CZ2012687A3 - Kloubní implantát a způsob jeho výroby - Google Patents

Kloubní implantát a způsob jeho výroby Download PDF

Info

Publication number
CZ2012687A3
CZ2012687A3 CZ2012-687A CZ2012687A CZ2012687A3 CZ 2012687 A3 CZ2012687 A3 CZ 2012687A3 CZ 2012687 A CZ2012687 A CZ 2012687A CZ 2012687 A3 CZ2012687 A3 CZ 2012687A3
Authority
CZ
Czechia
Prior art keywords
implant according
etching
implant
joint implant
carried out
Prior art date
Application number
CZ2012-687A
Other languages
English (en)
Other versions
CZ304445B6 (cs
Inventor
Jaroslav Fencl
Miloš Janeček
Josef Stráský
Petr Harcuba
Jana Havlíková
Lucie Bačáková
Original Assignee
Beznoska, S.R.O.
Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta
Fyziologický Ústav Av Čr, V.V.I.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beznoska, S.R.O., Univerzita Karlova v Praze, Matematicko-fyzikální fakulta, Fyziologický Ústav Av Čr, V.V.I. filed Critical Beznoska, S.R.O.
Priority to CZ2012-687A priority Critical patent/CZ304445B6/cs
Publication of CZ2012687A3 publication Critical patent/CZ2012687A3/cs
Publication of CZ304445B6 publication Critical patent/CZ304445B6/cs

Links

Landscapes

  • Prostheses (AREA)

Abstract

Kloubní implantát (1) je určen pro necementované náhrady zejména velkých kloubů, vyrobených ze slitiny titanu, přičemž jeho vnější plocha (5), určená pro integraci s kostní tkání, je alespoň na části svého povrchu tvořena elektrickými výboji ovlivněnou povrchovou vrstvou (6) o tloušťce 0,01 až 1,0 mm s členitým kráterovitým povrchem o drsnosti Ra v rozmezí 10 .mi.m až 50 .mi.m a s průměrem jednotlivých kráterů o velikosti 0,1 až 0,4 mm. Způsob výroby kloubního implantátu (1) přitom spočívá v tom, že tato vnější plocha (5) v místě vytvoření povrchové vrstvy (6) se do jejího dosažení nejprve podrobuje elektroerozivnímu obrábění proudem o velikosti nejméně 10 A a jako dokončovací operace se provádí její opracování kuličkováním pro vytvoření tlakových pnutí v povrchových a podpovrchových vrstvách opracovávaného materiálu. Před opracováním elektroerozivně obrobené povrchové vrstvy (6) kuličkováním se případně provádí její chemické leptání.

Description

Kloubní implantát a způsob jeho výroby
Oblast techniky
Vynález se týká kloubního implantátu pro necementované náhrady zejména velkých kloubů, zhotoveného ze slitiny titanu, jakož i způsobu jeho výroby.
Dosavadní stav techniky
V současné době se používají náhrady téměř pro všechny lidské klouby. Nejčastěji se ovšem implantují náhrady velkých kloubů - kyčel, koleno a rameno. Každý z implantátů pro tyto klouby musí vyhovovat určitým specifickým nárokům na konstrukci, které jsou dány anatomickou odlišností kloubů, charakterem pohybu a způsobem zatěžování. Některé požadavky jsou však pro ně společné. Bohužel jsou pro ně společné i problémy dané současnými technickými možnostmi a znalostmi. Úspěšnost každé endoprotézy je obecně ovlivněna řadou faktorů, počínaje konstrukcí implantátu pres způsob provedení operace až po podmínky používání. Co se týče materiálu samotné kloubní náhrady, patří mezi jeho nejdůležitější vlastnosti korozní odolnost, biokompatibilita a mechanické vlastnosti.
Žádoucí je co nejvyšší korozní odolnost, která je zajištěna tzv. pasivační vrstvou, a která musí být stabilní i při měnícím se pH (5,5 /- 7,8; některé zdroje uvádějí dokonce . J pH 3 /‘9) v okolí implantátu. V případě mechanického poškození povrchu je důležitá též rychlost opětovného vytvoření pasivní vrstvy (repasivace). Posouzení interakce mezi implantátem a tělním prostředím pacienta je zásadní k rozhodnutí o vhodnosti materiálu, popř. jeho povrchové úpravy, k implantaci. Podkladem jsou výsledky zkoušek předepsaných normou ČSN EN ISO 10993-1. Tyto zkoušky však eliminují pouze materiály nevhodné a víceméně postačují pro implantáty kotvené v kosti pomocí kostního cementu. Pro implantáty necementované jsou nedostatečné, protože na jejich základě nelze posoudit, jaký má materiál nebo povrchová úprava potenciál z hlediska osseointegrace, tj. např. jak rychle a dokonale se implantát integruje do okolní tkáně a také např. kdy ho může pacient začít plně zatěžovat. Materiály musí podporovat adhesi, růst a osteogenní diferenciaci osteoblastů, nesmí způsobovat jejich imunitní aktivaci, a rovněž nesmí poškozovat jejich metabolickou
-2aktivitu a genetickou informaci (tj. DNA). První informaci o splnění těchto předpokladů přinášejí specializované testy in vitro, kde sledovaný materiál slouží jako podložka pro růst osteoblastů. Na materiálech, které úspěšně prošly testy v buněčných kulturách, jsou dále prováděny testy na experimentálních zvířatech in vivo. Optimální kombinace pevnostních a únavových vlastností, popř. odolnosti proti otěru, spolu s přijatelnou tuhostí implantátu, podmíněnou modulem pružnosti základního materiálu, jsou pak nutným předpokladem pro dlouhodobou trvanlivost implantátu (v plně funkčním stavu) při obvyklém způsobu zatěžování v těle pacienta. Jsou zárukou, že nedojde k nežádoucím deformacím nebo lomu implantátu nebo naopak k nevratnému poškození okolní tkáně, popř. nežádoucí reakci tkáně na produkty otěru.
V současné době existuje mnoho různých typů necementovaných komponent TEP kyčelního kloubu, které mají vhodný tvar z pohledu přizpůsobení dřeňové dutině a dobře se implantují. Na trhu je řada implantátů, které mají osteoinduktivní povrch (např. hydroxyapatit - HA), a většina z nich se vyrábí ze slitin Ti. Přesto z hlediska zvýšení životnosti implantátu nedošlo již řadu let k výraznějšímu posunu. Ideální implantát není k dispozici proto, že reálné implantáty splňují dílčí požadavky vždy jen do určité míry. Požadované vlastnosti, uvedené v předchozím odstavci, nejsou z hlediska návrhu implantátu ve vzájemném rozporu, vyšší kvalitu implantátu je však možné zajistit pouze v případě, kdy se požadavky nebudou řešit odděleně.
V případě necementovaných endoprotéz je pak při této technice upevnění implantátu do kosti základem dobrá adhese a růst buněk na povrchu materiálu, které jsou následovány fenotypickou maturací osteoblastů, projevující se depozicí mineralizované kostní matrice na rozhraní buňka-materiál. Pokud je materiál protézy konstruován jako „pseudo 3D“, tj. má na svém povrchu nerovnosti, např. v podobě výstupků a prohlubní či pórů o velikosti řádově stovek mikrometrů, umožňuje i částečné vrůstání kostních buněk do implantátu. Tento vrůst je dále podpořen dalšími vhodnými povrchovými úpravami implantátu, jako je např. jeho nanostruktura hierarchicky deponovaná na výše uvedené makrostruktuře, přiměřená smáčivost, elektrický náboj apod..
* * ♦ · » · · 4« * ♦ ♦ · · · t · 4 · « · ·
-3Technika necementovaných protéz je vhodná především pro mladší pacienty, neboť umožňuje krátkodobé větší zatížení endoprotézy a očekává se i delší životnost.
Co se týče povrchové úpravy necementovaných endoprotéz, jsou známy různé způsoby jejího provádění, jako je obrábění, leptání, tryskání, tzv. „investment casting“ (tj. lití na vytavitelný model), porézní nástřik, atd.. Velmi používaným je například i plazmový nástřik hydroxyapatitem, jehož cílem je vytvořit hrubý a pokud možno bioaktivní povrch. Většina úprav je ovšem často doprovázena zhoršením mechanických vlastností implantátu, především snížením meze únavy, nebo jsou tyto úpravy rizikové z hlediska zajištění čistoty povrchu popř. jeho soudržnosti se substrátem. V současné době existuje shoda v tom, že standardem je porézní vrstva Ti, popř. opatřená tenkou vrstvou hydroxyapatitu (HA). Jednou z nevýhod procedury je však značná technologická náročnost, a tudíž vyšší náklady na provedení úpravy.
Z patentových spisů je z této oblasti známý například způsob povrchového ošetřování implantátů nebo protéz z titanu a jiných materiálů podle spisu WO02/024243, jehož podstata spočívá v tom, že samostatné a postupné ošetřování je prováděno na části implantátu s využitím tří kyselin, a to kyseliny fluorovodíkové, sírové a chlorovodíkové. Je tak dosaženo stejnoměrně rozložené drsnosti se širokým reliéfem. Tato povrchová plocha je poté uvedena do styku s plazmou, bohatou na růstové faktory.
Ze spisu W02002/071918 je pak dále známý způsob přípravy vyleptaných mikrožlábků na povrchu, jakož i tímto způsobem vytvořený chirurgický implantát a způsob fixace implantátu ke kosti.
Ze spisu WOOO/25841 je rovněž známý implantát s nosičem, zejména kovovým, a s alespoň jedním léčebným prostředkem, jakož i způsob jeho výroby. Nosič obsahuje alespoň částečně tvarovanou krycí vrstvu, uspořádanou v oblastech přicházejících do styku s tělesnou tkání a/nebo tělesnými tekutinami, která má množství dutin, vytvořených elektrolytickou oxidací s jednotlivými otvory, otevřenými směrem i «
-4k povrchu krycí vrstvy a určenými pro umístění léčebného prostředku. Krycí vrstva se skládá z alespoň v podstatě elektrolyticky oxidovaného oxidu hlinitého, hořečnatého, tantalnatého, železnatého a/nebo wolframového. Otvory a/nebo dutiny jsou vytvořeny rovnoměrné a mají průřez s největším nebo středním průměrem max. 100nm. Při výrobě implantátu dochází k vytvoření podtlaku v dutinách, do nichž se potom zavede léčebný prostředek a/nebo činidlo, které jej váže. Alternativně se léčebný prostředek a/nebo činidlo zavede do dutin pomocí ultrazvuku.
Z českého patentového spisu 6C 291685 je pak známý způsob úpravy povrchu titanových implantátů, jehož podstata spočívá v tom, že pro dosaženi texturovaného a hydratovaného submikroporézního povrchu implantátu se provádí moření opískovaného nebo mechanicky opracovaného povrchu v koncentrované kyselině chlorovodíkové nebo sírové 20 až 150 minut při 30 až 60£C. Po moření následuje leptání ve vodném roztoku 1 až 10 molárního hydroxidu alkalického kovu 1 až 24 hodin při 40 až 70^C a toužení v deionizované vodě 2 až 40 minut při 18 až 40^0 v ultrazvukové myčce.
Předmětem patentového spisu TW 200909112 je pak optimalizace možnosti přípravy porézní vrstvy oxidu titaničitého na povrchu implantátu pomocí elektroerozivního obrábění.
Z evropského patentového spisu EP 2215991A1 je pak známá trojstupňová metoda úpravy povrchu implantátu postupně kuličkováním částicemi oxidu hlinitého, leptáním ve směsi kyselin fluorovodíkové a sírové a následným tepelným zpracováním.
Nicméně ani tato známá řešení nejsou mnohdy optimální, implantáty nesplňují stále se zvyšující požadavky na jejich kvalitu a způsoby jejich výroby jsou málo efektivní.
Podstata vynálezu
Tyto nevýhody jsou do značné míry odstraněny kloubním implantátem pro necementované náhrady zejména velkých kloubů, zhotoveným ze slitiny titanu, jakož i způsobem jeho výroby podle předkládaného vynálezu.
i « ·
-5Podstata takovéhoto kloubního implantátu podle vynálezu, jako je např. femorální a acetabulárni komponenta totální náhrady kyčelního kloubu, spočívá v tom, že vnější plocha implantátu, určená pro integraci s kostní tkání, je alespoň na části svého povrchu tvořena elektrickými výboji ovlivněnou povrchovou vrstvou o celkové tloušťce 0,01 až 1,0 mm s členitým kráterovitým povrchem o drsnosti Ra v rozmezí 10 pm až 50 pm a s průměrem jednotlivých kráterů o velikosti 0,1 až 0,4 mm.
Podstata implantátu dle tohoto vynálezu dále spočívá v tom, že nejsvrchnější část o tloušťce alespoň dvou nanometrů z této celé elektrickými výboji ovlivněné povrchové vrstvy obsahuje v hmotnostním množství 35 až 80 % uhlíku, 5 až 15 % vodíku, 12 až 50 % kyslíku a 2 až 15 % titanu. V praxi se jedná o tloušťku této nejsvrchnější části elektrickými výboji ovlivněné povrchové vrstvy v rozmezí 2 až 8jnm, přičemž tímto svým složením tak tato nejsvrchnější část v zásadě odpovídá tzv. povlakům DLC (diamond-like carbon) se všemi jeho výhodami.
Podstata způsobu výroby kloubního implantátu podle vynálezu pak spočívá v tom, že vnější plocha implantátu v místě vytvoření povrchové vrstvy se do jejího dosažení nejprve podrobuje elektroerozivnímu obrábění, při němž se na nástrojovou elektrodu vloží napětí, které při přiblížení nástrojové elektrody a výrobku způsobí elektrický výboj v dielektriku. Tím dochází k roztavení mikroskopických částí materiálu a jejich následnému vyplavení. Výsledkem je obrábění výrobku. Jednou z klíčových součásti vynálezu je přitom využití vysokého špičkového proudu během elektrického výboje pro výrazné zdrsnění materiálu, a to proudu o velikosti 10 až 70 A, nejlépe však v rozmezí 25 až 40 A. Zdrsnění materiálu je sice v jiných aplikacích považováno za nevýhodné, v případě použiti vhodné slitiny titanu v ortopedii je naopak toto zdrsnění vhodné z hlediska urychlené osseointegrace (srůstání kosti a implantátu). Tento fakt byl experimentálně prokázán. To zvyšuje užitné vlastnosti materiálu z hlediska biokompatibility. Jako dokončovací operace se provádí opracování této povrchové vrstvy kuličkováním zejména pro vytvoření tlakových pnutí v povrchových a podpovrchových vrstvách opracovávaného materiálu. Toto vnitřní tlakové pnutí má zároveň pozitivní vliv na únavovou odolnost materiálu, která
-6byla před tím poněkud zhoršena elektroerozivním obráběním, což bylo prokázáno i v mnoha konkrétních případech titanových slitin.
Kuličkování povrchů s výraznou drsností pro zvýšení únavové odolnosti vyžaduje použití vhodného kuličkovacího media. Vzhledem k tomu, že místem preferenční iniciace únavové trhliny jsou vždy dna prohlubní na zdrsněném povrchu, je proto nezbytné použít dostatečně malé kuličkovací medium, které do těchto míst úspěšně pronikne. Zároveň je nutné použit co největší intenzitu kuličkovacího procesu (tzv. Almenovu intenzitu), pro jejíž měření se v praxi běžně používají standardizované hliníkové proužky různých typů, z nichž jeden z těchto typů nese označení A. Jednotkou intenzity je v případě použití tohoto typu hliníkového proužku pak jednotka „mmA“, označující při kuličkování jeho průhyb v milimetrech.
Podstata způsobu podle vynálezu proto dále spočívá vtom, že opracování kuličkováním se s výhodou provádí tvrdými kuličkami ze směsi keramiky na bázi ZrO2 a SiO2 o velikosti 125 až 500 pm při intenzitě kuličkovacího procesu minimálně 0,1 mmA. Pro velikost kuličkovacího media od 125 pm do 250 pm byla určena vhodná intenzita zhruba 0,17 mmA. Nicméně požadovaného účinku řešení dle vynálezu je dosaženo při minimální intenzitě kuličkovacího procesu 0,1 mmA v celém uvedeném rozsahu velikostí kuličkovacího média.
Podstata tohoto způsobu výroby kloubního implantátu spočívá dále i v tom, že jako dielektrikum pro elektroerozivní obrábění se s výhodou používá minerální olej, nicméně místo minerálního oleje přichází v úvahu i použití deionizované vody.
Podstata tohoto způsobu výroby spočívá rovněž i v tom, že elektroerozivní obrábění se provádí nástrojovou elektrodou z grafitu, připojenou na kladný pól elektrického zdroje. I zde však přichází v úvahu i použití nástrojové elektrody z jiných materiálů, zejména mědi či jiných vodivých materiálů.
Podstata způsobu výroby kloubního implantátu podle vynálezu spočívá dále i v tom, že před opracováním kuličkováním se s výhodou, a to zejména pro odstranění ϊ t
-Ί elektroerozí poškozeného materiálu a povrchových zbytků dielektrika, provádí chemické leptání elektroerozivně obrobené povrchové vrstvy. Toto chemické leptání se rovněž s výhodou provádí ve dvou krocích, kdy v prvním kroku se provádí leptání po dobu 2 až 6 minut, načež následuje okartáčování leptaného povrchu a poté ve druhém kroku se opakuje leptání opět po dobu 2 až 6 minut, přičemž pro leptání lze použit leptadlo tvořené směsí kyseliny fluorovodíkové, kyseliny dusičné, koncentrované kyseliny sírové a vody v široké škále koncentrací. Bylo totiž prokázáno, že materiál po provedení chemického leptání vykazuje vyšší biokompatibilitu než materiál pouze po elektroerozivním obrábění a kuličkování. Je to s největší pravděpodobností dáno zvýšeným obsahem kyslíku v povrchové vrstvě materiálu, což podporuje adsorpci proteinů, zprostředkujících adhesi buněk, a následnou adhesi a růst buněk. V našich testech provedených na slitině TÍ-6AI-4V zvýšilo chemické leptání obsah kyslíku na téměř 32 at.% oproti pouhým 19 at.% u materiálu opracovaném pouze elektroerozí (Tab. 1). Zároveň se v podmínkách buněčné kultury zvýšila i populační hustota lidských osteoblastických buněk na materiálu (obr. 5), plocha jejich rozprostření (obr. 6) a zvýraznila se i tvorba fekálních adhesních plaků, což nasvědčuje i zvýšení pevností adhese buněk k materiálu (obr. 7). I proto je vhodné chemické leptání zařadit jako mezikrok.
Podstata způsobu výroby podle vynálezu dále spočívá i v tom, že implantát se po elektroerozivním obrábění případně podrobuje i žíhání při teplotě 500 až 90(ϊο0 po dobu 90 až 150 minut za účelem snížení tahových pnutí, která byla tímto elektroerozivním obráběním vyvolána a která by mohla negativně ovlivňovat únavovou odolnost implantátu. Toto žíhání je přitom nejvýhodnější provést před případným leptáním.
Zásadním přínosem řešení dle vynálezu je, že kombinací výše uvedených procesů se docílí takových vlastností základního materiálu kloubního implantátu, které nejsou dosud dosažitelné, a že lze jimi získat implantát s uspokojivými mechanickými vlastnostmi a současně s vysokou biokompatibilitou a urychlenou osseointegrací. Základním materiálem implantátu mohou přitom být nejrůznější pro tyto účely í «
-8používané titanové slitiny, například slitina titanu o složení TÍ-6AI-4V, nebo ΤΊ-6ΑΙ7Nb (v %hmotnostních). K vysoké biokompatibilitě a urychlené osseointergraci kromě výše uvedené drsnosti Ra 10 pm až 50 pm povrchové vrstvy, kterou lze označit jako základní, navíc přispívá i drsnost na vnitřním povrchu kráterů vytvořených elektroerozí, kterou lze označit jako subdrsnost.
Přehled obrázků na výkresech
Vynález je dále blíže objasněn pomocí výkresů příkladného provedení vynálezu, kde obr. 1 znázorňuje kloubní implantát v příkladném provedení, obr. 2a až obr. 2h představují mikrostrukturu povrchu v různých místech povrchové vrstvy při malých zvětšeních, obr. 3a až obr. 3j představují tuto mikrostrukturu při velkých zvětšeních, na obr. 4 je graficky znázorněno zvýšení únavové pevnosti při různých způsobech výroby kloubního implantátu podle vynálezu, obr. 5 dokumentuje růst lidských kostních buněk linie MG 63 v kulturách na vzorcích slitiny TÍ6AI4V s různými povrchovými modifikacemi, které jsou předmětem tohoto vynálezu, obr. 6 plochu rozprostření buněk MG 63 na uvedených materiálech za 1 den po nasazení a obr. 7 metabolickou aktivitu těchto buněk za 3 dny po nasazení. Obr. 8a až 8e představuje v černobílém provedení imunofluorescenci talinu, proteinu fokálních adhesních plaků, v buňkách linie SAOS-2 za 24 hodin po nasazení na uvedené materiály, a tab. 1 dále koreluje chování buněk s obsahem kyslíku i dalších prvků ve svrchní části povrchové vrstvy uvedených vzorků.
Příklad provedeni vynálezu
Příklad 1
Kloubním implantátem je v příkladném provedení vynálezu femorální komponenta totální náhrady kyčelního kloubu, vyrobená ze slitiny titanu s 6 % hmot, hliníku a 4 % hmot, vanadu. Jak je patrno z obr. 1, vnější plocha 5 implantátu 1 na horní části jeho dříku 4 pod přechodovou částí 3 dříku 4 do kuželového krčku 2, určená pro integraci ' ř ' » * i t t žití ' t : ’ t i ·
-9s kostní tkání, je tvořena elektrickými výboji ovlivněnou povrchovou vrstvou 6 o celkové tloušťce 0,5 mm s členitým kráterovitým povrchem o drsnosti Ra 30 pm as průměrem jednotlivých kráterů o velikosti v průměru 0,3 mm. Nejsvrchnější část z této povrchové vrstvy 6 o tloušťce 3nm obsahuje v hmotnostním množství 60 % uhlíku, 5 % vodíku, 20 % kyslíku a 15 % titanu.
Jak je pak patrno z obr. 2a až obr. 2h, povrch po elektroerozivním obrábění je tvořen nepravidelnými krátery o velikosti 0,1 až 0,4 mm (viz např. obr. 2g) a dáte drobnějšími výběžky, které vznikají lokálním roztavením a opětovným ztuhnutím kovu během elektroerozivního obrábění. Např. na obr. 2d lze také pozorovat povrchové trhliny, jejichž negativní vliv na únavovou odolnost je eliminován následnými úpravami kuličkováním a případně i leptáním.
Při velkých zvětšeních je pak dáte z obr. 3a až obr. 3j patrná i drsnost na vnitřním povrchu elektroerozí vytvořených kráterů, označovaná výše jako subdrsnost, která dále přispívá k vysoké biokompatibilitě a urychlené osseointegraci.
Při konkrétním provádění způsobu výroby dle vynálezu se samozřejmě implantát nejprve vyrobí procedurou zápustkového kování nebo jinou tvářecí procedurou a následně tvarově obrobí. Poté vnější plocha 5 implantátu £ v místě vytvoření povrchové vrstvy 6 se do jejího dosažení nejprve podrobuje elektroerozivnímu obrábění proudem o velikosti 30 A. Dielektrikem pro elektroerozivní obrábění je minerální olej s použitím nuceného vyplachování. Vlastní elektroerozivní obrábění se provádí nástrojovou elektrodou z grafitu, připojenou na kladný pól elektrického zdroje.
Poté následuje chemické leptání elektroerozivně obrobené povrchové vrstvy 6, které se provádí ve dvou krocích, přičemž v prvním kroku se provádí teplání po dobu 4 minut. Povrchové zbytky po elektroerozí, které se během leptání nerozpouštějí, se během této doby alespoň uvolní a následně odstraní ručním okartáčováním leptaného povrchu mosazným kartáčem. Poté ve druhém kroku se opakuje leptání opět po dobu 4 minut. Leptání se provádí ponořením do leptadla, kterým je v tomto
-10případě koncentrované Krollovo leptadlo, tvořené 50 ml kyseliny fluorovodíkové, 150 ml kyseliny dusičné, 10 ml koncentrované (98%) kyseliny sírové a 285 ml vody. Části výrobku, které nemají být takto upraveny, postačí pečlivě oblepit izolační páskou, odolávající působení leptadla. Toto chemické leptání kromě odstranění elektroerozí poškozeného materiálu a povrchových zbytků i zaoblí případné ostré hrany nerovností, což je rovněž výhodnou úpravou pro zlepšení adhese a růstu kostních buněk.
Jako dokončovací operace se provádí opracování povrchové vrstvy 6 kuličkováním pro vytvoření tlakových pnutí v povrchových a podpovrchových vrstvách opracovávaného materiálu. Toto opracování kuličkováním se provádí tvrdými kuličkami ze směsi keramiky na bázi ZrO2 a SiO2 o velikosti 200 pm při intenzitě kuličkovacího procesu 0,17 mmA.
Průběh únavové odolnosti je pak patrný z obr. 4, kde jsou znázorněny i průběhy únavové odolnosti při různých kombinacích jednotlivých kroků v alternativních provedeních způsobu podle vynálezu, kde pro jednotlivé průběhy značí:
- EDM + CM - elektroerozivní obrábění + chemické leptání
- EDM + SP - elektroerozivní obrábění + kuličkování
- EDM + CM + SP - elektroerozivní obrábění + chemické leptání + kuličkování
- EDM - elektroerozivní obrábění (pouze pro porovnání)
Tyto průběhy dokladují již výše uvedené skutečnosti, týkající se zvýšení únavové odolnosti chemickým leptáním a kuličkováním nebo pouze kuličkováním po provedeném elektroerozivním obrábění. Kuličkování mělo v našich testech rovněž příznivý vliv na zvýšení obsahu kyslíku v povrchové vrstvě materiálu a na adhesi a růst kostních buněk, jak je pak patrno z tab. 1.
Rovněž pro různé kombinace kroků v alternativních provedeních způsobu podle vynálezu jsou na obr. 5 znázorněny růstové křivky lidských kostních buněk linie MG 63 v kulturách na slitině TÍ6AI4V opracované elektroerozí (EDM), elektroerozí ί » I
-11 spojenou s chemickým leptáním (EDM + CM), elektroerozí a kuličkováním (EDM + SP) a elektroerozí, chemickým leptáním a kuličkováním (EDM + CM + SP) v porovnání se standardním materiálem (ST), představovaným leštěnou slitinou Ti6AI-4V. Měřítkem počtu buněk je obsah DNA v buňkách, vynesený na ose y.
Z obr. 6 je pak patrná plocha rozprostření buněk MG 63 na uvedených materiálech za 1 den po nasazení. Průměr + S.E.M. z 35 měření. Hvězdičky označují statisticky významně větší plochu rozprostření oproti buňkám kultivovaným na materiálu opracovaném pouze EDM bez dalších modifikací.
Z obr. 7 je patrná metabolická aktivita lidských kostních buněk linie MG 63 na uvedených materiálech za 3 dny po nasazení, měřená testem aktivity mitochondriálních enzymů XTT. Průměr + S.E.M. z 5 měření. Hvězdičky označují statisticky významně vyšší hodnoty u buněk na modifikovaných materiálech ve srovnáni s materiálem opracovaným pouze elektroerozí.
Z obr. 8a až obr. 8e je pak patrná imunofluorescence talinu, proteinu fokálních adhesních plaků, v buňkách SAOS-2 24 hodin po nasazení na uvedené materiály. Je zřejmé, že u buněk adherujících k modifikovaným materiálům (zejména kuličkováním) jsou fokální adhesní plaky výraznější a početnější než u buněk na standardním materiálu.
Příklad 2
Kloubním implantátem je v tomto příkladném provedení vynálezu obdobná femorální komponenta totální náhrady kyčelního kloubu jako v příkladu 1, přičemž způsob jeho výroby se od příkladu 1 liší zařazením žíhání na odstranění tahových pnutí po elektroerozivním obrábění.
Při tomto konkrétním provádění způsobu výroby dle vynálezu se žíhání provádí při
V teplotě 700fC po dobu 2 hodin, a to po elektroerozivním obrábění, prováděným ‘ , . ' · ' ‘ I' : » • ' . , * ’ « Ί'a
'.··· ·., «I í · « 4 » 4♦ «Slitíϊ t I < » Í < i i < t f
-12obdobně jako v příkladu 1, a před leptáním a kuličkováním, které se provádí rovněž obdobně jako v příkladu 1.
Dosažené atomární koncentrace prvků (at.%) zjištěných pomocí spektroskopie XPS v povrchové oblasti vzorků slitiny TÍ6AI4V po jejích úpravách, a to jak pro 1. příklad, tak pro 2. příklad provedení, jsou patrny z tab. 1.
Obdobným způsobem může být vytvořena i stejná povrchová vrstva na části vnější plochy pláště jamky (acetabulární komponenty) totální náhrady kyčelního kloubu, vyrobeného z titanu, určené pro integraci s kostní tkání.
Průmyslová využitelnost
Vynález je široce využitelný v ortopedii v oblasti totálních náhrad zejména kyčelních, kolenních a ramenních kloubů.

Claims (10)

1. Kloubní implantát pro necementované náhrady zejména velkých kloubů, například femorální a acetabulární komponenta totální náhrady kyčelního kloubu, vyrobená ze slitiny titanu, vyznačující se tím, že vnější plocha (5) implantátu (1), určená pro integraci s kostní tkání, je alespoň na části svého povrchu tvořena elektrickými výboji ovlivněnou povrchovou vrstvou (6) o tloušťce 0,01 až 1,0 mm s členitým kráterovitým povrchem o drsnosti Ra v rozmezí 10 pm až 50 pm as průměrem jednotlivých kráterů o velikosti 0,1 až 0,4 mm.
2. Kloubní implantát podle nároku 1, vyznačující se tím, že nejsvrchnější část elektrickými výboji ovlivněné povrchové vrstvy (6) obsahuje v hmotnostním množství 35 až 80 % uhlíku, 5 až 15 % vodíku, 12 až 50 % kyslíku a 2 až 15 % titanu, přičemž tato nejsvrchnější část vykazuje tloušťku alespoň dvou nanometrů.
3. Způsob výroby kloubního implantátu podle nároku 1, vyznačující se tím, že vnější plocha (5) implantátu (1) v místě vytvoření povrchové vrstvy (6) se do jejího dosažení nejprve podrobuje elektroerozivnímu obrábění proudem o velikosti 10 až 70 A a jako dokončovací operace se provádí její opracování kuličkováním pro vytvoření tlakových pnutí v povrchových a podpovrchových vrstvách opracovávaného materiálu.
4. Způsob výroby kloubního implantátu podle nároku 3, vyznačující se tím, že jako dielektrikum pro elektroerozivní obrábění se používá minerální olej.
5. Způsob výroby kloubního implantátu podle nároku 3, vyznačující se tím, že elektroerozivní obrábění se provádí nástrojovou elektrodou z grafitu, připojenou na kladný pól elektrického zdroje.
6. Způsob výroby kloubního implantátu podle nároku 3, vyznačující se tím, že opracování kuličkováním se provádí tvrdými kuličkami ze směsi keramiky na bázi ZrC>2 a S1O2 o velikosti 125 až 500 pm při intenzitě kuličkovacího procesu minimálně 0,1 mmA.
7. Způsob výroby kloubního implantátu podle alespoň jednoho z nároků 3 až 6, vyznačující se tím, že před opracováním kuličkováním se provádí chemické leptání elektroerozivně obrobené povrchové vrstvy (6).
8. Způsob výroby kloubního implantátu podle nároku 7, vyznačující se tím, že chemické leptání se provádí ve dvou krocích, přičemž v prvním kroku se provádí leptání po dobu 2 až 6 minut, načež následuje okartáčování leptaného povrchu a poté ve druhém kroku se opakuje leptání opět po dobu 2 až 6 minut.
9. Způsob výroby kloubního implantátu podle alespoň jednoho z nároků 7 až 8, vyznačující se tím, že leptání se provádí leptadlemA tvořeným směsí kyseliny fluorovodíkové, kyseliny dusičné, koncentrované kyseliny sírové a vody.
10. Způsob výroby kloubního implantátu podle alespoň jednoho z nároků 7 až 9, vyznačující se tím, že po elektroerozivním obrábění a před případným leptáním a kuličkováním se provádí žíhání při teplotě 500 až 900°C po dobu 90 až 150 minut na odstranění tahových pnutí.
CZ2012-687A 2012-10-10 2012-10-10 Kloubní implantát a způsob jeho výroby CZ304445B6 (cs)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2012-687A CZ304445B6 (cs) 2012-10-10 2012-10-10 Kloubní implantát a způsob jeho výroby

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CZ2012-687A CZ304445B6 (cs) 2012-10-10 2012-10-10 Kloubní implantát a způsob jeho výroby

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CZ2012687A3 true CZ2012687A3 (cs) 2014-05-07
CZ304445B6 CZ304445B6 (cs) 2014-05-07

Family

ID=50686028

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CZ2012-687A CZ304445B6 (cs) 2012-10-10 2012-10-10 Kloubní implantát a způsob jeho výroby

Country Status (1)

Country Link
CZ (1) CZ304445B6 (cs)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19855421C2 (de) * 1998-11-02 2001-09-20 Alcove Surfaces Gmbh Implantat
US6599322B1 (en) * 2001-01-25 2003-07-29 Tecomet, Inc. Method for producing undercut micro recesses in a surface, a surgical implant made thereby, and method for fixing an implant to bone
CZ291685B6 (cs) * 2001-09-03 2003-05-14 Jakub Ing. Strnad Způsob úpravy povrchu titanových implantátů
TW200909112A (en) * 2007-08-29 2009-03-01 Hung Chun Toolings Co Ltd Fabrication of titanium oxide on artifical implant by electro-discharge machining
ES2315194B1 (es) * 2007-09-10 2010-02-26 Francisco J. GARCIA SABAN Procedimiento para obtener una nueva superficie de un implante metalico a base de titanio destinado a ser insertado en tejido oseo.

Also Published As

Publication number Publication date
CZ304445B6 (cs) 2014-05-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Revathi et al. Degradation mechanisms and future challenges of titanium and its alloys for dental implant applications in oral environment
Jemat et al. Surface modifications and their effects on titanium dental implants
Alla et al. Surface roughness of implants: a review
EP1453554B1 (en) In situ oxidized textured surfaces for prosthetic devices and method of making same
JP5048501B2 (ja) ジルコニウム及びジルコニウム合金を表面酸化する方法及びそれによって得られる生成物
Bhui et al. Experimental investigation of optimal ED machining parameters for Ti-6Al-4V biomaterial
US20030171820A1 (en) Bone-implant prosthesis
Swain et al. Effect of surface roughness on titanium medical implants
EP2165682A2 (en) Medical implant
JP2002533165A (ja) 生体適合性の増加した改質表面を有するインプラントとその生産方法
WO2005070344A1 (en) A medical device having a smooth, hardened surface
Dhatrak et al. Fatigue life prediction of commercial dental implants based on biomechanical parameters: A review
CZ2012687A3 (cs) Kloubní implantát a způsob jeho výroby
Uporabo A review of the surface modifications of titanium alloys for biomedical applications
CZ306816B6 (cs) Kloubní implantát a způsob jeho výroby
Baddar et al. Hydroxyapatite and thermal oxidation as intermediate layer on metallic biomaterial for medical implant: a review
KR100453289B1 (ko) 임프란트 표면 처리용 전해질 용액 및 상기 전해질 용액을이용한 임프란트 표면 처리 방법
KR20110068044A (ko) 임플란트의 표면처리방법 및 그 방법에 의해 표면처리된 임플란트
JP5714321B2 (ja) 骨ねじおよび骨ねじの製造方法
EP1579875A1 (en) Implant made with titanium or titanium alloy and surface treating method thereof
NL2032323B1 (en) A bone integrated prosthesis material for 3d printing, a prosthesis and a surface processing method thereof
CZ28432U1 (cs) Kloubní implantát
EP2207914B1 (en) Method for maximising and rendering uniform the contact surface on an implant
Juraimi et al. Performance enhancement of energy saving and machining characteristic in electrical discharge machining on magnesium alloy: A review
Guo City University of Hong Kong

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A Patent lapsed due to non-payment of fee

Effective date: 20231010