., Ленин А.В., Пенкин Р.В., Лясников В.Н. Электроплазменное напыление в производстве внутрикостных имплантатов. - Саратов: Сарат. гос. Техн. ун-т, 2006. - 200 с.
4. Хлусов И.А., Карлов А.В., Шаркеев Ю.П., Пичугин В.Ф., Колобов Ю.Р., Шашкина Г.А., Иванов М.Б., Легостаева Е.В., Сухих Г.Т. Остеогенный потенциал мезенхимальных стволовых клеток костного мозга in situ: роль физико-химических свойств искусственных поверхностей // Клеточные технологии в биологии и медицине. - 2005. - №3. - С.164-173.
5. Патент РФ №2315117, С21D 7/10, опубл. 20.01.2008.
6. Патент РФ №71537, А61С 8/00, опубл. 20.03.2008.
| Таблица 1 | ||||||
| Результаты измерения шероховатости поверхности | ||||||
| № образца | Среднее значение параметра шероховатости, мкм | |||||
| До пескоструйной обработки | После пескоструйной обработки и травления | После нанесения покрытий | ||||
| Ra, мкм | Класс поверхности | Ra, мкм | Класс поверхности | Ra, мкм | Класс поверхности | |
| 1 | 1,412 | 6в | 3,131 | 2,840 | ||
| 2 | 0,957 | 7б | 2,807 | 3,553 | ||
| 3 | 1,028 | 7а | 2,652 | ∇5 | 2,912 | ∇5 |
| 4 | 1,167 | 7а | 2,748 | 2,584 | ||
| 5 | 1,563 | 6в | 3,033 | 4,383 |
| Таблица 2 | |||||
| Результаты измерения пористости и размера пор | |||||
| Номер образца | Минимальный размер пор, мкм | Максимальный размер пор, мкм | Средний размер пор, мкм | Количество измерений | Общая пористость, % |
| 1 | 2,53 | 9,98 | 5,68 | 35 | |
| 2 | 3,72 | 8,91 | 5,56 | 35 | |
| 3 | 2,98 | 10,25 | 6,17 | 50 | 39 |
| 4 | 2,23 | 10,37 | 5,87 | 41 | |
| 5 | 2,57 | 9,53 | 5,13 | 36 |
| Таблица 3 | |||
| Результаты измерения адгезионной прочности | |||
| Номер образца | Усилие отрыва, Н | Площадь клеевого соединения, мм2 | Адгезионная прочность, МПа |
| 1 | 2403 | 75,43 | 31,83 |
| 2 | 2450 | 67,93 | 36,07 |
| 3 | 2058 | 67,93 | 30,30 |
| 4 | 2254 | 75,43 | 29,88 |
| 5 | 2597 | 76,98 | 33,74 |
1. Биоактивное покрытие на имплантате из титана, содержащее кальций-фосфатные соединения, отличающееся тем, что покрытие имеет многоуровневую пористую структуру с шероховатой поверхностью, многоуровневость которой сформирована предварительной механической и химической обработкой поверхности титанового имплантата, а затем нанесением кальций-фосфатного биоактивного покрытия микродуговым оксидированием.
2. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно имеет толщину 10-40 мкм.
3. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно имеет общую пористость 35-45% со средним размером пор 3-8 мкм.
4. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно имеет шероховатость 2,5-5 мкм.
5. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно имеет адгезионную прочность 30-35 МПа.
6. Покрытие по п.1, отличающееся тем, что оно содержит кальций-фосфаты в рентгеноаморфном состоянии.
7. Способ получения биоактивного покрытия на имплантате из титана по п.1, заключающийся в нанесении покрытия микродуговым оксидированием, отличающийся тем, что перед нанесением покрытия поверхность титанового имплантата подвергают механической и химической обработке, затем проводят микродуговое оксидирование с получением многоуровневой пористой структуры покрытия, обеспечивающей остеоинтеграцию костных клеток.
8. Способ по п.7, отличающийся тем, что механическая и химическая обработки представляют собой пескоструйную обработку поверхности титанового имплантата с последующим ее химическим травлением.
9. Способ по пп.7 и 8, отличающийся тем, что пескоструйную обработку проводят с использованием порошка окиси алюминия Al2O3 или окиси кремния SiO2 фракции 250-380 мкм с получением шероховатости 1,5-5 мкм.
10. Способ по пп.7 и 8, отличающийся тем, что химическое травление проводят путем протравливания поверхности титанового имплантата в кислотном травителе, нагретом до температуры кипения, на основе соляной и серной кислот следующего состава: 10 частей HCl (30%), 80 частей H2SO4 (60%) и 10 частей Н2О, с формированием пор размером 1-2 мкм.
11. Способ по п.7, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в водном растворе электролита на основе ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция следующего состава, мас.%: Н3РО4 20, Са10(PO4)6(ОН)2 6, СаСО3 9.
12. Способ по любому из пп.7 или 11, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в анодном режиме при параметрах: напряжение 250-300 В, длительность импульса 50-100 мкс и частота следования импульсов 50-100 Гц в течение 3-10 мин.
13. Способ по п.7, отличающийся тем, что имплантат выполнен из титана в наноструктурном состоянии со средним размером зеренно-субзеренной структуры 60-110 мкм.
