Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием



Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием
Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием
Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием
Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием
Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием

 


Владельцы патента RU 2597750:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) (RU)

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии и травматологии, и может быть использовано для изготовления внутрикостных эндопротезов на титановой основе. Изобретение относится к способу изготовления внутрикостного стоматологического имплантата. Способ заключается в предварительной подготовке поверхности основы имплантата, изготовленной из титана, включающей механическую обработку титановой основы (формообразование), механическую полировку, затем очистку поверхности и химическое обезжиривание, последующую обработку поверхности титановой основы пучком ионов гелия с имплантацией ионов гелия в титановую основу и формированием пористой структуры на поверхности имплантата, при этом имплантацию ионов гелия проводят с энергией 100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2, затем сформированную пористую структуру обрабатывают в вакуумной среде углекислого газа (СO2) пучком ионов инертного газа аргона с имплантацией ионов аргона в сформированную пористую структуру титана с образованием углеродной алмазоподобной беспористой пленки, при этом имплантацию ионов аргона проводят с энергией 40-130 кэВ и дозой облучения 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2, что позволяет получать внутрикостные стоматологические имплантаты с повышенными показателями микротвердости, усталостной прочности и остеоинтеграции. 1 з.п. ф-лы, 2 табл., 7 ил.

 

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии и травматологии, и может быть использовано для изготовления внутрикостных эндопротезов на титановой основе.

Известен способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с плазмонапыленным биоактивным покрытием [Патент РФ 2146535, МПК A61L 27/00, А61С 8/00, опубликован 20.03.2000], состоящий в напылении плазменным методом на титановую основу системы покрытий различной дисперсности и толщины из 5 слоев при этом напыление ведут послойно в режимах, обеспечивающих плавный переход от компактной структуры титановой основы к поверхностному пористому слою.

Недостатком данного изобретения является то, что многокомпонентное, многослойное покрытие имеет различные коэффициенты термического расширения, что не способствует прочному закреплению (адгезии) слоев покрытия. Кроме того, слабая воспроизводимость процесса плазменного напыления ведет к уменьшению процента выхода годных изделий.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием [патент РФ 2074674, МПК: A61F 2/28, опубликован 10.03.1997], включающий изготовление из титана универсальным способом (токарная, фрезерная обработка с последующей чистовой обработкой и химическим обезжириванием поверхности) основы имплантата цилиндрической, пластинчатой или трубчатой формы с последующей пескоструйной обработкой поверхности и нанесение на основу имплантата методом плазменного напыления системы из четырех слоев - двух слоев титана или гидрида титана различной толщины, третьего слоя из механической смеси титана или гидрида титана и гидроксиапатита с соотношением соответственно 60-80 мас % и 20-40 мас % и наружного слоя гидроксиапатита.

Недостатками данного изобретения являются невысокая биосовместимость и остеоинтеграция, хрупкость, недостаточная твердость и усталостная прочность покрытия, недостаточная воспроизводимость состава покрытия по поверхности основы.

Задача изобретения заключается в разработке способа изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием, характеризующихся повышенной микротвердостью и усталостной прочностью внутрикостных имплантатов.

Техническим результатом является повышение микротвердости и усталостной прочности внутрикостных имплантатов за счет создания с применением эффекта блистерингового порообразования пористой структуры поверхности титановой основы без нанесения многослойного покрытия и последующего синтеза на ней углеродной алмазоподобной беспористой пленки, обладающей высокой химической инертностью и микротвердостью, способствующей быстрому росту костной ткани (остеоинтеграции).

Поставленная задача решается тем, что при осуществлении способа изготовления внутрикостного стоматологического имплантата, заключающегося в предварительной подготовке поверхности основы имплантата, изготовленного из титана, включающей механическую обработку титановой основы, затем механическую полировку, очистку поверхности и химическое обезжиривание, новым является то, что после обезжиривания, полированную поверхность титановой основы сначала обрабатывают пучком ионов гелия с имплантацией ионов гелия в титановую основу и формированием пористой структуры на поверхности имплантата, затем поверхность имплантата со сформированной пористой структурой обрабатывают в вакуумной среде углекислого газа (CO2) пучком ионов инертного газа аргона с имплантацией ионов аргона (Ar+) в сформированную пористую структуру титана с образованием углеродной алмазоподобной беспористой пленки, при этом имплантацию ионов гелия проводят с энергией 100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2, а имплантацию ионов аргона проводят с энергией 40-130 кэВ и дозой облучения 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена схема имплантации ионов гелия в титановую основу имплантата; фиг. 2 представлена фотография поверхности титановой основы имплантата с размером пор 100-250 мкм после имплантации ионов гелия (He+) с энергией 100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2; на фиг. 3 - график зависимости плотности пор (N) на поверхности титана от энергии и дозы ионов гелия (He+) (о, Δ - экспериментальные средние значения 20 экспериментов, соответственно); на фиг. 4 - график зависимости диаметра пор (d) от энергии и дозы ионов гелия (He+) (о, Δ - экспериментальные средние значения 20 экспериментов, соответственно); на фиг. 5 - схема синтеза углеродной алмазоподобной беспористой пленки, образованной на пористой поверхности титановой основы при имплантации ионов аргона с энергией 40-130 кэВ и дозой облучения 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2 в среде углекислого газа (CO2); на фиг. 6 - график дозовой зависимости микротвердости титана при имплантации ионами аргона (о, Δ - экспериментальные средние значения 20 экспериментов, соответственно); на фиг. 7 - график зависимости влияния имплантации ионов аргона на усталостную прочность титана (о, Δ, • - экспериментальные средние значения 20 экспериментов, соответственно).

Способ осуществляют следующим образом.

Изготавливают основу внутрикостного стоматологического имплантата из титана известными методами токарной и фрезерной обработки, механической полировки (Лясникова А.В., Дударева О.А. Медицинские имплантаты: учеб. пособие / А.В. Лясникова, О.А. Дударева. Москва: Прондо, 2014. - 792 с.).

Очистку поверхности титановой основы имплантата проводят в растворе с содержанием ПАВ, в теплой воде 45°C на установке ультразвуковой очистки ПСБ-Галс при интенсивности ультразвуковых колебаний 1,2 Вт/см, частоте УЗ колебаний - 22 кГц, продолжительности обработки - 3 мин.

Химическое обезжиривание титановой основы имплантата проводят в растворе тринатрийфосфата (30-50 г/л) при температуре раствора 70-90°C, время обработки 3-10 мин.

Полированную поверхность титановой основы после очистки и химического обезжиривания обрабатывают пучком ионов гелия с имплантацией ионов гелия в титановую основу и формированием пористой структуры на поверхности имплантата на установке ионного легирования, например, «Везувий-5».

Имплантацию ионов гелия проводят с энергией 100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2.

При этом гелий подают из баллона в камеру испарения источника ионов установки ионного легирования, например, «Везувий-5», где происходит ионизация гелия эмитированными горячим (2500…3000°C) катодом электронами.

Из образующегося плазменного облака ионы гелия (He+) отбирают (вытягивают) электрическим полем с вытягивающим напряжением, оптимальными значениями которого для ионов гелия являются Uвыт.=5, 10, 15 кВ.

Вытягивающийся из источника ионный (He+) пучок фокусируют, ускоряют в формирователе пучка ионов, и он попадает на поверхность титановых имплантатов, которые закреплены на барабане в приемной камере, в объеме которой создают вакуум до ~10-6 мм рт. ст. с помощью механических и высоковакуумных насосов, которое фиксируют термопарным и ионизационным датчиками вакуума и вакуумметром. Дозиметры, установленные в приемной камере, обеспечивают контроль над дозой имплантации, технологические параметры процесса имплантации задаются ЭВМ установки ионного легирования.

При имплантации легких ионов гелия (He+) в поверхность титана (фиг. 1), в ней возникают дефекты (блистеры) - будущие поры - с характерными размерами (несколько мкм) и большой степенью регулярности (Гусева М.И., Мартыненко Ю.В. Радиационный блистеринг / М.И. Гусева, Ю.В. Мартыненко // Успехи физических наук. Москва: 1981. - Т. 135. - Вып. 4. - 671-689 с.).

При достижении пороговой дозы имплантируемых ионов гелия (He+) происходит вскрытие крышек блистеров и образование пор в поверхности титановой основы (фиг. 2).

Экспериментально полученными оптимальными дозами ионов гелия, необходимыми для проведения процесса порообразования в процессе ионной имплантации, т.е. внедрения ионов гелия в поверхность титановой основы внутрикостного имплантата с целью образования дефектов (блистеров), вскрытия крышек блистеров и образования пор в поверхности титановой основы, являются 6·1017-6·1018 ион/см2 с энергией E=100-200 кэВ (фиг. 3, фиг. 4). При дозах ионов гелия менее 6·1017 ион/см2 и более 6·1018 ион/см2 не происходит формирования достаточно плотной пористой структуры поверхности титановой основы на основе явления блистеринга, снижаются остеоинтеграционные свойства титанового внутрикостного имплантата.

Таким образом, при имплантации ионов гелия с энергией E=100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2 формируется пористая структура поверхности титановой основы имплантата с размером пор 100-250 мкм. Размеры пор находятся в пределах от d~100-250 мкм с плотностью N~1016-1017см-3 (Тетельбаум Д.И. Ионная имплантация / Д.И. Тетельбаум // Москва: Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010. - №5(2). - 250-259 с.) и определяются энергией и дозой имплантации ионов гелия в титановую основу.

Сформированную пористую структуру поверхности титановой основы имплантата обрабатывают в вакуумной среде углекислого газа (СО2) пучком ионов инертного газа аргона с имплантацией ионов аргона в сформированную пористую структуру титана с образованием углеродной алмазоподобной беспористой пленки (фиг.5) на установке ионного легирования, например, «Везувий-5».

Для этого в объеме приемной камеры установки ионного легирования создают вакуум ~10-6 мм рт. ст. с помощью высоковакуумных насосов, который фиксируют ионизационным датчиком высокого вакуума и вакуумметром, далее в приемную камеру через игольчатый клапан из баллона по герметичному трубопроводу подают углеродсодержащий газ, например, оксид углерода (CO2), при этом давление в камере автоматически изменяют в сторону повышения, но не более 10-4 мм рт. ст., так как в более низком вакууме на поверхности адсорбируется сажевое образование, что является недопустимым, и не менее 5·10-5 мм рт. ст., так как при таком значении вакуума уменьшается скорость адсорбции молекул углеродсодержащей среды (CO2), что замедляет процесс образования сплошного слоя углеродосодержащих молекул, необходимого для образования углеродной алмазоподобной беспористой пленки. Оптимальным диапазоном давления (вакуума) для образования углеродной алмазоподобной беспористой пленки является мм рт. ст. Данный процесс повторяется постоянно с целью поддержания заданной величины давления в объеме приемной камеры установки вплоть до завершения набора дозы ионов аргона.

Аргон подают из баллона в камеру испарения источника ионов установки ионного легирования, например, «Везувий-5», где происходит ионизация атомов аргона эмитированными горячим (2500…3000°C) катодом электронами.

Из образующегося плазменного облака ионы аргона (Ar+) отбирают (вытягивают) электрическим полем с вытягивающим напряжением, оптимальными значениями для ионов аргона являются Uвыт.=5, 10, 15 кВ.

По аналогии с ионами гелия, вытягивающийся из источника ионный (Ar+) пучок фокусируют, ускоряют в формирователе пучка ионов и он попадает на пористую поверхность, сформированную в процессе блистерингового порообразования, то есть при имплантации ионов гелия, титановых имплантатов, которые закреплены на барабане в приемной камере в вакуумной среде углекислого газа.

Имплантацию ионов аргона проводят с энергией 40-130 кэВ и дозой облучения 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2. При этом толщина образующейся углеродной алмазоподобной беспористой пленки составляет 6-8 нм.

При энергетическом воздействии имплантируемых ионов аргона в углеродсодержащей среде в поверхностном слое адсорбированных атомов углеродсодержащих фрагментов происходят процессы ионизации и диссоциации молекул, приводящие к возникновению заряженных радикалов, процесс синтеза которых стимулируется энергетическим воздействием внедряемых ионов аргона и контролируется поступлением электронов из нижележащего металла титана. По мере увеличения толщины синтезируемого слоя поступление электронов к поверхности реакции затрудняется, и при достижении толщины порядка длины туннелирования электронов рост углеродной алмазоподобной пленки прекращается. Наиболее интенсивно процесс синтеза протекает на участках слоя с меньшей толщиной и порами, что обеспечивает высокую равномерность и беспористость пленки (Перинская И.В. Механизмы влияния ионной имплантации на химическую активность металлов / И.В. Перинская, В.В. Перинский, В.Н. Лясников // Технология металлов. - 2009. - №8. - С. 22-25.)

Механизм синтеза на сформированной поверхностной пористой структуре титана углеродной алмазоподобной беспористой пленки гарантирует высокую адгезию за счет ионного перемешивания фрагментов углеродной алмазоподобной беспористой пленки на поверхности пор титановой основы с приповерхностным слоем титана.

Экспериментально полученными оптимальными дозами ионов аргона, необходимыми для формирования углеродной алмазоподобной беспористой пленки на поверхности пористой структуры титана, являются 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2 с энергией 40-130 кэВ. При дозах ионов аргона менее 1,25·1016 ион/см2 и более 3,1·1016 ион/см2 не происходит формирования углеродной алмазоподобной беспористой пленки на поверхности пористой структуры титановой основы имплантата, снижаются микротвердость и усталостная прочность имплантированного ионами аргона пористого титана в среде углекислого газа (CO2), что подтверждается результатами исследования (фиг. 6, фиг 7).

В таблице 1, 2 приведены примеры реализации предлагаемого способа при различных режимах облучения титановой основы, а также полученные результаты измерения микротвердости и усталостной прочности.

Микротвердость титана марки ВТ 1-00 в исходном состоянии составляет 220-230 кгс/мм2 и увеличивается после имплантации ионов аргона (Ar+) до 310-330 кгс/мм2, т.е. на 30%. Максимальное увеличение твердости наблюдается при дозе имплантируемых ионов аргона (Ar+) 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2, что связано с образованием радиационных дефектов и, как следствие, с возникновением энергетического барьера и закреплением дислокаций.

Микротвердость поверхностного слоя измеряли методом вдавливания алмазного индентора на цифровом микротвердомере HVS-1000 В при нагрузке 20 гс.

Испытания на усталостную прочность проводили по схеме консольного знакопеременного изгиба до разрушения. Максимальное знакопеременное изгибающее напряжение по сечению образца 240-450 МПа при частоте 22,5 Гц.

Максимальное повышение усталостной прочности происходит при дозе имплантации ионов аргона 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2, т.е. той же, что и максимум дозовой зависимости твердости. Из графика на фиг. 7 видно, что усталостная прочность зависит от дозы имплантируемых ионов аргона и практически не зависит от энергии ионов аргона в исследуемом диапазоне.

Очевидно, это связано с формированием углеродной алмазоподобной беспористой пленки на поверхности пористой структуры титановой основы имплантата. Удаление этого слоя химическим травлением приводит к ухудшению усталостных свойств и уменьшению микротвердости.

Таким образом, разработан способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов, с повышенными остеоинтеграционными свойствами, которые подтверждаются тем, что при введении в костную ткань титанового имплантата со сформированной пористой структурой титановой основы с размером пор 100-250 мкм и сформированной на ее поверхности углеродной алмазоподобной беспористой пленкой наблюдается эффективное прорастание кости в поры поверхности (остеоинтеграция), так как отростки клеток костной ткани, прорастающие в образованные поры поверхности имплантата, имеют размеры (диаметр) 100-250 мкм, что обеспечивает прочное закрепление внутрикостного имплантата и длительное его функционирование в организме человека.

Предлагаемое техническое решение позволяет изготавливать внутрикостные стоматологические имплантаты с пористой поверхностной структурой титановой основы и сформированной на ее поверхности углеродной алмазоподобной беспористой пленки с повышенными показателями микротвердости и усталостной прочности, что подтверждается тем, что экспериментально полученные результаты измерения микротвердости изготовленных по описанной технологии имплантатов составляют 310-330 кгс/мм2, что значительно приближается к микротвердости костной ткани (400-450 кгс/мм2), тогда как микротвердость титана в исходном состоянии составляет всего 220-230 кгс/мм2. Экспериментально полученные результаты измерения усталостной прочности свидетельствуют о ее повышении на ~22% относительно результатов измерения усталостной прочности титана в исходном состоянии, что важно, так как внутрикостные стоматологические имплантаты, установленные в ротовой полости на протяжении всего срока своего функционирования, испытывают большие знакопеременные нагрузки (жевание, речь, мимика).

1. Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата, заключающийся в предварительной подготовке поверхности основы имплантата, изготовленного из титана, включающей механическую обработку титановой основы, с последующей механической полировкой, очисткой поверхности и химическим обезжириванием, отличающийся тем, что после обезжиривания полированную поверхность титановой основы сначала обрабатывают пучком ионов гелия с имплантацией ионов гелия в титановую основу и формированием пористой структуры на поверхности имплантата, затем поверхность имплантата со сформированной пористой структурой обрабатывают в вакуумной среде углекислого газа (СO2) пучком ионов инертного газа аргона с имплантацией ионов аргона (Ar+) в сформированную пористую структуру титана с образованием углеродной алмазоподобной беспористой пленки, при этом имплантацию ионов гелия проводят с энергией 100-200 кэВ и дозой 6·1017-6·1018 ион/см2, а имплантацию ионов аргона проводят с энергией 40-130 кэВ и дозой облучения 1,25·1016-3,1·1016 ион/см2.

2. Способ по п. 1 отличается тем, что обработку поверхности имплантата со сформированной пористой структурой в вакуумной среде углекислого газа (СО2) проводят при давлении 10-4-5·10-5 мм рт. ст.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к изготовлению сплавов на основе никелида титана, применяемых для медицинских имплантатов. Способ изготовления литых изделий включает переплав металлического полуфабриката индукционной центробежной плавкой в карборундовом тигле.

Изобретение относится к медицине, а именно к ортопедической стоматологии и травматологии, и может быть использовано для изготовления внутрикостных эндопротезов на титановой основе.

Изобретение относится к медицине, а именно к медицинской технике, и может быть использовано для плазменно-иммерсионной ионной модификации поверхности изделия (имплантаты) из сплава на основе никелида титана медицинского назначения.

Изобретение может быть использовано при получении комбинированных пористо-монолитных имплантатов на основе никелида титана для применения в медицине. Шихта на основе порошка никелида титана содержит активирующую добавку в количестве 10-20 вес.% от общего веса шихты, включающую от 60 до 65 ат.% порошка титана электролитического с размерами частиц в интервале 40-70 мкм и от 40 до 35 ат.% порошка никеля карбонильного с размерами частиц в интервале 10-40 мкм.

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к ортопедической стоматологии, и может быть использовано при изготовлении внутрикостных имплантатов.

Изобретение относится к области медицины. Описано многослойное биоактивное покрытие титанового имплантата, вводимого в костную ткань человека, полученное атомно-слоевым осаждением и состоящее, по крайней мере, из слоев одного оксида переходного металла, выбранных из группы, включающей слои оксида титана, слои из оксида циркония, слои из оксида гафния, слои из оксида тантала, слои из оксида ниобия, из слоев многокомпонентного оксида (TiO2)x(Ta2O5)1-x, где х равен 0,8-0,95 со структурой твердого раствора на основе тетрагональной кристаллической решетки, с контролируемой толщиной покрытия, определяемой числом повторяющихся циклов осаждения соответствующих прекурсоров - химических реагентов в виде жидких органометаллических соединений указанных переходных металлов и воды.

Изобретение относится к области медицины и может быть использовано в стоматологической имплантологии в отделениях челюстно-лицевой хирургии и поликлинических стоматологических учреждениях.

Изобретение относится к медицине. Описан способ получения детонационного биосовместимого покрытия на медицинский имплантат, включающий механическую и химическую подготовку поверхности титанового имплантата, и затем осуществляют формирование покрытия путем напыления порошка гидроксиапатита на титановый имплантат.

Изобретение относится к медицине и заключается в способе получения биоактивного покрытия на титановом имплантате. Покрытие содержит слои из по меньшей мере одного оксида металла, выбранного из оксида титана, оксида циркония, оксида гафния, оксида тантала, оксида ниобия.
Изобретение относится к области медицинской техники, в частности к материалам для травматологии и ортопедии, и предназначено для изготовления медицинских имплантатов остеосинтеза.

Группа изобретений относится к медицинской технике. Устройство для генерирования потока нетеплового газообразного компонента выполнено с возможностью обработки ротового участка тела человека или животного посредством отбеливания или чистки зубов.

Изобретение относится к устройству для плазменной обработки газообразной среды. Устройство содержит генерирующее плазму устройство для создания в газообразной среде плазмы, диэлектрическую структуру, сформированную в виде трубки из плавленого кварца, причем плазма способна переноситься в диэлектрическую структуру, и камеру взаимодействия, включающую внутреннее пространство и стенку.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для дезинфекции раневых поверхностей биологических тканей и стимулирования процессов их заживления.

Изобретение относится к области химико-фармацевтической промышленности, в частности к индикаторам для плазменной стерилизации. .
Изобретение относится к способу обработки биологической ткани животного или человеческого происхождения, как, например, сердечных клапанов свиньи или сердечных клапанов из бычьего перикарда, или сердечных клапанов трупа человека и к соответствующим образом обработанной биологической ткани.

Изобретение относится к области дезинфекции и может быть использовано в различных областях промышленности. .

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано для стерилизации поверхностей биообъектов и жидких субстратов, а также подавления темпов роста экспериментальной лимфосаркомы Плиса in vivo.
Наверх