RO128641A2 - Acoperiri multistrat biocompatibile pentru implanturi ortopedice - Google Patents
Acoperiri multistrat biocompatibile pentru implanturi ortopedice Download PDFInfo
- Publication number
- RO128641A2 RO128641A2 ROA201101212A RO201101212A RO128641A2 RO 128641 A2 RO128641 A2 RO 128641A2 RO A201101212 A ROA201101212 A RO A201101212A RO 201101212 A RO201101212 A RO 201101212A RO 128641 A2 RO128641 A2 RO 128641A2
- Authority
- RO
- Romania
- Prior art keywords
- range
- thicknesses
- multilayer
- layers
- individual
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 7
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 18
- 150000004767 nitrides Chemical class 0.000 claims abstract description 7
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 6
- 150000001247 metal acetylides Chemical class 0.000 claims abstract description 5
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 4
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 4
- 230000003833 cell viability Effects 0.000 claims abstract description 3
- 231100000820 toxicity test Toxicity 0.000 claims abstract description 3
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 claims description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 claims description 4
- 230000001464 adherent effect Effects 0.000 claims description 2
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims 1
- 241001267494 Microdes Species 0.000 claims 1
- FDNDTQWNRFFYPE-UHFFFAOYSA-N carbonic acid;nitric acid Chemical class OC(O)=O.O[N+]([O-])=O FDNDTQWNRFFYPE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 abstract description 8
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 abstract description 7
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 229910052723 transition metal Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 150000003624 transition metals Chemical class 0.000 abstract description 3
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 abstract description 2
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 abstract 1
- 230000001747 exhibiting effect Effects 0.000 abstract 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 abstract 1
- 125000004433 nitrogen atom Chemical group N* 0.000 abstract 1
- 238000001947 vapour-phase growth Methods 0.000 abstract 1
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 6
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 4
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 4
- 239000010955 niobium Substances 0.000 description 4
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 2
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 2
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 2
- -1 nitride compounds Chemical class 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000684 Cobalt-chrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010037 TiAlN Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 229910000963 austenitic stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 1
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003518 caustics Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 239000010952 cobalt-chrome Substances 0.000 description 1
- 230000003179 granulation Effects 0.000 description 1
- 238000005469 granulation Methods 0.000 description 1
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 239000002923 metal particle Substances 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 239000002114 nanocomposite Substances 0.000 description 1
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 1
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 1
- 230000000737 periodic effect Effects 0.000 description 1
- 238000005240 physical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 239000006104 solid solution Substances 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 1
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Invenţia se referă la nişte materiale din straturi subţiri biocompatibile, sub formă de multistrat format din straturi alternante de nitruri sau carburi binare şi carbonitruri cuaternare ale unor metale de tranziţie biocompatibile, cum sunt Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, pentru aplicaţii biomedicale, obţinute prin depunere din fază fizică de vapori, folosind pulverizarea magnetron sau arcul catodic, într-o plasmă reactivă care poate conţine atomi şi ioni de Ti, Zr, Nb, Ta, Hf, N şi/sau C, în funcţie de natura materialelor depuse. Materialele conform invenţiei sunt formate din 4...1000 straturi individuale alternate de TiN, ZrN, NbN, TaN, HfN sau TiC, ZrC, NbC, TaC, HfC şi TiZrCN, TiHfCN, TiTaCn, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN, având grosimi cuprinse între 20...250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4...2 şi cu o grosime totală a multistratului cuprinsă între 1...4 μm, aderente la substrat, forţele normale critice, măsurate la testul de aderenţă prin zgâriere, fiind de 28...52 N, şi au o microduritate cuprinsă între 18...32 GPa, prezentând o rugozitate medie <10 nm şi o valoare a factorului de viabilitate celulară cuprinsă în domeniul 87...96% la testul de toxicitate.
Description
ACOPERIRI MULTISTRAT BIOCOMPATIBILE
PENTRU IMPLANTURI ORTOPEDICE
DESCRIERE
Invenția se referă la materiale din straturi subțiri biocompatibile, sub formă de multistrat format din straturi alternate de nitruri (sau carburi) binare și carbonitruri cuatemare ale unor metale de tranziție biocompatibile (Ti, Zr, Nb, Ta, Hf), pentru aplicații biomedicale.
Acoperirea cu straturi subțiri biocompatibile, rezistente la uzură și coroziune, este una din cele mai utilizate metode de îmbunătățire a caracteristicilor implanturilor și a instrumentarului medical. La ora actuală se cunosc foarte multe tipuri de straturi subțiri care au caracteristici mecanice, tribologice și anticorozive superioare, însă cerințele de biocompatibilitate specifice limitează numărul celor utilizabile în aplicații biomedicale.
Cele mai utilizate straturi subțiri protective sunt compuși de tip nitrură, carbură sau oxid, în care elementul metalic din compus aparține uneia din grupele a IV-a, a V-a sau a Vl-a ale sistemului periodic. în cazul straturilor biocompatibile, elementele metalice pot fi: Ti, Zr, Hf, Nb sau Ta. Acoperirile dure protective utilizate în mod curent în aplicații biomedicale cuprind compuși binari sub formă de nitruri sau carburi ale metalelor de tranziție (TiN [1, 2], ZrN [3, 4], NbN [5, 6], HfN [6], TaN [7], TiC [8], TaC [8]). Compușii ternari de nitruri (TiAlN [2, 6 - 8], TiZrN [9 - 12], TiNbN [13, 14], TaZrN [15], NbZrN [16]) au fost introduși mai recent în aplicațiile biologice, fiind foarte puține studii în vivo realizate pe aceste tipuri de straturi. Carbonitrurile în sistem cuaternar de tipul TiAlCN [17, 18] sau TiCrCN [19 - 21] au fost analizate începând cu anul 2003, dar în domenii diferite de cele medicale, ca de exemplu pentru acoperirea unor componente din industria constructoare de mașini, a sculelor așchietoare, a rulmenților etc. Până în prezent, în aplicațiile biomedicale au fost investigate ca posibile straturi cu proprietăți bicompatibile doar cele ternare de carbonitruri de titan (TiCN [22, 23]) sau zirconiu (ZrCN [24, 25]).
în momentul de față, implanturile ortopedice sunt realizate din titan și aliajele sale, oțel inoxidabil austenitic și aliaje pe baza de CoCr, datorită unui complex de avantaje pe care le prezintă aceste materiale, dintre care enumerăm rezistența pagina -1γ- 2 Ο 1 1 - Ο 1 2 1 2 - 2 4 -11- 2011
mecanica, rezistența la coroziune și în special rezistența la uzare, care compensează un modul de elasticitate cu valoare mare comparativ cu cel al țesutului osos. Una din problemele curente, care nu și-a găsit încă o rezolvare, o constituie faptul că într-un timp relativ scurt, de 10-15 ani, implanturi utilizate actualmente iși pierd funcționalitatea, datorită fenomenelor de uzare care apar la interfața metal-polietilenă și care conduc la generarea unor particule de polietilenă și uneori chiar de particule metalice. în această situație este necesară reprotezarea, prin realizarea unei intervenții chirurgicale de revizie. De asemenea, în ultimii ani, speranța de viață a populației active a crescut, apărând astfel necesitatea creșterii duratei medii de viață a implanturilor în organismul uman, până la 20 - 40 ani.
Problema pe care își propune să o rezolve invenția revendicată constă în creșterea timpului de viață a implanturilor ortopedice prin acoperirea lor cu materiale biocompatibile rezistente la uzură și coroziune în mediile biologice din corpul uman.
Materialele, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că prezintă proprietăți biocompatibile superioare, având totodată o bună aderentă la substrat, tensiuni interne reduse și rezistență sporită la coroziune și uzură, fiind constituite din nitruri binare și carbonitruri cuatemare sub formă de multistrat, având formula generală MeiN/ Me2Me3CN sau MeiC/ Me2MeaCN, unde Mei, Me2 și Mea sunt metale diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf. Performanțele superioare ale materialelor multistrat care fac obiectul invenției sunt determinate de formarea unor soluții solide în stare de echilibru în straturile cuatemare, componente ale multistratului, care prezintă structuri nanocompozite cu granulație nanometrică. Aceste materiale multistrat sunt o noutate atât pe plan național cât și pe plan internațional.
Materialul biocompatibil multistrat, pentru acoperirea implanturilor ortopedice, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:
aderență ridicată la substrat;
microduritate ridicată;
rugozitate scăzută;
nu modifică tipodimensiunea implanturilor sau a dispozitivelor medicale; proprietăți mecanice și tribologice stabile în timp;
rezistența la acțiunea agențiilor corozivi care se găsesc în corpul uman; coeficient de uzură scăzut;
pagina -2(χ-2 Ο 1 1 - Ο 1 2 1 2 - 2 4 -11- 2011
- biocompatibil, neresorbabil;
netoxic.
Materialul, conform invenției, este obținut printr-o metodă de depunere din fază fizică de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic) într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni ai unor elemente precum titanul, zirconiul, niobiul, tantalul, hafniul, azotul sau carbonul, funcție de natura straturilor depuse. Temperaturile substratului pe care se face depunerea sunt cuprinse între 100° și 300° C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, timpul de depunere fiind cuprins între 90 și 120 min.
Invenția este prezentată în continuare în mod detaliat.
Materialele multistrat, conform invenției, sunt formate din 4 - 1000 straturi individuale alternate de TiN, ZrN, NbN, TaN, HfN sau TiC, ZrC, NbC, TaC, HfC și TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN având grosimi de 20 - 250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4 - 2 și cu o grosime totală a multistratului cuprinsă între 1 și 4 pm.
Un exemplu de realizare a materialului multistrat, conform invenției, obținut prin metoda de pulverizare magnetron, este format din 30 de straturi individuale alternate de NbN și ZrNbCN, cu o grosime a straturilor individuale de 120 nm, cu un raport al grosimilor straturilor individuale de 1:1 și cu o grosime totală a multistratului de 3,6 pm.
Materialul multistrat, în altă variantă, conform invenției, este obținut prin metoda arcului catodic, fiind format din 100 de straturi individuale alternate de HfC și TaHfCN, cu grosimi ale straturilor individuale de 25 și, respectiv, 15 nm, cu un raport al grosimilor straturilor individuale de 1,6:1 și cu o grosime totală a multistratului de 4 pm.
Materialele, sub formă multistrat, sunt aderente la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 28 - 52 N și au o microduritate cuprinsă între 18-32 GPa. Materialele au o rugozitate medie < 10 nm. Materialele prezintă la testul de toxicitate o valoare a factorului de viabilitate celulară în domeniul 87 - 96%.
pagina -3-
Claims (3)
- ACOPERIRI MULTISTRAT BIOCOMPATIBILE PENTRU IMPLANTURI ORTOPEDICEREVENDICĂRI1. Materiale de acoperire multistrat, pe bază de compuși binari din nitruri și cuatemari din carbonitruri, caracterizate prin aceea că sunt formate din 4 1000 straturi individuale alternate de nitruri binare (TiN, ZrN, NbN, TaN sau HfN) și carbonitruri cuatemare (TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN) având grosimi de 20 - 250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4 - 2 și cu o grosime totală a multistratului între 1 și 4 μιη.
- 2. Materiale de acoperire multistrat, pe bază de compuși binari din carburi și cuatemari din carbonitruri, caracterizate prin aceea că sunt formate din 4 1000 straturi individuale alternate de carburi binare (TiC, ZrC, NbC, TaC sau HfC) și carbonitruri cuatemare (TiZrCN, TiHfCN, TiTaCN, TiNbCN, ZrHfCN, ZrTaCN, ZrNbCN, TaHfCN, TaNbCN sau NbHfCN) având grosimi de 20 - 250 nm, raportul grosimilor straturilor individuale fiind cuprins în intervalul 0,4 - 2 și cu o grosime totală a multistratului între 1 și 4 μιη.
- 3. Materialele multistrat, conform revendicărilor 1 și 2, caracterizate prin aceea că sunt aderente la substrat, forțele normale critice măsurate la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 28 - 52 N și au o microduritate cuprinsă între 18-32 GPa, au o rugozitate medie <10 nm, prezintă la testul de toxicitate o valoare a factorului de viabilitate celulară în domeniul 87 96%.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201101212A RO128641B1 (ro) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| ROA201101212A RO128641B1 (ro) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RO128641A2 true RO128641A2 (ro) | 2013-07-30 |
| RO128641B1 RO128641B1 (ro) | 2016-07-29 |
Family
ID=48868870
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| ROA201101212A RO128641B1 (ro) | 2011-11-24 | 2011-11-24 | Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RO (1) | RO128641B1 (ro) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106492280A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-03-15 | 北京华钽生物科技开发有限公司 | 一种抗感染、耐摩擦、生物相容性高人工关节制品及其制造方法 |
| CN119615094A (zh) * | 2025-02-14 | 2025-03-14 | 成都科宁达材料有限公司 | 一种生物医用多功能涂层及其制备方法 |
-
2011
- 2011-11-24 RO ROA201101212A patent/RO128641B1/ro unknown
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106492280A (zh) * | 2016-11-24 | 2017-03-15 | 北京华钽生物科技开发有限公司 | 一种抗感染、耐摩擦、生物相容性高人工关节制品及其制造方法 |
| CN119615094A (zh) * | 2025-02-14 | 2025-03-14 | 成都科宁达材料有限公司 | 一种生物医用多功能涂层及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RO128641B1 (ro) | 2016-07-29 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| KR102191113B1 (ko) | 티타늄 합금 기재를 위한 코팅 | |
| Ching et al. | Effects of surface coating on reducing friction and wear of orthopaedic implants | |
| US8029917B2 (en) | Coated articles | |
| Peng et al. | Antibacterial TiCu/TiCuN multilayer films with good corrosion resistance deposited by axial magnetic field-enhanced arc ion plating | |
| CN109072408A (zh) | 涂层刀体和用于制造刀体的方法 | |
| Hovsepian et al. | Development of superlattice CrN/NbN coatings for joint replacements deposited by high power impulse magnetron sputtering | |
| WO2014195768A1 (es) | Recubrimiento biocompatible tipo multicapa-pelicula delgada como tratamiento superficial de sustratos biomédicos y proceso de fabricación del mismo | |
| Ferreri et al. | Study of the effect of the silver content on the structural and mechanical behavior of Ag–ZrCN coatings for orthopedic prostheses | |
| Subramanian et al. | Surface modification of 316L stainless steel with magnetron sputtered TiN/VN nanoscale multilayers for bio implant applications | |
| RO128641A2 (ro) | Acoperiri multistrat biocompatibile pentru implanturi ortopedice | |
| US20200101193A1 (en) | Implant and method of production thereof | |
| Kaczmarek et al. | Mechanical properties and biocompatibility of multilayer systems based on amorphous SiN: H/SiCN: H layers on Ti6Al7Nb titanium alloy | |
| RO130173A2 (ro) | Materiale biocompatibile pe bază de carburi ale aliajelor cu înaltă entropie pentru acoperirea cuplurilor mobile ale endoprotezelor articulare şi instrumentarului medical | |
| Ahanger et al. | Physical vapour deposition technologies of functionally graded coatings | |
| Shah et al. | Influence of bias voltage on corrosion resistance of TiN coated on biomedical TiZrNb alloy | |
| RO127024A2 (ro) | Materiale din straturi subţiri de carbonitruri pentru aplicaţii biomedicale | |
| Mironov et al. | Structure and properties of nitrides on the surface of collagen | |
| Martin | Tribological Coatings for Biomedical | |
| RU2801170C1 (ru) | Бактерицидное покрытие | |
| Shafi et al. | Comparative Study on the Structural Make-Up, Physical and Antibacterial Behavior of Nitride Based and Silicon Doped Coatings—A Brief Review | |
| Wang et al. | Enhanced antibacterial and corrosion resistance performance of fluorine-doped diamond-like carbon coatings on 316 L stainless steel | |
| Panayiotidis et al. | Multi-functional bioactive silver-and copper-doped diamond-like carbon coatings for medical implants | |
| Bakalova et al. | Biocompatibility of Surfaces of TiCN Thin Films | |
| RU2554773C1 (ru) | Материал бактерицидного покрытия | |
| Danışman et al. | Corrosion Resistance Of Diamond Like Carbon (DLC) Coatings In The Biomedical Field |