PL183722B1 - Sposób wytwarzania warstw kompozytowych pasywno-węglowych na powierzchni wyrobów, zwłaszcza implantów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego - Google Patents

Abstract

Sposób wytwarzania warstw kompozytowych pasywno-węglowych na powierzchni wyrobów, zwłaszcza implantów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego, znamienny tym, że warstwę pasywną wytwarza się poprzez elektropolerowanie w kąpieli zawierającej: kwas fosforowy o gęstości 1,70 g/cm3 w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm3 w ilości 35-45% wagowo, acetanilid w ilości 40-60 g/dm3, kwas szczawiowy w ilości 40-60 g/dm3, temperaturze kąpieli 60-80°C i czasie 3 do 10 minut, a następnie prowadzi się pasywowanie w 30-40% roztworze kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez 1 godzinę i suszy, a w drugim etapie nanosi się na warstwę pasywną warstwę węglową przez wprowadzenie do komory metanu przepływającego z natężeniem nie mniejszym niż 20 sccm, zachowując w komorze ciśnienie nie mniejsze niż 0,3x10-4 Pa i stosując ujemny potencjał auto- polaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości nie mniejszy niż 600 V i czas trwania procesu od 10 minut.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania warstw kompozytowych pasywno-węglowych, na powierzchni wyrobów zwłaszcza implantów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego, stosowanego w chirurgii kostnej, szczękowo-twarzowej i ortodoncji.

Znane sposoby wytwarzania tylko warstw węglowych na powierzchni wyrobów ze szkła, kwarcu, materiałów półprzewodzących, a także metali i stopów polegają na działaniu na powierzchnię wyrobu plazmą, zawierającąjony węgla.

Jeden ze znanych sposobów wytwarzania warstw węglowych, opisany w zgłoszeniu patentowym RFN nr 2 113 375 polega na działaniu na powierzchnię wyrobu wiązkąjonów węgla o energii 100 eV wytworzoną w stałym polu elektrycznym między elektrodą grafitową i elektrodą, na której umieszcza się wyrób.

Inny sposób wytwarzania warstw węglowych, przedstawiony w opisie patentowym Wielkiej Brytanii nr 1 582 231, polega na działaniu na powierzchnię wyrobu jonami węgla uzyskanymi w procesie dysocjacji węglowodorów w polu elektrycznym o częstotliwości 0,5-100 MHz, przy czym element obrabiany umieszcza się na elektrodzie wysokiej częstotliwości, która w wyniku procesów autopolaryzacji posiada potencjał od -100 do -1500 V.

Warstwy węglowe uzyskane znanymi sposobami o strukturze ąuasimorficznej lub drobnokrystalicznej charakteryzują się małą adhezją do podłoży i ulegają fałdowaniu, pękaniu lub łuszczeniu na skutek występujących w nich naprężeń. W celu podwyższenia adhezji wytworzonych tymi sposobami warstw do podłoży proponuje się w opisach patentowych NRD nr 138 678 i nr 146 624 wstępne trawienie wyrobów jonami kryptonu lub ksenonu pod ciśnieniem gazów w komorze reduktora poniżej 10-6 MPa i przy ujemnym potencjale podłoży rzędu -300 do -3000 V Mimo to uzyskane warstwy ulegały w dalszym ciągu pofałdowaniu, pękaniu lub łuszczeniu.

Wymienione wady jakości warstw węglowych można usunąć poprzez stosowanie sposobu ich wytwarzania znanego z opisu patentowego polskiego nr 135 759. Sposób wytwarzania warstw węglowych według patentu, przydatny na podłoża ze szkła, kwarcu, półprzewodnika lub metalu w plazmie zawierającej jony węgla bądź mieszaninę jonów węgla i gazów prowadzi się dwuetapowo, przy czym w pierwszym etapie wyroby przeznaczone do obróbki trawi się jonowo w plazmie zawierającej jony węgla, gazów szlachetnych i /lub azotu przy ciśnieniu plazmy nie wyższym niż 1,3x 10'⁶ MPa w polu elektrycznym o natężeniu nie wyższym niż 103 V/m w czasie nie krótszym niż 10 minut, a następnie w drugim etapie nanosi się na wytrawiony wyrób warstwę

183 722 węglowąw wyniku działania plazmąo tym samym składzie jakościowym, jak w procesie trawienia, przy ciśnieniu cząstkowym gazu węglonośnego 2,9x10'⁵ - 6,7x10-* MPa, przy natężeniu pola elektrycznego nie niższym niż 102 V/m w czasie nie krótszym niż 10 s.

Uzyskana tym sposobem warstwa węglowa posiada strukturę quasimorficzną z wtrąceniami krystalitów o rozmiarach do 2,5 pm. Warstwa ta nie jest jednak przydatna na implanty stosowane w chirurgii kostnej, gdyż pęka lub odwarstwia się od podłoża podczas przedoperacyjnego modelowania implantu, a także nie jest dostatecznie odporna na proces korozji wżerowej, szczelinowej, naprężeniowej i zmęczeniowej, zachodzący w środowisku tkanek i płynów ustrojowych w okresie 45 użytkowania implantu. Korozja niszczy warstwę węglową, odsłaniając powierzchnię nie spasywowanego podłoża metalowego, co w konsekwencji przyczynia się do rozwoju metalozy i powikłań odczynowych w obszarze zespolenia kości.

Wymienione wady jakości warstw węglowych można usunąć przez stosowanie sposobu ich wytwarzania na podłożu stali chromowo-niklowo-molibdenowych znanego z polskiego opisu patentowego nr 181 251. Polega on na wytworzeniu na powierzchni implantu skutecznie zabezpieczającej warstwy pasywnej, na którą nanosi się następnie warstwę węglową. Można ją osiągnąć poprzez zastosowanie procesu polerowania elektrolitycznego i pasywacji. Elektropolerowanie implantów prowadzi się w kąpieli o składzie: kwas ortofosforowy o gęstości 1,70 g/cm³ w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm3 w ilości 35-45% wagowo z dodatkiem acetanilidu w ilości 40-60 g/dm3, kwasu szczawiowego w ilości 40-60 g/dm3 z dodatkiem detergentu w ilości 0,3-30 g/dm3 składającego się z glicerydów siarczanowych i alkiloarylosulfomanów przy gęstości prądu w zakresie 30-40 A/dm² w temperaturze 60 do 80°C w czasie 3 do 10 minut. Następnie prowadzi się proces pasywacji w 30 do 40% roztworze wodnym kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez jedną godzinę. W drugim etapie na warstwę pasywną nanosi się warstwę węglową poprzez wprowadzenie do komory metanu przepływającego z natężeniem nie mniejszym niż 20 sccm, zachowując w komorze ciśnienie nie mniejsze niż 0,3x10 MPa i stosując ujemny potencjał autopolaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości nie mniejszy niż 400 V i czas trwania procesu od 2 minut. Tak wytworzona warstwa kompozytowa odznacza się dobrą adhezją i trzykrotnie większą odpornością na korozję wżerową i szczelinową w odniesieniu do stanu wyjściowego stali w środowisku tkanek i płynów ustrojowych.

Celem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania warstw węglowych na powierzchni implantatów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego o dobrej odporności na korozję wżerową w środowisku tkanek i płynów ustrojowych organizmu ludzkiego oraz dobrej adhezji do metalicznego podłoża.

Proponowany sposób wytwarzania warstwy kompozytowej pasywno-węglowej polega na elektropolerowaniu w kąpieli zawierającej kwas ortofosforowy gęstości 1,70 g/cm³ w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm3 w ilości 35-45% wagowo z dodatkiem acetanilidu w ilości 40-60 g/dm3, kwasu szczawiowego w ilości 40-60 g/dm3 przy gęstości prądu w zakresie 40-60 A/dm2 w temperaturze 60 do 80°C w czasie 3 do 10 minut. Następnie prowadzi się proces pasywacji w 30 do 40% roztworze wodnym kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez jedną godzinę. W drugim etapie na warstwę pasywną nanosi się warstwę węglową poprzez wprowadzenie do komory metanu przepływającego z natężeniem nie mniejszym niż 20 sccm, zachowując w komorze ciśnienie nie mniejsze niż 0,3x10 MPa i stosując ujemny potencjał autopolaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości nie mniejszy niż 600 V i czas trwania procesu od 10 mmut.

Wytworzona uszlachetniająca warstwa kompozytowa na powierzchni implantów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego odznacza się dobrą adhezją i prawie dwukrotnie większą odpornością na korozję wżerową w odniesieniu do stanu wyjściowego podłoża stopu w środowisku tkanek i płynów ustrojowych. Duża odporność korozyjna gwarantuje także dobrą biotolerancję, gdyż eliminuje niekorzystny rozwój reakcji toksycznych i alergicznych, a przez to znacząco zmniejszają się powikłania pooperacyjne.

183 722

Przykład

Sposób wytwarzania warstwy pasywno-węglowej na wyrobach, a zwłaszcza na implantach z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego jest następujący: implant po wstępnym szlifowaniu mechanicznym na materiałach ściernych (nr 180) odtłuszcza się w substancjach organicznych takich jak: trójchloroetylen, alkohol etylowy, octan etylowy, a następnie poleruje się elektrolitycznie w kąpieli o składzie: kwas ortofosforowy o gęstości 1,70 g/cm³ w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm3 w ilości 35-45% wagowo z dodatkiem acetanilidu w ilości 40-60 g/dm3, kwasu szczawiowego w ilości 40-60 g/dm3. Proces polerowania elektrolitycznego prowadzi się przy gęstości prądu z zakresu 40-60 A/dm² w temperaturze 60 do 80°C w czasie 3 do 10 minut. Następnie wypolerowane wyroby płucze się w wodzie bieżącej i destylowanej oraz suszy. Z kolei wysuszone wyroby poddaje się procesowi pasywacji chemicznej w 30 do 40% roztworze wodnym kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez jedną godzinę. Po zakończeniu pasywacji wyroby płucze się w wodzie bieżącej i destylowanej oraz suszy.

W kolejnym etapie implantat umieszcza się na elektrodzie komory próżniowej reaktora plazmowego, do której doprowadza się energię o częstotliwości 13,56 MHz, po czym wprowadza się do komory metan przepływający z natężeniem 20-50 sccm tak, aby ciśnienie w komorze reaktora wynosiło od 0,3 do 0,8x10’ MPa, przy ujemnym potencjale autopolaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości nie mniejszym niż 600 V. W tych warunkach implant utrzymuje się w czasie nie krótszym niż 10 minut:.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 50 egz. Cena 2,00 zł.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Sposób wytwarzania warstw kompozytowych pasywno-węglowych na powierzchni wyrobów, zwłaszcza implantów z odlewniczego stopu kobaltowo-chromowo-molibdenowego, znamienny tym, że warstwę pasywną wytwarza się poprzez elektropolerowanie w kąpieli zawierającej: kwas fosforowy o gęstości 1,70 g/cm³ w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm3 w ilości 35-45% wagowo, acetanilid w ilości 40-60 g/dm3, kwas szczawiowy w ilości 40-60 g/dm3, temperaturze kąpieli 60-80°C i czasie 3 do 10 minut, a następnie prowadzi się pasywowanie w 30-40% roztworze kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez 1 godzinę i suszy, a w drugim etapie nanosi się na warstwę pasywną warstwę węglowąprzez wprowadzenie do komory metanu przepływającego z natężeniem nie mniejszym niż 20 sccm, zachowując w komorze ciśnienie nie mniejsze niż 0,3x 10’⁴Pa i stosując ujemny potencjał autopolaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości nie mniejszy niż 600 V i czas trwania procesu od 10 minut.