Способ получения биомедицинского материала


 


Владельцы патента RU 2599039:

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки "Институт химии твердого тела Уральского Отделения Российской Академии наук" (RU)

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения костных имплантов на основе титана с биоактивным покрытием. Для этого на пористую основу, содержащую титан, наносят 12-14% водную суспензию гидроксиапатита (ГАП) в течение 2-3 сек. Затем материал помещают в 2-3%-ную водную суспензию ГАП и импрегнируют в вакууме при 2·10-10÷9·10-10 мм рт. ст. в трех-пятикратном пульсационном режиме. Соотношение между длительностью импульса и паузы составляет от 3-5 до 10-15. Изобретение обеспечивает технологически простой способ получения биомедицинского материала на основе пористого титана, позволяющий достичь равномерного и прочного покрытия во всем объеме пор материала и сохранить биологическую активность ГАП. 1 ил., 4 пр.

 

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения пористого материала на основе титана с биоактивным покрытием, который в дальнейшем может быть использован для изготовления костного имплантата.

Известен способ получения имплантатов, в котором в качестве основы используется титановая лента, из которой просекают сетку с квадратными или ромбовидными ячейками с величиной сторон 0,8-2,5 мм и шагом 0,05-0,1 мм. На поверхность сетки методом плазменного напыления наносят слой титана толщиной 50-100 мкм из порошка дисперсностью 60-150 мкм, который затем покрывают слоем биокерамики толщиной 30-50 мкм из порошка дисперсностью 40-60 мкм. Напыление может быть однослойным (титан) или двухслойным (титан + биокерамика), односторонним или двусторонним (патент RU №2157245; МПК A61L 27/06, A61F 2/28; 1999 год).

Известный способ является сложным, трудоемким, а биологическая активность гидроксиапатита (ГАП) теряется при высокотемпературной обработке в процессе плазменного напыления.

Известен также способ получения биомедицинского материала для создания костных имплантатов на основе пористого сплава титан-кобальт в режиме СВС, включающий приготовление экзотермической смеси исходных реагентов из порошка титана и кобальта, добавление в смесь не более 4 мас. % гидрида титана, не более 15 мас. % аморфного нанодисперсного порошка ГАП или аморфного нанокомпозита ГАП с биополимером природного происхождения, прессование из смеси порошков заготовки, размещение ее в реакторе СВС, предварительный нагрев заготовки до 350-580°C, инициирование процесса горения в инертной атмосфере с последующим выделением целевого продукта (патент RU №2341293; МПК A61L27/04, A61L27/06, A61L27/24, A61F2/28; 2007 год)(прототип).

Известный способ является многостадийным, высокотемпературная обработка приводит к разложению биоактивного гидроксиапатита и поровое пространство сплава покрывается соединениями кальция, фосфора и кислорода, представляющими собой продукты его распада, биоактивность которых значительно ниже, чем у гидроксиапатита. Необходимо отметить, что любая высокотемпературная обработка переводит гидроксиапатит в кристаллическую структуру, менее растворимую по сравнению с минеральной составляющей кости (Е.А. Богданова. Диссерт. на соискание уч. степ. канд. хим. наук. Физико-химические свойства биоактивных композиционных материалов на основе фосфатов кальция и кремнийорганических соединений. Екатеринбург, 2012).

Таким образом, перед авторами была поставлена задача - разработать простой способ получения биомедицинского материала, обеспечивающий сохранение минерального состава биоактивного компонента - гидроксиапатита (ГАП) наряду с хорошей адгезией нанесенного покрытия.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения биомедицинского материала, включающем нанесение на пористую основу, содержащую титан, покрытия из гидроксиапатита, в котором нанесение осуществляют путем импрегнирования водной суспензией гидроксиапатита, при этом окунают пористый титан в 12-14%-ную водную суспензию гидроксиапатита на 2-3 сек, а затем помещают в 2-3%-ную водную суспензию гидроксиапатита и осуществляют в вакууме 2·10-10÷9·10-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷5.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения биомедицинского материала путем импрегнирования суспензией гидроксиапатита разной концентрации и осуществлением в вакууме 2·10-10÷9·10-10 мм рт. ст. 3-5-кратного пульсационного режима с определенным соотношением между длительностью импульса и паузы.

В качестве биосовместимой высокопористой основы авторы предлагают использовать пористый титан, обладающий такими свойствами, как: биосовместимость, коррозионная стойкость, достаточно низкий модуль упругости (С.М. Баринов, B.C. Комлев. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 205 с.). Роль биоактивного материала, усиливающего остеоинтеграцию имплантата с костью, выполняет покрытие гидроксиапатита (ГАП), которое получают из суспензии, полученной в соответствии с патентом RU 2406693. Проведенные авторами исследования позволили разработать способ получения биоактивного покрытия на пористом титане, позволяющий сохранить минеральный состав биоактивного компонента - гидроксиапатита (ГАП) наряду с хорошей адгезией нанесенного покрытия. Для достижения необходимого результата авторами предлагается способ пульсационного вакуумного импрегнирования, в ходе которого осуществляют осаждение частиц ГАП из суспензии, получая покрытие не только пор поверхности высокопористого титана равномерным слоем биоактивного материала, но и пор во всем его объеме. Перед обработкой в вакууме образцы титана окунают в 12-14%-ную суспензию ГАП для снижения пористости и исключения проскока суспензии при вакуумировании. При использовании суспензии с концентрацией менее 12% возможен проскок суспензии при дальнейшем вакуумировании. Использование суспензии с концентрацией выше 14% ведет к значительному снижению пористости, что затрудняет получение покрытия в порах по всему объему. Обработку суспензией ГАП в вакууме осуществляют в интервале определенных технологических параметров. Так повышение давления выше 9·10-10 мм рт. ст. не позволяет прокачать водную суспензию через весь объем образца, поэтому происходит излишнее увеличение толщины покрытия на его поверхности, способствующее в дальнейшем растрескиванию последнего, при одновременном слабом покрытии пор в объеме. При снижении давления меньше 2·10-10 мм рт. ст. наблюдается неконтролируемый проскок водной суспензии через пористый образец, что приводит к нарушению равномерности покрытия. Пульсационный режим импрегнирования включает в себя чередующиеся стадии подвода вакуума и паузы. Длительность импульса составляет 3-5 сек, длительность паузы -10-15 сек. Пролонгирование первой стадии ведет к утоньшению покрытия, а второй - к замедлению технологического процесса. 3-5-кратная пропитка ГАП позволяет достичь его максимального содержания от массы титана в зависимости от исходной пористости основы. Увеличение количества пропиток приводит к зарастанию и снижению остеоинтеграционных свойств материала, а уменьшение мешает возможности создания сплошного биоактивного покрытия.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Пористый титан (пористость 40-45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с концентрацией 12-14% в течение 2-3 сек, затем заполняют емкость 2-3% водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(OH)2 с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10-10÷9·10-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷5. После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 6,0-13,5 мас. % от массы титана.

Содержание ГАП от массы титана определяют путем взвешивания образцов до и после обработки. Морфологию образующегося в процессе вакуумного импрегнирования покрытия пор исследовали методом Брунауэра, Эммета и Тейлера (БЭТ) низкотемпературной адсорбцией азота на приборе Gemini VII 2390 VI.03 (V1.03 t) и установили, что в результате пропитки ГАП формируется новая развитая поверхность, о чем свидетельствует изменение величины площади удельной поверхности в случае образцов с начальной пористостью 45% с 0,3256±0,0453 до 11,4029±0,0831 м2/г, а с начальной пористостью 40% с 0,3943±0,0120 до 8,7330±0,0585.

Микрофотографии образцов пористого титана до и после покрытия (см. фиг.1) получали на анализирующем сканирующем электронном микроскопе JSM 6390 LA (JEOL-Япония).

Прочность сцепления биоактивного покрытия с титановой основой определяли методом ультразвукового воздействия в ультразвуковой ванне «САПФИР 1,3 ТТЦ» при мощности 35 кГц. Потеря массы образца с покрытием ГАП по предлагаемому способу после обработки ультразвуком в течение 1 часа при температуре 25°C составляет 0,16 мас. %, что позволяет оценить прочность адгезии как достаточно высокую.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 40%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с концентрацией 12% в течение 2 сек, затем заполняют емкость 2% водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10-10 мм рт. ст. 3-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3:15 (длительность импульса 3 сек; длительность паузы 15 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 6,0 мас. % от массы титана. На фиг.1 изображена микрофотография поверхности титана пористости 40%: а) исходный образец титана; б) образец титана с покрытием ГАП.

Пример 2. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 40%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с концентрацией 12% в течение 3 сек, затем заполняют емкость 2% водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 9·10-10 мм рт. ст. 5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 5:10 (длительность импульса 5 сек; длительность паузы 10 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 8,1 мас. % от массы титана.

Пример 3. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с концентрацией 14% в течение 2 сек, затем заполняют емкость 3% водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10-10 мм рт. ст. 3-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3:15 (длительность импульса 3 сек; длительность паузы 15 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 11,4 мас. % от массы титана. На фиг. 1 изображена микрофотография поверхности титана пористости 45%: в) исходный образец титана; г) образец титана с покрытием ГАП.

Пример 4. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с концентрацией 14% в течение 3 сек, затем заполняют емкость 3% водной суспензией ГАП состава Ca10(PO4)6(ОН)2 с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 9·10-10 мм рт. ст. 5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 5:10 (длительность импульса 5 сек; длительность паузы 10 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 13,5 мас. % от массы титана.

Таким образом, авторами предлагается технологически простой способ получения биомедицинского материала на основе пористого титана, позволяющий сохранить биологическую активность ГАП за счет исключения высоких температур при обработке и достичь равномерного и прочного покрытия не только поверхности, но и пор во всем объеме.

Способ получения биомедицинского материала, включающий нанесение на пористую основу, содержащую титан, покрытия из гидроксиапатита, отличающийся тем, что нанесение осуществляют путем импрегнирования водной суспензией гидроксиапатита, при этом окунают пористый титан в 12-14%-ную водную суспензию гидроксиапатита на 2-3 сек, а затем помещают в 2-3%-ную водную суспензию гидроксиапатита и осуществляют в вакууме 2·10-10÷9·10-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷15.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к медицине. Описан способ получения покрытий на элементах эндопротезов крупных суставов человека, выполненных из титана и его сплавов, включающий помещение имплантата в ванну с раствором электролита, содержащего ионы Са и Р, подключение имплантата и вспомогательного электрода к источнику питания, охлаждение электролита теплообменником, при этом готовят электролит, для чего растворяют в дистиллированной воде гидроксид кальция Са(OH)2, затем добавляют метасиликат натрия пятиводного Na2SiO3×5H20 и перемешивают до образования белого дисперсного взвешенного осадка, затем добавляют натрий фосфорнокислый двузамещенный двенадцативодный Na2HPO4×12H2O и перемешивают до полного его растворения, причем для обработки титана марок ВТ1-0, Grade 2, 3, 4, электролит готовят из расчета массы сухого вещества в граммах на литр состава: Са(OH)2 - 1,6; Na2SiO3×5H2O - 8,0; Na2HPO4×12H2O - 5,0; а для обработки сплавов ВТ6 (Ti-6Al-4V) и Ti-6Al-7Nb исходный электролит, применяемый для титана марок ВТ1-0, Grade 2, 3, 4, разбавляют дистиллированной водой в соотношении 2 части электролита и 1 часть воды; а для защиты не предназначенных для обработки частей элементов эндопротезов на них наносят маскирующую изолирующую оснастку на основе поливинилсилоксанового силикона аддитивного отверждения, далее проводят микродуговое оксидирование в течение 10-30 мин в мягком анодно-катодном режиме с синусоидальной формой тока плотностью 0,1±0,02 А/см2, причем на первой минуте используют анодный режим включения при соотношении анодного и катодного токов не менее 10:1.

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 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 получению пористых структур на поверхности изделий из титана или его сплава и может быть использовано при изготовлении эндопротезов и зубных имплантатов на титановой основе, для подготовки поверхности титановых имплантатов под нанесение биосовместимых покрытий, а также для получения носителей катализаторов и композитных материалов. Способ включает формирование на поверхности изделий из титана или его сплава слоя, содержащего карбид титана, с последующим травлением в азотной кислоте, при этом упомянутый слой формируют путем электродуговой обработки катодно-поляризованного титана или его сплава с использованием перемещаемого над обрабатываемой поверхностью графитового анода при силе тока дугового разряда не менее 60 А в 0,1-0,2% водном растворе NaCl, а травление ведут в азотной кислоте с концентрацией не менее 10 мас.% до полного растворения карбида титана, затем промывают обработанную поверхность водой и сушат на воздухе. Технический результат - увеличение толщины и пористости получаемого на поверхности титана или его сплава пористого слоя при одновременном формировании сложного внутреннего рельефа пор. 2 з.п. ф-лы, 3 ил., 4 пр.
Наверх