RU2604085C1 - Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants - Google Patents

Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants Download PDF

Info

Publication number
RU2604085C1
RU2604085C1 RU2015142860/02A RU2015142860A RU2604085C1 RU 2604085 C1 RU2604085 C1 RU 2604085C1 RU 2015142860/02 A RU2015142860/02 A RU 2015142860/02A RU 2015142860 A RU2015142860 A RU 2015142860A RU 2604085 C1 RU2604085 C1 RU 2604085C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
air
nanostructured
implant
titanium
etching
Prior art date
Application number
RU2015142860/02A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Александр Александрович Фомин
Владимир Александрович Кошуро
Марина Алексеевна Фомина
Алексей Борисович Штейнгауэр
Игорь Владимирович Родионов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
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 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.)
Priority to RU2015142860/02A priority Critical patent/RU2604085C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2604085C1 publication Critical patent/RU2604085C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C8/00Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals
    • C23C8/06Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases
    • C23C8/08Solid state diffusion of only non-metal elements into metallic material surfaces; Chemical surface treatment of metallic material by reaction of the surface with a reactive gas, leaving reaction products of surface material in the coating, e.g. conversion coatings, passivation of metals using gases only one element being applied
    • C23C8/10Oxidising
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82BNANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
    • B82B3/00Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y5/00Nanobiotechnology or nanomedicine, e.g. protein engineering or drug delivery

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Biophysics (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Medical Informatics (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Pharmacology & Pharmacy (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention relates to medical equipment, namely technology of making bioinert nanostructured oxide coating on intraosseous parts of titanium implants. Method includes air-abrasive treatment, etching in solution of acids and gas-thermal oxidation. Air-abrasive treatment is carried out with alumina powder with particle size of 100-200 mcm at pressure of air medium 0.2-0.3 MPa. Etching of implant is performed in water solution of HF (5-8 wt%) + HNO3 (15-19 wt%) for 0.1-0.2 minutes. Gas-thermal oxidation is performed by induction of heating in air atmosphere to temperature of 800-900 °C at current frequency on inductor of 90±10 kHz and specific consumption of electric power 0.2-0.4 W/kg. Then implant is held for 0.5-2 minutes and cooled in air.
EFFECT: formation of oxide coating on titanium implant surface with thickness of 3-10 mcm is provided, which consists of oxide crystals with size of up to 70±10 nm, with help of high-efficiency and resource-saving method.
3 cl, 3 dwg, 2 ex

Description

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к технологии формирования биоинертных наноструктурированных оксидных покрытий на внутрикостных частях титановых имплантатов.The invention relates to the field of medical equipment, and in particular to a technology for the formation of bioinert nanostructured oxide coatings on the intraosseous parts of titanium implants.

Считается, что взаимодействие материала поверхности имплантата и костной ткани происходит на нанометровом уровне минерализованных коллагеновых фибрилл [N. Wang, Н. Li, W. Lii, J. Li, J. Wang, Z. Zhang, et al., Effects of TiO2 nanotubes with different diameters on gene expression and osseointegration of implants in minipigs, Biomaterials 32 (2011) 6900-6911; Mendonca G. et al. Advancing dental implant surface technology-from micron-to nanotopography // Biomaterials. - 2008. - T. 29. - №. 28. - C. 3822-3835].It is believed that the interaction of the implant surface material and bone tissue occurs at the nanometer level of mineralized collagen fibrils [N. Wang, N. Li, W. Lii, J. Li, J. Wang, Z. Zhang, et al., Effects of TiO 2 nanotubes with different diameters on gene expression and osseointegration of implants in minipigs, Biomaterials 32 (2011) 6900 -6911; Mendonca G. et al. Advancing dental implant surface technology-from micron-to nanotopography // Biomaterials. - 2008. - T. 29. - No. 28. - C. 3822-3835].

В настоящее время для формирования на титановых внутрикостных имплантатах гетерогенной поверхности, характеризуемой наличием микро- и наноразмерных структурных элементов, используются следующие технологические процессы: обработка концентрированными потоками энергии, газотермическое напыление, электрохимическое и газотермическое оксидирование. Известные способы формирования на титане микро- и наноструктурированной поверхности характеризуются значительной продолжительностью процесса, его технологической сложностью или токсичностью используемых веществ, что способствует поиску новых путей решения имеющейся проблемы.At present, the following technological processes are used to form a heterogeneous surface on titanium intraosseous implants, characterized by the presence of micro- and nanoscale structural elements: treatment by concentrated energy flows, thermal spraying, electrochemical and gas-thermal oxidation. Known methods for forming a micro- and nanostructured surface on titanium are characterized by a significant duration of the process, its technological complexity or toxicity of the substances used, which contributes to the search for new ways to solve the existing problem.

Известен способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев [патент RU на изобретение №2527511 / Я.А. Четокин, Д.В. Пугашкин // Способ упрочнения металлических изделий с получением наноструктурированных поверхностных слоев. - 2014]. Формирование наноразмерного поверхностного покрытия осуществляют путем обработки поверхности металлических изделий легирующим сплавом, используемым в мелкодисперсной порошкообразной форме. Затем на подготовленные участки поверхности воздействуют лазерным излучением, производимым сфокусированным оптическим тепловым лучом высокоэнергетического квантового генератора, перемещая лазерный луч с шагом в 25 микрон. После этого проводят охлаждение поверхности обрабатываемой детали струей сжатого воздуха температурой 20°C под давлением 8 кПа. При охлаждении происходит кристаллизация легирующего сплава на металлической поверхности изделия.A known method of hardening metal products to obtain nanostructured surface layers [patent RU for invention No. 2527511 / Ya.A. Chetokin, D.V. Pugashkin // Method of hardening metal products to obtain nanostructured surface layers. - 2014]. The formation of a nanoscale surface coating is carried out by treating the surface of metal products with an alloy alloy used in finely divided powder form. Then, prepared areas of the surface are exposed to laser radiation produced by a focused optical thermal beam of a high-energy quantum generator, moving the laser beam in increments of 25 microns. After that, the surface of the workpiece is cooled by a stream of compressed air with a temperature of 20 ° C under a pressure of 8 kPa. Upon cooling, the alloying alloy crystallizes on the metal surface of the product.

Основным недостатком способа является технологическая сложность равномерной обработки поверхности.The main disadvantage of this method is the technological complexity of a uniform surface treatment.

Известен также способ получения наноструктурированного покрытия в процессе газотермического напыления [патент RU на изобретение №2542218 / Л.Ю. Боташев, Н.У. Бисилов, Р.С. Малсугенов // Способ получения наноструктурированного покрытия. - 2015]. В камере сгорания распылителя формируют высокотемпературный газовый поток путем сжигания топлива в окислителе. В камеру сгорания подачу исходного материала осуществляют в виде порошка. Длину камеры выбирают из условия обеспечения испарения порошкового материала путем воздействия высокотемпературным газовым потоком. Полученный газовый поток после выхода из камеры сгорания ускоряют в сопле и охлаждают с образованием наночастиц, причем используют сопло, длину которого выбирают из условия охлаждения газового потока до температуры ниже температуры плавления исходного материала. Охлаждение газового потока осуществляют путем смешения с холодным потоком инертного газа.There is also a known method for producing a nanostructured coating in the process of thermal spraying [RU patent for the invention No. 2542218 / L.Yu. Botashev, N.U. Bisilov, R.S. Malsugenov // Method for producing a nanostructured coating. - 2015]. A high-temperature gas stream is formed in the combustion chamber of the atomizer by burning fuel in an oxidizing agent. The source material is supplied into the combustion chamber in the form of a powder. The length of the chamber is selected from the condition of ensuring the evaporation of the powder material by exposure to a high-temperature gas stream. The resulting gas stream after exiting the combustion chamber is accelerated in the nozzle and cooled to form nanoparticles, using a nozzle the length of which is selected from the condition of cooling the gas stream to a temperature below the melting temperature of the starting material. The gas stream is cooled by mixing with a cold inert gas stream.

Основным недостатком способа является технологическая сложность процесса газотермического напыления.The main disadvantage of this method is the technological complexity of the process of thermal spraying.

Известен также способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов [патент RU на изобретение №2322267 / И.В. Родионов, К.Г. Бутовской, О.В. Бейдик, Ю.В. Серянов // Способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов. - 2008], позволяющий формировать на поверхности имплантируемых конструкций пористые металлооксидные слои. Согласно способу процесс оксидирования титана и его сплавов проводят при температуре 600-1000°C в течение 1,5-2 ч в газовой среде, подаваемой под давлением 1,2-1,3 атм и состоящей из смеси инертного (аргона, неона, гелия) и окисляющего (кислорода, диоксида углерода) газов при следующем соотношении компонентов: 60-70% и 40-60% соответственно.There is also a method of obtaining a biocompatible coating on implants made of titanium and its alloys [RU patent for invention No. 2323267 / I.V. Rodionov, K.G. Butovsky, O.V. Beydik, Yu.V. Seryanov // Method for producing a biocompatible coating on implants made of titanium and its alloys. - 2008], which allows the formation of porous metal oxide layers on the surface of implanted structures. According to the method, the process of oxidation of titanium and its alloys is carried out at a temperature of 600-1000 ° C for 1.5-2 hours in a gas medium supplied under a pressure of 1.2-1.3 atm and consisting of a mixture of inert (argon, neon, helium ) and oxidizing (oxygen, carbon dioxide) gases in the following ratio of components: 60-70% and 40-60%, respectively.

Основными недостатками способа являются технологическая сложность и большая продолжительность процесса оксидирования.The main disadvantages of the method are the technological complexity and the long duration of the oxidation process.

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ создания наноструктурной биоинертной пористой поверхности на титановых имплантатах [патент RU на изобретение №2469744 / Ф.М. Абдуллаев // Способ создания наноструктурной биоинертной пористой поверхности на титановых имплантатах. - 2012], позволяющий получить пористую наноструктурированную оксидную пленку толщиной 1-10 мкм, состоящую из открытых нанотрубок оксидов титана с размерами пор 40-140 нм. Осуществляют последовательную обработку поверхности имплантата методами пескоструйной обработки, травления в растворе кислот HF (2-3 мас. %) или HF (2-3 мас. %) + HNO3 (5-30 мас. %), или HNO3 + HCl (10-30 мас. %), обжиг-дегазацию в вакууме при температуре 300-770°C, предварительное анодирование (электрохимического оксидирования) при напряжении 30-90 В, удаление оксидной пленки травлением в растворе HF (2-20 мас. %) или HF (2-3 мас. %) + HNO3 (5-30 мас. %), однофазное или двухфазное анодирование постоянным или импульсным (0,5 Гц) током в 5-20% водном растворе щавелевой кислоты при формирующем напряжении 25-130 В и обжиг в печи для структурирования кристаллов и удаления жидкости из пор поверхности при температуре 300-550°C.Closest to the proposed method is a method of creating a nanostructured bioinert porous surface on titanium implants [RU patent for the invention No. 2469744 / F.M. Abdullaev // Method for creating a nanostructured bioinert porous surface on titanium implants. - 2012], which allows one to obtain a porous nanostructured oxide film 1–10 μm thick, consisting of open nanotubes of titanium oxides with pore sizes of 40–140 nm. The implant surface is sequentially treated by sandblasting, etching in a solution of acids HF (2-3 wt.%) Or HF (2-3 wt.%) + HNO 3 (5-30 wt.%), Or HNO3 + HCl (10 -30 wt.%), Firing-degassing in vacuum at a temperature of 300-770 ° C, preliminary anodization (electrochemical oxidation) at a voltage of 30-90 V, removal of the oxide film by etching in a solution of HF (2-20 wt.%) Or HF (2-3 wt.%) + HNO 3 (5-30 wt.%), Single-phase or biphasic anodization by constant or pulsed (0.5 Hz) current in a 5-20% aqueous solution of oxalic acid when forming m voltage of 25-130 V and firing in an oven for structuring crystals and removing liquid from surface pores at a temperature of 300-550 ° C.

Основным недостатком способа являются длительность процесса, обусловленная необходимостью проведения вакуумного обжига-дегазации, предварительного электрохимического оксидирования и удаления оксидной пленкой травлением, а также обжига в печи для структурирования кристаллов и удаления жидкости из пор поверхности.The main disadvantage of this method is the duration of the process, due to the need for vacuum firing-degassing, preliminary electrochemical oxidation and removal of the oxide film by etching, as well as firing in an oven for structuring crystals and removing liquid from surface pores.

Задачей изобретения является создание технологически простого и высокопроизводительного и ресурсосберегающего способа формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах.The objective of the invention is to provide a technologically simple and high-performance and resource-saving method of forming a nanostructured bioinert coating on titanium implants.

Поставленная задача решается тем, что в способе формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах, включающем воздушно-абразивную обработку, травление в растворе кислот и газотермическое оксидирование, после воздушно-абразивной обработки и травления проводят процесс оксидирования путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере до температуры 800-900°C при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и потребляемой удельной электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг, затем выдерживают в течение 0,5-2 минут и охлаждают на воздухе. Заявляется также изобретение, в котором наряду с вышеописанными признаками воздушно-абразивную обработку проводят порошком электрокорунда дисперсностью 100-200 мкм при давлении воздушной среды 0,2-0,3 МПа.The problem is solved in that in the method of forming a nanostructured bioinert coating on titanium implants, including air-abrasive treatment, etching in an acid solution and gas-thermal oxidation, after air-abrasive processing and etching, the oxidation process is carried out by induction heating in an air atmosphere to a temperature of 800- 900 ° C at a current frequency at the inductor of 90 ± 10 kHz and a consumed specific electric power of 0.2-0.4 W / kg, then it is held for 0.5-2 minutes and cooled to zduhe. The invention is also claimed in which, along with the above-described features, air-abrasive treatment is carried out with an electrocorundum powder with a dispersion of 100-200 μm at an air pressure of 0.2-0.3 MPa.

Кроме того, заявляется также способ, в котором наряду с вышеописанными признаками травление имплантата осуществляют в водном растворе HF (5-8 мас. %) + HNO3 (15-19 мас. %) в течение 0,1-0,2 минут.In addition, a method is also claimed in which, along with the above-described features, the implant is etched in an aqueous solution of HF (5-8 wt.%) + HNO 3 (15-19 wt.%) For 0.1-0.2 minutes.

Техническим результатом является формирование на поверхности титановых имплантатов оксидного покрытия толщиной 3-10 мкм, состоящего из оксидных кристаллов размеров до 70±10 нм, с помощью высокопроизводительного и ресурсосберегающего способа.The technical result is the formation on the surface of titanium implants of an oxide coating with a thickness of 3-10 microns, consisting of oxide crystals of sizes up to 70 ± 10 nm, using a high-performance and resource-saving method.

Изобретение поясняется фигурами, на которых представлены: процесс газотермического оксидирования (Фиг. 1), микро- и наноразмерная морфология поверхности формируемого оксидного покрытия (Фиг. 2а и 2б соответственно), а также морфология структуры поверхности оксидного покрытия (Фиг. 3а и 3б) и образцов технически чистого титана (Фиг. 3в и 3г) после испытаний in vitro в течение 7 суток.The invention is illustrated by the figures, which represent: the process of thermal oxidation (Fig. 1), micro- and nanoscale surface morphology of the formed oxide coating (Fig. 2a and 2b, respectively), as well as the morphology of the surface structure of the oxide coating (Fig. 3a and 3b) and samples of technically pure titanium (Figs. 3c and 3d) after in vitro tests for 7 days.

На Фиг. 1 позициями 1-5 обозначены:In FIG. 1 positions 1-5 are indicated:

1 - имплантат;1 - implant;

2 - керамическая камера оксидирования;2 - ceramic oxidation chamber;

3 - водоохлаждаемый индуктор;3 - water-cooled inductor;

4 - источник питания;4 - power source;

5 - оксидное покрытие.5 - oxide coating.

Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.The proposed method is as follows.

Титановый имплантат подвергают воздушно-абразивной обработке порошком электрокорунда дисперсностью 100-200 мкм при давлении воздушной среды 0,2-0,3 МПа. Затем поверхность очищают от технологических загрязнений и подвергают травлению в водном растворе кислот HF (5-8 мас. %) + HNO3 (15-19 мас. %) в течение 0,1-0,2 минут. После этого имплантат промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе. Имплантат 1 помещают в керамическую камеру оксидирования 2 (повторяющую форму изделия), на внешней поверхности которой размещен водоохлаждаемый индуктор 3, подключенный к источнику питания 4 (Фиг. 1). После чего имплантат 1 подвергается индукционному нагреву при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и удельной потребляемой электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг до температуры 800-900°C, последующей выдержке в течение 0,5-2 минут, последующему охлаждению на воздухе (Фиг. 1). В результате на поверхности изделия образуется оксидное покрытие 5 (Фиг. 1).The titanium implant is subjected to air-abrasive powder treatment with electrocorundum powder with a fineness of 100-200 microns at an air pressure of 0.2-0.3 MPa. Then the surface is cleaned of technological impurities and etched in an aqueous solution of acids HF (5-8 wt.%) + HNO 3 (15-19 wt.%) For 0.1-0.2 minutes. After that, the implant is washed in distilled water and dried in air. The implant 1 is placed in a ceramic oxidation chamber 2 (repeating the shape of the product), on the external surface of which is placed a water-cooled inductor 3 connected to a power source 4 (Fig. 1). After that, the implant 1 is subjected to induction heating at a current frequency of 90 ± 10 kHz at the inductor and a specific electric power consumption of 0.2-0.4 W / kg to a temperature of 800-900 ° C, followed by exposure for 0.5-2 minutes, subsequent cooling in air (Fig. 1). As a result, an oxide coating 5 is formed on the surface of the product (Fig. 1).

Технологические режимы воздушно-абразивной обработки, травления и газотермического оксидирования были определены путем проведения исследований методом растровой электронной микроскопии. Приведенные пределы значений технологических режимов воздушно-абразивной обработки обеспечивают формирование заданного микрорельефа поверхности имплантата.Technological modes of air-abrasive treatment, etching and thermal oxidation were determined by conducting research using scanning electron microscopy. The given limits of the values of technological modes of air-abrasive processing provide the formation of a given microrelief of the implant surface.

Приведенные пределы значений технологических режимов газотермического оксидирования обеспечивают формирование на титане оксидного покрытия толщиной 3-10 мкм, состоящего из оксидных кристаллов размером до 70±10 нм.The given limits of the values of the technological regimes of thermal thermal oxidation provide the formation of titanium oxide coating with a thickness of 3-10 microns, consisting of oxide crystals up to 70 ± 10 nm in size.

При подаче на индуктор тока частотой менее 80 кГц снижается электрический коэффициент полезного действия устройства индукционного нагрева и самого процесса обработки. При подаче на индуктор тока частотой более 100 кГц не происходит улучшения эффективности процесса обработки и наблюдается снижение коэффициента мощности.When a current of less than 80 kHz is supplied to the inductor, the electric efficiency of the induction heating device and the processing process itself decreases. When a current of more than 100 kHz is applied to the inductor, there is no improvement in the efficiency of the processing process and a decrease in the power factor is observed.

Предельные значения потребляемой удельной электрической мощности (0,2-0,4 Вт/кг) обусловлены тем, что при величине удельной электрической мощности менее 0,2 Вт/кг будет затруднен нагрев малогабаритных титановых изделий до заданной температуры из-за потерь на излучение. При величине удельной электрической мощности более 0,4 Вт/кг увеличивается вероятность перегрева титана и, как следствие, появление трещин поверхностного слоя.The limiting values of the consumed specific electric power (0.2-0.4 W / kg) are due to the fact that when the specific electric power is less than 0.2 W / kg, it will be difficult to heat small titanium products to a predetermined temperature due to radiation losses. With a specific electric power of more than 0.4 W / kg, the likelihood of overheating of titanium and, as a result, the appearance of cracks in the surface layer increase.

При значениях температуры нагрева менее 800°C и продолжительности процесса газотермического оксидирования менее 0,5 минут образуется оксидное покрытие, не обладающее наноструктурированной морфологией поверхности. При значениях температуры нагрева более 900°C и продолжительности термообработки более 2 минут на поверхности титана образуются оксидные покрытия, обладающие низкими значениями адгезионно-когезионной прочности.When the heating temperature is less than 800 ° C and the duration of the gas thermal oxidation process is less than 0.5 minutes, an oxide coating is formed that does not have a nanostructured surface morphology. When the heating temperature is more than 900 ° C and the duration of the heat treatment is more than 2 minutes, oxide coatings are formed on the titanium surface, which have low values of adhesive-cohesive strength.

Примеры выполнения способа.Examples of the method.

Пример 1. Стоматологический цилиндрический имплантат с диаметром 3,7 мм и длиной 10 мм, изготовленный из технического титана марки ВТ1-00, подвергают воздушно-абразивной обработке порошком электрокорунда дисперсностью 100-200 мкм при давлении воздушной среды 0,2 МПа. Затем изделие очищают от технологических загрязнений путем ультразвуковой очистки в водном 4-6% растворе поверхностно-активных веществ (например, Сульфонол-П). Промывают в дистиллированной воде с последующей сушкой на воздухе. Затем имплантат подвергают травлению в водном растворе кислот HF (5 мac.%) + HNO3 (1 мас. %) в течение 0,1 минуты и промывают дистиллированной водой с последующей сушкой на воздухе. После чего имплантат размещают в кварцевой камере оксидирования с внутренним диаметром 5 мм и длиной 20 мм. Затем имплантат подвергают индукционному нагреву до температуры 850°C и выдерживают в течение 0,5 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц. После проведения процесса газотермического оксидирования имплантат охлаждают на воздухе до комнатной температуры.Example 1. A dental cylindrical implant with a diameter of 3.7 mm and a length of 10 mm, made of technical titanium grade VT1-00, is subjected to air-abrasive powder treatment of electrocorundum with a dispersion of 100-200 microns at an air pressure of 0.2 MPa. Then the product is cleaned of technological pollution by ultrasonic cleaning in an aqueous 4-6% solution of surface-active substances (for example, Sulfonol-P). Washed in distilled water, followed by drying in air. Then the implant is subjected to etching in an aqueous solution of acids HF (5 wt.%) + HNO 3 (1 wt.%) For 0.1 minutes and washed with distilled water, followed by drying in air. After that, the implant is placed in a quartz oxidation chamber with an inner diameter of 5 mm and a length of 20 mm. Then the implant is subjected to induction heating to a temperature of 850 ° C and incubated for 0.5 minutes at a current frequency at the inductor of 90 ± 10 kHz. After the process of gas thermal oxidation, the implant is cooled in air to room temperature.

Пример 2. Стержневой фиксатор для наружного чрезкостного остеосинтеза диаметром 4 мм и длиной 50 мм, изготовленный из технического титана марки ВТ6, подвергают воздушно-абразивной обработке порошком электрокорунда дисперсностью 100-200 мкм при давлении воздушной среды 0,3 МПа в течение 2 минут. Поверхность фиксатора очищают от технологический загрязнений путем ультразвуковой очистки в водном 4-6% растворе поверхностно-активных веществ (например, Сульфонол-П) и промывают дистиллированной водой с последующей сушкой на воздухе. Затем имплантат подвергают травлению в водном растворе кислот HF (8 мас. %) + HNO3 (16 мас. %) в течение 0,2 минут, промывают дистиллированной водой и сушат на воздухе. После чего имплантат размещают в кварцевой камере оксидирования с внутренним диаметром 6 мм и длиной 60 мм. Имплантат подвергают индукционному нагреву до температуры 900°C и выдерживают в течение 1 минуты при частоте тока на индукторе 90±10 кГц. После проведения процесса газотермического оксидирования имплантата охлаждают на воздухе до комнатной температуры.Example 2. A rod clamp for external transosseous osteosynthesis with a diameter of 4 mm and a length of 50 mm, made of technical grade VT6 titanium, is subjected to air-abrasive powder treatment with electrocorundum powder with a dispersion of 100-200 microns at an air pressure of 0.3 MPa for 2 minutes. The surface of the fixative is cleaned of technological contaminants by ultrasonic cleaning in an aqueous 4-6% solution of surfactants (for example, Sulfonol-P) and washed with distilled water, followed by drying in air. Then the implant is subjected to etching in an aqueous solution of acids HF (8 wt.%) + HNO 3 (16 wt.%) For 0.2 minutes, washed with distilled water and dried in air. After that, the implant is placed in a quartz oxidation chamber with an inner diameter of 6 mm and a length of 60 mm. The implant is subjected to induction heating to a temperature of 900 ° C and incubated for 1 minute at a current frequency at the inductor of 90 ± 10 kHz. After the process of gas thermal oxidation of the implant is cooled in air to room temperature.

Для подтверждения формирования на поверхности титановых имплантатов наноструктурированных биоинертных покрытий в результате обработки, описанной в предложенном способе, были проведены исследования морфологии и проверка биосовместимости.To confirm the formation of nanostructured bioinert coatings on the surface of titanium implants as a result of the treatment described in the proposed method, morphology studies and biocompatibility tests were carried out.

Исследовались образцы из титанового сплава ВТ6 с оксидными покрытиями, сформированными по способу, описанному в примере 2. Структурное состояние покрытий изучалось методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе «MIRA II LMU». Проверка биосовместимости образцов с покрытиями проводилась в условиях in vitro. В качестве контрольных образцов использовались пластинки из технического титана марки ВТ1-00, подвергнутые воздушно-абразивной обработке. Для исследования были использованы дермальные фибробласты человека, выделенные методом миграции из фрагментов нормальной кожи. Продолжительность культивирования составила 7 суток, что считается достаточным для протекания стадий адгезии и начала пролиферации. Далее образцы покрытий с клетками подвергались фиксирующей обработке формальдегидом и последующему изучению с применением РЭМ.We studied samples of VT6 titanium alloy with oxide coatings formed by the method described in Example 2. The structural state of the coatings was studied by scanning electron microscopy (SEM) using an MIRA II LMU electron microscope. The biocompatibility of the coated samples was tested in vitro. As control samples, we used VT1-00 grade titanium plates subjected to air-abrasive treatment. For the study, human dermal fibroblasts isolated by migration from normal skin fragments were used. The cultivation duration was 7 days, which is considered sufficient for the stages of adhesion and the beginning of proliferation. Further, coatings with cells were subjected to fixative treatment with formaldehyde and subsequent study using SEM.

Результаты растровой электронной микроскопии показали, что микроструктура поверхности представляет собой рельеф исходной металлической основы после воздушно-абразивной обработки, травления и оксидирования. Исследование в нанометровом масштабе выявило структуру поверхности оксидного покрытия, представленную округлыми зернами и порами, с линейными размерами до 70±10 нм (Фиг. 2).The results of scanning electron microscopy showed that the surface microstructure is a relief of the initial metal base after air-abrasive treatment, etching and oxidation. The nanoscale study revealed the surface structure of the oxide coating, represented by rounded grains and pores, with linear dimensions up to 70 ± 10 nm (Fig. 2).

Проверка биосовместимости in vitro оксидных покрытий, сформированных по предложенному способу, показала, что клетки фибробластов более стабильно закрепляются на поверхности покрытия (Фиг. 3а, б) чем на поверхности контрольных образцов из технического титана (Фиг. 3в, г), что свидетельствует о высоком уровне биосовместимости оксидных покрытий, полученных по предложенному способу.Verification of in vitro biocompatibility of oxide coatings formed by the proposed method showed that fibroblast cells are more stably attached to the coating surface (Fig. 3a, b) than on the surface of control samples made of technical titanium (Fig. 3c, d), which indicates a high the level of biocompatibility of oxide coatings obtained by the proposed method.

Из полученных результатов следует, что предложенный способ позволяет формировать наноструктурированные биоинертные покрытия на титановых имплантатах.From the results it follows that the proposed method allows the formation of nanostructured bioinert coatings on titanium implants.

Claims (3)

1. Способ формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах, включающий воздушно-абразивную обработку, травление в растворе кислот и газотермическое оксидирование, отличающийся тем, что после воздушно-абразивной обработки и травления процесс газотермического оксидирования проводят путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере до температуры 800-900°C при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и потребляемой удельной электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг, а затем выдерживают в течение 0,5-2 минут и охлаждают на воздухе.1. A method of forming a nanostructured bioinert coating on titanium implants, including air-abrasive treatment, etching in an acid solution and gas-thermal oxidation, characterized in that after air-abrasive processing and etching, the gas-thermal oxidation is carried out by induction heating in an air atmosphere to a temperature of 800- 900 ° C at a current frequency at the inductor of 90 ± 10 kHz and a consumed specific electric power of 0.2-0.4 W / kg, and then kept for 0.5-2 minutes and cooled down in the air. 2. Способ формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах по п. 1, отличающийся тем, что воздушно-абразивную обработку проводят порошком электрокорунда дисперсностью 100-200 мкм при давлении воздушной среды 0,2-0,3 МПа.2. The method of forming a nanostructured bioinert coating on titanium implants according to claim 1, characterized in that the air-abrasive treatment is carried out with electrocorundum powder with a dispersion of 100-200 microns at an air pressure of 0.2-0.3 MPa. 3. Способ формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах по п. 1, отличающийся тем, что травление имплантата осуществляют в водном растворе HF (5-8 мас.%) + HNO3 (15-19 мас.%) в течение 0,1-0,2 минут. 3. The method of forming a nanostructured bioinert coating on titanium implants according to claim 1, characterized in that the implant is etched in an aqueous solution of HF (5-8 wt.%) + HNO 3 (15-19 wt.%) For 0.1 -0.2 minutes.
RU2015142860/02A 2015-10-08 2015-10-08 Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants RU2604085C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142860/02A RU2604085C1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2015142860/02A RU2604085C1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2604085C1 true RU2604085C1 (en) 2016-12-10

Family

ID=57776791

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015142860/02A RU2604085C1 (en) 2015-10-08 2015-10-08 Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2604085C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU178742U1 (en) * 2017-06-05 2018-04-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Device for induction-thermal oxidation of acetabular components of endoprostheses
RU2781873C1 (en) * 2022-05-05 2022-10-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method for forming metal oxide porous coatings on titanium products

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2322267C1 (en) * 2006-12-27 2008-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) Method for producing biocompatible coatings with titanium and its alloys on implants
CN101518467A (en) * 2009-03-06 2009-09-02 中南大学 Medicinal porous titanium implant and method for preparing same
RU2469744C1 (en) * 2011-06-30 2012-12-20 Фикрет Мавлудинович Абдуллаев Method of creating nanostructured bioinert porous surface on titanium implants
WO2013119772A1 (en) * 2012-02-07 2013-08-15 The Regents Of The University Of California Products of manufacture having tantalum coated nanostructures, and methods of making and using them
US8920869B2 (en) * 2004-04-26 2014-12-30 Korea Institute Of Machinery And Materials Osseoinductive metal implants for a living body and producing method thereof

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8920869B2 (en) * 2004-04-26 2014-12-30 Korea Institute Of Machinery And Materials Osseoinductive metal implants for a living body and producing method thereof
RU2322267C1 (en) * 2006-12-27 2008-04-20 Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования Саратовский государственный технический университет (СГТУ) Method for producing biocompatible coatings with titanium and its alloys on implants
CN101518467A (en) * 2009-03-06 2009-09-02 中南大学 Medicinal porous titanium implant and method for preparing same
RU2469744C1 (en) * 2011-06-30 2012-12-20 Фикрет Мавлудинович Абдуллаев Method of creating nanostructured bioinert porous surface on titanium implants
WO2013119772A1 (en) * 2012-02-07 2013-08-15 The Regents Of The University Of California Products of manufacture having tantalum coated nanostructures, and methods of making and using them

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU178742U1 (en) * 2017-06-05 2018-04-18 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Device for induction-thermal oxidation of acetabular components of endoprostheses
RU2781873C1 (en) * 2022-05-05 2022-10-19 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) Method for forming metal oxide porous coatings on titanium products

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Jeong et al. Morphology of hydroxyapatite nanoparticles in coatings on nanotube-formed Ti–Nb–Zr alloys for dental implants
Louarn et al. Nanostructured surface coatings for titanium alloy implants
He et al. Effect of hydrothermal treatment temperature on the hydroxyapatite coatings deposited by electrochemical method
Chen et al. Surface characteristics and in vitro biocompatibility of titanium anodized in a phosphoric acid solution at different voltages
CN102677121A (en) Preparation of multi-stage pore structure layer on surface of medical titanium by using one-step anodic oxidation method
Marin et al. Effect of etching on the composition and structure of anodic spark deposition films on titanium
CN101575726A (en) Method for preparing bioactive gradient film of fluor-hydroxyapatite
Song et al. Fabrication of hydroxyapatite and TiO2 nanorods on microarc-oxidized titanium surface using hydrothermal treatment
KR20150131863A (en) implant forming hydroxyapatite coating layer using RF magnetron sputtering and manufacturing method thereof
JP2010215438A (en) Titanium oxide film and method for forming the same
Jain et al. Surface characterization, shear strength, and bioactivity of anodized titanium prepared in mixed-acid electrolytes
RU2604085C1 (en) Method of formation of nanostructured biologically inert coating on titanium implants
Zhang et al. Fabrication of micro/nano-textured titanium alloy implant surface and its influence on hydroxyapatite coatings
RU2650221C1 (en) Method for formation nanostructured oxide coating on technical titanium
KR20100003493A (en) Titanium dioxide ceramics for implant and fabricating method thereof
RU2620428C1 (en) Method of obtaining coating on implants from titanium and its alloys
Pedeferri Titanium anodic oxidation: a powerful technique for tailoring surfaces properties for biomedical applications
CN111363995B (en) Preparation method of medical metal bone implant material
CN111467577B (en) Medical metal bone implant material
Liang et al. Preparation of porous microstructures on NiTi alloy surface with femtosecond laser pulses
Russu et al. Electrochemical synthesis of nanostructured oxide layers on threaded surfaces of medical implants
Chuan et al. Effect of applied voltage on surface properties of anodised titanium in mixture of β-glycerophosphate (β-GP) and calcium acetate (CA)
Song et al. Fabrication of BaTiO3 films on titanium by microarc oxidation method and improvement of bioactivity by electric poling treatment
Oikawa et al. Effect of surface modification of Ti-6Al-4V alloy by electron cyclotron resonance plasma oxidation
RU2580627C1 (en) Method for producing bioactive coating with antibacterial effect

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20201009