RU2599039C1

RU2599039C1 - Способ получения биомедицинского материала

Info

Publication number: RU2599039C1
Application number: RU2015116024/15A
Authority: RU
Inventors: Алла Геннадьевна Широкова; Екатерина Анатольевна Богданова; Владимир Михайлович Скачков; Сергей Владимирович Борисов; Наиль Аделевич Сабирзянов
Priority date: 2015-04-27
Filing date: 2015-04-27
Publication date: 2016-10-10

Abstract

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения костных имплантов на основе титана с биоактивным покрытием. Для этого на пористую основу, содержащую титан, наносят 12-14% водную суспензию гидроксиапатита (ГАП) в течение 2-3 сек. Затем материал помещают в 2-3%-ную водную суспензию ГАП и импрегнируют в вакууме при 2·10^-10÷9·10^-10 мм рт. ст. в трех-пятикратном пульсационном режиме. Соотношение между длительностью импульса и паузы составляет от 3-5 до 10-15. Изобретение обеспечивает технологически простой способ получения биомедицинского материала на основе пористого титана, позволяющий достичь равномерного и прочного покрытия во всем объеме пор материала и сохранить биологическую активность ГАП. 1 ил., 4 пр.

Description

Изобретение относится к области медицины, в частности к способам получения пористого материала на основе титана с биоактивным покрытием, который в дальнейшем может быть использован для изготовления костного имплантата.

Известен способ получения имплантатов, в котором в качестве основы используется титановая лента, из которой просекают сетку с квадратными или ромбовидными ячейками с величиной сторон 0,8-2,5 мм и шагом 0,05-0,1 мм. На поверхность сетки методом плазменного напыления наносят слой титана толщиной 50-100 мкм из порошка дисперсностью 60-150 мкм, который затем покрывают слоем биокерамики толщиной 30-50 мкм из порошка дисперсностью 40-60 мкм. Напыление может быть однослойным (титан) или двухслойным (титан + биокерамика), односторонним или двусторонним (патент RU №2157245; МПК A61L 27/06, A61F 2/28; 1999 год).

Известный способ является сложным, трудоемким, а биологическая активность гидроксиапатита (ГАП) теряется при высокотемпературной обработке в процессе плазменного напыления.

Известен также способ получения биомедицинского материала для создания костных имплантатов на основе пористого сплава титан-кобальт в режиме СВС, включающий приготовление экзотермической смеси исходных реагентов из порошка титана и кобальта, добавление в смесь не более 4 мас. % гидрида титана, не более 15 мас. % аморфного нанодисперсного порошка ГАП или аморфного нанокомпозита ГАП с биополимером природного происхождения, прессование из смеси порошков заготовки, размещение ее в реакторе СВС, предварительный нагрев заготовки до 350-580°C, инициирование процесса горения в инертной атмосфере с последующим выделением целевого продукта (патент RU №2341293; МПК A61L27/04, A61L27/06, A61L27/24, A61F2/28; 2007 год)(прототип).

Известный способ является многостадийным, высокотемпературная обработка приводит к разложению биоактивного гидроксиапатита и поровое пространство сплава покрывается соединениями кальция, фосфора и кислорода, представляющими собой продукты его распада, биоактивность которых значительно ниже, чем у гидроксиапатита. Необходимо отметить, что любая высокотемпературная обработка переводит гидроксиапатит в кристаллическую структуру, менее растворимую по сравнению с минеральной составляющей кости (Е.А. Богданова. Диссерт. на соискание уч. степ. канд. хим. наук. Физико-химические свойства биоактивных композиционных материалов на основе фосфатов кальция и кремнийорганических соединений. Екатеринбург, 2012).

Таким образом, перед авторами была поставлена задача - разработать простой способ получения биомедицинского материала, обеспечивающий сохранение минерального состава биоактивного компонента - гидроксиапатита (ГАП) наряду с хорошей адгезией нанесенного покрытия.

Поставленная задача решена в предлагаемом способе получения биомедицинского материала, включающем нанесение на пористую основу, содержащую титан, покрытия из гидроксиапатита, в котором нанесение осуществляют путем импрегнирования водной суспензией гидроксиапатита, при этом окунают пористый титан в 12-14%-ную водную суспензию гидроксиапатита на 2-3 сек, а затем помещают в 2-3%-ную водную суспензию гидроксиапатита и осуществляют в вакууме 2·10^-10÷9·10^-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷5.

В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ получения биомедицинского материала путем импрегнирования суспензией гидроксиапатита разной концентрации и осуществлением в вакууме 2·10^-10÷9·10^-10 мм рт. ст. 3-5-кратного пульсационного режима с определенным соотношением между длительностью импульса и паузы.

В качестве биосовместимой высокопористой основы авторы предлагают использовать пористый титан, обладающий такими свойствами, как: биосовместимость, коррозионная стойкость, достаточно низкий модуль упругости (С.М. Баринов, B.C. Комлев. Биокерамика на основе фосфатов кальция. М.: Наука, 2005. 205 с.). Роль биоактивного материала, усиливающего остеоинтеграцию имплантата с костью, выполняет покрытие гидроксиапатита (ГАП), которое получают из суспензии, полученной в соответствии с патентом RU 2406693. Проведенные авторами исследования позволили разработать способ получения биоактивного покрытия на пористом титане, позволяющий сохранить минеральный состав биоактивного компонента - гидроксиапатита (ГАП) наряду с хорошей адгезией нанесенного покрытия. Для достижения необходимого результата авторами предлагается способ пульсационного вакуумного импрегнирования, в ходе которого осуществляют осаждение частиц ГАП из суспензии, получая покрытие не только пор поверхности высокопористого титана равномерным слоем биоактивного материала, но и пор во всем его объеме. Перед обработкой в вакууме образцы титана окунают в 12-14%-ную суспензию ГАП для снижения пористости и исключения проскока суспензии при вакуумировании. При использовании суспензии с концентрацией менее 12% возможен проскок суспензии при дальнейшем вакуумировании. Использование суспензии с концентрацией выше 14% ведет к значительному снижению пористости, что затрудняет получение покрытия в порах по всему объему. Обработку суспензией ГАП в вакууме осуществляют в интервале определенных технологических параметров. Так повышение давления выше 9·10^-10мм рт. ст. не позволяет прокачать водную суспензию через весь объем образца, поэтому происходит излишнее увеличение толщины покрытия на его поверхности, способствующее в дальнейшем растрескиванию последнего, при одновременном слабом покрытии пор в объеме. При снижении давления меньше 2·10^-10 мм рт. ст. наблюдается неконтролируемый проскок водной суспензии через пористый образец, что приводит к нарушению равномерности покрытия. Пульсационный режим импрегнирования включает в себя чередующиеся стадии подвода вакуума и паузы. Длительность импульса составляет 3-5 сек, длительность паузы -10-15 сек. Пролонгирование первой стадии ведет к утоньшению покрытия, а второй - к замедлению технологического процесса. 3-5-кратная пропитка ГАП позволяет достичь его максимального содержания от массы титана в зависимости от исходной пористости основы. Увеличение количества пропиток приводит к зарастанию и снижению остеоинтеграционных свойств материала, а уменьшение мешает возможности создания сплошного биоактивного покрытия.

Предлагаемый способ может быть осуществлен следующим образом.

Пористый титан (пористость 40-45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с концентрацией 12-14% в течение 2-3 сек, затем заполняют емкость 2-3% водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10^-10÷9·10^-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷5. После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 6,0-13,5 мас. % от массы титана.

Содержание ГАП от массы титана определяют путем взвешивания образцов до и после обработки. Морфологию образующегося в процессе вакуумного импрегнирования покрытия пор исследовали методом Брунауэра, Эммета и Тейлера (БЭТ) низкотемпературной адсорбцией азота на приборе Gemini VII 2390 VI.03 (V1.03 t) и установили, что в результате пропитки ГАП формируется новая развитая поверхность, о чем свидетельствует изменение величины площади удельной поверхности в случае образцов с начальной пористостью 45% с 0,3256±0,0453 до 11,4029±0,0831 м²/г, а с начальной пористостью 40% с 0,3943±0,0120 до 8,7330±0,0585.

Микрофотографии образцов пористого титана до и после покрытия (см. фиг.1) получали на анализирующем сканирующем электронном микроскопе JSM 6390 LA (JEOL-Япония).

Прочность сцепления биоактивного покрытия с титановой основой определяли методом ультразвукового воздействия в ультразвуковой ванне «САПФИР 1,3 ТТЦ» при мощности 35 кГц. Потеря массы образца с покрытием ГАП по предлагаемому способу после обработки ультразвуком в течение 1 часа при температуре 25°C составляет 0,16 мас. %, что позволяет оценить прочность адгезии как достаточно высокую.

Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.

Пример 1. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 40%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с концентрацией 12% в течение 2 сек, затем заполняют емкость 2% водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10^-10 мм рт. ст. 3-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3:15 (длительность импульса 3 сек; длительность паузы 15 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 6,0 мас. % от массы титана. На фиг.1 изображена микрофотография поверхности титана пористости 40%: а) исходный образец титана; б) образец титана с покрытием ГАП.

Пример 2. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 40%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с концентрацией 12% в течение 3 сек, затем заполняют емкость 2% водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 9·10^-10 мм рт. ст. 5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 5:10 (длительность импульса 5 сек; длительность паузы 10 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 8,1 мас. % от массы титана.

Пример 3. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с концентрацией 14% в течение 2 сек, затем заполняют емкость 3% водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 2·10^-10 мм рт. ст. 3-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3:15 (длительность импульса 3 сек; длительность паузы 15 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 11,4 мас. % от массы титана. На фиг. 1 изображена микрофотография поверхности титана пористости 45%: в) исходный образец титана; г) образец титана с покрытием ГАП.

Пример 4. Образец пористого титана размером 10×10×4 мм (пористость 45%) окунают в емкость с сетчатым дном с водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с концентрацией 14% в течение 3 сек, затем заполняют емкость 3% водной суспензией ГАП состава Ca₁₀(PO₄)₆(ОН)₂ с размером частиц 3-4 мкм и осуществляют в вакууме 9·10^-10 мм рт. ст. 5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 5:10 (длительность импульса 5 сек; длительность паузы 10 сек). После чего образцы сушат на воздухе при комнатной температуре в течение 10 часов и получают пористый материал на основе титана с покрытием ГАП, при этом содержание ГАП составляет 13,5 мас. % от массы титана.

Таким образом, авторами предлагается технологически простой способ получения биомедицинского материала на основе пористого титана, позволяющий сохранить биологическую активность ГАП за счет исключения высоких температур при обработке и достичь равномерного и прочного покрытия не только поверхности, но и пор во всем объеме.

Claims

Способ получения биомедицинского материала, включающий нанесение на пористую основу, содержащую титан, покрытия из гидроксиапатита, отличающийся тем, что нанесение осуществляют путем импрегнирования водной суспензией гидроксиапатита, при этом окунают пористый титан в 12-14%-ную водную суспензию гидроксиапатита на 2-3 сек, а затем помещают в 2-3%-ную водную суспензию гидроксиапатита и осуществляют в вакууме 2·10^-10÷9·10^-10 мм рт. ст. 3-5-кратный пульсационный режим с соотношением между длительностью импульса и паузы 3÷5:10÷15.