Метод за модифициране на повърхността на титаниеви импланти с прахообразни биокерамични материали
Собственици на патент RU 2549984:
Изобретението се отнася до медицината, а именно до метод за модифициране на повърхността на титанови импланти с прахообразни биокерамични материали. При прилагането на метода се извършва термична обработка на повърхността на титаниеви импланти с аргоно-плазмена струя при ток на дъгата 150-250 A, продължителност 2,5-3,0 минути при разстояние на обработка 80-120 mm, последвано от струйна обработка на термично активираната повърхност с прахообразен биокерамичен материал с размер на частиците 150-500 μm при налягане на струята 0,6 -0,7 МРа за 10-15 сек. Методът е технологично прост, дава възможност за модифициране на повърхността на титаниеви импланти с биокерамични частици и осигурява създаването на високоефективна остеоинтегративна повърхностна структура на имплантите. 1 з.п. f-ly, 2 pr.
Изобретението се отнася до областта на медицинската техника и по-специално до методи за формиране на биокерамични покрития върху титаниеви импланти за стоматологията, травматологията и ортопедията и може да се използва при производството на вътрекостни и транскостни имплантни структури.
При модифициране на повърхността на титаниеви импланти най-често се използват методите на плазмено напръскване на прахови биокерамични покрития. В същото време механичната якост на такива прахови покрития в много случаи е на ниско ниво; праховите частици често се отскачат от основата при удар с нея. В допълнение, не винаги е възможно да се получи силно развита морфология на третираните с плазма повърхности на импланти, за да се осигури тяхната ефективна остеоинтеграция. Известните технологични методи за създаване на биокерамични слоеве върху импланти се характеризират с повишена сложност и трудоемкост, а механичната якост на получените прахови покрития ена ниско ниво, което силно ограничава функционалната надеждност на титановите имплантни структури.
Недостатъкът на този метод е липсата на развита остеоинтеграционна структура на повърхността на титаниеви импланти и технологичната сложност на тяхната модификация с прахообразни биокерамични материали.
Недостатъкът на този метод обаче е липсата на техническа осъществимост за получаване на биокерамичен слой (хидроксиапатитно покритие) с развита остеоинтеграционна структура, както и високата технологична сложност на нанасяне на биокерамични прахови частици върху повърхността на титаниеви импланти.
Въпреки това, значителен недостатък на този метод е технологичната сложност на модифициране на повърхността на имплантите с прахообразен биокерамичен материал.
Целта на изобретението е да се получи развита остеоинтеграционна структура на повърхността на титанови импланти чрез създаване на технологично прости условия за тяхната модификация с прахообразни механично здрави биокерамични материали.
Техническият резултат от изобретението е да се увеличи морфологичната хетерогенност на повърхността на имплантите и да се увеличи силата на нейното сливане с костта.
Задачата се постига поради факта, че в предложения метод за модифициране на повърхността на титаниеви импланти с прахообразни биокерамични материали, включително термична обработка на повърхността на титанови импланти с аргонова плазмена струя, съгласно предложеното техническо решение, топлинната обработка на повърхността на титанови импланти с аргонова плазмена струя се извършва при ток на дъгата 150-250 A, продължителност 2,5-3,0 минути на разстояние на обработка от 80-120 mm, последвано от струйна обработка, която термично активира повърхността с прахообразен биокерамичен материалдисперсия на частици 150-500 микрона при налягане на струята 0,6-0,7 MPa за 10-15 секунди. В същото време като прахообразни биокерамични материали се използват механично здрави оксиди на титан, тантал, цирконий и алуминий. В резултат на предварителната топлинна обработка на имплантите с аргоно-плазмена струя, настъпва термично активиране на титановата повърхност с увеличаване на нейната пластичност, което улеснява въвеждането и насърчава силната фиксация на частици от прахообразен биокерамичен материал в него по време на последващо взривяване на имплантите.
Разликата между предложения метод и прототипа се състои във факта, че активиращата термична обработка на повърхността на имплантите чрез излагането й на аргоно-плазмена струя се извършва при ток на дъгата 150-250 A, продължителност 2,5-3,0 минути на разстояние 80-120 mm, за да се повиши нивото на пластичност на повърхностните титанови слоеве, и след това прахоструйна обработка на топлинно активираната повърхност с частици от биокерамичен материал с дисперсия от 150-500 микрона се извършва при струи под налягане от 0,6-0,7 MPa за 10-15 секунди, за да се образува морфологично развита остеоинтегративна структура на имплантите.
Същността на предложения метод се състои в това, че процесът на модифициране на повърхността на титаниеви импланти с прахообразни биокерамични материали се извършва първо чрез предварително активиране на топлинна обработка на повърхността на импланта с аргон-плазмена струя при ток на дъгата 150-250 A, продължителност 2,5-3,0 минути на разстояние 80-120 mm, поради което титановата повърхност се нагрява до температура 1 70-200°C с увеличаване на нейната пластичност и намаляване на твърдостта, след което такава термично активирана повърхност се бластира (бластира) с прахообразен биокерамичен материал (механично здрави оксидититан, тантал, цирконий, алуминий) с дисперсия от 150-500 микрона при налягане на струята от 0,6-0,7 MPa за 10-15 секунди. В същото време, в процеса на бластиране, частиците от прахообразен биокерамичен материал се въвеждат в нагрятата титанова повърхност, която при охлаждане на повърхността, придружена от увеличаване на нейната твърдост и намаляване на пластичността, се фиксират здраво в нея с образуването на развита и морфологично хетерогенна биокерамична структура.
Тези технологични условия за модифициране на повърхността на титанови импланти се различават от метода според прототипа с по-ниска трудоемкост и лекота на изпълнение на процеса, ви позволяват да създавате повърхностни биокерамични структури с висока механична якост и морфологична хетерогенност.
Стойностите на тока на дъгата от 150-250 A по време на предварителната аргоно-плазмена обработка на титанови импланти гарантират, че на повърхността се дава необходимото пластично състояние и намалена твърдост, за да се намали съпротивлението срещу проникване на частици от прахообразен биокерамичен материал по време на последващо бластиране на повърхността. В същото време стойностите на тока на дъгата по-малки от 150 A не осигуряват високо пластично състояние на титановата повърхност, което затруднява въвеждането и фиксирането на частици от прахообразен биокерамичен материал в повърхностния метален слой, а стойностите на тока на дъгата над 250 A водят до необратими структурни и химични промени в титановата основа, до деформация на самата структура на импланта и до намаляване на якостните характеристики на повърхността.
Продължителността на въздействието на аргоно-плазмената струя, която е 2,5-3,0 минути, е избрана въз основа на условията за осигуряване на висока пластичност на титановата повърхност по време на топлинна обработка. Отклонение от посочените стойностиВременният режим не позволява постигане на такова състояние на повърхността на импланта, при което има ефективно въвеждане и фиксиране на частици от прахообразен биокерамичен материал в него по време на бластиране.
Стойностите на разстоянието на обработка с аргон-плазмена струя по-малко от 80 mm водят до прекомерно нагряване на титановата повърхност с опасност от локално топене, а стойностите на разстоянието над 120 mm не осигуряват термично активиране на повърхността, при което има значително увеличение на нейната пластичност.
Стойностите на дисперсност на частици от прахообразен биокерамичен материал, които са в диапазона 150-500 μm, са избрани от условията за получаване на такава морфологична повърхностна структура, която има висока остеоинтеграционна способност.
Стойностите на налягането на праховата струя на ниво 0,6-0,7 MPa са технологично най-подходящи, т.к. при по-ниски налягания не е възможно да се осигури проникването и силната фиксация на частици от прахообразен биокерамичен материал в повърхността на термично обработените титанови импланти, а при високи стойности на налягането на праховата струя настъпва значителна деформация на титановата повърхност, придружена от втвърдяване и значителна промяна във физичните и механичните свойства.
Продължителността на струйно третиране на титанови импланти с частици от прахообразен биокерамичен материал, която е 10-15 секунди, дава възможност за формиране на морфологично развита биокерамична структура на имплантите. Ако взривяването се извършва за по-малко от 10 s, тогава не е възможно да се модифицира цялата повърхност на титаниеви импланти с частици от прахообразен биокерамичен материал, а ако взривяването се извършва за повече от 15 s, частиците отскачатпрахообразен биокерамичен материал от термично активираната повърхност на имплантите поради охлаждането му, което води до загуба на висока пластичност и увеличаване на твърдостта на повърхностните слоеве.
Пример 1. Взема се титанов имплант, фиксира се върху инструмент в камерата на плазмена инсталация тип BPEC и с помощта на плазмена горелка се извършва предварителна активираща топлинна обработка на повърхността му с аргон-плазмена струя при стойност на тока на дъгата 250 A, продължителност 2,5 минути, на разстояние 80 mm. Благодарение на такава топлинна обработка повърхността на титана се нагрява до температури от порядъка на 170-200 ° C, което е придружено от увеличаване на нейната пластичност и намаляване на твърдостта на повърхностните слоеве. След това плазмената горелка се изключва и в камерата на плазмената инсталация с фиксиран термично активиран имплант се извършва бластиране (продухване) на повърхността на импланта с частици от циркониев оксид с дисперсия 150 μm при налягане на праховата струя 0,6 МРа за 10 сек. Тази обработка се извършва с помощта на пясъкоструйка, чийто компресор създава необходимото налягане за подаване на прах от циркониев оксид. В този случай, в процеса на взривяване, в нагрятата титанова повърхност се въвеждат частици от циркониев оксид, които при охлаждане на повърхността се фиксират здраво в нея с образуването на развита и морфологично хетерогенна биокерамична структура.
Пример 2. Взема се титанов имплант, фиксира се върху инструментална екипировка в камерата на плазмена инсталация тип BPEC и с помощта на плазмена горелка се извършва предварителна активираща топлинна обработка на повърхността му с аргон-плазмена струя при стойност на тока на дъгата 150 A, продължителност 3,0 минути, на разстояние 120 mm. Благодарение на такава топлинна обработка титановата повърхност се нагрява до температури от порядъка на 170-200°C, коетопридружен от повишаване на нивото на неговата пластичност и намаляване на твърдостта на повърхностните слоеве. След това плазмената горелка се изключва и в камерата на плазмената инсталация с фиксиран термично активиран имплант се извършва бластиране (продухване) на повърхността на импланта с частици от титанов оксид с дисперсия 500 μm при налягане на праховата струя 0,7 MPa за 15 секунди. Тази обработка се извършва с помощта на пясъкоструйка, чийто компресор създава необходимото налягане за подаване на прах от титанов оксид. В същото време, в процеса на взривяване, в нагрятата титанова повърхност се въвеждат частици от титанов оксид, които при охлаждане на повърхността се фиксират здраво в нея с образуването на развита и морфологично хетерогенна биокерамична структура.
Повърхността на титанови импланти, получени по заявения метод на модификация, се характеризира със следните параметри: адхезия, MPa - 25-27, относителна грапавост (безразмерен параметър) 0,6-0,75, плътност на разпределение на биокерамични частици (плътност на микроиздатини), 1/cm - 120-190.
Положителният ефект от предложеното изобретение, който се състои в увеличаване на морфологичната хетерогенност на повърхността на импланта и в увеличаване на силата на сливането му с костта, се постига чрез получаване на развита остеоинтеграционна структура на повърхността на титанови импланти чрез създаване на технологично прости условия за модифицирането им с механично здрави прахообразни биокерамични материали.
1. Метод за модифициране на повърхността на титанови импланти с прахообразни биокерамични материали, включващ термична обработка на повърхността на титанови импланти с аргонова плазмена струя, характеризиращ се с това, че термичната обработка на повърхността на титанови импланти с аргонова плазмена струя се извършва при дъгов ток150-250 A, продължителност 2,5-3,0 min при разстояние на обработка 80-120 mm, последвано от струйна обработка на термично активираната повърхност с прахообразен биокерамичен материал с размер на частиците 150-500 микрона при налягане на струята 0,6-0,7 MPa за 10-15 sec.
2. Метод за модифициране на повърхността на титанови импланти с прахообразни биокерамични материали съгласно претенция 1, характеризиращ се с това, че като прахообразни биокерамични материали се използват оксиди на титан, тантал, цирконий и алуминий.