Спосіб модифікування поверхні титанових імплантатів порошковими біокерамічними матеріалами.
Власники патенту UA 2549984:
Винахід відноситься до медицини, а саме способу модифікування поверхні титанових імплантатів порошковими біокерамічними матеріалами. При здійсненні способу проводять термообробку поверхні титанових імплантатів аргоно-плазмовим струменем при струмі дуги 150-250 А, тривалості 2,5-3,0 хв на дистанції обробки 80-120 мм з подальшою струминною обробкою термоактивованої поверхні порошковим біокерамічним5 мкм при тиску струменя 06-07 МПа протягом 10-15 сек. Спосіб є технологічно простим, дозволяє модифікувати поверхню титанових імплантатів біокерамічними частинками та забезпечує створення високоефективної остеоінтеграційної поверхневої структури імплантатів. 1 з.п. ф-ли, 2 ін.
Винахід відноситься до галузі медичної техніки, а саме до способів формування біокерамічних покриттів на титанових імплантатах для стоматології, травматології та ортопедії, і може використовуватися при виготовленні внутрішньокісткових та часткових імплантаційних конструкцій.
При модифікуванні поверхні титанових імплантатів найбільше часто застосовують способи плазмового напилення порошкових біокерамічних покриттів. При цьому механічна міцність таких порошкових покриттів у багатьох випадках знаходиться на низькому рівні, часто спостерігається відскок частинок порошку від підкладки при зіткненні з нею. Крім того, не завжди вдається отримати високорозвинену морфологію плазмово-оброблених поверхонь імплантатів для забезпечення їх ефективної остеоінтеграції. Відомі технологічні способи створення біокерамічних шарів на імплантатах відрізняються підвищеною складністю та трудомісткістю, а механічна міцність одержуваних порошкових покриттів знаходитьсяна низькому рівні, що обмежує функціональну надійність титанових імплантаційних конструкцій.
Недоліком даного способу є відсутність розвиненої остеоінтеграційної структури поверхні титанових імплантатів та технологічна складність їх модифікування порошковими біокерамічними матеріалами.
Однак недоліком даного способу є відсутність технічної можливості отримання біокерамічного шару (гідроксиапатитового покриття) з розвиненою остеоінтеграційною структурою, а також висока технологічна складність нанесення частинок біокераміки порошку на поверхню титанових імплантатів.
Однак істотним недоліком цього способу є технологічна складність модифікування поверхні імплантатів порошковим біокерамічним матеріалом.
Завданням винаходу є одержання розвиненої остеоінтеграційної структури поверхні титанових імплантатів шляхом створення технологічно простих умов їх модифікування порошковими механічно міцними біокерамічними матеріалами.
Технічний результат винаходу полягає у підвищенні морфологічної гетерогенності поверхні імплантатів і підвищенні міцності її зрощення з кісткою.
Поставлена задача досягається за рахунок того, що в пропонованому способі модифікування поверхні титанових імплантатів 05 , тривалості 2,5-3,0 хв на дистанції обробки 80-120 мм з подальшим струменевим обробленням термоактивованої поверхні порошковим біокерамічним матеріаломдисперсністю частинок 150-500 мкм при тиску струменя 06-07 МПа протягом 10-15 сек. При цьому як порошкові біокерамічні матеріали застосовують механічно міцні оксиди титану, танталу, цирконію, алюмінію. В результаті попередньої термообробки імплантатів аргоно-плазмовим струменем відбувається термічна активація титанової поверхні зі збільшенням її пластичності, що полегшує впровадження та сприяє міцному закріпленню в ній частинок порошкового біокерамічного матеріалу при подальшій струминній обробці імплантатів.
Відмінність пропонованого способу від прототипу полягає в тому, що активуюча термообробка поверхні імплантатів шляхом впливу на неї аргоно-плазмового струменя проводиться при струмі дуги 150-250 A, тривалості 2,5-3,0 хв на дистанції 80-120 мм для збільшення рівня пластичності поверхневих титанових шарів, а потім здійснюється порошково-струменева обробка термоактивованої поверхні частинками біокерамічного матеріалу дисперсністю 150-500 мкм при тиску струменя 0,6-0,7 МПа протягом 10-15 с для формування морфологічно розвиненої остеоінтеграційної структури імплан.
Сутність запропонованого способу полягає в тому, що процес модифікування поверхні титанових імплантатів порошковими біокерамічними матеріалами здійснюють спочатку шляхом попередньої термообробки, що активує, поверхні імплантатів аргоно-плазмовим струменем при струмі дуги 150-250 A, тривалості 2,5-3,0 хв на дистанції мм, за рахунок чого титанова поверхня розігрівається до температури 170-200°C при підвищенні її пластичності та зниженні твердості, а потім виробляють струминну обробку (обдування) такої термічно активованої поверхні порошковим біокерамічним матеріалом (механічно міцні оксидититану, танталу, цирконію, алюмінію) дисперсністю 150-500 мкм при тиску струменя 0,6-0,7 МПа протягом 10-15 сек. При цьому в процесі струминної обробки відбувається впровадження частинок порошкового біокерамічного матеріалу в розігріту поверхню титану, які, при охолодженні поверхні, що супроводжується підвищенням рівня її твердості і зниженням пластичності, міцно закріплюються в ній з формуванням розвиненої і морфологічно гетерогенної біокерамічної структури.
Дані технологічні умови модифікування поверхні титанових імплантатів відрізняються від способу прототипу меншою трудомісткістю і простотою здійснення процесу, дозволяють створювати поверхневі біокерамічні структури з високою механічною міцністю і морфологічною гетерогенністю.
Значення струму дуги 150-250 A при попередній аргоно-плазмовій обробці титанових імплантатів забезпечують надання поверхні необхідного пластичного стану та зниженої твердості зменшення опору впровадженню частинок порошкового біокерамічного матеріалу при подальшій струминної обробці поверхні. При цьому значення струму дуги менше 150 A не забезпечують отримання високопластичного стану титанової поверхні, що ускладнює впровадження та закріплення частинок порошкового біокерамічного матеріалу в поверхневому металевому шарі, а значення струму дуги більше 250 A призводять до незворотних структурно-хімічних змін в титановій основі. самої конструкції імплантату і до зниження характеристик міцності поверхні.
Значення тривалості впливу аргоно-плазмового струменя, що становлять 2,5-3,0 хв, обрані виходячи з умов забезпечення високої пластичності титанової поверхні при термообробці. Відхилення від зазначених значеньтимчасового режиму не дозволяє досягти такого стану поверхні імплантату, при якому відбувається ефективне впровадження та закріплення в ній частинок порошкового біокерамічного матеріалу при струминній обробці.
Значення дистанції обробки аргоноплазмовим струменем менше 80 мм призводять до надмірного нагрівання титанової поверхні з небезпекою її локального оплавлення, а значення дистанції, що перевищують 120 мм, не забезпечують термічну активацію поверхні, при якій відбувається суттєве підвищення рівня її пластичності.
Значення дисперсності частинок порошкового біокерамічного матеріалу, що знаходяться в інтервалі 150-500 мкм, обрані з умов отримання такої морфологічної структури поверхні, яка має високу остеоінтеграційну здатність.
Значення тиску порошкового струменя лише на рівні 0,6-0,7 МПа є технологічно найбільш доцільними, т.к. при менших значеннях тиску не вдається забезпечити впровадження та міцне закріплення частинок порошкового біокерамічного матеріалу в поверхні термооброблених титанових імплантатів, а при великих значеннях тиску порошкового струменя відбувається суттєве деформування титанової поверхні, що супроводжується її наклепом та значною зміною фізико-механічних властивостей.
Значення тривалості струминної обробки титанових імплантатів частинками порошкового біокерамічного матеріалу, що становлять 10-15 с, дозволяють сформувати морфологічно розвинену біокерамічну структуру імплантатів. У разі, якщо струминна обробка проводиться менше 10 сек, то не вдається модифікувати всю поверхню титанових імплантатів частинками порошкового біокерамічного матеріалу, а у випадку, якщо струминна обробка здійснюється більше 15 сек, відбувається відскок частинокпорошкового біокерамічного матеріалу від термоактивованої поверхні імплантатів внаслідок її охолодження, що призводить до втрати високої пластичності та підвищення твердості поверхневих шарів.
Приклад 1. Беруть титановий імплантат, закріплюють його на оснастці в камері плазмової установки типу ВРЕC і за допомогою плазмотрона проводять попередню термообробку, що активує, його поверхні аргоно-плазмовим струменем при значенні струму дуги 250 A, тривалості 2,5 хв, на дистанції. За рахунок такої термообробки титанова поверхня розігрівається до температур близько 170-200°C, що супроводжується підвищенням рівня її пластичності та зниженням твердості поверхневих шарів. Потім вимикають плазмотрон і в камері плазмової установки із закріпленим термоактивованим імплантатом проводять струминну обробку (обдування) поверхні імплантату частинками оксиду цирконію дисперсністю 150 мкм при тиску порошкового струменя 0,6 МПа протягом 10 сек. Дану обробку проводять за допомогою піскоструминного апарату, компресор якого створює необхідний тиск подачі порошку оксиду цирконію. При цьому в процесі струминної обробки відбувається впровадження частинок оксиду цирконію в розігріту поверхню титану, які при охолодженні поверхні міцно закріплюються в ній з формуванням розвиненої і морфологічно гетерогенної біокерамічної структури.
Приклад 2. Беруть титановий імплантат, закріплюють його на оснащенні в камері плазмової установки типу ВРЕC і за допомогою плазмотрона проводять попередню термообробку, що активує, його поверхні аргоно-плазмовим струменем при значенні струму дуги 150 A, тривалості 3,0 хв, на дистанції. За рахунок такої термообробки титанова поверхня розігрівається до температур 170-200°C, щосупроводжується підвищенням рівня її пластичності та зниженням твердості поверхневих шарів. Потім вимикають плазмотрон і в камері плазмової установки із закріпленим термоактивованим імплантатом проводять струминну обробку (обдування) поверхні імплантату частинками оксиду титану дисперсністю 500 мкм при тиску порошкового струменя 0,7 МПа протягом 15 сек. Ця обробка проводиться за допомогою піскоструминного апарату, компресор якого створює необхідний тиск подачі порошку оксиду титану. При цьому в процесі струминної обробки відбувається впровадження частинок оксиду титану в розігріту поверхню титану, які при охолодженні поверхні міцно закріплюються в ній з формуванням розвиненої і морфологічно гетерогенної біокерамічної структури.
Поверхня титанових імплантатів, що заявляється способом модифікування, характеризується наступними параметрами: адгезією, МПа - 25-27, відносною шорсткістю (безрозмірний параметр) 0,6-0,75, щільністю розподілу частинок біокераміки (щільністю мікровиступів), 1/1.
Позитивний ефект передбачуваного винаходу, що полягає в підвищенні морфологічної гетерогенності поверхні імплантатів і в підвищенні міцності її зрощення з кісткою, досягається за рахунок отримання розвиненої остеоінтеграційної структури поверхні титанових імплантатів шляхом створення технологічно простих умов їх модифікування порошковими механічно міцними матеріалами.
1. Спосіб модифікування поверхні титанових імплантатів порошковими біокерамічними матеріалами, що включає термообробку поверхні титанових імплантатів аргоно-плазмовим струменем, який відрізняється тим, що термообробку поверхні титанових імплантатів аргоно-плазмовим струменем проводять при струмі дуги150-250 А, тривалості 2,5-3,0 хв на дистанції обробки 80-120 мм з подальшим струминним обробленням термоактивованої поверхні порошковим біокерамічним матеріалом дисперсністю частинок 150-500 мкм при тиску струменя 0,6-0,7 МПа протягом 1 -15 сек.
2. Спосіб модифікування поверхні титанових імплантатів порошковими біокерамічними матеріалами за п. 1, який відрізняється тим, що в якості порошкових біокерамічних матеріалів застосовують оксиди титану, танталу, цирконію, алюмінію.