RO128190B1 - Metodă de realizare a unei meşe de titan cu acoperire de hidroxiapatită - Google Patents

Description

Invenția se referă la o metodă de realizare a unei meșe de titan cu acoperire de hidroxiapatită pentru bio-integrarea acesteia în reconstrucția unor părți cu defecte ale cutiei craniene.

Este cunoscut faptul că defectele craniene (lipsa de materie osoasă) post-trăumatice, patologice sau sau post-craniotomie reprezintă un handicap major atât sub aspectul protecției creierului, al potențialului epileptic, cât și sub aspect estetic.

Succesul terapeutic în cazul reconstrucției defectelor craniene depinde în principal de capacitatea de osteointegrare a implantului și stimularea dezvoltării țesutului biologic osos pe suprafața acestuia. Faza minerală anorganică aosului uman constă dintr-o hidroxiapatită carbonatată non-stoichiometrică. Testele in vitro în soluții fiziologice sintetice au demonstrat capacitatea unor materiale de a induce în condiții homeostazice, creșterea pe suprafața lor a unor straturi de hidroxiapatită carbonatată texturate cu axa c perpendiculară pe substrat (capacitate cunoscută astăzi ca „bioactivitate, indicator al potențialului osteointegrator al unui material).

Cel mai cunoscut material bioactiv este hidroxiapatită pură sintetică, utilizată pe scară largă ca un biomaterial artificial, de performanță înaltă, pentru repararea țesutului osos. în prezent, la nivel comercial, ca soluție de biofuncționalizare a implanturilor metalice, este disponibilă doar metoda pulverizării combustive în plasmă (în engleză: Plasma Spray, PS), tehnologie costisitoare, care produce acoperiri implantologice groase, susceptibile la delaminare, și în a căror compoziție poate fi indusă prin disocierea datorată temperaturii mari a procesului de sinteză, crearea de faze secundare reziduale nereproductibile, având un comportament biologic imprevizibil.

Realizarea de acoperiri HA mai subțiri, nano structurate și cu aderență foarte bună este de așteptat să determine rezultate excelente în chirurgia reparatorie a oaselor. De notat că primul strat de la suprafață este cel mai important deoarece acesta este cel care, în urma implantării, intră în contact cu osul și mediile biologice. Dezvoltarea sau îmbunătățirea de algoritmi tehnologici capabili să conducă la sintetizarea de filme mai subțiri, dar care să prezinte o siguranță în exploatare similară sau chiar mai bună decât variantele comerciale, reprezintă un deziderat mereu actual.

Documentul CN 1487117 A prezintă un procedeu și un produs de depunere a unui strat subțire de hidroxiapatită pe un substrat de Ti prin formarea unui strat intermediar de hidroxiapatită-Ti prin pulverizare în incintă vidată câmp magnetron, prin fazele de: formare a pulberii din materialul de depus, tratarea hidrotermală a pulberii, sinterizarea prin amestecare și presare la cald a pulberii pentru ținta de depunere; pulverizare magnetron dublu elicoidală, cu țintă dublă înclinată: de HA și de Ti, cu formare a unui strat intermediar de HA/Ti și tratare termică a stratului de depus la 500...600°C, timp de 1...5 h.

De asemenea, în documentul CN 1736493 A, se prezintă un procedeu de depunere a unui strat subțire de TiO₂-hidroxiapatită pe un substrat de Ti prin formarea unui strat intermediar de hidroxiapatită-Ti prin pulverizare în câmp magnetron, prin fazele de:

- curățare a materialului de bază;

- fixarea materialului țintă de pulverizat;

- uscarea incintei de vidare;

- curățarea suprafeței materialului-țintă prin pulverizare;

- trecerea de oxigen prin cameră după curățarea materialului-țintă;

- rotirea substratului;

- pulverizarea țintelor de Ti/HA și de Ti;

- depunerea stratului de TiQ₂-HA pe substrat și apoi scoaterea materialului acoperit din camera de vid, controlul depunerii fiind realizat prin controlul parametrilor de pulverizare în câmp magnetron.

RO 128190 Β1 în documentul WO 2009/017945 A2, se prezintă de asemenea un procedeu de aco- 1 perire a unei suprafețe de Ti nanostructurat anodizate cu nanoparticule de hidroxiapatită, prin depunere în plasmă moleculară, cu realizarea unui tratament termic post-depunere la o 3 temperatură de până la 500°C.

Unfilm mai subțire dar cu un răspuns mecanicși biologicsimilar sau superior, implică 5 și un timp limitat de sinteză cu consum redus de resurse, și deci- implicit, un cost de producție mai mic. 7

Problema tehnică pe care o rezolvă invenția constă în prevederea unor elemente tehnice de obținere prin pulverizare în câmp magnetron (MS) a unei meșe de Ti cu acoperire 9 de HA în formă de straturi subțiri de HA ultra-aderente și impermeabile la trecerea ionilor metalici. 11

Metoda propusă, de realizare a unei meșe de titan cu acoperire de hidroxiapatită, pentru reconstrucția unor părți ale cutiei craniene, rezolvă această problemă tehnică prin 13 aceea că aceasta constă în tăierea meșelor în funcție de topologia traumatismului cranian, după o etapă preliminară de prelucrare digitală a achizițiilor imagistice de tomografie compu- 15 terizată tridimensională și acoperirea acestora prin pulverizare în plasmă în câmp magnetron în regim de radio-frecvență (Radio-Frequency Magnetron Sputtering, RF-MS), cu straturi 17 subțiri de hidroxiapatită, cu proprietăți de aderență îmbunătățite determinate de realizarea prin copulverizare din două ținte, de Ti și de HA, a unui strat subțire tampon intermediar de 19 aderență, de tip HA_xTi₁._x, realizat cu compoziția chimică variabilă pe direcția grosimii, (x = 0 + 1), prin efectuarea unei mișcări planetare lente controlate a substratului de la o țintă de 21 depunere la alta, între doi catozi planari ce fac un unghi de 90° între ei, la o presiune de lucru de 0,3 Pa. Stratul de HA superficial este tratat termic după depunere la 550*0 în aer, cu 23 menținere de circa o oră, pentru cristalizare, fiind astfel realizat compact și impermeabil ia trecerea ionilor metalici de Ti spre țesutul biologogic, ceea ce are ca efect augmentarea 25 biointegrabilității implanturilor de reconstrucție craniană.

Invenția prezintă avantajul că permite obținerea unor meșe de Ti cu acoperire de HA 27 în formă de straturi subțiri de HA ultra-aderente și impermeabile la trecerea ionilor metalici.

Invenția este prezentată pe larg în continuare, cu referire și la fig. 1...7, care 29 reprezintă:

- fig. 1a, b, reprezentare 3D a unei reconstrucții de cutie craniană cu defect;31

- fig. 2a, b, reprezentare schematică și vedere din lateral a instalației și procesului de co-pulverizare în câmp magnetron;33

- fig. 3a, imagine de microscopie electronică de transmisie în secțiune transversală evidențiind creșterea columnară a stratului de ΗΑχΤϊ-μ* (x=0-1);35

- fig, 3b, variația procentului de Ca și P (at%) pe grosimea stratului tampon cu gradient de compoziție ΗΑ_χΤί.,._χ (x=0-1);37

- fig. 4a, b, implant cranian (meșă de Ti) funcționalizat parțial (I) și respectiv-integral (li);39

- fig. 5, imagine SEM a unei structuri HA/HA_xTi_1x/Ti (x=0-1) depusă pe meșă craniană;41

- fig. 6, diagramă de difracție de raze X realizate pe structură HA/HA^i^/Ti (x=0-1), depusă pe meșă craniană;43

- fig. 7, ariile de monitorizare post-operatorie a osteoconducției și osteointegrării.

Pulverizarea în plasmă în câmp magnetron în regim de radio-frecvență (RF-MS) 45 prezintă un număr mare de avantaje care o fac deosebit de atractivă și pentru dezvoltarea aplicațiilor medicale:47

- presiune mică de operare (0,1...10 Pa);

- temperatura de depunere mică (50...200°C);49

- puritate ridicată a filmelor sintetizate;

RO 128190 Β1

- aderență foarte bună a filmelor;

- filme cu o densitate/compactitate apropiată de cea a țintei;

- uniformitate de grosime și compoziție excelentă;

- metoda poate fi ușor automatizată;

- algoritmurile tehnologice dezvoltate în cadrul cercetărilor fundamenatale pot fi ușor scalate și transferate la nivel industrial (așa cum a fost demonstrat în anii anteriori în industria semiconductorilor și industria decorativă).

Potrivit invenției, pe baza achizițiilor imagistice și prelucrării 3D evidențiate în fig. 1, mai întâi se decupează meșa de Ti la o formă adecvată defectului osos. Astfel, pacientul este investigat imagistic cu secțiuni axiale fine de 1 mm. Cu ajutorul soft-ului medical E-Film, se realizează reconstrucția 3D și măsurătorile necesare. Modelul obținut este printat pe hârtie la scară reală, după care se decupează mecanic fidel forma optimă a implantului.

înaintea biofuncționalizării cu straturi de HA, meșele de Ti personalizate se degresează în acetonă și apoi se spală prin ultrasonare în alcool iso-propilic timp de câte 10 min și se usucă prin purjare în argon.

Obiectivul invenției constă în producerea de meșe funcționalizate cu HA prin metoda pulverizării în plasmă magnetron în regim de radio-frecvență. Pentru realizarea depunerilor, s-a utilizat un sistem de depunere tip UVN-75-R1, dotat cu doi catozi planari care pot fi amorsați simultan în regim de radio-frecvență, situați într-o incintă sferică de vid (fig. 2a).

în cadrul procesului de depunere prin pulverizare magnetron, s-au folosit două ținte: o țintă compactă comercială din Ti pur (cpTi-gr. 1) și o țintă din pulbere de HA sintetică presată la temperatura camerei într-o port-țintă metalică. Țintele au avut o grosime de 3 mm și un diametru de 110 mm. într-o primă etapă, în incinta de lucru a fost realizat un vid preliminar de 1O^-3 Pa, fiind introdus apoi gazul de lucru: argon de înaltă puritate, până la atingerea presiunii de lucru dorite. Avantajele utilizării unei ținte presate de HA sunt:

- eliminarea riscului de fisurare a țintei în timpul descărcării (fenomen frecventîntâlnit la utilizarea țintelor ceramice rigide);

- posibilitatea reasamblării țintei cu ușurință; se poate astfel utiliza același material pentru un număr mult mai mare de depuneri,cu efecte benefice asupra eficienței economice. Prin reasamblare se poate elimina totodată una dintre dificultățile majore în pulverizarea magnetron, și anume variațiile de stoichiometrie de la un ciclu de depunere la altul, determinate de fenomenele de pulverizare preferențială a elementelor mai ușoare, care vor conduce la o modificare progresivă a compoziției superficiale a țintei.

înaintea procesului de depunere propriu-zisă, s-a realizat o corodare a substraturilor într-o plasmă de argon produsă de un plasrriatron cu filament de wolfram (fig. 2a), în vederea eliminării potențialelor impurități sau a straturilor de oxid nativ, activării suprafețelor și creșterii aderenței filmelor de HA. Parametrii tehnologici utilizați în cadrul procesului de corodare in situ al substraturilor în plasmă de argon au fost: timp de corodare = 10 min; presiune de argon = 0,3 Pa; putere = 200 W și tensiune de polarizare = 0,4 kV.

Țintele de depunere au fost de asemenea prepulverizate înaintea fiecărui ciclu de depunere, în vederea îndepărtării eventualelor reziduuri oxidice și activării suprafeței acestora, în condiții identice procesului de depunere ulterioară propriu-zisă.

Pentru realizarea depunerilor, a fost selectată o distanță: țintă-substrat de 30 mm, care asigură o uniformitate de grosime și compoziție optimă pentru straturile subțiri de HA. Loturi test de structuri cu strat tampon cu gradient de compoziție („gradate) ΗΑ/ΗΑχΤί^/Γΐ (x=CA1) au fost realizate prin metoda copulverizării în regim de radiofrecvență din două ținte (Ti și HA) amorsate la o putere de lucru egală cu ajutorul unui generator RF de 1,78 MHz. Substraturile au avut în timpul depunerii stratului tampon o mișcare planetară controlată lentă de la o țintă (Ti) către cealaltă (HA) (fig. 2a, b). Prin această procedură tehnologică, un strat de tranziție cu compoziție chimică graduală Ti - > HA se formează pe substratul de Ti, capabil

RO 128190 Β1 să asigure o bună aderență între substratul metalic și filmul biofuncțional de HA depus uite- 1 rior pe suprafața sa. Depunerea stratului tampon cu gradient de compoziție a fost realizată în 5 min. Reprezentarea schematică a procesului de copulverizare RF-MS se regăsește în 3 fig. 2a; în fig. 2b fiind prezentată și o imagine care surprinde transgresia substratului (meșei craniene) între cei doi catozi, în vederea depunerii stratului tampon de aderență cu gradient 5 de compoziție.

Grosimea stratului tampon de aderență ΗΑχΤί^ a fost estimată la -70 nm prin analize 7 de microscopie electronică de transmisie în secțiune transversală (fig. 3a), fiind relevată și morfologia sa columnară. Obținerea cu succes a gradientului de compoziție al acestui strat 9 este demonstrată de analizele compoziționale elementale de spectroscopie după dispersie de energie (fig. 3b), prin progresia crescătoare a valorilor Ca și P în strat cu depărtarea de 11 substrat. Valorile concentraționale de Ca și P nu trebuiesc considerate ca absolute, datorită influenței puternice a substratului de Ti în cuantificarea cantitativă. 13 în etapa următoare, dar în aceeași sesiune de lucru, catodul 1 (ținta de Ti) a fost oprit, straturile tampon ΗΑχΤίι__x preparate așa cum a fost descris mai sus, fiind acoperite în 15 poziție statică cu un strat biofuncțional de HA având o grosime de -350 nm (rata de depunere fiind de 11,7 nm/min). 17

Ambele structuri (stratul tampon și stratul biofuncțional de suprafață) au fost preparate utilizând o putere de lucru de -100 W, și o presiune de argon de 0,3 Pa. 19 în vederea efectuării de măsurători comparative de aderență și a estimării eficienței soluției inovative alese, au fost preparate în paralel și loturi test de structuri simple („abrupte, 21 fără strat tampon de aderență) HA/Ti în condiții de lucru identice.

Cristalizarea straturilor de HA, amorfe din depunere din cauza condițiilor specifice 23 RF-MS (de neechilibru), a fost obținută prin efectuarea unui tratament termic efectuat timp de o oră la 550°C, în aer. Prin creșterea gradului de corn pactizare a rețelei cristalografice, 25 sunt induse: (i) un mai pronunțat caracter bioactiv depunerilor de tip HA, (ii) capacitatea filmului de proteja substratul metalic de acțiunea corozivă a mediilor tisulare acționând și ca 27 un strat barieră de difuzie a ionilor metalici din substrat, cât și (iii) o stabilitate mai bună în mediile tisulare (viteza de disoluție este semnificativ diminuată, comparativ cu structurile 29 identice dar amorfe).

în fig. 4 este prezentat un implant de tip meșă craniană din Ti parțial funcționalizat 31 prin RF-MS cu HA (I) și, respectiv, total funcționalizat (II). Prin microscopie electronică de baleiaj (fig. 5), a fost relevată o morfologie nanostructurată a suprafeței filmelor HA depuse 33 pe meșele craniene, acestea fiind compuse din grăunți poliedrici cu diametre situate în plaja 100...280 nm. 35

Fig. 6 prezintă diagrama de difracție de raze X, realizată pe structura completă ΗΑ/ΗΑχΤμ^/Τί (x=0-1), după tratamentului termic la 550°C/1 h în aer. Conform invenției de 37 față, prin tratamentul termic se induce cristalizarea filmului HA în vederea creșterii biocompatibilității și stabilității in vivo a acestuia. Structural, stratul constă dintr-o structură 39 monofazică de HA (ICDD: 09-0432) cu grad înalt de cristalinitate (>90%), având o orientare preferențială a cristalitelor cu axa c perpendiculară pe substrat. Dimensiunea medie de 41 cristalit a fazei HA, determinată pentru direcția cristalografică [002], este de -40 nm. Difractograma XRD a relevat și prezența unor faze minoritare de TiO₂-rutiI (ICDD: 21-1276) 43 și posibili suboxizi de titan (TiO, ICDD: 12-0754), care sugerează că au avut loc procese de interdifuzie la interfața dintre substratul de Ti și stratul gradat ΗΑχΤί^χ, datorită reactivității 45 mari a Ti față de oxigen la temperaturi care depășesc 120°C . Cantitatea redusă de oxid de titan prezentă în probe demonstrează rolul eficient de barieră a stratului de suprafață HA 47 dens și compact împotriva difuziei prin film a oxigenului din atmosfera de tratament termic, care altfel ar induce o oxidare puternică a substratului, care ar contrabalansa posibilele 49 efecte pozitive ale interdifuziei locale.

RO 128190 Β1

O acoperire tip implant necesită atât o biocompatibilitate excelentă, cât și o stabilitate mecanică foarte bună, aderența film-substrat fiind considerată un parametru critic pentru aceste tipuri de aplicații.

Testarea aderenței la interfața strat biofuncțional HA- substrat implantologic metalic a fost realizată prin metoda „pull-out test conform standardelor (ASTM D4541-09el și ISO 4624). Pentru structurile cristalizate, abrupte și gradate, valorile de aderență diferă clar, obținându-se valori de 69,5 ± 4,2 MPa pentru structurile abrupte (rupere adezivă la interfața film/substrat), în timp ce pentru structurile cu strat tampon de aderență ruperea a avut loc în volumul adezivului folosit la o valoare de ~85 MPa fără deteriorarea integrității filmului HA. Această valoare reprezintă limita de rezistență a adezivului utilizat, așa cum a fost confirmat de producător (DFD Instruments), aderența reală strat-substrat în acest caz fiind probabil chiar mai mare. Valoarea de aderență pull-out este mai mare decât valorile raportate frecvent în literatura științifică, fiind superioarăși valorii minimale impusede standardele internaționale pentru acoperirile implantologice (51 MPa).

După biofuncționalizarea cu straturi cristaline și aderente de HA, implantul este sterilizat fie în sterilizator cu etilen oxid, fie în sterilizator cu plasmă. Implantarea s-a efectuat prin abordări chirurgicale specifice, fixarea implantului la marginile osoase realizându-se cu microșuruburi.

Procedurile de evaluare a osteoconducției și osteoformării la nivelul implantului a fost realizată prin tehnica tomodensitometriei punctuale însoțite de Scala Unităților Hounsfield. Nivelul de osteoformare a fost cuantificat cu ajutorul interfeței de Multimodality Workplace. Aria în care s-a calculat densitatea tisulară a fost selectată întodeauna în aceiași regiune a implantului.

Pentru fiecare pacient în parte, pe imaginile de fluproscopie de față și profil și de reconstrucție 3D, s-au stabilit trei regiuni de interes. Cele trei regiuni au fost stabilite de la marginea plăcuței către centrul acesteia [margine (M), zona intermediară (I) și centru (C)] (fig.7). S-au făcut măsurători imediat post-intervențional, la 3 și la 6 luni.

La nici unul dintre paciențj nu au fost decelate modificări pe scala de densitate tisulară Hounsfield la 3 luni post-operator. La un interval de șase luni de zile, la 2 pacienți cu implanturi de Ti nefuncționalizate și la toți pacienții (6) cu meșe de Ti cu suprafață biofuncționalizată, au fost determinate modificări de densitate sugestive pentru inițierea fenomenului de osteoconducție. Modificările de densitate tisulară au survenit doar la marginea meșei (aflate în contact cu osul) în cazul reconstrucțiilor craniene cu implanturi simple de Ti, în timp ce în cazul utilizării meșelor de Ti biofuncționalizate cu HA, în 33,33% din cazuri (2 pacienți) modificările specifice osteoconducției au survenit doar la marginea implantului, în timp ce pentru celelalte 66,67% din cazuri (4 pacienți), modificările pe scala de densitate tisulară Hounsfield au fost determinate atât în regiunea de margine (M) a implantului, cât și în cea intermediară (I) (fig- 7)· Se sugerează astfel un proces de osteintegrare intensificat și progresiv indus de stratul bioăctiv de HA.

Rezultatele testelor premergătoare in vitro și evaluările ulterioare in vivo au relevat pentru modelele implantologice propuse în prezenta invenție o capacitate excepțională de osteointegrare comparativ cu meșele de titan nefuncționalizate utilizate curent în implantologia craniană.

Datorită varietății mari de aplicații medicale a acestor acoperiri de HA ultra-aderente, nu doar în chirurgia craniană, cât și în protetica ortopedică și implantologia dentară, invenția arată că anumite inconveniente ale acoperirilor HA comerciale pot fi eliminate prin utilizarea metodei alternative de depunere RF-MS și a modelului arhitectural cu strat tampon de aderență cu gradient de compoziție depus prin copulverizare.

Claims (1)

1. Revendicare

   Metodă de realizare a unei meșe de titan cu acoperire de hidroxiapatită, pentru re- 3 construcția unor părți ale cutiei craniene, prin tăierea meșelor în funcție de topologia traumatismului cranian, după o etapă preliminară de prelucrare digitală a achizițiilor imagistice 5 de tomografie computerizată tridimensională și acoperirea acestora, prin pulverizare în plasmă în câmp magnetron, cu straturi subțiri de hidroxiapatită, cu proprietăți de aderență 7 îmbunătățite, determinate de realizarea prin copulverizare din două ținte, de Ti și de HA, a unui strat subțire tampon intermediar de aderență, de tip HA/H^, stratul de HA superficial 9 fiind tratat termic după depunere la circa 550°C, caracterizată prin aceea că stratul intermediar de HA-Ti menționat este realizat cu compoziția chimică variabilă pe direcția grosimii 11 (x = 0-f 1), prin efectuarea unei mișcări planetare lente controlate a substratului de la o țintă de depunere la alta, între doi catozi planari ce fac un unghi de 90° între ei, la o presiune de 13 lucru de 0,3 Pa, iar stratul de HA exterior este realizat compact și impermeabil la trecerea ionilor prin tratamentul termic post-depunere de cristalizare, efectuat în aer, cu menținere de 15 circa o oră.