EA029849B1

EA029849B1 - Основа со структурированной поверхностью, способ изготовления такой основы, а также способ определения ее смачиваемости

Info

Publication number: EA029849B1
Application number: EA201400712A
Authority: EA
Inventors: Герберт Енниссен
Original assignee: Герберт Енниссен
Priority date: 2011-12-16
Filing date: 2012-12-16
Publication date: 2018-05-31
Also published as: US20140343687A1; CN104039368A; BR112014014376B1; US10022227B2; CA2859232A1; WO2013087073A3; DE102012112350A1; AU2012350466B2; EA201400712A1; JP5894296B2; CA2859232C; WO2013087073A2; KR20140103157A; BR112014014376A2; JP2015501707A; CN104039368B; KR101706128B1; AU2012350466A1; EP2790743B1; EP2790743A2

Abstract

В изобретении описаны основа со структурированной поверхностью, способы изготовления такой основы со структурированной поверхностью, а также способы определения смачиваемости такой основы.

Description

изобретение относится к основе (субстрату, подложке) со структурированной (или рельефной) поверхностью, к способу изготовления такой основы со структурированной поверхностью, а также к способу определения смачиваемости такой основы. Предлагаемым в изобретении способом возможно изготовление прежде всего основ с задаваемыми потребителем или заказчиком свойствами поверхности, например, изготовление имплантатов. Так, в частности, предлагаемым в изобретении способом можно изготавливать имплантаты, такие, например, как зубные имплантаты или эндопротезы, которые обладают особо высокими свойствами врастания в окружающую ткань в месте имплантации в челюсти или костях конечностей.

В последние годы постоянно становилось очевиднее, что наряду с гидрофильностью и гидрофобностью поверхности имплантата одно из важнейших значений при вживлении имплантатов в организм имеет ее шероховатость. Шероховатость может усиливать как гидрофильность, так и гидрофобность. Так, в частности, из уровня техники известно, что имплантат с §ЬЛ-поверхностью (от англ. "8апб-Ь1а81еб апб ас1б сЮксб". подвергнутая пескоструйной обработке и протравленная кислотой поверхность) проявляет существенно лучшие свойства врастания в окружающую ткань по сравнению с имплантатами из титана с гладкой поверхностью, подвергнутой механической обработке. Помимо имплантатов с 8ЬЛповерхностью, имеющей определенную шероховатость, существуют имплантаты с ΤΡδ-поверхностью (от англ. "(Нашит р1азта 8ргауеб", поверхность с плазменно-напыленным титановым покрытием), которая благодаря своей шероховатости проявляет лучшие свойства вживления.

С наличием шероховатой поверхности всегда сопряжено увеличение ее площади по сравнению с гладкой поверхностью. Так, например, площадь 8ЬА- и ΤΡδ-поверхностей может в 2-20 раз превышать площадь гладкой поверхности, что положительно сказывается особенно при врастании имплантата в окружающую его ткань организма животного и человека.

Однако недостаток шероховатых поверхностей состоит в том, что они создают проблему при извлечении имплантата для его ревизии. Общим для всех изготавливавшихся до настоящего времени имплантатов является прежде всего то, что обращенные наружу поверхности предмета обычно имеют нерегулярные структуры, которые при применении предметов в качестве имплантатов ухудшают их свойства врастания в окружающую ткань и не оказывают на них положительного влияния. Помимо этого от ΤΡδповерхности могут отделяться титановые частицы и попадать в ткань.

Кроме того, существует необходимость в улучшении воспроизводимости изготовления подобного рода имплантатов, поскольку и изготавливаемые 8ЬА-методом, и изготавливаемые ΤΡδ-методом имплантаты характеризуются определенным статистическим разбросом свойств их поверхностей, в связи с чем для стандартизации имплантатов требуется точнейшее соблюдение технологических параметров в зависимости от исходного материала.

Автором изобретения, перед которым стояла задача по улучшению поверхностных свойств, было установлено, что снабжение имплантата микроструктурой (микрорельефом) позволяет получить имплантат с оптимально структурированной поверхностью. Автором изобретения было показано, что в результате реверс-инжиниринга удается получить поверхность с улучшенными по сравнению с обеими вышеуказанными 8ЬА- и ΤΡδ-поверхностями свойствами, при этом возможно изготовление таких улучшенных поверхностей с пониженной степенью опасности.

Автором изобретения было установлено далее, что подобным шероховатым поверхностям имплантатов можно влажным химическим способом и/или путем функционализации гидрофильными органическими молекулами дополнительно придавать гипергидрофильные свойства, как это поясняется ниже.

Однако изготовление подобных гипергидрофильных поверхностей большей частью требует применения нагретых до высокой температуры кислот и соответствующих плазмореакционных камер. По наблюдениям автора изобретения при смачивании таких гипергидрофильных поверхностей сверхчистой водой измеренные значения динамического краевого угла в виде краевого угла натекания (θV) и краевого угла оттекания (θ_κ) равнялись нулю (θ_ν/θ_κ = 0°/0°). В действительности значения краевого угла лежат в мнимой области.

В соответствии с этим в изобретении предлагаются основы с микроструктурированной поверхностью, на которую при необходимости наложена вторая - меньшая - микроструктура и/или наноструктура, а также способы изготовления таких основ, поверхность которых обладает требуемыми гипергидрофильными свойствами.

Подобную регулярную микроструктуру можно согласно изобретению получать различными методами. К ним относятся структуроудаляющие методы, равно как и структуроформирующие методы, предполагающие в каждом случае воздействие на предмет или на порошки высокоэнергетическим излучением.

Согласно данным о размерах пор, приведенным у Мау8 в "А пе\у с1а881йсайоп оГ роге 81/е8. §1иШе8 ίη ЗигГасе Заепсе апб Са1а1у818", 160, 2007, сс. 57-62, структуры/неровности можно соответственно классифицировать по размерам следующим образом:

наноструктуры 0,1-100 нм микроструктуры 0,1-100 мкм

- 1 029849

миллиструктуры 0,1-100 мм

При этом структуры/неровности размером от 0,1 до 0,99 мкм можно обозначить как "субмикроструктура".

В качестве структуроудаляющего метода согласно изобретению можно очень избирательно использовать лазерный съем материала для удаления отдельных слоев основы без значительного повреждения нижерасположенных слоев или самой основы. Удаляемые структуры могут иметь вид точек либо линий или же площадок.

В качестве примера структуро- или слоеформирующих методов для изготовления трехмерных объектов, таких как имплантаты, согласно изобретению можно назвать технологию "КарМ ΡΐΌΐοΙνρίη§" (быстрое прототипирование или макетирование), технологию "КарМ ТооБид" (быстрое изготовление технологической оснастки), технологию "РарИ МапиГас1игтд" (быстрое производство), технологию лазерного спекания, технологию лазерного микроспекания и технологию электронно-лучевой обработки.

Согласно изобретению в качестве еще одного метода создания микроструктур можно использовать технологию лазерного микроспекания. При этом возможна также высококачественная переработка керамических порошков.

Основной предпосылкой выбора тех или иных методов обычно являются наличие геометрических данных о продукте в трехмерном виде и возможность их обработки в виде послойных данных. На основании имеющихся данных САПР о детали их согласно изобретению переводят в определенный формат, например, в формат §ТЬ, для возможности целенаправленного структурирования поверхности заготовки вышеописанными методами или для возможности формирования требуемой структуры на поверхности заготовки из порошка.

Известные устройства, в том числе и для осуществления методов быстрого прототипирования, имеют подобный §ТЬ-интерфейс, предназначенный для предоставления геометрической информации на основании трехмерных моделей данных.

Автором изобретения тем самым был разработан способ, которым возможно изготовление поверхностей с регулярными/периодически повторяющимися микроструктурами благодаря тому, что на поверхность заготовки воздействуют высокоэнергетическим излучением по одной или нескольким схемам, соответствующим формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимым на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, используя при этом либо структуроформирующий метод с применением дисперсного, т.е. представленного в виде частиц, материала, такого как металлический или керамический порошок, либо структуроудаляющий метод. При использовании структуроформирующего метода присутствующий на заготовке порошок можно в одну или несколько стадий подвергать воздействию высокоэнергетического излучения и создавать таким путем на заготовке необходимый рисунок из неровностей.

Менее сложной и затратной альтернативой является согласно изобретению структуроудаляющий метод, при осуществлении которого путем съема поверхностного материала создают требуемую структуру.

Более конкретно настоящее изобретение в одном из вариантов его осуществления относится к способу изготовления основы с регулярно микроструктурированной поверхностью с неровностями в виде выступов и впадин, при этом расстояние между выступами в статистически среднем составляет от 1,0 до 100 мкм, а высота профиля выступов и впадин в статистически среднем (значение К_а) составляет от 1 до 80 мкм, заключающемуся в том, что:

а) на заготовке подготавливают порошок или порошковую смесь из порошкового спекаемого материала,

б) на поверхность заготовки наносят слой из порошкового материала,

в) слой порошкового материала подвергают воздействию высокоэнергетического излучения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, в результате чего порошковый материал спекается на по меньшей мере одном отдельном участке поверхности заготовки с образованием по меньшей мере одной части рисунка из неровностей.

При осуществлении предлагаемого в изобретении способа заготовка может быть изготовлена из сплошного, или монолитного, материала либо послойно путем спекания из порошкового материала.

При необходимости заготовку можно перемещать или смещать в осевом или горизонтальном направлении и последовательно повторять стадии б) и в), что позволяет путем спекания создавать следующую часть рисунка из неровностей, примыкающую к его первой части.

В одном из вариантов предлагаемый в изобретении способ предусматривает последовательное повторение стадий б) и в) до полного покрытия поверхности заготовки (основы) требуемым рисунком из неровностей.

Как указано выше, наряду с формированием рисунка из неровностей путем лазерного спекания или электронно-лучевой обработки возможно также создание требуемой микроструктуры на поверхности путем лазерного удаления материала. В соответствии с этим изобретение относится также к способу изготовления основы с микроструктурированной поверхностью, заключающемуся в том, что:

- 2 029849

а) подготавливают заготовку,

б) заготовку, по меньшей мере, частично подвергают воздействию высокоэнергетического излучения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате §ТЬ, в результате чего на по меньшей мере одном отдельном участке поверхности заготовки удаляется материал с образованием по меньшей мере одной части рисунка из неровностей.

Заготовку (полуфабрикат) с регулярно микроструктурированной поверхностью, полученную описанным выше структуроформирующим или -удаляющим методом, можно затем подвергать обработке для создания второй регулярной микроструктуры с использованием периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, и/или влажной химической обработке для создания наноструктуры.

При необходимости заготовку можно перемещать в осевом или горизонтальном направлении и по мере необходимости многократно повторять стадию б) до тех пор, пока поверхность основы не будет снабжена по меньшей мере на одном отдельном участке требуемым микроструктурированным рисунком.

В соответствии с этим в объем изобретения включена также основа, у которой ее гипергидрофильная поверхность нерегулярно или, по меньшей мере, на отдельных участках регулярно микроструктурирована.

Материал заготовки можно выбирать из группы, включающей металлы, сплавы металлов, керамические материалы (например, диоксид циркония), стекло и полимеры (полиэфироэфирокетон, ПЭЭК), а также их комбинации.

В предпочтительном варианте материал заготовки, прежде всего для применения в качестве имплантата, выбирают из группы, включающей металлы, сплавы металлов и их комбинации с керамическими материалами. В более предпочтительном варианте применяемый материал имплантата состоит из металлических материалов, таких как чистый титан или его сплавы с другими металлами, сплавы хрома/никеля/алюминия/ванадия/кобальта (например, ПА1У4, Т1А1Ре2,5), высококачественная сталь (например, сталь марки У2А, сталь марки У4А, хромоникелевая сталь марки 316Ь), или из их комбинаций с керамическими материалами, такими как гидроксилапатит, диоксид циркония, оксид алюминия, где металлический материал присутствует в виде композиционного материала с керамическим материалом. Однако неметаллические материалы, включая полимеры, такие как ПЭЭК, можно также использовать индивидуально не в комбинации с другими материалами.

Полученные таким путем микроструктурированные поверхности можно согласно изобретению подвергать дальнейшей гидрофилизации влажной химической обработкой (химическим травлением), например, хромовой смесью, причем краевой угол при смачивании водой в этом случае при измерении и анализе классическим методом не поддается более измерению, соответственно указывается как равный нулю, однако в соответствии с новым, разработанным автором изобретения способом может указываться в мнимых числах.

Подобная обработка может, например, заключаться в обработке поверхности микроструктурированного имплантата окислителем, для чего имплантат, предпочтительно обезжиренный, подвергают мгновенному нагреву (термическому удару) в горячей хромовой смеси, которая в предпочтительном варианте имеет при этом плотность более 1,40 г/см³ и температура которой превышает 200°С, т.е. путем погружения в хромовую смесь нагревают за несколько секунд до ее температуры, и выдерживают в хромовой смеси при этой температуре в течение промежутка времени, составляющего от 10 до 90 мин, предпочтительно до 60 мин, прежде всего до 30 мин, а затем имплантат непосредственно после его извлечения из хромовой смеси охлаждают в течение менее одной минуты, предпочтительно в течение нескольких секунд, до комнатной температуры. С этой целью в предпочтительном варианте имплантат можно резко охлаждать путем его погружения в концентрированную серную кислоту с температурой от 15 до 25°С. Для удаления остатков кислоты, а также посторонних, не характерных для имплантата ионов металлов при их наличии, например, ионов хрома, поверхность металлического имплантата промывают водой в несколько стадий промывки (количество которых может достигать 15). В том случае, если и после этого на поверхности имплантата все еще обнаруживаются ионы хрома, имплантат можно обрабатывать раствором комплексообразователя до тех пор, пока не перестанут более обнаруживаться никакие ионы этого металла. Автором изобретения неожиданно было установлено, что при применении этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТК) в качестве комплексообразователя раствор, когда хром удаляется растворением из проб, приобретает окраску, варьирующуюся от коричнево-фиолетовой до фиолетовой. Соответственно автором изобретения в этом случае предлагается промывать пробы в 10%-ной ЭДТК (1-3 раза) при рН 7, а при необходимости также в кипящем растворе ЭДТК до тех пор, пока не прекратится окрашивание раствора ионами хрома.

Тем самым таким предлагаемым в изобретении способом возможно изготовление имплантата с гипергидрофильной поверхностью, который согласно одному из вариантов осуществления способа, заявленного в ЕР 2121058, можно сделать пригодным к хранению.

Авторами заявленного в указанной публикации изобретения проводились эксперименты, которые привели к неожиданным по сравнению с известными из уровня техники решениями результатам. В связи со сложностью и трудоемкостью упаковывания имплантатов в целях консервации гидрофильных и ульт- 3 029849

рагидрофильных поверхностей на них во влажные упаковки, которые при помещении в них предлагаемых в изобретении ультрагидрофильных металлических имплантатов неожиданно обеспечивают их высокую стойкость при хранении без ухудшения смачиваемости даже при присутствии солей в повышенных концентрациях, превышающих 0,5 М/л, проводились также работы по поиску методов безжидкостного упаковывания. При этом было установлено, что гипергидрофильные поверхности, с которых давали испариться солевым растворам, также оказывались стойкими к действию факторов, приводящих к ухудшению свойств смачивания. Солевые растворы можно при этом испарять в среде защитного газа или атмосферного воздуха, при этом последний вариант благодаря его простоте нашел стандартное применение.

На обработанной таким путем поверхности после испарения солевого раствора образовывался тонкий макроскопически невидимый "высохший слой", который согласно изобретению стабилизирует и защищает ультрагидрофильность, равно как и гипергидрофильность. В целом согласно изобретению возможно применение растворов нейтральных солей в растворе отдельной соли или же разных солей в таких концентрации и количестве, в которых обеспечивается инертность по отношению к ультрагидрофильной поверхности и которых достаточно для образования высохшего слоя, покрывающего после испарения поверхность имплантата. Испарение можно проводить при нахождении имплантата в растворе нейтральной соли либо после извлечения имплантата из раствора, покрывающего поэтому имплантат лишь тонким слоем. Сказанное соответственно справедливо и в отношении представленных в настоящем описании гипергидрофильных имплантатов.

В соответствии с этим в объем изобретения включен также способ, который наряду с описанными выше стадиями по изготовлению основы предусматривает выполнение дополнительной стадии, на которой полученную поверхность в целях ее защиты от ухудшения ее свойств в результате старения или стерилизационной обработки (например, стерилизации гамма-излучением) защищают, стабилизируют и делают пригодной для длительного хранения с помощью раствора нелетучих веществ, таких как соли, органических растворителей, не взаимодействующих с поверхностью, или солесодержащего высохшего слоя.

Объектом изобретения является также основа с микроструктурированной гипергидрофильной поверхностью с неровностями в виде выступов и впадин, причем расстояние между выступами в статистически среднем составляет от 1,0 до 100 мкм, а высота профиля выступов и впадин в статистически среднем (значение К_а) составляет от 1 до 80 мкм, при этом по меньшей мере один из обоих динамических

АР

краевых углов (θ_ν и 0_к) лежит в гипергидрофильной области с ^рт от более 1,0 до 2,15 ⁽0_а| > 0,0ΐ° - 80ΐ°),

АР

прежде всего с ^рэ от более 1,0 до 1,0619 (θ_αί > 0,0ΐ° - 20ΐ°).

Объектом изобретения является далее вышеописанная основа, у которой на первую микроструктуру из первых неровностей в виде первых выступов и впадин наложена вторая микроструктура из вторых неровностей в виде вторых выступов и впадин, при этом расстояние между вторыми выступами в статистически среднем составляет от 0,1 до 10 мкм, а высота (профиля) вторых выступов и впадин в статистически среднем (значение К_а) составляет от 0,1 до 10 мкм.

В предпочтительном варианте расстояние между вторыми выступами в статистически среднем составляет от 0,1 до 5 мкм, а высота вторых выступов составляет от 0,1 до 5 мкм.

На микроструктуру из первых неровностей в виде первых выступов и впадин или на микроструктуру из вторых неровностей в виде вторых выступов и впадин может быть наложена наноструктура, которую можно создавать путем влажной химической обработки, например, путем кислотного травления, о чем более подробно сказано ниже.

Предпочтительно, чтобы поверхность имела регулярную первую структуру и чтобы расстояние между первыми выступами и их высота лежали в указанных выше пределах. Такую первую микроструктуру в предпочтительном варианте создают, подвергая поверхность заготовки воздействию высокоэнергетического излучения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате ЗТЬ. Подобная периодическая функция в предпочтительном варианте представляет собой тригонометрическую основную функцию А_к(х), выбираемую из:

Α_κ(χ)=(δίη(χ) (1)

4а 7 1 1 1 1 λ

А_к(х)=— δίη(χ)+-δίη(3χ)+-δίη(5χ) +-δίη(7χ)+-δίη(9χ)+... (2)

π 3 5 7 9 )

Α_κ(χ) = ^δΐη(χ)- δϊη(3χ)+ 8Ϊη(5χ) - 8Ϊη(7χ)+ δίη(9χ) + ...) (3)

Α _κ (χ) = — | 8Ϊη(χ) - — 8Ϊη(2χ) + - 8Ϊη(3χ) - — 8Ϊη(4χ) + - 8Ϊη(5χ) +... | (4)

π ν 2 3 4 5 )

и их производных.

Необязательную, наложенную на первую микроструктуру вторую микроструктуру в предпочтительном варианте создают, подвергая поверхность заготовки воздействию высокоэнергетического излу- 4 029849

чения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ. Подобная периодическая функция в предпочтительном варианте может представлять собой вышеуказанную тригонометрическую основную функцию Л_к(х), использование в которой других переменных приводит к получению микроструктуры из неровностей с меньшими "длиной волны" и "амплитудами".

В основе настоящего изобретения лежит тот факт, что важным параметром шероховатости является профилометрическое среднеарифметическое значение (значение К_а), предоставляющее информацию о топографии поверхности.

С этой целью на поверхности основы проводили базовую линию (центральную линию профиля) таким образом, чтобы (суммарная) площадь выступов и (суммарная) площадь впадин были одинаковы. Величина К_а определяется при этом как среднее арифметическое абсолютных значений отклонения высоты профиля в верхнюю и в нижнюю стороны в мкм. Значение К_а описывается следующим упрощенным уравнением:

К_а = (ζι + ζ₂ + ζ₃ + ... ζ_η)/π [мкм]. (5)

Абсолютное значение высоты профиля (положительная или отрицательная высота по оси у) относительно базовой линии профиля называют ζ. Через 1 обозначают определенную измерительную длину (базовую длину) вдоль оси х. В идеализированном представлении подобный профиль поверхности соответствует регулярному синусоидальному колебанию с экстремумами ±ζ, соответствующими максимальным отклонениям от базовой линии (нулевой линии) (см. фиг. 2А). Наряду со значением К_а вводят вторую топографическую величину К_у, характеризующую максимальную высоту профиля (сумма высоты наибольшего выступа профиля и глубины наибольшей впадины профиля) и также указываемую в мкм. Помимо этого необходимо учитывать, что поверхности с одинаковыми значениями К_а могут иметь неодинаковые профили.

Еще одним параметром шероховатости является безразмерный коэффициент микроскопической шероховатости г_т:

фактическая поверхность А'

Гп 7" ’ (ч)

геометрическая поверхность А

где А' представляет собой измеренную площадь увеличенной поверхности в сравнении с расчетной площадью геометрической поверхности А. Такой коэффициент микроскопической шероховатости г_т, который обычно вычисляют на основании снимков, получаемых с помощью лазерного сканирующего микроскопа (ЛСМ), предоставляет информацию о микроскопическом увеличении площади поверхности в результате увеличения ее шероховатости.

Результаты экспериментов с клеточными культурами свидетельствуют о том, что клетки предпочитают регулярные структуры без острых кромок на поверхности биоматериала. Помимо этого было установлено, что на поверхностях с узкогорлыми порами, которые могут встречаться, например, на ТР8поверхностях, возможно образование биопленок, которые могут вызывать расшатывание имплантата. Цель поэтому состоит в получении поверхности без подобных пор.

Структурирование поверхности основы по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, придает основе свойства, на которые можно влиять путем варьирования определенных параметров, таких, например, как шероховатость (значения К_а), периодичность, коэффициент микроскопической шероховатости г_т, расстояние между выступами или максимальная высота профиля К_у. Согласно изобретению предпочтительны те основы и те способы их изготовления, которые имеют, соответственно которыми создают структуру с параметром шероховатости К_а от 1 до 250 мкм, предпочтительно от 1 до 80 мкм, особенно предпочтительно от 2 до 30 мкм. Согласно изобретению предпочтительны те основы и те способы их изготовления, которые имеют, соответственно которыми создают структуру с периодичностью η(λ/2) от 1 до 100 мкм, предпочтительно от 10 до 60 мкм, особенно предпочтительно от 2 до 30 мкм. Согласно изобретению предпочтительны те основы и те способы их изготовления, которые имеют, соответственно которыми создают структуру с коэффициентом микроскопической шероховатости г_т от 2 до 50. Согласно изобретению предпочтительны те основы и те способы их изготовления, которые имеют, соответственно которыми создают структуру с расстоянием между выступами в статистически среднем от 1 до 100 мкм. Согласно изобретению предпочтительны те основы и те способы их изготовления, которые имеют, соответственно которыми создают структуру с максимальной высотой профиля К_у от 2 до 500 мкм.

Идея изготовления имплантатов с однородной и строго определенной шероховатостью натолкнула автора изобретения на мысль рассматривать шероховатость как синусоиду. Сказанное проиллюстрировано на фиг. 2А, где профиль поверхности описывается синусоидой. Такую кривую можно описать длиной волны λ, равной 32 мкм, а также амплитудой (соответствует значению К_а, равному 3,13λ/2 или 50 мкм). Для варьирования параметра λ и высоты профиля справедлива согласно уравнению 1 следующая определенная описывающая профиль функция:

- 5 029849

где х представляет собой независимую переменную, λ обозначает длину волны, а Р обозначает высоту профиля. Для такой определенной описывающей профиль функции на фиг. 2А справедливо следующее уравнение:

Ζ = А_к(х)= θΗη^||χ^·50. (7а)

Таким путем основными уравнениями 1-4 можно описывать все требуемые профили поверхностей.

Обобщение данного принципа проиллюстрировано на фиг. 2Б-2Г с использованием соответствующих тригонометрических основных функций, где показано, что наряду с синусоидальным профилем возможно также создание, например, прямоугольного профиля, треугольного профиля и пилообразного профиля. Предлагаемым в изобретении способом возможно создание всех тех профилей, которые можно описать тригонометрическими функциями или рядами. Используя такой математический инструмент, в САПР можно спроектировать и назначить для производства также искомые параметры со значениями К_ав пределах от 1 до 80 мкм и со значениями г_т в пределах от 2 до 50. Тем самым подобные поверхностные структуры можно вплоть до микрометрового диапазона изготавливать путем избирательного электронно-лучевого плавления, избирательного лазерного плавления или избирательного лазерного производства.

На фиг. 3 проиллюстрировано, что шероховатость поверхности можно описать на плоскости двумя синусоидальными профилями (координаты Х/Ζ и Υ/Ζ). Помимо этого на данном чертеже проиллюстрировано, каким образом с помощью прямоугольных функций можно создавать поверхность с массивноквадратными профилями. На фиг. 3А показана единичная ячейка с длиной волны λ/2, равной 32 мкм, т.е. с периодичностью каждые 32 мкм (вершина волны) повторяется прямоугольный профиль, который по каждой из осей Х и Υ имеет одинаковый шаг λ/2, равный 32 мкм (впадина волны). Амплитуда (ось Ζ) для обеих синусоидальных функций имеет одинаковое значение, равное 80 мкм (5λ/4), что соответствует значению К_а. Всю поверхность можно разбить на единичные ячейки (3λχ3λ) размером 192x192 мкм. Одна единичная ячейка имеет в данном случае 9 профилей (фиг. 3А). Возможно также комбинирование между собой нескольких длин волн, например, в Х-направлении можно задавать шаг λ/2, равный 32 мкм, а в Υ-направлении - переменный шаг λ/2 с чередующимися значениями 32 и 16 мкм (фиг. 3Б). Таким путем в данном случае в той же единичной ячейке (192x192 мкм) можно разместить 12 прямоугольных профилей (фиг. 3Б). При использовании прямоугольных профилей площадь их поверхностей можно вычислить следующим образом:

Профиль = 2(ху + ΧΖ + γζ) - (ху), (3)

где х, у и ζ представляют собой заданные координаты, при этом должна вычитаться площадь основания (ху) профиля. В этом случае для представленных на фиг. 3А и 3Б поверхностей (вершины волн), вычисленные значения площади которых приведены в табл. 2, справедливо следующее уравнение:

Профиль = 2[(λ/2)(λ/2) + (λ/2)(5λ/4) + (λ/2)(5λ/4)] - [(λ/2)(λ/2)] (4)

В данном случае, однако, необходимо также вычислить площадь свободных поверхностей, включая впадины волн:

2

^поверхность основания ^— 3(λ_γ/2 · Ь_ЕЯ) + 9(λ_χ/2) (5)

(при одинаковых расстояниях)

или

^поверхность основания ^— 3(λ_γ/2 · Ь_ЕЯ) + 12(λχι · λ_Χ2) (6)

(при разных расстояниях)

где Ь_ЕЯ обозначает длину стороны единичного квадрата. Другие релевантные для поверхности схемы расположения и профили, которые не учитывались при вычислениях, представлены на фиг. 3В и 3Г.

Из приведенных в табл. 2 результатов вычислений следует, что таким путем можно исключительно просто проектировать поверхности с определенными значениями К_а и значениями г_т. Так, в частности, для поверхности А (λ/2 = 32 мкм) в табл. 2 (см. также фиг. 3А) получают значение г_т, равное 6,0, при значении К_а, равном 80 мкм. При уменьшении значения К_а до 35 мкм значение г_т снижается до 3,2 (поверхность Б). При уменьшении длины волны λ/2 до 8 мкм при значении К_а, равном 80 мкм, фактически получают поверхность со значением г_т, равным 22,6 (поверхность Д). В этом случае при снижении значения К_а до 35 мкм получают значение г_т, равное 10,3, что также все еще является значительным (поверхность Е). При применении нескольких разных длин волн возможно (см. фиг. 1Б, 12 профилей/единичная ячейка) получение существенно более высоких характеризующих поверхность значений (поверхности Ж и З). Одной из представляющих интерес возможностей по увеличению площади поверхности было бы применение профилей в виде полых цилиндров или звездообразных профилей (см. фиг. 3Г). Резюмируя сказанное выше, приведенные в табл. 2 данные однозначно свидетельствуют о том, что при использовании тригонометрического подхода и параметров в микрометровом диапазоне возможно достижение значений К_а в пределах от 2 до 80 мкм и значений г_т в пределах от 3,2 до 22,6.

Тем самым с использованием существующих технологий, таких как избирательное электроннолучевое плавление, избирательное лазерное плавление или лазерное производство (лазерное гравирование, технология "КарШ Мапи1ае1ипп§"), таким путем возможно изготовление поверхностей всех твердых тел из биоматериалов удалением материала или наращиванием, соответственно формированием из по- 6 029849

рошков. При этом возможно даже получение микроструктуры с разрешением менее 10 мкм. Предлагаемый в изобретении подход свидетельствует о возможности компьютеризированного изготовления имплантатов с подобными поверхностями.

Преимущества предлагаемого в изобретении способа состоят, таким образом, в следующем: лучшая совместимость благодаря однородности поверхности, наличие у поверхностей большой площади благодаря ее увеличению в 20-40 раз, увеличение емкости поверхностей для протеинов и лекарственных средств в 20-40 раз, повышение ультрагидрофильности,

предотвращение заражения инфекциями,

возможность создания резервуара для лекарственных средств при использовании профилей в виде полых цилиндров,

компьютеризированное изготовление (лазерная и электронно-лучевая технология).

Согласно изобретению все поверхностные структуры (или рельефы) можно описать тригонометрическими функциями, которые, следовательно, можно непосредственно в виде трехмерной векторной графики представлять и моделировать в системе Ли1оСЛ1). Возможности по варьированию параметров для оформления поверхности согласно изобретению разнообразны, а создание однородно структурированных, регулярных, а также высокосложных поверхностей предварительно определено математически и возможно применительно к любой поверхности любой детали. Преобразование данных тригонометрических функций, например, для метода быстрого прототипирования (БП) и для БП-устройства упрощенно проиллюстрировано ниже на схеме 1.

Схема 1

Тригонометрические функции

Язык У18иа1 Ва81с Гог АррНсайопз (УВА)

Скрипт кода АШоСАИ

Импорт скрипта в АШоСАИ

Трехмерная САПР-модель в АьВоСАО

Экспорт модели в виде ЗТЬ-файла с данными о поверхности (формат: триангулированная поверхностная сетка в виде двоичного и А8СПфайла)

Управляемая ЗТЬ-данными БП-машина

_Готовая деталь с заданной поверхностью_

На предлагаемых в изобретении микроструктурах с необязательно наложенными на них вторыми микроструктурами и/или наноструктурами на еще одной стадии можно ковалентно либо путем связывания в результате физической или химической сорбции, предположительно благодаря гидрофильным взаимодействиям на материале имплантата, иммобилизировать пептиды, такие как факторы роста костной ткани. Адсорбционное связывание возможно также после ковалентного модифицирования поверхности аминопропилтриэтоксисиланом (АПС) (табл. 1). Благодаря этому у имплантата можно образовать обладающую хемотаксическим действием и/или биологически активную, а при ковалентном связывании - так называемую юкстакринную поверхность, что приводит к ее заселению остеоцитами, их пролиферации и дифференцировке. Таким путем возможно, в частности, изготовление так называемых биологически активных имплантатов, которые благодаря выделяющимся с поверхности молекулам даже на удалении 500-1000 мкм проявляют хемотаксическое действие на клетки, которыми в случае костных морфогенетических белков (сокращенно ВМР от англ. "Ъопе тогрйодепеИе рго!ет") являются остеобласты.

В предпочтительном варианте достаточное снабжение металлической поверхности, которой приданы гидрофильные свойства, пептидами достигается благодаря тому, что пептиды наносят на поверхность в физиологическом буферном растворе в концентрации, при которой обеспечивается достаточное содержание пептида на оксидной поверхности металлического имплантата, составляющее более 200 нг/см², предпочтительно более 500 нг/см², особенно предпочтительно более 1000 нг/см².

Обычно подобное содержание пептидов достигается при использовании физиологического буферного раствора пептидов с их концентрацией более 1 мкг/мл буферного раствора, предпочтительно более 200 мкг/мл буферного раствора.

Согласно изобретению пептиды представляют собой биомолекулы, которые предпочтительны для обеспечения биосовместимости имплантата благодаря тому, что они противодействуют возможному отторжению имплантата и/или способствуют его врастанию в окружающую ткань.

Как указывалось выше, в качестве пептидов в предпочтительном варианте можно использовать белки (протеины) из класса ΤΘΡ-белков, прежде всего стимулирующие рост костной ткани белки из

- 7 029849

класса таких факторов роста костной ткани, как костные морфогенетические белки, или из класса факторов роста сосудов, таких как фактор роста эндотелия сосудов (сокращенно УЕОР от англ. "уа8си1аг еибо1йеНа1 8ΐΌ\ν11ι Гас1ог") или ангиотропин, или же убиквитин. Под сокращенным обозначением ТОР (от англ. ДгашГогтшд βΓονίΗ ГасЮг", трансформирующий фактор роста) подразумеваются прежде всего группа (подгруппа) (I) "трансформирующих факторов роста бета" (ТОР-β), а также группа (подгруппа) (II) костных морфогенетических белков (ВМР). Последние представляют собой остеоиндуктивные белки, которые стимулируют новообразование костной ткани и консолидацию перелома, вызывая пролиферацию и дифференцировку клеток-предшественников в остеобласты. Помимо этого они способствуют образованию щелочных фосфатаз, рецепторов гормонов, остеоспецифичных веществ, таких как коллаген типа 1, остеокальцин, остеопонтин, остеонектин, костный сиалопротеин (сокращенно В8Р от англ. "Ъоие 81а1орго1еш"), и в конечном итоге минерализации.

В предпочтительном варианте для иммобилизации можно использовать белок этого класса индивидуально, в комбинации с другими представителями этого же класса или же совместно с биомолекулами, такими как белки других классов или низкомолекулярные гормоны, или же антибиотиками в целях повышения иммунной защиты. Такие другие молекулы можно при этом иммобилизировать на поверхности и путем образования расщепляющихся в физиологической среде связей.

Ниже изобретение более подробно рассмотрено со ссылкой на прилагаемые к описанию графические материалы.

На фиг. 1 показаны полученные с помощью растрового электронного микроскопа снимки типичных шероховатых поверхностей, широко распространенных и успешно применяемых в стоматологии и ортопедии, при этом на фиг. 1А и 1Б показана §ЬА-поверхность (подвергнутая пескоструйной обработке и протравленная кислотой поверхность), а на фиг. 1В и 1Г показана ТР§-поверхность (полученная методом плазменного напыления титана) с дополнительным изображением вставки на фиг. 1В, где представлен край поперечного излома ТР§-поверхности. Стрелка направлена на щель в месте сплавления между собой ТР§-слоя из чистого титана и основным материалом (подложкой) из титанового сплава (Т1-6А1-4У).

На фиг. 2 в виде сбоку показаны различные варианты основной формы неровностей поверхности (профилей). При этом возможной формой вершины профиля является округлая, плоская, соответственно заостренная при λ = 32 мкм и ζ = 50 мкм. В нижней части чертежей приведены тригонометрические уравнения, описывающие соответствующие профили. Все возможные варианты шероховатости можно описать подобными рядами Фурье. Соответствующими вариантами трехмерной основной формы являются гиперболоид на фиг. 2А, прямоугольный параллелепипед на фиг. 2Б, пирамида на фиг. 2В и асимметричная пирамида на фиг. 2Г.

На фиг. 3 показаны единичные ячейки с относящимися к каждой из них прямоугольными функциями, а также некоторые профили (фиг. ЗА и 3Б) и схемы их расположения (фиг. 3В) в поперечном сечении, при этом на фиг. 1А показана единичная ячейка размером 192x192 мкм с 9 профилями (λ_χ и λ_γ равны 64 мкм, ζ соответствует К_а и равно 80 мкм) (см. табл. 2, поверхность А), на фиг. ЗБ показана единичная ячейка размером 192x192 мкм с 12 профилями (λ_χ равно 64 мкм, λ_γ равно 32 мкм, ζ соответствует К_аи равно 80 мкм) (см. табл. 2, поверхность Ж), на фиг. 3В показана схема расположения (рисунок) профилей, а на фиг. 3Г показаны профили с разными площадями их поверхностей. Трехмерной основной формой профилей на фиг. 3А-3В является прямоугольный параллелепипед.

На фиг. 4 показана комбинация первой микрошероховатости (λ = 64 мкм) с (наложенной на нее) второй микрошероховатостью (λ = 7,1 мкм). В результате наложения показанной на чертеже второй микрошероховатости площадь поверхности макрошероховатости увеличивается в 2,25 раза (1,5х 1,5).

На фиг. 5 проиллюстрировано определение статического (фиг. 5А) и динамического (фиг. 5Б) краевых углов на сверхгидрофобной немодифицированной ТР§-поверхности при ее смачивании сверхчистой водой.

На фиг. 6 проиллюстрировано определение динамического краевого угла на поверхности после ее химического "перевода" из сверхгидрофобного состояния в гипергидрофильное.

На фиг. 7 представлены функции Вильгельми в неопределенной области на фиг. 6, отражающие зависимость мнимых краевых углов от глубины погружения пластинки.

Без изменения вышеуказанной микроструктуры микроструктурированную поверхность подвергали дальнейшему наноструктурированию влажным химическим способом и подвергали взаимодействию с аминопропилтриэтоксисиланом для адсорбции белка ВМР-2. Для расчета монослойного покрытия белком ВМР-2 использовали "отпечаток" белка ВМР-2 площадью 20 ам² (1 мкг белка ВМР-2 ~ 4,6 см²) в целях мономолекулярного покрытия поверхности. При данных условиях значение г_т, определенное с белком ВМР-2, хорошо согласуется со значениями г_т, определенными с помощью ЛСМ. Полученные в результате адсорбции белка значения приведены ниже в табл. 1.

- 8 029849

Таблица 1

Поверхность	К_а, мкм	Гщ (А'/А)	Адсорбция белка ВМР-2 (модифицированная АПС поверхность), нг/см²	г'ш (А'/А)
		лсм	из расчета на площадь геометрической поверхности (А)	из расчета на площадь фактической поверхности (А¹)	ВМР-2
ЗЬА	~2-3	2,5	394+66 (6)	157+27 (6)	1,8
ТР8	30,0+4,4 (4)	20	5221+293 (6)	261+15 (6)	23,9

Данные приведены в виде ξ± стандартное отклонение.

Согласно изобретению поверхности с требуемыми микроструктурами можно изготавливать с применением тригонометрических функций. С этой целью можно использовать параметры шероховатости для прямоугольного профиля высотой 35 и 80 мкм с указанными в табл. 2 значениями.

Таблица 2

Поверхность	λχ	λ_Υ	X λ/2	Υ λ/2	^профиль	Кол-во профилей на ЕЯ	Ю	Ку	Гщ
	мкм	мкм	мкм	мкм	2 МКМ		мкм
А	64	64	32	32	21504	9	80	160	6,0
Б	64	64	32	32	9984	9	35	70	з,о
В	32	32	16	16	10496	36	80	160	П,6
Г	32	32	16	16	4266	36	35	70	6,9
Д	16	16	8	8	5248	144	80	160	22,6
Е	16	16	8	8	2304	144	35	70	10,3
				λ/2 + λ/4
Ж	64	32	32	32 + 16	21504	12	80	160	7,8
3	16	8	8	8 + 4	2304	192	35	70	13,6

Поверхности А и Ж показаны на фиг. 3А и 3Б соответственно. Площадь единичной ячейки (ЕЯ) составляет 36864 мкм².

Предлагаемым в изобретении способом можно, таким образом, изготавливать основы, такие как имплантаты, с определенными поверхностными структурами, которые непосредственно после изготовления с использованием лазерной техники являются гипергидрофильными. При недостаточной гипергидрофильности поверхности ее гипергидрофильность можно дополнительно повышать путем химической гидрофилизации. Тем самым наличие таких поверхностных структур, которые можно также предусматривать на имплантатах, приводит к особо высокой смачиваемости, которую согласно изобретению можно назвать гипергидрофильностью. К подобным методам химической гидрофилизации относятся влажные химические методы, такие как кислотное травление, а также функционализация структурированных поверхностей ковалентно или нековалентно связываемыми с ними высокогидрофильными органическими молекулами, такими как полиэтиленгликоль (ПЭГ), поли-2,3-дигидроксипропилметакрилат (ПДГМА) или поли-2-(метакрилоилокси)этилфосфорилхолин (ПМФХ), при этом ПДГМА и ПМФХ имеют амфионную структуру. Ковалентное связывание может осуществляться, например, посредством соответствующих триэтоксисилановых производных ПЭГ, ПДГМА и ПМФХ.

Аналогично тому, как это известно из уровня техники, в настоящем описании для характеризации смачиваемости или гидрофильности поверхности с динамическими краевыми углами θ от более 0° до менее 10° обозначают как ультрагидрофильные, тогда как поверхности с определяемыми согласно изобретению краевыми углами в виде мнимых краевых углов θ от более 0ΐ до 1,4ΐ рад обозначают как гипергидрофильные.

Обычно гидрофильность поверхности измеряют путем определения краевого угла. Томасом Юнгом более 200 лет назад было введено понятие краевого угла θ, что при этом принципиально открыло путь к пониманию явления смачивания, описываемого уравнением Юнга следующего вида:

γ₅ν = γ₅ι + γι_νοοδθο, (7)

где γ_δν, γ_δ1 и γ_1ν обозначают поверхностное натяжение на границе соприкосновения трех фаз - жидкости (1), твердого тела (δ) и паровой/газовой фазы (ν), а θ₀ представляет собой равновесный краевой угол смачивания, например, неподвижной каплей. Уравнение Юнга, которое справедливо для абсолютно гладкой поверхности, не поддается простому решению, поскольку обычно измеримыми величинами являются только θΐν и θ0.

Необходимо учитывать, что уравнение Юнга для вычисления краевого угла справедливо в отношении идеальных, гладких, непроницаемых поверхностей в термодинамическом равновесии. Краевые же углы на реальных, шероховатых поверхностях обозначают добавлением к ним прилагательного "кажущийся" с целью отличить их от описываемого уравнением Юнга краевого угла на идеальной поверхности.

Исходя из этого примерно 60 лет спустя Людвигом Вильгельми (Апп. Рйуз., 119, ее. 177-217) были изобретены носящие его имя весы, в которых он объединил тензиометрию с измерением краевого угла.

- 9 029849

При измерениях силы с помощью весов Вильгельми образец погружают в сверхчистую воду и извлекают из нее, измеряя при этом силу. Краевой угол вычисляют затем на основании силы, возникающей при погружении (втягивании) образца в воду и при его извлечении из нее, по известному уравнению Вильгельми:

Ρ = РусозО - Удр [Η], (8)

где Р обозначает измеренную силу нетто, а в первом члене в правой части уравнения Р обозначает

обхват (периметр) образца, γ обозначает поверхностное натяжение воды, а θ обозначает динамический краевой угол (краевой угол натекания θ_ν или краевой угол оттекания θ_ρ). ВО втором члене уравнения V обозначает объем вытесненной жидкости, д обозначает ускорение свободного падения, а ρ обозначает плотность жидкости. Второй член, который характеризует выталкивающую силу, действующую на образец в жидкости, можно исключить путем экстраполяции на глубину погружения, равную нулю, упростив тем самым уравнение Вильгельми до следующего вида:

СО80 = Ρ/(Ρ·γ). (9)

Приравняв величину Р единице в 1 см (например, пластинка размером 10x5x1 мм), получают константу 1/(Ρ·γ) = Κθ = 1,39х10³ Н^-1 и тем самым уравнение следующего вида:

созО = Κθ·Ρ. (9а)

При вычислении краевых углов по уравнению 9 без экстраполяции на ноль их обозначают как "виртуальные" краевые углы. Применение таких виртуальных краевых углов поясняется ниже со ссылкой на фиг. 7.

С практической точки зрения действительность уравнения 9 для абсолютно гладкой поверхности ограничена двумя запрещенными краевыми углами:

(I) 0>119° и

(ίί) θ< 0°.

Для первого случая, относящегося к гидрофобной области, из уровня техники известно, что краевые углы О по физическим причинам не могут превышать значение в 119°. Во втором случае (0^0°), относящемся к гидрофильной области, краевой угол по той математической причине, что для функции οοδθ не существует значений больше 1, не может быть меньше нуля. Автором же изобретения было установлено, что это последнее ограничение в соответствии с классической математической интерпретацией можно преодолеть, распространив краевые углы в область мнимых чисел а1, благодаря чему появляется возможность анализа свойств поверхности имплантатов.

Для проведения измерений автором изобретения использовались металлические пластинки из покрытого чистым титаном титанового сплава (Τί-6Ά1-4ν) (поверхность с плазменно-напыленным титановым покрытием, ТР8) с шероховатостью К_а, равной 30 мкм, и с коэффициентом микроскопической шероховатости г_т, равным 20. Динамические краевые углы θ_ν (краевой угол натекания) и θ_ρ (краевой угол оттекания) определяли с использованием сверхчистой воды по методу Вильгельми (тензиометр ЭС АТ 11, фирма Па1арЬузюз, Фильдерштадт, Германия). Скорость погружения пластинки в жидкость и скорость извлечения пластинки из жидкости составляли 1 мм/мин (17 мкм/с), вследствие чего измеренные краевые углы не зависят от скорости погружения. Кажущиеся статические краевые углы θ₈· (метод неподвижной капли, 3-5 мкл высокочистой воды) анализировали графически. На основании измеренных значений силы автором изобретения вычислялись мнимые краевые углы.

Выявленная "экстремальная гидрофильность (θ>0ί) ("гипергидрофильность"), в данном случае в отсутствие гистерезиса на микрошероховатой поверхности", после влажной химической обработки (кислотного травления) в настоящем описании обозначается автором изобретения термином "обратный эффект лотоса". Этот термин используется также в описании гипергидрофильных поверхностей, образовавшихся из проявляющей "эффект лотоса" поверхности в результате так называемого "химического перевода" (англ. "сйетюа1 з\\'11с1ипд", дословно "химическое переключение"). Так, в частности, гипергидрофобную поверхность (фиг. 5) путем ее обработки хромовой смесью "переводят" ("переключают") в гипергидрофильную поверхность, которая в соответствии с существующими аналитическими методами характеризуется экстремальным растеканием по ней воды (θ^Η2Ο8= 0°) и динамическими краевыми углами θ_ν/θ_ρ = 0°/0°) (фиг. 6).

Поскольку н-гексан и минеральное масло растекаются на таких поверхностях (Щ^Н2О^^масло/^"^гексан ~ 0°/0°/0°), их называют также сверхамфифильными.

"Обратный переход" из гипергидрофильного состояния в гидрофобное происходит спонтанно и медленно на воздухе, если поверхность не законсервирована.

Объектом изобретения является также способ, в соответствии с которым обработка для создания наноструктуры предусматривает стадию влажной химической обработки микроструктурированной поверхности с преобразованием при этом гидрофобной или слабогидрофильной поверхности в ультра- или

гипергидрофильную поверхность, у которой по меньшей мере один из обоих динамических краевых угАР

лов (θ_ν и θ_ρ) лежит в области с ^ру от 0,980 до 2,15, а предпочтительно лежит в гипергидрофильной об- 10 029849

ΔΡ

ласти с ^ру от более 1,0 до 1,0619 (0^ха >0°-0,351 рад).

Наблюдения автора изобретения по последовательному проявлению двух разных эффектов лотоса

на одной и той же поверхности после ее "химического перевода" из одного состояния в другое указывают на существование связи между обоими этими эффектами, которая, однако, еще неясна. В случае гидрофобности можно отчетливо обнаружить влияние шероховатости на динамический краевой угол (θ_ν'/θ_κ' = 98,8°/36,7°) по его увеличению до θ§^Η2° - 145° (статический метод) из-за неоднородного смачивания. В гидрофильной же области, однако, отсутствует аналогичное влияние шероховатости поверхности на краевой угол, равный нулю. Результаты проведенных автором изобретения измерений свидетельствовали о том, что все краевые углы, для которых значения εοδθ превышали 1, интерпретировались как краевые углы с нулевым значением. Однако соответствующий изобретению анализ исходных данных, представленных на фиг. 6, свидетельствует о том, что 17% полученных при измерениях точек на фиг. 6 соответствуют неопределенным краевым углам с οοδθ > 1. Данное наблюдение отражено на графике, приведенном на фиг. 6, разграничительной линией, которая отделяет определенную область от неопределенной. Автором же изобретения был найден путь, позволяющий перевести результаты измерений по Вильгельми из неопределенного состояния в определенное.

Таблица 3

Область определения	Непрерывная область мнимых и вещественных краевых углов	κθ.ρ
	агссо8(Ке»Р), радианы	θ* , градусы

	1,40ϊ	80,21ΐ	2,1509
	1,23ΐ	70,47ΐ	1,8568
	1,05ΐ	60,16ΐ	1,6038
	0,87ΐ	49,85ΐ	1,4029
	0,711	40,68ΐ	1,2628
	0,53ΐ	30,37ΐ	1,1438
Центральная область обратного эффекта лотоса	0,35ΐ	20,05ΐ	1,0619
0,18ΐ	10,3 Ιί	1,0162
0,04ΐ	2,291	1,0008
0,00	Οί	+ 1,0
гипергидрофильность	η СО80 > 1)
ультрагидрофильность	СО80 < 1) V
0,00	0	+ 1,0
0,04	2,29	0,9992
0,18	10,31	0,9838
	0,35	20,05	0,9397
	0,53	30,37	0,8628
	0,71	40,68	0,7584
	0,87	49,85	0,6448
	1,05	60,16	0,4976
	1,23	70,47	0,3342
	1,40	80,21	0,1699
	1,57	90,00	0
	3,14	180,00	-ι,ο
	κθ

В табл. 3 приведены классические и новые мнимые краевые углы 0^аа| в радианах и градусах, вычисленные на основании значений (Κθ-Р). При этом ряды мнимых и вещественных краевых углов относятся друг к другу так, как зеркальные отображения к нулю. "Обратный эффект лотоса" охватывает интервал от 0,18 рад (-10°) в вещественном числовом пространстве до 1,4ι рад (-80°) в мнимом числовом пространстве, преимущественно интервал от 0,18 до 0,35 рад (-20°). При этом один из динамических краевых углов (например, θ_Α) может быть классическим, а другой (например, θ_αι,_κ) - мнимым, что обозначают как гибридная пара краевых углов. С другой стороны, мнимыми могут быть также оба динамических краевых угла (θ_αι,_ν/θ_αι,_κ) (полностью мнимая пара краевых углов). Умножив значение в радианах на 180/π, можно получить значение краевого угла в градусах, т.е. 57,3χ0,4ΐ [рад] = 22,9ι°. При значениях Κθ·Τ больше 1,0 краевой угол становится мнимым, принимая значение больше 0,01 рад, соответственно больше 0,0ι°. Данное условие принимают за нижний предел мнимых краевых углов.

Данные выводы позволяют распространить уравнение Вильгельми на мнимое числовое пространство:

αοδθ* = Ρ/(Ρ·γ). (10)

Общий член 0^аа| обозначает все краевые углы в вещественном пространстве (верхний индекс а) при граничном условии (Κθ·Τ) < 1 и все краевые углы в мнимом пространстве (нижний индекс а!) при граничном условии (Κθ·Τ) > 1 (см. табл. 3).

С помощью уравнения 10 можно указать определенные краевые углы для всех измерений силы в пределах (Κθ·Τ) от -1,0 до +2,15 начиная с вещественной числовой системы косинуса соз(180°) вплоть до мнимой системы косинуса соз(801°) (см. табл. 3). Большие мнимые краевые углы вплоть до 180ι° по предположениям автора изобретения возможны на шероховатых поверхностях.

Применение мнимых краевых углов для определения свойств высокосмачиваемой ТРБ-поверхности

- 11 029849

проиллюстрировано на фиг. 7. С этой целью выбирали 45 репрезентативных значений из исходных данных выше разграничительной линии, находящейся на уровне 0,102 г на фиг. 6, их значения силы (Κθ·Ρ, в интервале от 1,00 до 1,07) пересчитывали в виртуальные мнимые краевые углы (0_а1) и представляли в графическом виде в функции глубины погружения. Путем экстраполяции линейной части кривых на нулевое значение глубины погружения получили кажущиеся мнимые краевые углы натекания и оттекания (θ3ΐ,ν/θ3ΐ,κ) = 0,36ί°/0,37ί°). Определенные таким путем мнимые краевые углы являются комплексной функцией четырех описывающих смачивание величин - когезии, адгезии, растекания и иммерсии. Они содержат информацию об этих описывающих смачивание величинах, включая водопоглощение, и поэтому являются характеристическими для смачивания представленной шероховатой поверхности.

Тем самым на основании предлагаемых автором изобретения подходов можно определять свойства тех гидрофильных поверхностей, для которых ранее такой анализ был невозможным, как в случае гипергидрофильных поверхностей, и оценивать их пригодность для последующей обработки, включая нанесение покрытий.

В соответствии с этим объектом изобретения является также способ определения смачиваемости поверхности основы, заключающийся в том, что:

а) проводят измерение силы по методу Вильгельми для определения величины (Κθ·Ρ),

б) на основании полученного на стадии а) результата вычисляют кажущиеся краевые углы θ_ν и θ_κ, при этом:

(I) для случая, когда (Κθ·Ρ) < 1, вычисления осуществляют согласно агссо5(К,Т) с получением вещественных краевых углов, а

(II) для случая, когда (Κθ·Ρ) > 1, вычисления осуществляют согласно агссо5(К,Т) с получением мнимых краевых углов, и

в) на основании вычисленных на стадии б) краевых углов θ_ν и θ_κ определяют смачиваемость основы.

Предлагаемый в изобретении способ позволяет, таким образом, целенаправленно дифференцировать гипергидрофильные поверхности от гидрофильных поверхностей и отсортировывать подобные материалы. Таким путем возможна классификация смачиваемости с ее градацией от гидрофобной через промежуточные гидрофильную и сверхгидрофильную вплоть до ультрагидрофильной на основании описывающих ее краевых углов.

Объектом изобретения является также устройство для осуществления вышеуказанного способа, имеющее измерительный блок, блок обработки результатов измерения и блок вывода, при этом измерительный блок предназначен для измерения силы по методу Вильгельми, блок обработки результатов измерения предназначен для преобразования полученных измерительным блоком результатов измерения по соответствующему алгоритму в мнимый краевой угол натекания (θ_ν) и краевой угол оттекания (θ_κ), а блок вывода предназначен для дальнейшей обработки данных о краевых углах, полученных блоком обработки результатов измерения. Такая дальнейшая обработка может при этом заключаться в индикации краевых углов в градусах или радианах.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Имплантат с микроструктурированной гипергидрофильной поверхностью с неровностями в виде выступов и впадин, причем расстояние между выступами в статистически среднем составляет от 1,0 до 100 мкм, а параметр шероховатости К_а, а именно высота профиля выступов и впадин, в статистически

среднем составляет от 1 до 80 мкм, при этом по меньшей мере один из обоих динамических краевых угАГ

лов θ_ν и θ_κ лежит в гипергидрофильной области с ^р т от более 1,0 до 2,15 (θ₃ΐ > 0,0ί° - 80ί°), где θ_ν обозначает краевой угол натекания, θ_κ обозначает краевой угол оттекания, ΔΕ обозначает разность измеренных сил нетто, Р обозначает периметр образца, γ обозначает поверхностное натяжение воды, а θ_αι обозначает мнимый краевой угол.
2. Имплантат по п.1, у которого по меньшей мере один из обоих динамических краевых углов θ_ν и

АГ

θ_κ лежит в гипергидрофильной области с ^рт от более 1,0 до 1,0619 (θ_αι > 0,0ί° - 20ί°).
3. Имплантат по п.1 или 2, у которого на первую микроструктуру из первых неровностей в виде первых выступов и впадин наложена вторая микроструктура из вторых неровностей в виде вторых выступов и впадин, при этом расстояние между вторыми выступами в статистически среднем составляет от 0,1 до 10 мкм, а параметр шероховатости К_а второй микроструктуры в статистически среднем составляет от 0,1 до 10 мкм.
4. Имплантат по одному из пп.1-3, у которого его гипергидрофильная поверхность нерегулярно

- 12 029849

или, по меньшей мере, на отдельных участках регулярно микроструктурирована.
5. Имплантат по одному из пп.1-4, у которого на микроструктурированные гипергидрофильные поверхности наложена наноструктура, созданная предпочтительно влажной химической обработкой путем кислотного травления.
6. Способ изготовления имплантата по п.1, заключающийся в том, что:

а) на заготовке подготавливают порошок или порошковую смесь из порошкового спекаемого материала,

б) на поверхность заготовки наносят слой из порошкового материала,

в) слой порошкового материала подвергают воздействию высокоэнергетического излучения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, в результате чего порошковый материал спекается по меньшей мере на одном отдельном участке поверхности заготовки с образованием по меньшей мере одной части рисунка из неровностей в виде выступов и впадин, причем расстояние между выступами в статистически среднем составляет от 1,0 до 100 мкм, а параметр шероховатости К_а, а именно высота профиля выступов и впадин, в статистически среднем составляет от 1 до 80 мкм, при

этом по меньшей мере один из обоих динамических краевых углов θ_ν и 0_к лежит в гипергидрофильной АР

области с ^Ρ’Ύ от более 1,0 до 2,15 (θ_αί > 0,0ι° - 80ι°), где θ_ν, θ_κ, ΔΡ, Ρ, γ и θ_αι имеют указанные в п.1 значения.
7. Способ по п.6, при осуществлении которого используют заготовку, изготовленную из сплошного материала либо изготовленную послойно путем спекания из порошкового материала.
8. Способ по п.6 или 7, при осуществлении которого полученную на стадии в) заготовку с регулярно микроструктурированной поверхностью подвергают обработке для создания второй регулярной микроструктуры с использованием периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, и/или влажной химической обработке для создания наноструктуры.
9. Способ изготовления имплантата по п.1, заключающийся в том, что:

а) подготавливают заготовку,

б) заготовку, по меньшей мере, частично подвергают воздействию высокоэнергетического излучения по схеме, соответствующей формируемому рисунку из неровностей и воспроизводимой на основании периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, в результате чего по меньшей мере на одном отдельном участке поверхности заготовки удаляется материал с образованием по меньшей мере одной части рисунка из неровностей в виде выступов и впадин, причем расстояние между выступами в статистически среднем составляет от 1,0 до 100 мкм, а параметр шероховатости К_а, а именно высота профиля выступов и впадин, в статистически среднем составляет от 1 до 80 мкм, при этом по

меньшей мере один из обоих динамических краевых углов θ_ν и θ_κ лежит в гипергидрофильной области с АР

^Р'У от более 1,0 до 2,15 (θ_αι > 0,0ι° - 80ι°), где θ_ν, θ_κ, ΔΡ, Ρ, γ и θ_αι имеют указанные в п.1 значения.
10. Способ по п.9, при осуществлении которого полученную на стадии б) заготовку с регулярно микроструктурированной поверхностью подвергают обработке для создания второй регулярной микроструктуры с использованием периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, и/или влажной химической обработке для создания наноструктуры.
11. Способ по п.8 или 10, при осуществлении которого обработка для создания наноструктуры предусматривает выполнение стадии влажной химической обработки микроструктурированной поверхности.
12. Способ по п.11, который предусматривает выполнение дополнительной стадии, на которой полученную поверхность имплантата для защиты этой поверхности от ухудшения ее свойств смачивания с утратой гипергидрофильности в результате старения или стерилизационной обработки защищают, стабилизируют и делают пригодной для длительного хранения с помощью раствора нелетучих веществ, таких как соли, органических растворителей, не взаимодействующих с поверхностью, или солесодержащего высохшего слоя.
13. Способ по одному из пп.6-12, при осуществлении которого в качестве периодической функции, переведенной в набор данных в формате 8ТЬ, используют тригонометрическую функцию Л_к(х), выбираемую из

Α_κ(χ)=(δίη(χ) ,

4а У 1 1 1 1 А

А_к (х)=—I 81п(х)+- зт(Зх)+- 81п(5х) +—81п(7х)+—81п(9х) +... I,

А_к(х) = ^йп(х)-^ δΐη(3χ)+^ 8ΐη(5χ)-^ 8ΐη(7χ)+^ 8ΐη(9χ)+

Α _κ (χ) = — ^8Ϊη(χ) - 3Ϊη(2χ) + 8Ϊη(3χ) - 8Ϊη(4χ) + 8Ϊη(5χ) +.. ,

и их производных.

- 13 029849
14. Способ по одному из пп.6-13, при осуществлении которого параметр шероховатости К_а выбирают в пределах от 5 до 60 мкм, предпочтительно от 10 до 60 мкм.
15. Способ по одному из пп.6-13, при осуществлении которого расстояние между впадинами выбирают в пределах от 10 до 60 мкм, а коэффициент микроскопической шероховатости г_т выбирают в пределах от 2 до 50.
16. Способ определения смачиваемости поверхности имплантата по одному из пп.1-5, заключающийся в том, что:

а) проводят измерение силы по методу Вильгельми для определения величины (Κθ·Ρ),

б) на основании полученного на стадии а) результата вычисляют краевой угол натекания θ_ν и краевой угол оттекания θ_κ, при этом:

(I) для случая, когда (Κθ·Ε)<1, вычисления осуществляют согласно агссоз(К^Б) с получением вещественных краевых углов, а

(II) для случая, когда (Κθ·Ρ)>1, вычисления осуществляют согласно агссоз(К^Р) с получением мнимых краевых углов, и

в) на основании вычисленных на стадии б) краевых углов θ_ν и θ_κ определяют смачиваемость поверхности имплантата.
17. Устройство для осуществления способа по п.16, имеющее измерительный блок, блок обработки результатов измерения и блок вывода, при этом измерительный блок предназначен для измерения силы по методу Вильгельми, блок обработки результатов измерения предназначен для преобразования полученных измерительным блоком результатов измерения по соответствующему алгоритму в мнимый краевой угол натекания θ_ν и краевой угол оттекания θ_κ, а блок вывода предназначен для дальнейшей обработки данных о краевых углах, полученных блоком обработки результатов измерения.