Способ получения пористого сплава на основе никелида титана

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии. Пористый сплав на основе никелида титана получают из шихты, уплотненной до пористости 45-50% при температуре предварительного подогрева 400-450°С. Полученный пористый сплав подвергают нескольким циклам химического травления в растворе азотной и плавиковой кислот до появления металлического блеска, после чего образец погружают в воду на 10-12 часов. Ускоряется прорастание тканей и повышается долговечность функционирования пористого имплантата в организме за счет оптимизации размеров пор и перегородок, уменьшения их разброса, а также увеличения их удельной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Изобретение относится к металлургии, конкретно к технологии получения пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии.

Пористые сплавы на основе никелида титана получают все большее распространение в медицине благодаря их высокой биосовместимости, обусловленной химической инертностью, развитой поверхностью и сходством с живыми тканями по механическим свойствам. В качестве имплантатов пористые сплавы на основе никелида титана способны замещать фрагменты костей, хрящей и других каркасных образований / Медицинские материалы и имплантаты с памятью формы / Гюнтер В.Э., Дамбаев Г.Ц., Сысолятин П.Г. и др. Томск, изд-во Том. ун-та, 1998. 486 с. Кроме того, в последнее время пористые имплантаты успешно используются как клеточные инкубаторы для культивирования стволовых клеток, имеющих тенденцию дифференцироваться в любые клеточные типы тканей взрослого организма и иметь их характерные и функциональные характеристики / James E. Dennis, Pierre Charbord. Origin and differentiation of human and murine stroma. // Stem Cells. 2003. Vol.19; №3. P.220-229./

Пути дальнейшего совершенствования пористых сплавов в том и другом аспектах применения связаны с оптимизацией их структурных характеристик в направлении повышения эффективности культивации клеточного материала и обеспечения долговечности функционирования имплантата в организме ввиду общей тенденции увеличения продолжительности жизни при любых формах применения имплантатов. В основе настоящего изобретения лежит экспериментальное установление соответствия между структурными особенностями пористого сплава на основе никелида титана и его инкубационными и биомеханическими качествами, в частности зависимости эффективности прорастания тканей от степени шероховатости стенок пор, наличия в них мелкомасштабной (субмикронной) структуры.

Известен способ получения пористого сплава на основе никелида титана методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) /Сплавы с памятью формы в медицине, В.Э.Гюнтер, В.В. Котенко и др. Изд. Томского госуниверситета, г. Томск, 1986, с.50/. Способ включает следующие основные этапы: формовку шихты из смеси порошков титана, никеля и легирующих элементов в цилиндрической оправке, предварительный подогрев, инициацию реакции СВС и охлаждение. Недостатком известного способа является неполное соответствие структурных характеристик получаемого сплава требованиям высоких темпов прорастания тканями и механической долговечности. Среди известных источников информации нет полных сведений о критериях указанного соответствия, а также путях его достижения. Поскольку пористый сплав характеризуется индивидуальным статистическим распределением пор и перегородок по размерам, шероховатости и субмикронной структуре, существует потребность сформулировать оптимальные параметры распределения и способ приближения к ним. Развитость поверхности на микроскопическом уровне достаточно адекватно отражается характеристикой удельной поверхности пористого материала.

Технический результат изобретения - ускорение прорастания тканей и повышение долговечности функционирования пористого имплантата в организме за счет оптимизации размеров пор и перегородок, уменьшения их разброса, а также увеличения их удельной поверхности.

Технический результат достигается тем, что при осуществлении способа получения пористого сплава на основе никелида титана, включающего формовку шихты из смеси порошков титана, никеля в цилиндрической оправке, предварительный подогрев, инициацию реакции СВС и охлаждение, отличие состоит в том, что шихту уплотняют до пористости 45-50%, а температуру предварительного подогрева выбирают в пределах 400-450°С. Улучшению технического результата способствует то, что полученный пористый сплав подвергают нескольким циклам химического травления, включающим погружение на 2-3 сек в раствор азотной и плавиковой кислот с последующей промывкой под струей воды, вплоть до появления металлического блеска, после чего образец погружают в воду на 10-12 часов.

Сущность изобретения поясняется фигурами 1-6.

Выбор параметров процесса получения пористого сплава на основе никелида титана определяется следующими соображениями.

Уплотнение шихты может производиться от насыпного состояния (порядка 15% пористости) до максимально утрамбованного - порядка 65%, превышение которого уже связано с повреждением оправки. При малой плотности трамбовки материал получается чрезмерно рыхлым, с крупными порами, большой размер которых снижает действие капиллярных сил, отвечающих за адгезию и удержание биологических жидкостей в имплантате. При большой плотности трамбовки материал получается близким к монолиту, с чрезмерно мелкими порами и с большим процентом замкнутых пор; малый размер пор ограничивает транспорт жидкостей и ограничивает распространение клеточных элементов, имеющих конечные размеры. Экспериментально установлено, что оптимальная структура пористости - со средним размером пор 100-150 мкм - получается в указанном диапазоне плотностей трамбовки 45-50%. Для получения оптимальной степени уплотнения шихту насыпают в кварцевую трубку и трамбуют в вертикальном положении. Степень уплотнения легко контролируется по уменьшению высоты насыпанной шихты в трубке.

Температура предварительного подогрева влияет на статистическое распределение пор по размерам. При низкой температуре предварительного подогрева процесс СВС происходит с дефицитом тепла, и составляющие шихты (порошки никеля и титана) не проплавляются целиком. Вследствие этого получается многофазный хрупкий материал из слабо скрепленных частиц никеля, титана и их произвольных соединений. Начиная с температуры 400°C подавляющая часть исходных компонентов трансформируется в многофазный сплав с достаточной механической прочностью и развитой пористой поверхностью. При температуре предварительного подогрева выше 450°C расплавление шихты в процессе СВС достигает такой степени, что пористая структура получается сглаженной, содержит значительное количество крупных пор и не обладает необходимой шероховатостью для полноценной адгезии биоматериала.

Сочетание режимов уплотнения шихты и температуры предварительного подогрева обеспечивает структуру пористого материала, близкую к оптимальной с точки зрения статистического распределения пор по размеру, по преобладанию открытых пор, по шероховатости перегородок.

Распределение пор и перегородок по размеру радикально влияет на механическую прочность пористого сплава в условиях длительного функционирования в организме при постоянной подвижности. Для металлических имплантатов из никелида титана особое значение имеет сходство между их деформационными характеристиками и аналогичными характеристиками биологических тканей. По мере увеличения пористости сплав проявляет все большую деформируемость, что связано с утончением межпоровых перегородок. Это обстоятельство позволяет подбирать для конкретных тканей, интегрируемых с имплантатом, величину пористости, придающую максимальное подобие механических свойств. Наряду с интегральной деформационной способностью, большое значение имеет однородность пористой структуры. Перегородки с одинаковым поперечным сечением испытывают при изгибе и сжатии пористого имплантата одинаковые напряжения, в то время как для более толстых перегородок при тех же макроскопических деформациях локальные напряжения и деформации оказываются значительно больше, чем для более тонких перегородок. В местах локализации повышенных напряжений в первую очередь развиваются дислокации, ведущие к постепенному разрушению имплантата. Таким образом, чем меньше доля укрупненных пор, тем меньше вероятность развития пластической деформации и выхода имплантата из строя в прижизненный период. Экспериментально отмечено, что в режимах уплотнения шихты и предварительного подогрева, указанных в формуле изобретения, наряду с оптимальным средним размером пор и высокой шероховатостью поверхности обеспечивается одномодальное распределение пор и перегородок по размеру с небольшим разбросом. Оптимальный средний размер пор для наилучшей прорастаемости клеток экспериментально определен в пределах 100-150 микрон.

Химическое травление циклическим погружением в смесь кислот обеспечивает вскрытие и растравливание наиболее мелких, субмикронных элементов пористой структуры. Время погружения от 3 до 4 сек обосновано требованиями равномерности контакта пористой поверхности с раствором кислот и возможности контролирования процесса. В момент погружения раствор проникает в глубину пористого образца постепенно. Поэтому при малом времени погружения равномерное смачивание не обеспечивается. При времени погружения больше 4 сек увеличивается вероятность чрезмерного протравливания, характеризующегося не только уничтожением субмикронных пор, но и увеличением числа пор крупного размера, что ведет к уменьшению адгезионной способности пористой структуры по отношению к биотканям. Промывка под струей воды обеспечивает завершение каждого отдельного цикла травления. Цикличный характер травления позволяет визуально контролировать состояние структуры образца и принимать решение о достижении оптимального состояния поверхности. Признаком этого служит появление металлического блеска, свидетельствующего о снятии оксидной пленки. В результате травления по предлагаемой методике шероховатость поверхности пор достигает максимума, а в перегородках между порами появляются дополнительные каналы. Как правило, выбирают травитель, содержащий HNO3 (30 мл), HF (10 мл), H2O (30 мл1), температура смеси составляет 50-70°C. Окончательная промывка образца погружением в воду на 10-12 часов обеспечивает радикальное удаление остатков травителя и предотвращает его разрушающее воздействие на субмикронные поры.

Результатом выбора режимов при получении пористого сплава на основе никелида титана методом СВС является структура материала, оптимальная как по инкубационным, так и по механическим свойствам.

Эффективность заявляемого способа подтверждается результатами микроскопического исследования самих образцов пористого сплава, включая фотографирование и расчет распределения по размерам пор, а также наблюдение темпов и качества прорастания образцов клеточными культурами.

На фиг.1 представлены микрофотографии двух образцов пористого сплава. Первый из них, именуемый далее «образец типа а», был получен в соответствии с заявляемым способом (при степени уплотнения 45%, температуре предварительного подогрева 450°C и с проведенным циклическим травлением. Второй, именуемый далее «образец типа б», был получен при температуре предварительного подогрева 600°C (б) и без травления. «Образец а» обладает развитой, извилистой структурой с шероховатой поверхностью стенок пор и множеством субмикронных пор (фиг.1, а). «Образец б» имеет гладкую, словно оплавленную поверхность пор, содержит малое количество микропор (фиг.1, б), вследствие чего обладает низкими адгезивными свойствами. В связи с этим такая поверхность менее пригодна для культивирования клеток, чем у вышеприведенного образца «а».

На фиг.2а, б представлены гистограммы распределения пор по размерам для тех же образцов. Судя по гистограмме фиг.2, а, можно видеть, что у «образца типа а», полученного при температуре предварительного подогрева 400°C, преобладают поры размером порядка 100-150 микрон, в то время как у «образца типа б» с температурой подогрева 600°C (фиг.2, б) размеры пор имеют более широкий разброс, в основном, в пределах от 100 до 450 мкм, причем встречаются поры размером вплоть до 1000 микрон. Ввиду такого значительного разброса в получаемом пористом материале в большом количестве присутствуют утолщенные перемычки, ограничивающие свободу деформации имплантата вместе с тканями и служащие локальными источниками дислокации, ведущими к более раннему механическому разрушению.

Наличие субмикронной пористой структуры является важным преимуществом материала, полученного в соответствии с заявляемым способом, от других материалов, получаемых путем СВС. На фиг.3 представлена гистограмма распределения субмикронных пор в образце типа «а». Можно видеть, что в дополнение к порам с размерами 1-150 микрон и более присутствуют поры с размерами от единиц до сотен нанометров, не встречающиеся в образце «б».

На фиг.4-6 представлены результаты культивирования клеточных структур. Культивирование клеточных культур было проведено на полученных образцах пористо-проницаемого никелида титана с использованием клеток костного мозга. Перед испытанием образцы-инкубаторы стерилизовали при 180°C в течение 60 мин. В качестве клеточного материала были использованы костномозговые стволовые клетки мышей-гибридов F1 CBA/j. В стерильных условиях извлекали бедренную кость. Костный мозг вымывали с помощью шприца во флаконы. Концентрацию клеток доводили до 4Н106/мл полной среды, засевали на инкубаторы из пористого никелида титана и помещали в 50 мл пластиковые флаконы фирмы "Coming". Культивирование in vivo происходило в среде, которая состояла: из среды DMEM-F12 ("ПанЭко", РФ), 10% эмбриональной телячьей сыворотки ("HyClone", США), гентамицина 40 мкг/мл ("ПанЭко", РФ), глутамина 250 мг/л ("ПанЭко", РФ). В систему с остеогенной дифференцировкой были введены дифференцировочные добавки: бета-глицерофосфат 3 мг/мл ("Sigma", США) в комбинации с 0,15 мг/мл аскорбиновой кислоты ("Sigma", США). Инкубаторы с клетками содержали при 37°C при 100% влажности с 5% СО2. Образцы на исследование отбирали на 7, 14, 21 сут. Образцы фиксировали в течение 1 ч в 2,5% глютаральдегиде ("Sigma", США), затем промывали 3 раза в PBS среде (15 мин каждый). Далее образцы фиксировали 1 ч в 1% тетраоксиде осмия ("Sigma", США), промывали 3 раза в PBS и затем дегидратировали, пропуская через ряд растворов этанола (30, 50, 70, 90, 100%) по 15 мин в каждом. Каждый образец инкубатора был исследован на растровом электронном микроскопе Quanta 200-3D.

Анализ развития клеток в разные сроки в образцах-инкубаторах «а» и «б», полученных разными способами, показал, что рост, размножение клеток и образование тканей идут в них в целом по одним и тем же механизмам. Однако в образцах типа «б» эти процессы идут гораздо медленнее, чем в образцах типа «а». Особенности взаимодействия клеток с поверхностью инкубаторов заключаются в том, что клетки прикрепляются чаще и в больших количествах на развитую, шероховатую микропористую поверхность, где имеется множество мелких субмикронных пор, служащих дополнительными хранилищами питательных сред. Клетки прикрепляются к стенкам мелких пор, затем начинают активно расти, размножаться и заполнять все поровое пространство. Структурный анализ роста клеток костного мозга в структуре пористых инкубаторов, полученных разными методами, выявил ряд различий.

На 7 сутки в инкубаторах типа «а» наблюдается на стенках пор и по всему объему высокая плотность отдельных клеток и их скоплений. Большое количество псевдоподий выстилают поверхность стенок пор, что подтверждает активный процесс размножения и жизнедеятельности клеток (фиг.4, а). В образцах типа «б» в указанный срок количество и плотность клеток на стенках пор и объеме заметно ниже (фиг.4, б). Сквозь клеточную массу просматривается структура стенок пор. Отмечаются в основном отдельные клетки.

На 14 сутки поровое пространство инкубатора типа «а» начинает заполняться тканевыми структурами различной плотности (фиг.5, а). Отдельные клетки лишь изредка просматриваются в этой ткани. Массивные псевдоподии сменили характер распространения с поверхностного на объемный, что говорит об активном заполнении инкубатора тканевыми структурами. Совокупность клеток и массивных волокон образует растущую ткань. Плотность этого слоя ткани такова, что структура материала никелида титана уже не просматривается. Контуры клеток потеряли свою сферичность и практически не выделяются в общей массе ткани. В образце инкубатора типа «б» также наблюдается дальнейший рост числа клеток, их развитие и размножение (фиг.5, б). Однако плотность их в объеме инкубатора не высока, отмечается выраженная неоднородность развития клеточной массы в порах разного размера. В отдельных порах наблюдаются лишь отдельные клетки с псевдоподиями, тогда как в других порах начинается процесс тканеобразования, состоящий из генерации крупных волокон и межклеточного матрикса.

На 21-е сутки инкубаторы типа «а» заполнены практически полностью образовавшейся тканью (фиг.6, а). Процесс образования ткани прошел как в массивных, так и в малых порах. Ткань в порах плотная, имеет определенный структурный рисунок, характеризующийся наличием плотных волокон и тяжей, что говорит о ее зрелости. В порах инкубатора типа «б» наблюдается заметная неоднородность в степени заполнения пор (рис.6, б). В отдельных порах (чаще крупных) присутствуют колонии клеток, в других (мелких) - клетки с плотными тяжами, подиями, большое количество межклеточного матрикса или уже сформированная ткань. То есть, при сохранении последовательности механизмов и этапов тканеобразования в целом, процесс роста тканей в порах образца «а» опережает по времени развитие тканей в образце «б». Главными факторами «отставания» в развитии тканевых структур у образца «б» являются его структурные характеристики, а именно гладкая поверхность стенок пор с малым количеством микропор - потенциальных мест прикрепления клеток.

Таким образом, результаты экспериментов показывают, что интеграционная связь клеток костного мозга с пористо-проницаемыми инкубаторами на основе никелида титана в принципе имеет место для образцов обоих типов: как получаемых известным способом, так и получаемых в соответствии с заявляемым способом. Вместе с тем, экспериментальные результаты демонстрируют преимущества заявляемого способа, который обеспечивает ускоренное развитие тканевых структур в получаемых пористых имплантатах, служащих эндопротезами или клеточными инкубаторами. Помимо этого, достигаемое уменьшение разброса размеров пор обеспечивает повышенную механическую устойчивость пористых имплантатов в функционирующем организме.

1. Способ получения пористого сплава на основе никелида титана, включающий формовку шихты из смеси порошков титана и никеля в цилиндрической оправке, предварительный подогрев, инициацию реакции СВС и охлаждение, отличающийся тем, что шихту уплотняют до пористости 45-50%, а температуру предварительного подогрева выбирают в пределах 400-450°С.

2. Способ получения пористого сплава на основе никелида титана по п.1, отличающийся тем, что полученный пористый сплав подвергают нескольким циклам химического травления, включающим погружение на 2-3 сек в раствор азотной и плавиковой кислот с последующей промывкой под струей воды, вплоть до появления металлического блеска, после чего образец погружают в воду на 10-12 часов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в энергетическом машиностроении и приборостроении, в медицине, при низкотемпературном формировании исходной формы изделий из материалов с термоупругими мартенситными превращениями.

Изобретение относится к металлургии, а именно к пружинам из никелида титана, и может быть использовано для управления деформационными свойствами обратимого формоизменения, такими как угловое (поворотное) и осевое (поступательное) перемещение витой пружины.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к способу получения никелевой полосы из нескольких, по меньшей мере, по существу цельных катодных листов. Способ получения никелевой полосы из катодных листов характеризуется тем, что полосу получают горячей прокаткой по отдельности листов, которые соединяют в полосу, или горячей прокаткой полосы после соединения отдельных листов.
Изобретение относится к приборостроению и может использоваться для изготовления упругих подвесов чувствительных элементов динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ).

Изобретение относится к приборостроению и может использоваться для изготовления упругих подвесов чувствительных элементов динамически настраиваемых гироскопов (ДНГ).
Способ фиксации и лечения короно-радикулярных переломов многокорневых зубов относится к медицине, в частности к стоматологии, и может быть использовано для постоянной фиксации и лечения короно-радикулярных переломов многокорневых зубов.

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к дисперсионно-упрочненным жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано в качестве материала для трубчатой оболочки тепловыделяющего элемента реакторов на быстрых нейтронах.

Изобретение относится к металлургии, к коррозионно-стойким жаропрочным сплавам на основе никеля и может быть использовано для изготовления деталей горячего тракта газотурбинных установок, работающих в агрессивных средах.

Группа изобретений относится к технике производства тонких прутков и проволоки, обладающих эффектом «памяти» формы и сверхупругостью из сплавов системы никель-титан с эффектом «памяти» формы, используемых в авиации, радиоэлектронике, медицине, космической технике, машиностроении и других областях техники.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению жаропрочных сплавов на основе никеля, обладающих высоким сопротивлением ползучести и растяжению.
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к получению высокотемпературных композиционных материалов на основе ниобия с оксидным упрочнением.
Изобретение относится к цветной металлургии, в частности к производству деформируемых автоматных сплавов на основе алюминия, содержащих магний и свинец. Способ включает загрузку в печь и расплавление всех предусмотренных компонентов шихты, кроме магния и свинца, которые вводят в расплав в виде лигатуры, содержащей 70-40% магния и 30-60% свинца, после чего расплав перемешивают, рафинируют, отстаивают и кристаллизуют.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к сплавам на магниевой основе и способам их получения. Способ получения сплава на магниевой основе включает обеспечение расплава магния или магниевого сплава, добавление 0,01-30 мас.% оксида щелочноземельного металла на поверхность расплава, поверхностное перемешивание в течение от 1 секунды до 60 минут на 0,1 мас.% добавленного оксида щелочноземельного металла с обеспечением его диссоциации и частичного расходования, обеспечение возможности взаимодействия щелочноземельного металла, полученного в результате расходования оксида щелочноземельного металла, с магнием и/или легирующим элементом в магниевом сплаве с получением интерметаллического соединения, удаление оксида щелочноземельного металла, остающегося после реакции, вместе со шлаком, разливку и кристаллизацию.
Изобретение относится к области металлургии благородных металлов, в частности к производству платины или платинородиевых сплавов, упрочненных дисперсными оксидными частицами, и может быть использовано при изготовлении стеклоплавильных аппаратов (СПА) и фильерных питателей (ФП), эксплуатируемых в агрессивных средах в условиях высоких температур.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству жаропрочных сплавов на основе никеля, и может быть использовано при выплавке сплавов для литья лопаток газотурбинных двигателей.
Изобретение относится к порошковой металлургии. Способ получения композиционного материала на основе никеля включает перемешивание порошков для приготовления матрицы материала и дисперсного порошка оксида металла, механическое легирование полученной смеси, компактирование и прокатку полученного сплава.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к материалам для изготовления штамповочного инструмента. Пуансон из цементированного карбида для изготовления металлических банок для напитков.

Изобретение относится к получению литого композиционного материала на основе алюминиевого сплава для изготовления деталей сложной формы. Расплавляют основу, вводят в нее композицию, включающую армирующие частицы Аl2О3, на поверхности которых механической активацией предварительно сформирован слой Аl, и разливают в форму.

Изобретение относится к алюминиевым сплавам, полученным без вреда для окружающей среды и имеющим отличную устойчивость к окислению. Способ получения продукта из алюминиевого сплава включает получение магниевой лигатуры путем введения в расплав магния частиц на основе Ca размером 0,1-500 мкм в количестве 0,001-30 мас.%, введение полученной лигатуры в расплав алюминия в количестве 0,0001-30 мас.
Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано при послойном нанесении материала по аддитивной технологии. Проводят предварительное механическое легирование исходной порошковой смеси из порошков титана и элементов, способных образовывать с ним твердые растворы замещения, в инертной среде в мельнице с дозой энергии от 5 до 15 кДж/г, достаточной для образования гранул из указанного твердого раствора замещения.

Изобретение относится к прессованию порошковых заготовок в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС). Устройство содержит контейнер с расположенной в ней цилиндрической матрицей, верхний и нижний пуансоны, рабочие поверхности которых расположены напротив друг друга с образованием замкнутого пространства, верхний и нижний пневмоцилиндры, которые посредством штоков соединены соответственно с опорными поверхностями верхнего и нижнего пуансона.

Изобретение относится к металлургии, а именно к получению пористых металлических материалов методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и может использоваться в медицинской имплантологии. Пористый сплав на основе никелида титана получают из шихты, уплотненной до пористости 45-50 при температуре предварительного подогрева 400-450°С. Полученный пористый сплав подвергают нескольким циклам химического травления в растворе азотной и плавиковой кислот до появления металлического блеска, после чего образец погружают в воду на 10-12 часов. Ускоряется прорастание тканей и повышается долговечность функционирования пористого имплантата в организме за счет оптимизации размеров пор и перегородок, уменьшения их разброса, а также увеличения их удельной поверхности. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Наверх