ITMI20102071A1 - ELECTRODEPTISITION OF NANOMETRIC HYDROXYAPATITIS ON PROSTHETIC PLANTS AND ELECTROLYTIC PROCESS FOR ITS REALIZATION - Google Patents
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- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L2430/00—Materials or treatment for tissue regeneration
- A61L2430/02—Materials or treatment for tissue regeneration for reconstruction of bones; weight-bearing implants
Description
DESCRIZIONE DESCRIPTION
Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo Attached to a patent application for INDUSTRIAL INVENTION having the title
“Elettrodeposizione di idrossiapatite nanometrica su impianti protesici e processo elettrolitico per la sua realizzazione " â € œ Electrodeposition of nanometric hydroxyapatite on prosthetic implants and electrolytic process for its realization "
La presente invenzione riguarda un processo per rivestire almeno un elemento metallico di un dispositivo protesico, allo scopo di ottenere un'elevata integrazione ossea tra la superficie dell'elemento metallico e la struttura ossea ricevente, ed al dispositivo protesico che include tale elemento metallico rivestito. The present invention relates to a process for coating at least one metal element of a prosthetic device, in order to obtain a high bone integration between the surface of the metal element and the receiving bone structure, and to the prosthetic device which includes this coated metal element.
I dispositivi protesici sono ad esempio: impianti, mezzi di sintesi, sistemi di fissazione esterna, sistemi di stabilizzazione, gabbie di fusione, impianti dentali, viti, da impiegarsi a scopo clinico/chirurgico in campo ortopedico, maxillo-facciale e neurochirurgico. Prosthetic devices are for example: implants, means of synthesis, external fixation systems, stabilization systems, fusion cages, dental implants, screws, to be used for clinical / surgical purposes in the orthopedic, maxillofacial and neurosurgical fields.
E’ noto che le protesi metalliche sia ortopediche che odontoiatriche spesso vengono trattate superficialmente per migliorare la loro interfaccia con il tessuto osseo in cui vengono impiantate. It is known that both orthopedic and dental metal prostheses are often treated superficially to improve their interface with the bone tissue in which they are implanted.
Per esempio le protesi di titanio vengono trattate superficialmente con metodi elettrochimici affinché sulla superficie si formi un coating di biossido di titanio con struttura di anatase in grado di essere attivato con opportuna illuminazione UV-Vis in grado di generare radicali liberi. La superficie assume così una spiccata caratteristica antisettica e idrofilica. Tale coating di anatase se opportunamente attivato fotochimicamente rende la protesi sterile per l’impianto e mantiene le caratteristiche idrofiliche per un certo periodo anche dopo l’impianto, stimolando in situ una specifica azione cellulare in grado di favorirne l’integrazione ossea. Secondo alcuni autori la fotosensibilità dell’anatase cessa una volta impiantata la protesi col cessare dell’attivazione UV-Vis. Secondo altri l'azione antisettica e antibatteria del coating di anatase esplica un’azione tossica nei confronti degli osteoblasti ostacolando la formazione di nuovo osso. For example, titanium prostheses are superficially treated with electrochemical methods so that a titanium dioxide coating with anatase structure is formed on the surface, capable of being activated with appropriate UV-Vis lighting capable of generating free radicals. The surface thus takes on a marked antiseptic and hydrophilic characteristic. If suitably activated photochemically, this anatase coating makes the prosthesis sterile for implantation and maintains its hydrophilic characteristics for a certain period even after implantation, stimulating in situ a specific cellular action capable of favoring bone integration. According to some authors, the photosensitivity of the anatase ceases once the prosthesis is implanted with the cessation of UV-Vis activation. According to others, the antiseptic and antibacterial action of the anatase coating exerts a toxic action against osteoblasts, hindering the formation of new bone.
Dai coating di anatase, con caratteristiche ben lontane da quelle dei materiali biogenici, si à ̈ passato recentemente a coating fortemente biomimetici. From anatase coatings, with characteristics far removed from those of biogenic materials, we have recently switched to strongly biomimetic coatings.
I coating biomimetici di protesi ortopediche e odontoiatriche mimano il più possibile il tessuto osseo in cui sono impiantate, per composizione struttura morfologia e proprietà meccaniche. Recentemente sono stati proposti coating di fosfati di calcio, idrossiapatite, gelatina, collagene ricostituito e coating ibridi costituiti da idrossiapatite e collagene ricostituito, elettrodepositati contemporaneamente sulla protesi metallica per rendere la superficie della protesi più simile all’osso naturale. I coating ibridi collagene-idrossiapatite sono sicuramente quelli che più di ogni altro mimano il tessuto osseo per composizione e struttura. Infatti, le fibre di collagene ricostituendosi durante il processo elettrochimico incorporano al proprio interno nanocristalli di idrossiapatite formando un coating di fibre di collagene ricostituite calcificate fortemente biomimetiche che si depositano isotropicamente attorno alla superficie della protesi avvolgendola come una guaina dallo spessore micrometrico. Questo coating ibrido sicuramente supera per il suo alto mimetismo tutti i vari coating proteici precedentemente proposti come quelli di gelatina, alginato, chiosano, fibrina e acido ialuronico. Essi possono essere ottenuti in modo molto semplice per spray-dry, ma anche per pura immersione della protesi in una sospensione sol-gel della proteina. Tuttavia, normalmente questi coating proteici non sono ben accetti dalla componente cellulare che tende ad incistare questo tipo di materiale sfavorendo l’ossificazione. Al contrario, sono sempre stati giudicati positivamente i coating inorganici come i biovetri di cui i più noti sono quelli di Hench che vanno incontro a mineralizzazione in vitro per semplice immersione in SBF (Simulated Body Fluid) ed in vivo inducono un’elevata stimolazione cellulare alla mineralizzazione. Più recentemente i biovetri sono stati soppiantati dai coating a base di fosfati, quali ad esempio α o β tricalcio fosfato Ca3PO4o Ca5(PO4)3-X(CO3)X(OH)1+Xin cui x à ̈ circa 0,2 o inferiore. Un'altra tipologia di coating molto diffuso ed utilizzato in implantologia à ̈ a base di idrossiapatite Ca10(PO4)6(OH)2. The biomimetic coatings of orthopedic and dental prostheses mimic the bone tissue in which they are implanted as much as possible, due to their composition, structure, morphology and mechanical properties. Recently, calcium phosphate, hydroxyapatite, gelatin, reconstituted collagen and hybrid coatings consisting of hydroxyapatite and reconstituted collagen have been proposed, electrodeposited simultaneously on the metal prosthesis to make the surface of the prosthesis more similar to natural bone. Hybrid collagen-hydroxyapatite coatings are certainly those that more than any other mimic bone tissue in composition and structure. In fact, the collagen fibers reconstituting themselves during the electrochemical process incorporate nanocrystals of hydroxyapatite within themselves, forming a coating of highly biomimetic calcified reconstituted collagen fibers that are deposited isotropically around the surface of the prosthesis, wrapping it like a sheath with a micrometric thickness. Thanks to its high mimicry, this hybrid coating certainly surpasses all the various protein coatings previously proposed such as those of gelatin, alginate, kyosan, fibrin and hyaluronic acid. They can be obtained very simply by spray-dry, but also by pure immersion of the prosthesis in a sol-gel suspension of the protein. However, normally these protein coatings are not well accepted by the cellular component that tends to engrave this type of material, disfavouring ossification. On the contrary, inorganic coatings such as bio-glasses have always been positively judged, of which the best known are those of Hench that undergo mineralization in vitro by simple immersion in SBF (Simulated Body Fluid) and in vivo induce a high cellular stimulation. to mineralization. More recently, bioglasses have been replaced by phosphate-based coatings, such as Î ± or β tricalcium phosphate Ca3PO4o Ca5 (PO4) 3-X (CO3) X (OH) 1 + X in which x is about 0.2 or inferior. Another widespread type of coating used in implantology is based on hydroxyapatite Ca10 (PO4) 6 (OH) 2.
I coating idrossiapatitici attualmente conosciuti hanno uno spessore dell'ordine di alcune decine di micron e possono essere ottenuti con i metodi plasma spraying o sol-gel. Con questi due metodi à ̈ molto difficile realizzare coating omogenei, nanostrutturati e di spessori inferiori a quelli citati sin’ora. Infatti, con questi metodi, à ̈ possibile preparare coating di idrossiapatite (HA), eventualmente sostituita con diversi ioni, ma non à ̈ possibile ottenere un rivestimento uniforme e di spessore nanometrico. Currently known hydroxyapatitic coatings have a thickness of the order of a few tens of microns and can be obtained with plasma spraying or sol-gel methods. With these two methods it is very difficult to achieve homogeneous, nanostructured coatings with a thickness lower than those mentioned so far. In fact, with these methods, it is possible to prepare hydroxyapatite (HA) coatings, possibly replaced with different ions, but it is not possible to obtain a uniform coating with a nanometric thickness.
L'idrossiapatite possiede ben note proprietà di biocompatibilità , bioassorbibilità e osteoconduttività , inducendo formazione di nuovo osso. Tuttavia, i coating di idrossiapatite con spessori dell'ordine di micron presentano l'inconveniente di integrarsi nel nuovo osso con una velocità molto elevata che spesso può determinare il distacco del coating dalla superficie della protesi. In altre parole, questi coating sono integrati nel nuovo osso senza però che la protesi stessa sia integrata in quanto, durante il processo di osteoingrazione, il coating subisce un distacco dalla protesi. La conseguenza drammatica di questo inconveniente à ̈ che si forma uno spazio vuoto (una tasca) tra il nuovo osso che si forma (e che ha inglobato il coating di idrossiapatite) e la protesi. La protesi pertanto non riesce ad essere propriamente osteointegrata e rimane mobile finché non si determina un distaccamento completo dal nuovo osso formato con le conseguenze che si possono immaginare per la guarigione del paziente. Hydroxyapatite has well known properties of biocompatibility, bioabsorbability and osteoconductivity, inducing the formation of new bone. However, hydroxyapatite coatings with thicknesses of the order of microns have the drawback of integrating into the new bone at a very high speed which can often cause the coating to detach from the surface of the prosthesis. In other words, these coatings are integrated into the new bone without, however, the prosthesis itself being integrated as, during the osseoingration process, the coating detaches from the prosthesis. The dramatic consequence of this drawback is that an empty space (a pocket) is formed between the new bone that is formed (and which has incorporated the hydroxyapatite coating) and the prosthesis. The prosthesis therefore cannot be properly osseointegrated and remains mobile until a complete detachment from the new bone formed is determined with the consequences that can be imagined for the patient's recovery.
Il problema sopra esposto à ̈ risolto da un processo per rivestire almeno un elemento metallico di un dispositivo protesico con un rivestimento di spessore nanometrico a base di idrossiapatite biomimetica nanostrutturata che aderisce perfettamente alla superficie della protesi e ne permette una completa osteointegrazione, come delineato nelle annesse rivendicazioni. The above problem is solved by a process for coating at least one metal element of a prosthetic device with a nanometric thickness coating based on nanostructured biomimetic hydroxyapatite which adheres perfectly to the surface of the prosthesis and allows complete osseointegration, as outlined in the annexes. claims.
La presente invenzione riguarda un processo per rivestire almeno un elemento metallico di un dispositivo protesico con un coating a base di idrossiapatite comprendente le fasi di: The present invention relates to a process for coating at least one metal element of a prosthetic device with a hydroxyapatite-based coating comprising the steps of:
a) predisporre un bagno elettrolitico comprendente almeno ioni calcio e ioni fosfato ad una temperatura compresa tra 5°C e 40°C, preferibilmente tra 10°C e 25°C; a) providing an electrolytic bath comprising at least calcium ions and phosphate ions at a temperature between 5 ° C and 40 ° C, preferably between 10 ° C and 25 ° C;
b) immergere in detto bagno elettrolitico almeno un catodo ed almeno un anodo, detto almeno un catodo comprendendo l'elemento metallico da rivestire; b) immersing in said electrolytic bath at least one cathode and at least one anode, said at least one cathode comprising the metal element to be coated;
c) far passare corrente elettrica continua attraverso detto bagno elettrolitico così da ottenere su detta superficie una deposizione elettrolitica di un composto calcio-fosfato comprendente cristalli nanometrici di idrossiapatite; c) passing a direct electric current through said electrolytic bath so as to obtain on said surface an electrolytic deposition of a calcium-phosphate compound comprising nanometric crystals of hydroxyapatite;
d) sottoporre l’elemento metallico rivestito del composto calcio-fosfato a base di idrossiapatite ad un trattamento termico ad una temperatura compresa tra 70°C e 800°C d) subject the metal element coated with the calcium-phosphate compound based on hydroxyapatite to a heat treatment at a temperature between 70 ° C and 800 ° C
La durata del processo termico à ̈ compresa tra 1 ora e 6 ore, preferibilmente tra 2 ore e 4 ore. The duration of the thermal process is between 1 hour and 6 hours, preferably between 2 hours and 4 hours.
Prima del trattamento termico del punto d), l’elemento metallico viene estratto dal bagno elettrolitico ed asciugato sotto un flusso d’aria calda, ad una temperatura compresa tra 40°C e 100°C, preferibilmente tra 60°C ed 80°C, oppure per immersione dello stesso impianto in un bagno di alcool per un tempo compreso tra 5 e 120 secondi, preferibilmente tra 15 e 50 secondi. Secondo una forma preferita di realizzazione, all'inizio della deposizione il bagno elettrolitico ha un pH compreso tra 3,0 e 4,5, preferibilmente tra 3,5 e 4,0; il pH si innalza in prossimità del catodo ad un valore superiore a 8, generalmente compreso tra 10 e 12, durante il processo di deposizione, senza aggiunta di composti alcalini. Al termine del processo di deposizione elettrolitica, il bagno elettrolitico ha un pH generalmente compreso tra 4,0 e 6,0, preferibilmente tra 4,5 e 5,5. Before the heat treatment of point d), the metal element is extracted from the electrolytic bath and dried under a flow of hot air, at a temperature between 40 ° C and 100 ° C, preferably between 60 ° C and 80 ° C, or by immersion of the same plant in an alcohol bath for a time between 5 and 120 seconds, preferably between 15 and 50 seconds. According to a preferred embodiment, at the beginning of the deposition the electrolytic bath has a pH between 3.0 and 4.5, preferably between 3.5 and 4.0; the pH rises near the cathode to a value higher than 8, generally between 10 and 12, during the deposition process, without adding alkaline compounds. At the end of the electrolytic deposition process, the electrolytic bath has a pH generally comprised between 4.0 and 6.0, preferably between 4.5 and 5.5.
Secondo una forma preferita di realizzazione, la deposizione elettrolitica viene condotta con una corrente continua sostanzialmente costante. Preferibilmente la corrente continua viene mantenuta a valori relativamente bassi onde evitare distacchi del materiale depositato causati da un eccessivo sviluppo di idrogeno gassoso al catodo. Generalmente la corrente continua ha un valore compreso tra 10 e 100 mA, più preferibilmente tra 20 mA e 60 mA. According to a preferred embodiment, the electrolytic deposition is carried out with a substantially constant direct current. Preferably the direct current is kept at relatively low values in order to avoid detachments of the deposited material caused by an excessive development of gaseous hydrogen at the cathode. Generally the direct current has a value between 10 and 100 mA, more preferably between 20 mA and 60 mA.
Il potenziale della corrente applicato può variare tra 5 V a 150 V, ma preferibilmente tra 20 V ed 80 V. The potential of the applied current can vary between 5 V to 150 V, but preferably between 20 V and 80 V.
La tempistica di durata del processo elettrochimico à ̈ compresa tra 3 secondi e 15 minuti, preferibilmente tra 90 secondi e 6 minuti. The duration of the electrochemical process is between 3 seconds and 15 minutes, preferably between 90 seconds and 6 minutes.
Preferibilmente, gli ioni calcio vengono aggiunti al bagno elettrolitico sottoforma di un sale solubile nelle condizioni di reazione, ad esempio Ca(NO3)2*4H2O, Ca(NO3)2*2H2O, Ca(CH3COO)2o loro miscele. La concentrazione iniziale degli ioni calcio nel bagno elettrolitico à ̈ generalmente compresa tra 0,01 e 0,1 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,06 moli/litro. Preferibilmente, gli ioni fosfato vengono aggiunti al bagno elettrolitico sottoforma di un sale solubile nelle condizioni di reazione, ad esempio NH4H2PO4, K2HPO4, KH2PO4, H3PO4o loro miscele. Preferably, the calcium ions are added to the electrolytic bath in the form of a salt soluble under the reaction conditions, for example Ca (NO3) 2 * 4H2O, Ca (NO3) 2 * 2H2O, Ca (CH3COO) 2 or their mixtures. The initial concentration of the calcium ions in the electrolytic bath is generally comprised between 0.01 and 0.1 mol / liter, preferably between 0.02 and 0.06 mol / liter. Preferably, the phosphate ions are added to the electrolytic bath in the form of a salt soluble under the reaction conditions, for example NH4H2PO4, K2HPO4, KH2PO4, H3PO4 or their mixtures.
La concentrazione iniziale degli ioni fosfato nel bagno elettrolitico à ̈ generalmente compresa tra 0,01 e 0,10 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,05 moli/litro. Nell'ambito della presente invenzione, il termine "ioni fosfato" include sia gli ioni fosfato PO4<3−>, sia gli ioni idrogeno ed diidrogeno-fosfato HPO4<2−>e H2PO4<−>eventualmente presenti in equilibrio con gli ioni PO4<3−>in quantità variabili in funzione del pH. The initial concentration of the phosphate ions in the electrolytic bath is generally comprised between 0.01 and 0.10 mol / liter, preferably between 0.02 and 0.05 mol / liter. In the context of the present invention, the term "phosphate ions" includes both the phosphate ions PO4 <3∠'>, and the hydrogen and dihydrogen-phosphate ions HPO4 <2âˆ'> and H2PO4 <∠'> possibly present in equilibrium with the ions PO4 <3∠'> in variable quantities depending on the pH.
In una forma particolarmente preferita di realizzazione dell’invenzione, oltre agli ioni calcio e fosfato, nel bagno elettrolitico sono presenti ioni zinco, stronzio, carbonato, sodio, potassio, fluoruro. La presenza di questi ioni in opportuni rapporti di concentrazione consente di ottenere un coating a base di idrossiapatite sostituita in modo similare a quella biologica, (cosidetta idrossiapatite biomimetica), ottenendo così un coating che simula in composizione chimica, in dimensione, morfologia e struttura dei cristalli l’idrossiapatite costituente l’osso e la dentina. In a particularly preferred embodiment of the invention, in addition to the calcium and phosphate ions, zinc, strontium, carbonate, sodium, potassium and fluoride ions are present in the electrolytic bath. The presence of these ions in suitable concentration ratios allows to obtain a coating based on substituted hydroxyapatite in a similar way to the biological one, (so-called biomimetic hydroxyapatite), thus obtaining a coating that simulates in chemical composition, size, morphology and structure of the crystals the hydroxyapatite constituting the bone and dentin.
Gli ioni zinco, stronzio, carbonato, sodio, potassio e fluoruro vengono aggiunti al bagno elettrolitico sottoforma di un sale solubile nelle condizioni di reazione. Per esempio, come fonte di ioni zinco si usa Zn(CH3COO)2, Zn(NO3)2, ZnCO3o loro miscele; gli ioni stronzio derivano da Sr(OH)2, SrO, Sr(OH)2*8H2O, SrCO3o loro miscele; come fonte di ioni carbonato si usa CaCO3, CO2(gas), Na2CO3, K2CO3, o loro miscele; per gli ioni sodio di impiega Na2CO3, CH3COONa, Na2NO3,NaF o loro miscele; per gli ioni potassio si usa K2CO3, CH3COOK, K2NO3, K2HPO4, KH2PO4o loro miscele, mentre per gli ioni fluoruro si usa HF, NaF, KF o loro miscele. The zinc, strontium, carbonate, sodium, potassium and fluoride ions are added to the electrolytic bath in the form of a soluble salt under the reaction conditions. For example, Zn (CH3COO) 2, Zn (NO3) 2, ZnCO3 or their mixtures are used as a source of zinc ions; strontium ions derive from Sr (OH) 2, SrO, Sr (OH) 2 * 8H2O, SrCO3o their mixtures; CaCO3, CO2 (gas), Na2CO3, K2CO3, or their mixtures are used as a source of carbonate ions; for sodium ions Na2CO3, CH3COONa, Na2NO3, NaF or their mixtures are used; K2CO3, CH3COOK, K2NO3, K2HPO4, KH2PO4 or their mixtures are used for potassium ions, while HF, NaF, KF or their mixtures are used for fluoride ions.
Le concentrazioni delle soluzioni contenenti i sali sopra riportati variano tra 0,5 M e 0,000001 M. The concentrations of the solutions containing the above salts vary between 0.5 M and 0.000001 M.
In un’altra forma preferita di realizzazione, nel bagno elettrolitico contenente gli ioni calcio e fosfato, eventualmente insieme agli altri ioni, à ̈ possibile aggiungere una soluzione acquosa di poli-L-lisina, preferibilmente con una concentrazione compresa tra 0,0001 M e 0,5 M. In questo modo à ̈ possibile ottenere idrossiapatite funzionalizzata con poli-L-lisina, allo stesso tempo della formazione del coating. In another preferred embodiment, in the electrolytic bath containing the calcium and phosphate ions, possibly together with the other ions, it is possible to add an aqueous solution of poly-L-lysine, preferably with a concentration between 0.0001 M and 0.5 M. In this way it is possible to obtain hydroxyapatite functionalized with poly-L-lysine, at the same time as the formation of the coating.
L’utilizzo della lisina permette di ottenere un coating costituito da nanocristalli di idrossiapatite funzionalizzati superficialmente con catene di poli-L-lisina in grado di offrire alla superficie ossea una interfaccia non puramente inorganica, ma biologicamente ibrida in grado di stimolare diversamente l’azione cellulare e quindi di esibire una specifica bioreattività . La poli-L-lisina può essere inserita all’interno del processo di realizzazione dell’impianto protesico assieme alla soluzione elettrolitica. In questo modo si ottiene la crescita di nano-cristalli di idrossiapatite sulla superficie metallica, in presenza di lisina, la quale risulta inglobata nel coating stesso. The use of lysine allows to obtain a coating consisting of hydroxyapatite nanocrystals functionalized on the surface with poly-L-lysine chains capable of offering the bone surface an interface that is not purely inorganic, but biologically hybrid capable of stimulating the cellular action and therefore to exhibit a specific bioreactivity. Poly-L-lysine can be inserted into the process of making the prosthetic implant together with the electrolytic solution. In this way the growth of hydroxyapatite nano-crystals on the metal surface is obtained, in the presence of lysine, which is incorporated in the coating itself.
Diversamente, à ̈ possibile immergere l’impianto protesico in una soluzione contenente poli-L-lisina dopo aver realizzato il coating di nano-cristalli di idrossiapatite. In questo modo, l’attivazione dell’idrossiapatite da parte della lisina sarà più superficiale. Otherwise, it is possible to immerse the prosthetic implant in a solution containing poly-L-lysine after having carried out the coating of hydroxyapatite nano-crystals. In this way, the activation of hydroxyapatite by lysine will be more superficial.
Preferibilmente, l'elemento metallico comprende titanio od una sua lega con Ta, Nb, V, Al, Pt, ad esempio leghe Ti6Al4V oppure leghe Ti6Al7Nb. Preferably, the metal element comprises titanium or an alloy thereof with Ta, Nb, V, Al, Pt, for example Ti6Al4V alloys or Ti6Al7Nb alloys.
Attuando il processo secondo la presente invenzione à ̈ possibile variare lo spessore dello strato di idrossiapatite da 10 nm a 500 nm, preferibilmente tra 50 nm e 200 nm. By carrying out the process according to the present invention, it is possible to vary the thickness of the hydroxyapatite layer from 10 nm to 500 nm, preferably between 50 nm and 200 nm.
Preferibilmente, l'idrossiapatite à ̈ presente sottoforma di cristalli aventi morfologia lanceolata appiattita (morfologia biomimetica), aventi dimensioni medie del lato più lungo inferiori a 400 nm, più preferibilmente comprese tra 200 e 50 nm. Preferably, the hydroxyapatite is present in the form of crystals having a flattened lanceolate morphology (biomimetic morphology), having average dimensions of the longer side of less than 400 nm, more preferably between 200 and 50 nm.
Il trattamento termico ha lo scopo di aumentare l’adesione dei nanocristalli apatitici alla superficie metallica della protesi producendo un effetto aggiuntivo a quello dello spessore nanometrico e della nanostrutturazione del coating che rappresentano le caratteristiche chimico-fisiche fondamentali per evitare, una volta che la protesi à ̈ impiantata, gli spiacevoli inconvenienti dell’arte nota in cui si verificava la formazione di tasche tra il coating osteointegrato e la protesi metallica, con conseguente scollamento e mancata osteointegrazione della protesi stessa. The heat treatment aims to increase the adhesion of the apatitic nanocrystals to the metal surface of the prosthesis, producing an additional effect to that of the nanometric thickness and the nanostructuring of the coating which represent the fundamental chemical-physical characteristics to avoid, once the prosthesis It is implanted, the unpleasant drawbacks of the known art in which the formation of pockets occurred between the osseointegrated coating and the metal prosthesis, with consequent detachment and failure to osseointegrate the prosthesis itself.
Secondo un ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda un dispositivo protesico comprendente almeno un elemento metallico, detto elemento metallico avendo almeno una superficie rivestita con almeno uno strato aderente alla superficie metallica ottenibile per deposizione elettrolitica di un composto calcio-fosfato comprendente idrossiapatite. Preferibilmente, il composto calcio-fosfato comprende idrossipatite sostituita con ioni zinco, stronzio, carbonato, sodio, potassio, fluoruro o loro miscele (idrossiapatite biomimetica). Il dispositivo protesico secondo la presente invenzione essendo ottenuto con un metodo di elettrodeposizione seguito da trattamento termico, presenta un vantaggio rispetto ai dispositivi noti, che risiede nella maggiore aderenza del coating alla superficie metallica. Ciò determina una migliore osteointegrazione del dispositivo protesico rispetto alle protesi fino ad ora note rivestite da coating apatitici micrometrici non nanostrutturati ottenuti con processi che non includono un trattamento termico. La presente invenzione verrà ora illustrata tramite alcuni esempi di realizzazione, facendo anche riferimento alle allegate figure, in cui: According to a further aspect, the present invention relates to a prosthetic device comprising at least one metal element, said metal element having at least one surface coated with at least one layer adhering to the metal surface obtainable by electrolytic deposition of a calcium-phosphate compound comprising hydroxyapatite. Preferably, the calcium-phosphate compound comprises hydroxyapatite substituted with zinc, strontium, carbonate, sodium, potassium, fluoride ions or mixtures thereof (biomimetic hydroxyapatite). The prosthetic device according to the present invention, being obtained with an electrodeposition method followed by heat treatment, has an advantage over known devices, which lies in the greater adherence of the coating to the metal surface. This determines a better osseointegration of the prosthetic device compared to previously known prostheses coated with micrometric non-nanostructured apatitic coatings obtained with processes that do not include a heat treatment. The present invention will now be illustrated by means of some embodiment examples, also referring to the attached figures, in which:
- la Figura 1 mostra un impianto dentale ricoperto da un coating omogeneo di nanocristalli apatitici ionosostituiti, ottenuto con i seguenti parametri sperimentali: 25°C, 3,5 minuti di elettrodeposizione, 30 mA, 20 V, non tratato termicamente, asciugato in alcool assoluto; - Figure 1 shows a dental implant covered with a homogeneous coating of ion-substituted apatitic nanocrystals, obtained with the following experimental parameters: 25 ° C, 3.5 minutes of electrodeposition, 30 mA, 20 V, not heat treated, dried in absolute alcohol ;
- la Figura 2 mostra un coating di nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita ottenuto con i seguenti parametri sperimentali: 30°C, 3 minuti di elettrodeposizione, 34 mA, 30 V, non trattato termicamente; - Figure 2 shows a coating of ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals obtained with the following experimental parameters: 30 ° C, 3 minutes of electrodeposition, 34 mA, 30 V, not heat treated;
- la Figura 3 mostra un coating di nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita ottenuto con i seguenti parametri sperimentali: 25°C, 2 minuti di elettrodeposizione, 34 mA, 40 V, non trattato termicamente; - Figure 3 shows a coating of ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals obtained with the following experimental parameters: 25 ° C, 2 minutes of electrodeposition, 34 mA, 40 V, not heat treated;
- la Figura 4 mostra un coating di nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita, ottenuto con i seguenti parametri sperimentali: 30°C, 6 minuti di elettrodeposizione, 17 mA, 25 V, non trattato termicamente; - Figure 4 shows a coating of ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals, obtained with the following experimental parameters: 30 ° C, 6 minutes of electrodeposition, 17 mA, 25 V, not heat treated;
- la figura 5 mostra un coating composto da nanocristalli idrossiapatitici, iono-sostituiti, ottenuto con i seguenti parametri sperimentali: 20 mA, 50 V, 25°C, 5 minuti di elettrodeposizione, quindi successivamente trattato termicamnte per 2 ore a 500°C; - la Figura 6 mostra nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita dell'invenzione con morfologia a piattine, di dimensione variabile tra 50 – 60 nm di lunghezza e 60-70 nm di larghezza; - figure 5 shows a coating composed of hydroxyapatitic, ion-substituted nanocrystals, obtained with the following experimental parameters: 20 mA, 50 V, 25 ° C, 5 minutes of electrodeposition, then subsequently heat treated for 2 hours at 500 ° C; - Figure 6 shows ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals of the invention with a flat morphology, of variable size between 50 - 60 nm in length and 60-70 nm in width;
- la Figura 7 mostra nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita secondo l'invenzione con morfologia aciculare, di dimensione variabile tra 170 – 200 nm di lunghezza e 50-60 nm di larghezza; - Figure 7 shows nanocrystals of ion-substituted hydroxyapatite according to the invention with acicular morphology, of variable size between 170 - 200 nm in length and 50-60 nm in width;
- la Figura 8 mostra uno spettro a diffrazione a raggi X di tre differenti coating composti da nanocristali di idrossiapatite iono-sostituiti dell'invenzione realizzati a 20°C (rosso), 30°C (blu) e 40°C (verde); Figure 8 shows an X-ray diffraction spectrum of three different coatings composed of ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals of the invention made at 20 ° C (red), 30 ° C (blue) and 40 ° C (green);
- la Figura 9 mostra il termogramma dell’idrossiapatite iono-sostituita ottenuta tramite il metodo dell'invenzione; - Figure 9 shows the thermogram of the ion-substituted hydroxyapatite obtained by the method of the invention;
- la Figura 10 mostra lo spettro FT-IR di nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituiti ottenuti elettrochimicamente. - Figure 10 shows the FT-IR spectrum of ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals obtained electrochemically.
ESEMPIO 1 EXAMPLE 1
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 47 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 42 mM, 47 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 25 mM, 4 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 4,6 mM, 4 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 4,6 mM, 4 mL della soluzione di ioni Na<+>alla concentrazione 10 mM, 4 mL della soluzione di ioni K<+>alla concentrazione 9,4 mM, 4 mL della soluzione di ioni F<->alla concentrazione di 9,0 mM e 6 mL della soluzione di ioni CO3<2->alla concentrazione 4,8 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 28 mA, un potenziale di 35 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 25°C per un tempo complessivo pari a 3 minuti. Al termine del processo, l’impianto viene estratto dal bagno elettrochimico e viene asciugato in un bagno di alcool assoluto per un tempo pari a 20 secondi. Si ottiene così un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituiti il quale viene immerso in una soluzione acquosa di lisina per un tempo pari a 30 secondi, quindi asciugato sotto il getto costante di un flusso d’aria a 70°C. Introduce into the electrolytic cell: 47 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 42 mM, 47 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 25 mM, 4 mL of the Zn <ion solution 2+> at 4.6 mM concentration, 4 mL of Sr ion solution <2+> at 4.6 mM concentration, 4 mL of Na <+> ion solution at 10 mM concentration, 4 mL of ion solution K <+> at the 9.4 mM concentration, 4 mL of the F <-> ion solution at the 9.0 mM concentration and 6 mL of the CO3 <2-> ion solution at the 4.8 mM concentration. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 28 mA is applied, a potential of 35 V. The electrodeposition reaction takes place at a temperature of 25 ° C for a total time of 3 minutes. At the end of the process, the plant is extracted from the electrochemical bath and dried in a bath of absolute alcohol for a time equal to 20 seconds. The result is an implant covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is immersed in an aqueous solution of lysine for a time equal to 30 seconds, then dried under the constant jet of a flow of air at 70 ° C.
ESEMPIO 2 EXAMPLE 2
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 50 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 42 mM, 50 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 25 mM, 4 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 5,0 mM, 4 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 5,0 mM, 4 mL della soluzione di ioni Na<+>alla concentrazione 10 mM, 4 mL della soluzione di ioni K<+>alla concentrazione 9,4 mM, 4 mL della soluzione di ioni F<->alla concentrazione di 10,0 mM, 4 mL della soluzione di ioni CO3<2->alla concentrazione 4,8 mM e 4 mL di soluzione di lisina. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 40 mA, un potenziale di 20 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 30°C per un tempo complessivo pari a 4 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita funzionalizzati superficialmente con lisina. Questo viene asciugato sotto un flusso costante d’aria calda ad una temperatura di 60°C. Introduce into the electrolytic cell: 50 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 42 mM, 50 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 25 mM, 4 mL of the Zn <ion solution. 2+> at 5.0 mM concentration, 4 mL of Sr ion solution <2+> at 5.0 mM concentration, 4 mL of Na <+> ion solution at 10 mM concentration, 4 mL of ion solution K <+> at 9.4 mM concentration, 4 mL of F <-> ion solution at 10.0 mM concentration, 4 mL of CO3 <2-> ion solution at 4.8 mM concentration and 4 mL of lysine solution. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 40 mA is applied, a potential of 20 V. The electrodeposition reaction takes place at a temperature of 30 ° C for a total time of 4 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals functionalized on the surface with lysine. This is dried under a constant flow of hot air at a temperature of 60 ° C.
ESEMPIO 3 EXAMPLE 3
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 47 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 42 mM, 47 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 25 mM, 4 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 4,6 mM, 4 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 4,6 mM, 4 mL della soluzione di ioni Na<+>alla concentrazione 10 mM, 4 mL della soluzione di ioni K<+>alla concentrazione 9,4 mM, 4 mL della soluzione di ioni F<->alla concentrazione di 9,0 mM e 6 mL della soluzione di ioni CO3<2->alla concentrazione 4,8 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 28 mA, un potenziale di 35 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 25°C per un tempo complessivo pari a 3 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite ionosostituita il quale viene sottoposto ad un trattamento termico a 600°C per un tempo complessivo pari a 3 ore. ESEMPIO 4 Introduce into the electrolytic cell: 47 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 42 mM, 47 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 25 mM, 4 mL of the Zn <ion solution 2+> at 4.6 mM concentration, 4 mL of Sr ion solution <2+> at 4.6 mM concentration, 4 mL of Na <+> ion solution at 10 mM concentration, 4 mL of ion solution K <+> at the 9.4 mM concentration, 4 mL of the F <-> ion solution at the 9.0 mM concentration and 6 mL of the CO3 <2-> ion solution at the 4.8 mM concentration. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 28 mA is applied, a potential of 35 V. The electrodeposition reaction takes place at a temperature of 25 ° C for a total time of 3 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is subjected to a heat treatment at 600 ° C for a total time of 3 hours. EXAMPLE 4
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 45 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 42 mM, 45 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 25 mM, 9 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 4,6 mM, 9 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 4,6 mM, 4 mL della soluzione di ioni Na<+>alla concentrazione 10 mM, 4 mL della soluzione di ioni K<+>alla concentrazione 9,4 mM e 4 mL della soluzione di ioni F<->alla concentrazione di 9,0 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 34 mA e un potenziale di 40 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 25°C per un tempo complessivo pari a 2 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita il quale viene sottoposto ad un trattamento termico a 500°C per un tempo complessivo pari a 4 ore. Introduce into the electrolytic cell: 45 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 42 mM, 45 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 25 mM, 9 mL of the Zn <ion solution. 2+> at 4.6 mM concentration, 9 mL of Sr <2+> ion solution at 4.6 mM concentration, 4 mL of Na <+> ion solution at 10 mM concentration, 4 mL of ion solution K <+> at the 9.4 mM concentration and 4 mL of the F <-> ion solution at the 9.0 mM concentration. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 34 mA and a potential of 40 V are applied. The electroplating reaction takes place at a temperature of 25 ° C for a total time of 2 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is subjected to a heat treatment at 500 ° C for a total time of 4 hours.
ESEMPIO 5 EXAMPLE 5
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 50 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 40 mM, 50 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 20 mM, 5 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 5,0 mM, 5 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 4,6 mM, 5 mL della soluzione di ioni Na<+>alla concentrazione 10 mM e 5 mL della soluzione di ioni K<+>alla concentrazione 9,4 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 34 mA e un potenziale di 20 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 30°C per un tempo complessivo pari a 2 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite iono-sostituita il quale viene sottoposto ad un trattamento termico a 500°C per un tempo complessivo pari a 2 ore. Introduce into the electrolytic cell: 50 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 40 mM, 50 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 20 mM, 5 mL of the Zn <ion solution. 2+> at 5.0 mM concentration, 5 mL of Sr <2+> ion solution at 4.6 mM concentration, 5 mL of Na <+> ion solution at 10 mM concentration and 5 mL of ion solution K <+> at a concentration of 9.4 mM. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 34 mA and a potential of 20 V are applied. The electroplating reaction takes place at a temperature of 30 ° C for a total time of 2 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is subjected to a heat treatment at 500 ° C for a total time of 2 hours.
ESEMPIO 6 EXAMPLE 6
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 50 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 38 mM, 50 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 20 mM, 10 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 4,8 mM e 10 mL della soluzione di ioni Sr<2+>alla concentrazione 5,0 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 20 mA, un potenziale di 36 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 25°C per un tempo complessivo pari a 3,5 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite ionosostituita il quale viene sottoposto ad un trattamento termico a 400°C per un tempo complessivo pari a 2,5 ore. ESEMPIO 7 Introduce into the electrolytic cell: 50 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 38 mM, 50 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 20 mM, 10 mL of the Zn <ion solution. 2+> at the concentration of 4.8 mM and 10 mL of the Sr <2+> ion solution at the concentration 5.0 mM. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 20 mA is applied, a potential of 36 V. The electroplating reaction takes place at a temperature of 25 ° C for a total time of 3.5 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is subjected to a heat treatment at 400 ° C for a total time of 2.5 hours. EXAMPLE 7
Introdurre all’interno della cella elettrolitica: 50 mL della soluzione di ioni Ca<2+>alla concentrazione di 41 mM, 50 mL della soluzione di ioni PO4<3->alla concentrazione 22 mM, 20 mL della soluzione di ioni Zn<2+>alla concentrazione di 4,8 mM. Una volta avvenuta la miscelazione delle soluzioni elencate, vengono introdotti all’interno della cella i due elettrodi. Quindi viene applicata una intensità di corrente pari a 30 mA, un potenziale di 30 V. La reazione di elettrodeposizione avviene alla temperatura di 20°C per un tempo complessivo pari a 4 minuti. Al termine del processo elettrochimico, si ottiene un impianto ricoperto da nanocristalli di idrossiapatite ionosostituita il quale viene sottoposto ad un trattamento termico a 300°C per un tempo complessivo pari a 3 ore. Introduce into the electrolytic cell: 50 mL of the Ca <2+> ion solution at a concentration of 41 mM, 50 mL of the PO4 <3-> ion solution at a concentration of 22 mM, 20 mL of the Zn <ion solution. 2+> at a concentration of 4.8 mM. Once the listed solutions have been mixed, the two electrodes are introduced into the cell. Then a current intensity of 30 mA is applied, a potential of 30 V. The electrodeposition reaction takes place at a temperature of 20 ° C for a total time of 4 minutes. At the end of the electrochemical process, an implant is obtained covered with ion-substituted hydroxyapatite nanocrystals which is subjected to a heat treatment at 300 ° C for a total time of 3 hours.
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