PL221704B1

PL221704B1 - Sposób otrzymywania bioaktywnej powłoki na implantach i wszczepach medycznych oraz bioaktywna powłoka otrzymana tym sposobem

Info

Publication number: PL221704B1
Application number: PL397877A
Authority: PL
Inventors: Jacek Rońda; Bogusław Rajchel
Original assignee: Akademia Górniczo Hutnicza Im Stanisława Staszica W Krakowie
Priority date: 2012-01-23
Filing date: 2012-01-23
Publication date: 2016-05-31
Also published as: PL397877A1; WO2013112058A1

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób otrzymywania bioaktywnej powłoki na implantach i wszczeppach medycznych, oraz bioaktywna powłoka otrzymana tym sposobem znajdująca zastosowanie do endoprotez stawów, wszczepów laryngologicznych lub wszczepów stosowanych w kardiochirurgii, które wykonane są z polietylenu UHMWPE (Ultra-High-MolecularWeight polyEthylene-polietylenu o bardzo dużej masie cząsteczkowej) lub innych biozgodnych tworzyw sztucznych albo z metali i ich stopów dopuszczonych do zastosowań medycznych.

Znane są metody formowania warstw ochronnych metodami jonowymi: IBSD lon Beam Sputtering Deposition - metodą osadzania powłok z użyciem rozpylania jonowego oraz DB IBAD Dual Beam lon Beam Assisted Deposition - dwuwiązkową metodą nanoszenia powłok ze wspomaganiem wiązką jonów, zarówno z literatury jak i opisów patentowych.

Z publikacji „Powłoki węglowe nanoszone dwuwiązkową metodą IBAD” (B. Rajchel z zespołem „Inżynieria biomateriałów” 2001 r.) znane jest zastosowanie super-trwałych powłok węglowych dla poprawy własności trybologicznych układu główka-panewka endoprotezy stawu biodrowego, które mogą znacznie wydłużyć okres pracy endoprotezy. Metody jonowe (IBSD, IBAD) umożliwiają form owanie złożonych powłok ochronnych o doskonałej adhezji do podłoża, a poprzez odpowiednią strukturę warstwową powłok formowanych metodami jonowymi można w istotny sposób zmniejszyć naprężenia mechaniczne układu powłoka-podłoże. Własności biochemiczne i mechaniczne powłok formowanych metodami jonowymi silnie zależą od przebiegu słabo poznanych procesów fizycznych zach odzących w trakcie formowania powłok. Wielowarstwowe powłoki formowano dwuwiązkową metodą IBAD na powierzchniach płaskich próbek wykonanych ze stali lub ze stopu Ti-AI-V.

Z polskiego zgłoszenia P-386899 znany jest sposób wytwarzania aktywnej powłoki ochronnej na implantach medycznych, który polega na tym, że na powierzchnie trące i powierzchnie sąsiadujące, tzn. pobocznice implantu; będącego protezą stawu ortopedycznego, nanosi się, wykorzystując metody adhezyjne w warunkach wysokiej próżni 10^-6 mbarów, odporną na ścieranie powłokę węglową o strukturze diamentopodobnej, przy czym źródłem atomów węgla jest tarcza grafitowa, bombardowana wiązką jonów gazu szlachetnego lub odparowana światłem laserowym. Następnie na wybrane fragmenty powierzchni pokrytej warstwą węglową nanosi się jony, co najmniej dwóch metali, wybranych z szeregu elektrochemicznego (napięciowego) poprzez bombardowanie powierzchni diamentopodobnej wiązkami jonów lub atomów metali i tworzy się obszary domieszkowane metalami, które stanowią mini-elektrody. Początkowo, w celu zapewnienia odpowiedniej adhezji, optymalna energia bombardujących cząstek powinna być mniejsza od 100 eV, a następnie w celu formowania powłoki metalicznej musi być obniżona poniżej bariery potencjału węgla, tj. do około 50 eV.

Również z polskiego zgłoszenia P-388281 znany jest sposób wytwarzania odpornej immunologicznie powłoki ochronnej na implantach medycznych, który polega na tym, że na powierzchnie implantów, stykających się z żywą tkanką pacjenta, w pierwszym etapie w warunkach wysokiej próżni, korzystnie 10^-6 mbarów, nanosi się nanowarstwę o strukturze węglowej, korzystnie diamentopodobnej (DLC), po czym w drugim etapie domieszkuje się ją lokalnie poprzez bombardowanie powierzchni, mieszaniną cząstek co najmniej dwóch metali M1 i M2, korzystnie srebra Ag i tytanu Ti, uzyskaną w wyniku rozpylania tarczy wykonanej z mieszaniny Ag i Ti, przy czym energia cząstek bombardujących musi być poniżej bariery potencjału węgla, tj. około 50 eV, a stosunek koncentracji metalu szlachetnego M1 do innego metalu z szeregu elektrochemicznego M2 na powierzchni implantu powinien spełniać warunek: 0.5 < < 1.0, gdzie N_M1 i N_M2 są koncentracjami najkorzystniej srebra i tytanu, ^NM2 przy czym stosunek M₁ : M₂ jest dobrany optymalnie do pożądanego dla danego implantu efektu nanoelektrolizy i wynosi od 50:50 do 20:80, a czas depozycji wynosi 60 do 120 min.

Ze zgłoszenia US2011272276 znany jest implant z powłoką o działaniu antybakteryjnym. Powłoka ta uwalnia jony srebra do organizmu człowieka. Jeden ze składników powłoki jest uformowany z materiału anodowego. Drugi składnik powłoki jest uformowany z materiału katodowego. Materiał katodowy jest wyżej w łańcuchu elektromagnetycznym niż materiał anodowy. Katoda i anoda są połączone w sposób przewodzący elektryczność. Razem z elektrolitami w ciele ludzkim w otoczeniu implantu, anoda i katoda tworzą mnogość elementów galwanicznych.

Z opisu patentowego GB2362892 znany jest implant wykonany z tworzywa sztucznego pokryty powłokami, przy czym co najmniej jedna z nich zawiera iryd. Powłoka zawierająca iryd może być złożona z irydu lub tlenku irydu. Iryd może zawierać izotop lr(192). Powłoka irydowa jest wykonana m etodą osadzania z fazy gazowej (CVD (Chemical Vapour Deposition) przy wykorzystaniu mikrofali

PL 221 704 B1 o częstotliwości 13,56 MHz. Warstwa zawierająca Ti, Ta, Nb, Zr lub Hf może być uformowana między podłożem z tworzywa sztucznego i powłoką zawierającą iryd. Implant może być protezą naczyniową. Wyrób z tworzywa sztucznego może być wykonany z polipropylenu, politereftalanu etylenu, poliuret anu lub PTFE. Wyrób może mieć pory i może być wykonany z włókna tekstylnego.

Z opisu US5980974 znana jest powłoka polepszająca własności implantu, Ortopedycznego. Implant może być pokryty platyną, irydem i innymi metalami o właściwościach ulepszających powierzchnię implantu. Dotyczy to również części ortopedycznych, które mogą być pokryte warstwą zwierającą jony cyrkonu przy użyciu metody jonowej. Części implantów mogą być także zanurzone w środowisku zawierającym tlen w podłożu. Tak utworzona warstwa jest dalej wzbogacona przez usuniecie zanieczyszczeń metodą bombardowania strumieniem jonów i osadzania warstwy platyny lub podobnego metalu lub krzemu między metalem, z którego wykonana jest część implantu ortopedycznego, i warstwą tlenku cyrkonu. Wygrzewanie w piecu powoduje dyfuzje atomową i zwiększa adhezję między powłokami. Tlenek cyrkonu zapewnia niskie tarcie, zmniejsza zużycie powierzchni kontaktowej.

Ze zgłoszenia WO2011129754 znany jest implant powlekany powłoką zawierającą a amorficzną warstwą tlenku Me, przy czym może to być Ti, Si, Cr, Hf, Zr, Ta i Nb. Powłokę uzyskuje się metodą PVD (Plasma Vapour Deposition - metoda napylania próżniowego) Na takiej powłoce może zostać uformowana warstwa hydroksyapatytu.

Celem wynalazku jest uzyskanie warstwy o szczególnych właściwościach, zapewniających aktywność fizykochemiczną powłoki i bioaktywność w kontakcie z patogenami.

Sposób według wynalazku polega na tym, że płytkę wykonaną z mieszaniny niejednorodnej proszków węgla, irydu, platyny o składzie 80-95% węgla, 3-8% irydu oraz 3-8% platyny, umieszczoną w komorze z wysoką próżnią, nie gorszą niż 10^-6 mbarów, bombarduje się wiązką jonów gazu szlachetnego, przy czym kąt bombardowania płytki materiałowej zawiera się w przedziale od 60° do 80°, natomiast współczynniki rozpylania jonowego węgla, platyny i irydu, charakteryzujące proces rozpylania, oblicza się indywidualnie dla każdej projektowanej powłoki, korzystnie metodą Monte-Carlo dla modelu binarnych zderzeń przy użyciu programów utworzonych na bazie programu TRIM np. SRIM lub SDTrimSP.

Bioaktywna powłoka otrzymana sposobem według wynalazku uformowana ze strumienia rozp ylonych atomów i jonów jest amorficzna, składa się z węgla w ilości od 83% do 95% atomowo, a koncentracja atomowa irydu wynosi od 2.5% do 9.0%, platyny od 2.5% do 9.0% i charakteryzuje się tym, że węgiel, iryd i platyna są równomiernie rozłożone w całej jej objętości powłoki.

Tak domieszkowana bioaktywna powłoka węglowa jest hydrofobowa, ponieważ występują na niej efekty elektryczne w skali nanoskopowej, w związku z tym biofilm bakteryjno-wirusowy nie może jej zwilżyć i spowodować stanów zapalnych w sąsiedztwie wszczepu. Na powłoce wszczepu powstają matryce nanoelektrod, które uaktywniają się w środowisku płynu fizjologicznego pacjenta o pH=7,2 i pozwalają na wystąpienie lokalnych różnic potencjału na powierzchni implantu w jakimkolwiek płynie fizjologicznym pacjenta tak, że możliwy jest przepływ bardzo słabego ładunku elektrycznego i w związku z tym występuje siła Lorentza w skali nanoskopowej.

P r z y k ł a d 1

Powłokę węgiel-iryd-platyna (C (Ir,Pt), na powierzchni wkładki stawu kolanowego wykonanej z wielkocząsteczkowego polietylenu (UHMWPE), formowano dwuwiązkową metodą IBAD. Rozpylanie jonowe przeprowadzono z użyciem płytki wykonanej ze sprasowanej mieszaniny niejednorodnej trzech pierwiastków o następującym składzie chemicznym: C[94%] + /r[3%] + Pt[3%]. Dla tego procesu, współczynniki rozpylania jonowego: węgla, platyny oraz irydu wynoszą odpowiednio: C : /r: Pt = = [9.3800 : 0.2742 : 0.2978] atom/jon, co zapewnia odpowiednio jednorodną koncentrację pierwiastków w całej objętości powłoki: C : /r: Pt = [94.25% : 2.76% : 2.99%].

W komorze z wysoką próżnią o ciśnieniu 10^-6 mbarów, płytkę bombardowano wiązką jonów Ar+ o energii 15 keV pod kątem 70° do jej normalnej w celu uzyskania strumienia energetycznych atomów i jonów węgla, irydu oraz platyny, które następnie bombardowały powierzchnię wkładki kolanowej wykonaną z UHMWPE. Powłoka uformowana w ten sposób charakteryzuje się doskonałą adhezją do pokrytego wielkocząsteczkowego polietylenu, jednorodnością, a zwłaszcza bioaktywnością.

P r z y k ł a d 2

Powłokę węgiel-iryd-platyna C (Ir,Pt), na powierzchni panewki stawu biodrowego wykonanej z wielkocząsteczkowego polietylenu (UHMWPE), formowano dwuwiązkową metodą IBAD. Do rozpylania jonowego użyto płaskich płytek wykonanych poprzez sprasowanie mieszaniny grafitu, irydu

PL 221 704 B1 i platyny o składzie chemicznym: C[84%] + /r[8%] -i- Pt[8%]. Dla tego procesu, współczynniki rozpylania jonowego węgla, platyny oraz irydu wynoszą odpowiednio: C : /r: Pt = [7.9900 : 0.7779 : 0.8601] atom/jon, co zapewnia odpowiednio jednorodną koncentrację pierwiastków w całej objętości powłoki: C : Ir: Pt = [83.00% : 8.90% : 8.10%].

W komorze z wysoką próżnią o ciśnieniu 10^-6 mbarów, płytkę bombardowano wiązką jonów Ar+ o energii 15 keV pod kątem 70° do jej normalnej w celu uzyskania strumienia energetycznych atomów i jonów węgla, irydu oraz platyny, które następnie bombardowały powierzchnię panewki stawu biodr owego wykonaną z UHMWPE. Powłoka uformowana w ten sposób charakteryzuje się doskonałą adhezją do pokrytego wielkocząsteczkowego polietylenu, jednorodnością a zwłaszcza bioaktywnością.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób otrzymywania bioaktywnej powłoki na implantach i wszczepach medycznych wykorzystujący metody jonowe, znamienny tym, że płytkę wykonaną z mieszaniny niejednorodnej proszków węgla, irydu, platyny o składzie 80-95% węgla, 3-8% irydu oraz 3-8% platyny, bombarduje się wiązką jonów gazu szlachetnego, przy czym kąt bombardowania płytki materiałowej zawiera się w przedziale od 60° do 80°, przy czym współczynniki rozpylania jonowego węgla, platyny i irydu, ch arakteryzujące proces rozpylania oblicza się indywidualnie dla każdej projektowanej powłoki, a proces nanoszenia powłoki odbywa się w komorze z wysoką próżnią, nie gorszą niż o ciśnieniu 10^-6 mbarów.
2. Bioaktywna warstwa uformowana ze strumienia rozpylonych atomów i jonów, znamienna tym, że jest amorficzna, składa się z węgla w ilości od 83% do 95% atomowo, a koncentracja atom owa irydu wynosi 2,5%-9% i platyny 2,5%-9%, ponadto, charakteryzuje się tym, że węgiel, iryd i platyna są równomiernie rozłożone w całej objętości warstwy.
3. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że dla płytki wykonanej ze sprasowanej mieszaniny niejednorodnej trzech pierwiastków o następującym składzie chemicznym: C[94%] + /r[3%] + + Pt[3%], współczynniki rozpylania jonowego: węgla, platyny oraz irydu wynoszą odpowiednio: C : /r : : Pt = [9.3800 : 0.2742 : 0.2978] atom/jon.
4. Sposób według zastrz. 1 , znamienny tym, że dla płytki wykonanej poprzez sprasowanie mieszaniny grafitu, irydu i platyny o składzie chemicznym: C[84%] + /r[8%] + Pt[8%] współczynniki rozpylania jonowego węgla, platyny oraz irydu wynoszą odpowiednio:

C : Ir: Pt = [7.9900 : 0.7779 : 0.8601] atom/jon.
5. Sposób według zastrz. 1 , znamienny tym, że współczynniki rozpylania jonowego węgla, platyny i irydu, oblicza się metodą Monte-Carlo dla modelu binarnych zderzeń przy użyciu programów utworzonych na bazie programu TRIM np. SRIM lub SDTrimSP.