PL212780B1

PL212780B1 - Sposób wytwarzania cienkiej warstwy kompozytowej na powierzchni wyrobów medycznych, zwłaszcza implantów, instrumentariów medycznych

Info

Publication number: PL212780B1
Application number: PL384523A
Authority: PL
Inventors: Józef Borowski; Tadeusz Wierzchoń; Stanisław Mitura; Elżbieta Czarnowska; Piotr Niedzielski; Urszula Borowska-Skarzyńska
Original assignee: Borowski Jozef Przed Prod Uslugowo Handlowe Medgal
Priority date: 2008-02-21
Filing date: 2008-02-21
Publication date: 2012-11-30
Also published as: PL384523A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania cienkiej warstwy kompozytowej na powierzchni wyrobów medycznych, zwłaszcza implantów, instrumentariów medycznych, endoprotez.

Z opisu patentowego PL 186562 jest znany sposób wytwarzania cienkiej warstwy węgla diamentowego na powierzchni wyrobów. Sposób polega na tym, że wytwarza się plazmę gazu węglowo10 2 dorowego o gęstości elektronowej większej od 5 x 10¹⁰ elektronów/cm² i tworzy się osłonę plazmową o szerokości mniejszej niż 1,7 mm, utrzymując silny strumień jonów i regulowanie bombarduje się ₂ jonami o niskiej energii, po czym poddaje się działaniu prądem jonowym, większym od 3 mA/cm²i napięciu polaryzacji od około -200 do -500 V.

Jako gaz węglowodorowy stosuje się gaz wybrany z grupy C4H10, CH4, C2H2, C5H6, C2H6 i C3H8.

Z opisu PL 181251 jest znany sposób wytwarzania warstw kompozytowych pasywno-węglowych na powierzchni wyrobów, zwłaszcza implantów ze stali chromowo-niklowo-molibdenowych, polegający na tym, że wyrób poddaje się elektropolerowaniu w kąpieli zawierającej: kwas fosforowy o gęstości 33

1,70 g/cm³ w ilości 55-65% wagowo, kwas siarkowy o gęstości 1,84 g/cm³ w ilości 35-45% wagowo, 33 acetanilid w ilości 40-60 g/dm³, kwas szczawiowy w ilości 40-60g/dm³ z dodatkiem detergentu w ilości ₃

0,3-30 g/dm³, składającego się z glicerydów siarczanowych i alkiloarylosulfonianów, przy gęstości ₂ anodowej prądu w zakresie 30 do 40 A/dm², temperaturze kąpieli 60 do 80°C i czasie 3 do 10 minut, a następnie prowadzi się pasywowanie w 30 do 40% roztworze kwasu azotowego w temperaturze 60 do 70°C przez 1 godzinę i suszy.

Następnie wyrób umieszcza się na elektrodzie wysokiej częstotliwości w komorze reaktora plazmowego i po włączeniu pompy próżniowej doprowadza się do komory metan z prędkością 20-50 sccm, tak aby ciśnienie w komorze wynosiło 0,3-0,8 x 10^-4 MPa, po czym włącza się generator wysokiej częstotliwości i doprowadza się energię do elektrody, tak aby uzyskany potencjał autopolaryzacji był nie mniejszy niż 400 V, w czasie nie krótszym niż 2 minuty. Dzięki temu na wyrobie uzyskuje się warstwę nanokrystalicznego węgla.

Zadaniem wynalazku jest opracowanie sposobu wytwarzania, który umożliwiałby wytworzenie warstwy kompozytowej typu austenit azotowy z cienką powierzchniową powłoką z warstwy nanokrystalicznego diamentu (NCD) o twardości rzędu do 1300 HV 0,05 i niskiej adhezji komórek i macierzy pozakomórkowej, mającej jednocześnie wysoką odporność na obciążenie dynamiczne, odporność na zużycie przez tarcie, na wyrobach medycznych, jak implanty kostne i instrumentaria medyczne, wytworzonych ze stali austenitycznych.

Zadanie to zostało rozwiązane dzięki temu, że najpierw wyrób poddaje się procesowi niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego w temperaturze 400-450°C w obecności gazu reaktywnego N2+H2 i wytwarza się warstwę austenitu azotowego o zawartości < 5% wagowych azotu, po czym przeprowadza się chemiczne osadzanie powłoki NCD według procesu RF PACUD z przepływem gazu węglonośnego, korzystnie metanu w zakresie od 10 do 80 sccm i ciśnieniu 0,1 do 0,7 Pa, w czasie od 5 do 10 minut.

Okazało się, że tak wytworzona powłoka nanokrystalicznego diamentu (NCD) na wyrobach medycznych, zwłaszcza implantach kostnych, spełnia wiele istotnych warunków do ich bezpiecznego stosowania u osób chorych, takich jak brak toksyczności i cech alergennych, brak działań mutagennych i kancerogennych. Okazało się także, że takie powłoki są hemo- i trombozgodne oraz biofunkcjonalne.

Poza tym wyroby z taką powłoką mogą przenosić duże obciążenia i charakteryzują się dużą wytrzymałością na zmęczenie, odpornością na zużycie przez tarcie, a także mają podwyższoną odporność na korozję.

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy kompozytowej na powierzchni wyrobów medycznych, zwłaszcza implantów, instrumentariów medycznych, endoprotez, według wynalazku polega na tym że: wyrób wykonany ze stali austenitycznej 316L według AISI/ASTM, tutaj gwóźdź śródszpikowy po procesie szlifowania powierzchniowego, w którym uzyskano powierzchnię o Ra=0,059 μm i po procesie odtłuszczenia w substancjach organicznych, tutaj w alkoholu etylowym, poddaje się procesowi niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego, przy następujących parametrach procesu: temperatura 450°C, czas procesu 4 godziny, ciśnienie w komorze roboczej 2,5 hPa i atmosfera reaktywna N2+H2, w stosunku 1:1. W trakcie procesu, w celu aktywacji obrabianych powierzchni wyrobu, przeprowadza się w czasie 1 godziny rozpylanie katodowe w mieszaninie gazów N2+H2, w stosunku 3:1, przy ciśnieniu 1 hPa. Na

PL 212 780 B1 wyrobie wytworzona została warstwa wierzchnia austenitu azotowego o zawartości do 4,91% wagowych azotu, o grubości około 5 μm i twardości powierzchniowej rzędu 1100 HV 0,05.

Przeprowadzone badania wykazały, że warstwa charakteryzuje się dużą odpornością na zużycie przez tarcie i dobrą odpornością korozyjną oraz chropowatością powierzchni, rozwiniętą w skali mikrometrycznej R_a=0,212 μm. Tak przygotowany wyrób następnie umieszcza się w komorze reaktora próżniowego na elektrodzie wysokiej częstotliwości, do której doprowadza się energię z generatora o częstotliwości 1356 MHz, a przez komorę reaktora przepuszcza się metan o natężeniu przepływu 10 sccm, przy autopolaryzacji elektrody wysokiej częstotliwości około 600 V, ciśnieniu 0,4 x 10^-2 hPa i w czasie 10 minut, postępując zgodnie z procesem RF PACVD.

Na wyrobie uzyskano nanokrystaliczną powłokę diamentu o grubości 600 nm, która charakteryzuje się dobrą przyczepnością do uprzednio azotowanego podłoża i niskim współczynnikiem tarcia. Jednocześnie powłoka ta zwiększa odporność stali 316L na zużycie przez tarcie i korozję oraz eliminuje adhezję osteoblastów i składników krwi do wyrobu. Wytworzona warstwa kompozytowa jest biozgodna i może być stosowana na wszystkie implanty wytwarzane ze stali austenitycznej, np. gwoździe śródszpikowe lub instrumentaria chirurgiczne i stomatologiczne oraz endoprotezy.

Claims

Sposób wytwarzania cienkiej warstwy kompozytowej na powierzchni wyrobów medycznych, zwłaszcza implantów, instrumentariów medycznych, endoprotez, wykonanych ze stali austenitycznej, korzystnie ze stali 316L według AISI/ASTM, który prowadzi się w dwóch etapach: wytwarzania warstwy wierzchniej austenitu azotowego, a następnie cienkiej powłoki nanokrystalicznego diamentu, znamienny tym, że najpierw wyrób poddaje się procesowi niskotemperaturowego azotowania jarzeniowego w temperaturze 400-450°C w obecności gazu reaktywnego N2+H2 i wytwarza się warstwę austenitu azotowego o zawartości < 5% wagowych azotu, po czym przeprowadza się chemiczne osadzanie powłoki NCD według procesu RF PACVD z przepływem gazu węglonośnego, korzystnie metanu w zakresie od 10 do 80 sccm i ciśnieniu 0,1 do 0,7 Pa, w czasie od 5 do 10 minut.