PL211608B1 - Sposób łączenia cząstek szkła bioaktywnego z emaliowaną powierzchnią implantu metalicznego - Google Patents

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób łączenia cząstek szkła bioaktywnego z emaliowaną powierzchnią implantu metalicznego.

Implanty tytanowe oraz implanty wykonane ze stopów tytanu charakteryzują się tym, że po wszczepieniu do organizmu najczęściej zachowują się w sposób typowy dla „materiałów inertnych”, tzn. nie wykazują cech bioaktywności, która jest niezbędna do trwałego połączenia implantu z otaczającymi tkankami ustroju. Wszczepy metaliczne tego typu otaczane są w organizmie tkanką włóknistą, która nie daje możliwości wytrzymałego połączenia z tkanką kostną lub z tkankami miękkimi. Ma to szczególne znaczenie w przypadku implantów ortopedycznych, na przykład stawu biodrowego, od których najczęściej wymaga się przenoszenia znacznych obciążeń mechanicznych, a obluzowanie wszczepu związane jest z koniecznością wykonania ponownego zabiegu chirurgicznego. Jedną z metod wykonania implantów bioaktywnych jest pokrycie ich metalicznej powierzchni cienką warstwą szkła bioaktywnego, które po wszczepieniu do organizmu reaguje chemicznie z płynami ustrojowymi. W wyniku zł oż onych procesów chemicznych na powierzchni szkł a bioaktywnego wytwarza się warstwa hydroksyapatytu, która tworzy wytrzymałą warstwę pośrednią, łączącą mechanicznie tkankę kostną z implantem poprzez dobrze związaną z powierzchnią implantu warstwą szkła.

Bioaktywność szkła jest ściśle uwarunkowana jego składem i technologią wykonania. Jednym z rodzajów szkieł stosowanych na pokrycia bioaktywne jest szkło z układu SiO2-Na2O-CaO-P2O5 wytwarzane w procesie syntezy wysokotemperaturowej - wytapiane z wyjściowych składników w temperaturze 1400-1500°C. Dużym problemem jest wykonanie szkła bioaktywnego o rozszerzalności termicznej zbliżonej do tytanu lub jego stopów. Przy tradycyjnych metodach wytwarzania szklanego pokrycia implantu (wysokotemperaturowe procesy emaliowania, natryskiwania plazmowego i inne) współczynniki rozszerzalności termicznej spajanych materiałów nie powinny się znacznie różnić, ze względu na niebezpieczeństwo pękania szklanej warstwy przy studzeniu implantu. Szkła o zbliżonej rozszerzalności termicznej do tytanu mają zazwyczaj niskie właściwości bioaktywne, zatem stosuje się ich ulepszanie przez umocowanie w warstwie powierzchniowej cząstek szkła o wyższych właściwościach bioaktywnych.

Sposób umocowania tych cząstek zależy od technologii wykonania samej warstwy, na przykład przez wtopienie ich w warstwę szkła przy emaliowaniu powierzchni implantu lub wtopienie przy napylaniu plazmowym.

Sposób łączenia cząstek szkła bioaktywnego z emaliowaną powierzchnią implantu metalicznego według wynalazku charakteryzuje się tym, że na powierzchni implantu metalicznego pokrytego emalią szklaną, wykonaną ze szkła z układu SiO2-Na2O-CaO-MgO-K2O o współczynniku rozszerzalności zbliżonym do współczynnika rozszerzalności tytanu i poddanego obróbce do gładkości optycznej, umieszcza się cząstki szkła bioaktywnego. Cząstki szkła bioaktywnego wykonuje się ze szkła z układu SiO2-Na2O-CaO-P2O5 o grubości około 0,5 mm i powierzchni kilku mm, i jednostronnie pokryte warstwą tytanu o grubości około 80 nm. Cząstki szkła bioaktywnego układa się tak, aby warstwa tytanu skierowana była w stronę implantu metalicznego. Następnie, tak przygotowany implant podgrzewa się do temperatury około 500°C w powietrzu i utrzymuje się w tej temperaturze około 10 min. W następnej kolejności implant poddaje się działaniu napięcia stałego U o wartości około 100 V przez około 5 min. Implant poddawany jest studzeniu do temperatury pokojowej.

Przedmiot wynalazku zostanie bliżej omówiony w przykładzie wykonania, w oparciu o rysunek, który przedstawia schemat wspomaganego polem elektrycznym spajania cząstek szkła bioaktywnego z emaliowaną powierzchnią implantu.

Wykonanie implantu realizowane w oparciu o przedstawiony sposób jest następujące.

Implant metaliczny 1 poddany jest oczyszczeniu, a następnie pokryciu jego powierzchni cienką (około 0,1 mm) warstwą emalii szklanej 2. Emalia szklana wykonana jest ze szkła z układu SiO₂-Na₂O-CaO-MgO-K₂O o współczynniku rozszerzalności zbliżonym do współczynnika rozszerzalności tytanu. Emaliowanie wykonuje się przez stopienie w odpowiednio wysokiej temperaturze (około 900°C) szkła na powierzchni implantu w taki sposób, aby szkło zwilżyło powierzchnię metalu i utworzyło po ostudzeniu dobrze związaną z metalem warstwę. Warstwę emalii szklanej 2 poddano szlifowaniu i polerowaniu do gładkości optycznej.

Następnie, przygotowano szkło bioaktywne 4. Wykonano płytkę o grubości 0,5 mm ze szkła wytopionego w temperaturze 1400-1500°C z wyjściowych składników z układu SiO2-Na2O-CaO-P2O5

Następnie, jedną z powierzchni płytki poddano szlifowaniu i polerowaniu do gładkości optycznej. Na tę

PL 211 608 B1 powierzchnię naparowano próżniowo warstwę tytanu 3 o grubości 80 nm. Płytka została podzielona na niewielkie cząstki, o powierzchni kliku mm każda. Tak przygotowane szkło bioaktywne 4 umieszczono na implancie metalicznym 1, w taki sposób, aby warstwa tytanu 3 skierowana była w stronę implantu metalicznego 1.

Przygotowany implant poddano spajaniu. W tym celu implant został podgrzany za pomocą układu grzewczego 5 do temperatury 500°C w powietrzu i przetrzymany w tej temperaturze ok. 10 min. W trakcie wygrzewania następuje wstępne utlenienie warstwy tytanu. W następnej kolejności do implantu przyłożono napięcie stałe U o wartości ok. 100 V przez około 5 min. w celu wykonania połączenia.

Otrzymany implant ostudzono do temperatury pokojowej. Niewielki rozmiar cząstek szkła bioaktywnego 4 wpływa na zmniejszenie naprężeń termicznych, pojawiających się w trakcie studzenia i wywołanych różnicą współczynników rozszerzalności termicznej łączonych elementów, mimo stosunkowo niskiej temperatury procesu spajania.

Claims (1)

1. Sposób łączenia cząstek szkła bioaktywnego z emaliowaną powierzchnią implantu metalicznego, znamienny tym, że na powierzchni implantu metalicznego (1) pokrytego emalią szklaną (2), wykonaną ze szkła z układu SiO₂-Na₂O-CaO-MgO-K₂O o współczynniku rozszerzalności zbliżonym do współczynnika rozszerzalności tytanu i poddanego obróbce do gładkości optycznej, umieszcza się cząstki szkła bioaktywnego (4), wykonane ze szkła z układu SiO₂-Na₂O-CaO-P₂O₅, o grubości około 0,5 mm i powierzchni kilku mm i jednostronnie pokryte warstwą tytanu (3) o grubości około 80 nm, przy czym cząstki szkła bioaktywnego (4) układa się tak, aby warstwa tytanu (3) skierowana była w stronę implantu metalicznego (1), a następnie tak przygotowany implant podgrzewa się do temperatury około 500°C w powietrzu i utrzymuje się w tej temperaturze około 10 min, po czym poddaje się go działaniu napięcia stałego U o wartości około 100 V przez około 5 min, a następnie implant poddaje się studzeniu do temperatury pokojowej.