RO128758A2 - Straturi subţiri, bioactive, pentru acoperirea implanturilor ortopedice - Google Patents

Straturi subţiri, bioactive, pentru acoperirea implanturilor ortopedice Download PDF

Info

Publication number
RO128758A2
RO128758A2 ROA201101392A RO201101392A RO128758A2 RO 128758 A2 RO128758 A2 RO 128758A2 RO A201101392 A ROA201101392 A RO A201101392A RO 201101392 A RO201101392 A RO 201101392A RO 128758 A2 RO128758 A2 RO 128758A2
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
layers
ranging
thin
materials
orthopedic implants
Prior art date
Application number
ROA201101392A
Other languages
English (en)
Other versions
RO128758B1 (ro
Inventor
Alina Vlădescu
Mariana Braic
Adrian Emil Kiss
Viorel Braic
Mihai Bălăceanu
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000 filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority to ROA201101392A priority Critical patent/RO128758B1/ro
Publication of RO128758A2 publication Critical patent/RO128758A2/ro
Publication of RO128758B1 publication Critical patent/RO128758B1/ro

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Invenţia se referă la materiale din straturi subţiri, biocompatibile, sub formă de monostraturi pe bază de oxizi, rezistente la coroziune, aderente la suportul pe care au fost depuse, hidrofile, bioactive, folosite pentu acoperirea aliajelor de titan din care sunt realizate implanturile ortopedice, obţinute printr-o metodă de depunere din fază fizică de vapori, cum sunt pulverizarea magnetron sau depunerea cu arc catodic într-o plasmă reactivă care poate conţine atomi şi ioni de zirconiu, hafniu, tantal, siliciu şi oxigen, în funcţie de natura materialelor depuse. Materialele conform invenţiei sunt formate din straturi subţiri de oxizi de tip MeSiO (ZrSiO, TaSiO sau HfSiO) sau MeMeSiO(ZrTaSiO, ZrHfSiO sau TaHfSiO), cu o grosime cuprinsă între 0,5...3 μm, cu raportul concentraţiilor elementale ale oxigenului faţă de suma concentraţiilor celorlalte elemente cuprins între 0,7 şi 2, cu o bună aderenţă la substrat, forţele normale, critice, măsurate la testul de aderenţă prin zgâriere, fiind de 8...34 N, cu o duritate cuprinsă între 8 şi 18 GPa, şi o rugozitate medie < 10 nm, cu unghiul de contact < 90°, cantitatea de ioni, eliberată în soluţie fiziologică, artificială, Ringer, fiind < 35 μg/cm, cu viteza de coroziune < 6 x 10mm/an şi cu o viabilitate celulară cuprinsă în domeniul 80...96%.

Description

Invenția se referă la materiale din straturi subțiri biocompatibile, sub formă de monostraturi, rezistente la coroziune, aderente la suportul pe care au fost depuse, hidrofile, bioactive, folosite pentru acoperirea aliajelor de titan din care sunt realizate implanturile ortopedice.
Deși în ultimii ani s-au obținut progrese semnificative, nu exista încă o soluție ideală pentru creșterea durabilității implanturilor ortopedice pe termen lung. 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 rezistență mecanică, rezistență la coroziune și în special rezistență 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, implanturile ortopedice utilizate iși pierd funcționalitatea, datorită fenomenelor de uzare care apar la interfața metal-polietilenă și care conduc la generarea unor particule de polietilenă/metal sau datorită lipsei de osteintegrare după implantare. In această situație este necesară reprotezarea, prin realizarea unei intervenții chirurgicale de revizie. Grupul social cu cele mai mari probleme generate de timpul de viata restrâns al implanturilor ortopedice în organismul uman este reprezentat de pacienții tineri (20 - 40 ani), datorită nivelului ridicat de activitate al acestora. In ultimii ani, mulți cercetători și-au canalizat atenția asupra posibilității de creștere a duratei de viață a implanturilor/protezelor și/sau instrumentarului medical, prin acoperirea lor cu straturi subțiri (de ordinul micronilor).
La ora actuală se cunosc foarte multe tipuri de straturi subțiri care au caracteristici mecanice, tribologice și anticorozive superioare, însă cerințele de osteointegrare specifice limitează numărul celor utilizabile în aplicații biomedicale. Cele mai utilizate straturi subțiri proiective 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 bioactive, elementele metalice pot fi: Ti, Zr, Hf, Nb, Mg sau Ta. Acoperirile bioactive utilizate în mod curent în pagina -1-
A 2 Ο 1 1 - Ο 1 3 9 2 - 1 3 -12- 2011 aplicații biomedicale cuprind compuși binari sub formă de oxizi, cum ar fi: ZrO2 [1, 2], TiO2 [3, 4], Compușii de oxinitruri (TiON [5], TiNbON [6]) au fost introduși mai recent în aplicațiile biologice, fiind foarte puține studii în vivo realizate pe aceste tipuri de straturi. Oxizii cu conținut de siliciu în sistem temar, de tipul ZrSiO [7]; [8]; [9] sau TiSiO [9-11], au fost analizați începând cu anul 2002, dar în domenii diferite de cele medicale, de exemplu pentru acoperirea unor componente din industria semiconductorilor. Până în prezent, în aplicațiile biomedicale au fost investigate ca posibile straturi cu proprietăți biocompatibile doar cele ternare de tip TiSiO [13],
Problema pe care își propune să o rezolve invenția revendicată constă în modificarea funcționala a suprafeței implanturilor ortopedice care intră în contact cu osul prin acoperirea lor cu straturi bioactive și rezistente la coroziune în mediile biologice din corpul uman. Prin aceasta functionalizare a suprafeței se urmărește creșterea duratei de viață a implanturilor și scăderea numărului de revizii (intervenții chirurgicale traumatizante).
Materialele, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că prezintă proprietăți bioactive superioare, având totodată o bună aderență la substrat, tensiuni interne reduse și rezistență sporită la coroziune, fiind constituite din oxizi, având formula generală MejSiO sau MeiMe2SiO, unde Mei și Me2 sunt metale cu biocompatibilitate recunoscută din seria metalelor de tranziție Zr, Ta și Hf. Aceste materiale nu au mai fost încă studiate pentru aplicații biomedicale.
Acoperirile bioactive, pentru acoperirea implanturilor ortopedice, conform invenției, prezintă următoarele avantaje:
- aderență ridicată la substrat;
rugozitate scăzută;
nu modifică tipodimensiunea implanturilor;
- rezistența la acțiunea agențiilor corozivi care se găsesc în corpul uman; hidrofile;
bioactive; netoxice.
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 zirconiul, hafniul, tantalul, siliciul si oxigenul, funcție de natura straturilor depuse. Depunerea se face la temperaturi ale pagina -2a “ 2 Ο 1 1 - 0 1 3 9 2 -ί 3 -12- 2011 substratului cuprinse între 100° și 300° C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, timpul de depunere fiind cuprins între 40 și 60 min.
Invenția este prezentată în continuare în mod detaliat.
Materialele monostrat din oxizi de tip MeiSiOx, conform invenției, sunt realizate din straturi subțiri de ZrSiOx, TaSiOx și HfSiOx, cu grosimi totale cuprinse între 0,5 și 3 pm. Straturile subțiri de ZrSiOx, TaSiOx și HfSiOx prezintă un raport al concentrațiilor elementale ale oxigenului față de suma concentrațiilor celorlalte elemente cuprins între 0,7 și 2. Materialele monostrat din oxizi sunt aderente la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 10 - 28 N. Materialele din oxizi sunt hidrofile, unghiul de contact fiind < 90. Materialele monostrat din oxizi au durități cuprinse între 8 și 15 GPa și rugozități medii <10 nm. Cantitatea de ioni eliberată în soluție fiziologică artificială Ringer la 37°C este <35 pg/cm2, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență ‘perfect stabil”. Materialele monostrat din oxizi prezintă o viteză de coroziune < 6 xl 0^ mm/an și o viabilitate celulară > 85% la testul de citotoxicitate.
Materialele monostrat din oxizi de tip MejMeaSiO, conform invenției, sunt realizate din straturi subțiri de ZrTaSiO, ZrHfSiO și TaHfSiO, cu grosimi totale cuprinse între 0,5 și 3 pm. Straturile subțiri din ZrHfSiO prezintă un raport al concentrațiilor elementale ale oxigenului față de suma concentrațiilor celorlalte elemente cuprins între 0,7 și 2. Materialele sunt aderente la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 14 - 34 N. Materialele din oxizi sunt hidrofile, unghiul de contact fiind < 90? Materialele au durități cuprinse între 10 și 18 GPa și rugozități medii < 10 nm. Cantitatea de ioni eliberată în soluție fiziologică artificială Ringer la 37°C este < 30 pg/cm2, încadrânduse (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Materialele monostrat din oxizi prezintă o viteză de coroziune < 5 xlO1 mm/an și o viabilitate celulară > 88% la testul de citotoxicitate.
Un exemplu de realizare a unui strat din oxizi de tip MeiSiO este cel constituit din stratul de HfSiO, cu raportul O/(Hf+Si) =1,2. Stratul are o grosime totală de 1,4 pm. Stratul prezintă o aderență ridicată la substrat, forța normală critică la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 24 N. Stratul are o duritate de 10 GPa și o rugozitate medie de 7 nm. Materialul este hidrofil, unghiul de contact fiind de 55’. Stratul prezintă viteze de coroziune de aproximativ 2 x IO4 mm/an în soluție pagina -30-2011-01392-f 3 -11- ZOII fiziologică artificială Ringer la 37°C, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Cantitatea de ioni eliberată în soluție fiziologică artificială
Ringer este de aproximativ 4 pg/cm2. Stratul din oxid prezintă o viabilitate celulară de
89% la testul de citotoxicitate.
Un exemplu de realizare a unui strat din oxizi de tip MeiMe2SiO este cel constituit din stratul de ZrHfSiO, cu raportul O/(Zr+Hf+Si) = 0,9. Stratul are o grosime totală de 1,1 pm. Stratul prezintă o aderență ridicată la substrat, forța normală critică la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 30 N. Stratul are o duritate de 14 GPa și o rugozitate medie de 8 nm. Materialul este hidrofil, unghiul de contact fiind de 42: Stratul prezintă viteze de coroziune de aproximativ 3 x IO'4 mm/an în soluție fiziologică artificială Ringer la 37°C, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Cantitatea de ioni eliberată în soluție Ringer este de aproximativ 3 pg/cm . Stratul din oxid prezintă o viabilitate celulară de 92% la testul de citotoxicitate.
Un alt exemplu de realizare a unui strat din oxizi de tip MeiMe2SiO este cel constituit din stratul de TaHfSiO, cu raportul O/(Ta+Hf+Si) = 1,6. Stratul are o grosime totală de 0,9 pm. Stratul prezintă o aderență ridicată la substrat, forța normală critică la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 26 N. Stratul are o duritate de 16 GPa și o rugozitate medie de 7 nm. Materialul este hidrofil, unghiul de contact fiind de 38! Stratul prezintă viteze de coroziune de aproximativ 2 x IO'4 mm/an în soluție fiziologică artificială Ringer la 37°C, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Cantitatea de ioni eliberată în soluție Ringer este de aproximativ 2 pg/cm2. Stratul din oxid prezintă o viabilitate celulară de 89% la testul de citotoxicitate.

Claims (3)

  1. REVENDICĂRI
    1. Materiale de acoperire bioactive, pe bază de straturi subțiri din oxizi, caracterizate prin aceea că sunt formate din straturi subțiri de tip MeSiOx (unde Me poate fi Zr, Ta sau Hf) având grosimi de 0,5 și 3 pm, raportul concentrațiilor elementale ale oxigenului față de suma concentrațiilor celorlalte elemente cuprins între 0,7 și 2.
  2. 2. Materiale de acoperire bioactive, pe bază de straturi subțiri din oxizi, caracterizate prin aceea că sunt formate din straturi subțiri de tip MeiMe2SiO (unde Mei și Me2 = Zr, Ta sau Hf) având grosimi de 0,5 și 3 pm, raportul concentrațiilor elementale ale oxigenului față de suma concentrațiilor celorlalte elemente cuprins între 0,7 și 2.
  3. 3. Straturile subțiri, 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 8 - 32 N, au o duritate cuprinsă între 8 18 GPa, au o rugozitate medie < 10 nm, au un unghi de contact < 90, cantitatea de ioni eliberată în soluție fiziologică artificială Ringer la 37°C este < 35 pg/cm2, prezintă o viteză de coroziune < 6 xlO4 mm/an și prezintă la testul de toxicitate o viabilitate celulară în domeniul 80 - 96%.
ROA201101392A 2011-12-13 2011-12-13 Material de acoperire bioactiv, pe bază de straturi subţiri din oxizi RO128758B1 (ro)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201101392A RO128758B1 (ro) 2011-12-13 2011-12-13 Material de acoperire bioactiv, pe bază de straturi subţiri din oxizi

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201101392A RO128758B1 (ro) 2011-12-13 2011-12-13 Material de acoperire bioactiv, pe bază de straturi subţiri din oxizi

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO128758A2 true RO128758A2 (ro) 2013-08-30
RO128758B1 RO128758B1 (ro) 2018-03-30

Family

ID=49030067

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201101392A RO128758B1 (ro) 2011-12-13 2011-12-13 Material de acoperire bioactiv, pe bază de straturi subţiri din oxizi

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO128758B1 (ro)

Also Published As

Publication number Publication date
RO128758B1 (ro) 2018-03-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Geyao et al. Development and application of physical vapor deposited coatings for medical devices: A review
Kaliaraj et al. Surface functionalized bioceramics coated on metallic implants for biomedical and anticorrosion performance–a review
Roy et al. Biomedical applications of diamond‐like carbon coatings: A review
Lim et al. Initial contact angle measurements on variously treated dental/medical titanium materials
Thangavel et al. RF magnetron sputtering mediated NiTi/Ag coating on Ti-alloy substrate with enhanced biocompatibility and durability
Marques et al. Biomimetic coatings enhance tribocorrosion behavior and cell responses of commercially pure titanium surfaces
Buyuksungur et al. In vitro cytotoxicity, corrosion and antibacterial efficiencies of Zn doped hydroxyapatite coated Ti based implant materials
Nourani-Vatani et al. Zirconium-based hybrid coatings: A versatile strategy for biomedical engineering applications
Kaliaraj et al. Studies of calcium-precipitating oral bacterial adhesion on TiN, TiO2 single layer, and TiN/TiO2 multilayer-coated 316L SS
Katouno et al. Evaluation of the enhancement of osteogenesis by Zn-releasing diamond-like carbon film
Subramanian et al. Surface modification of 316L stainless steel with magnetron sputtered TiN/VN nanoscale multilayers for bio implant applications
Albayrak et al. Ceramic coatings for biomedical applications
Alagarsamy et al. Biological adhesion and electrochemical behavior of Ag-ZrO2 bioceramic coatings for biomedical applications
Kumar et al. Comparison of osteogenic potential of poly-ether-ether-ketone with titanium-coated poly-ether-ether-ketone and titanium-blended poly-ether-ether-ketone: An: in vitro: study
Yeniyol et al. Relative contributions of surface roughness and crystalline structure to the biocompatibility of titanium nitride and titanium oxide coatings deposited by PVD and TPS coatings
RO129460A2 (ro) Carburi ale aliajelor de înaltă entropie sub formă de straturi subţiri, pentru acoperirea endoprotezelor articulare
Engoor et al. Synthesis and characterization of TiO2–ZnO composite thin films for biomedical applications
RO128758A2 (ro) Straturi subţiri, bioactive, pentru acoperirea implanturilor ortopedice
RO130173A2 (ro) Materiale biocompatibile pe bază de carburi ale aliajelor cu înaltă entropie pentru acoperirea cuplurilor mobile ale endoprotezelor articulare şi instrumentarului medical
RO127022A2 (ro) Straturi subţiri biocompatibile pentru acoperirea implanturilor dentare din aliaje de titan
Moon et al. Surface characteristics of TiN/ZrN coated nanotubular structure on the Ti–35Ta–xHf alloy for bio-implant applications
RO127411A2 (ro) Straturi subţiri biocompatibile, cu gradient compoziţional, pentru acoperirea implanturilor dentare metalice
Masahashi et al. Biocompatible functional surface of titanium-based implant materials
Velioglu et al. Effects of hard thin-film coatings on adhesion of early colonizer bacteria over titanium surfaces
RO128641A2 (ro) Acoperiri multistrat biocompatibile pentru implanturi ortopedice