RU2623944C1 - Method of obtaining composite porous bioactive coating - Google Patents
Method of obtaining composite porous bioactive coating Download PDFInfo
- Publication number
- RU2623944C1 RU2623944C1 RU2016103965A RU2016103965A RU2623944C1 RU 2623944 C1 RU2623944 C1 RU 2623944C1 RU 2016103965 A RU2016103965 A RU 2016103965A RU 2016103965 A RU2016103965 A RU 2016103965A RU 2623944 C1 RU2623944 C1 RU 2623944C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- stage
- coating
- layer
- substrate
- spraying
- Prior art date
Links
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING 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
- C23C—COATING 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
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/12—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the method of spraying
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Description
Изобретение относится к области металлургии, а более конкретно к формированию пористых покрытий на поверхности, и может быть использовано для формирования покрытий на внутрикостных имплантатах, фильтрующих покрытиях, носителях катализаторов.The invention relates to the field of metallurgy, and more particularly to the formation of porous coatings on the surface, and can be used to form coatings on intraosseous implants, filter coatings, catalyst supports.
Известен способ напыления пористых покрытий в четыре стадии [Internationale WO 86|06617. 20 November 1986 (20.11.86). Coating of an Implant Body]. На первой стадии напыляют плотное металлическое титановое покрытие на подложку. На второй стадии напыляют пористое металлическое титановое покрытие за счет увеличения размера напыляемых частиц и уменьшения мощности плазмотрона. На третьей стадии напыляют смесь металлического и керамического биоактивного порошка гидроксиапатита для формирования переходного слоя. На четвертой стадии напыляют керамический биоактивный слой гидроксиапатита.A known method of spraying porous coatings in four stages [Internationale WO 86 | 06617. November 20, 1986 (11/20/86). Coating of an Implant Body]. In the first stage, a dense metal titanium coating is sprayed onto the substrate. In the second stage, a porous metal titanium coating is sprayed by increasing the size of the sprayed particles and reducing the power of the plasma torch. In the third stage, a mixture of metal and ceramic bioactive hydroxyapatite powder is sprayed to form a transition layer. In the fourth stage, a ceramic bioactive layer of hydroxyapatite is sprayed.
Покрытие, сформированное по данному способу, имеет следующие недостатки. Точечные контакты между сферическими частицами пористого титанового слоя, напыленного на второй стадии, определяют низкую прочность покрытия в целом. Размер пор ограничен, а сами поры имеют неблагоприятную форму: то расширяются, то сужаются. Это неблагоприятно для врастания и функционирования новой костной ткани. При напылении четвертого керамического слоя существенно уменьшается величина пористости и размер пор покрытия, напыленного на второй стадии. Эти недостатки существенно уменьшают эффективность использования таких покрытий на поверхности имплантатов. В результате покрытие разрушается в организме человека. Поэтому в ряде стран такие покрытия используются только с дополнительным цементом, несколько повышающим прочность покрытий, но полностью закрывающим поры.The coating formed by this method has the following disadvantages. The point contacts between the spherical particles of the porous titanium layer sprayed in the second stage determine the low strength of the coating as a whole. The pore size is limited, and the pores themselves have an unfavorable shape: they expand, then narrow. This is unfavorable for the ingrowth and functioning of new bone tissue. When spraying the fourth ceramic layer, the porosity and pore size of the coating deposited in the second stage are significantly reduced. These disadvantages significantly reduce the effectiveness of the use of such coatings on the surface of the implants. As a result, the coating is destroyed in the human body. Therefore, in a number of countries, such coatings are used only with additional cement, which slightly increases the strength of the coatings, but completely covers the pores.
Известен способ формирования композиционного покрытия, в котором первый плотный слой на подложку напыляют под углом соударения частиц с подложкой более 45° [Патент РФ "Способ получения покрытий" №2146302, 7 С23С 4/12, 10.03.2000, Бюл. №7]. Второй слой покрытия напыляют под углом к подложке меньше 45°. При напылении покрытия по данному способу формируется пористое покрытие в виде гребней и впадин, образуя трехмерное капиллярно-пористое покрытие. Основной объем пористого пространства расположен в таких покрытиях во впадинах. Отсутствие биоактивного слоя на поверхности покрытия увеличивает сроки врастания новой костной ткани в пористое пространство титанового покрытия.A known method of forming a composite coating, in which the first dense layer is sprayed onto the substrate at an angle of impact of particles with the substrate of more than 45 ° [RF Patent "Method for producing coatings" No. 2146302, 7 C23C 4/12, 03/10/2000, Bull. No. 7]. The second coating layer is sprayed at an angle to the substrate of less than 45 °. When spraying the coating according to this method, a porous coating is formed in the form of ridges and depressions, forming a three-dimensional capillary-porous coating. The main volume of the porous space is located in such coatings in depressions. The absence of a bioactive layer on the surface of the coating increases the growth time of new bone tissue into the porous space of the titanium coating.
Наиболее близким является способ получения композиционного пористого покрытия [патент РФ "Способ получения покрытий" №2423545, С23С 4/12, С23С 4/04. Дата публикации: 10.04.2012], включающий напыление слоя металлического материала под углом к подложке более 45° на первой стадии и напыление слоя из того же металлического материала под углом менее 45° - на второй стадии, отличающийся тем, что на дополнительной третьей стадии осуществляют напыление биоактивного керамического слоя под углом 90°, при этом напыление слоев осуществляют при температуре на 100-1000°C выше температуры плавления напыляемого материала и со скоростью напыляемых частиц 100-700 м/с.The closest is a method of obtaining a composite porous coating [RF patent "Method for producing coatings" No. 2423545, C23C 4/12, C23C 4/04. Date of publication: 10.04.2012], including spraying a layer of metal material at an angle to the substrate of more than 45 ° in the first stage and spraying a layer of the same metal material at an angle of less than 45 ° in the second stage, characterized in that in the additional third stage sputtering of the bioactive ceramic layer at an angle of 90 °, while the sputtering of the layers is carried out at a temperature of 100-1000 ° C above the melting temperature of the sprayed material and with a speed of sprayed particles of 100-700 m / s.
При напылении керамического слоя по способу, описанному в прототипе, под углом 90° к положке, напыляемые частицы керамического порошка соударяются с поверхностью гребней второго слоя под углом менее 45°, что приводит к формированию пористости в керамическом слое и снижению его механических свойств, и к снижению прочности соединения композиционного покрытия с костной тканью. Для применений биоактивных композиционных покрытий необходимо кроме высоких значений пористости до 60% иметь высокие значения прочности этих покрытий.When spraying the ceramic layer according to the method described in the prototype, at an angle of 90 ° to the position, the sprayed particles of ceramic powder collide with the surface of the crests of the second layer at an angle of less than 45 °, which leads to the formation of porosity in the ceramic layer and a decrease in its mechanical properties, and reduce the strength of the connection of the composite coating with bone tissue. For applications of bioactive composite coatings, in addition to high porosity values up to 60%, it is necessary to have high strength values of these coatings.
Этот третий способ напыления пористого покрытия приняли в качестве прототипа.This third method of spraying a porous coating was adopted as a prototype.
Задачей изобретения является: способ повышения механических свойств всех слоев композиционного покрытия, в том числе биоактивного керамического покрытия при максимальной плотности керамического покрытия.The objective of the invention is: a method of increasing the mechanical properties of all layers of a composite coating, including bioactive ceramic coating at maximum density of the ceramic coating.
Техническим результатом изобретения является повышение сдвиговой прочности композиционного покрытия в целом при сохранении его пористости покрытия 10-60% и размера пор 10-600 мкм.The technical result of the invention is to increase the shear strength of the composite coating as a whole while maintaining its coating porosity of 10-60% and a pore size of 10-600 microns.
Технический результат достигается тем, что способ получения композиционного пористого биоактивного покрытия, включающий напыление на первой стадии под углом к подложке более 45° и на второй стадии под углом к подложке менее 45° и напыление керамического покрытия на третьей стадии, согласно изобретению напыление керамического слоя покрытия на третьей стадии ведут под углами 45-90° к поверхности слоя металлического покрытия, сформированного на второй стадии, с нагревом подложки на всех стадиях напыления до 200-900°C.The technical result is achieved in that a method for producing a composite porous bioactive coating, comprising spraying in the first stage at an angle to the substrate of more than 45 ° and in the second stage at an angle to the substrate of less than 45 ° and spraying the ceramic coating in the third stage, according to the invention, spraying the ceramic coating layer in the third stage, they are led at angles of 45-90 ° to the surface of the metal coating layer formed in the second stage, with the substrate being heated at all stages of spraying to 200-900 ° C.
Получаемый технический результат можно объяснить тем, что подогрев подложки до 200-900°C позволяет повысить прочность всех трех слоев покрытия, а получение прочного керамического слоя на третей стадии объясняется дополнительным фактором, напылением плотного керамического покрытия под углами 45-90° к поверхности слоя металлического покрытия.The technical result obtained can be explained by the fact that heating the substrate to 200–900 ° C makes it possible to increase the strength of all three coating layers, and obtaining a strong ceramic layer in the third stage is explained by an additional factor, the deposition of a dense ceramic coating at angles of 45–90 ° to the surface of the metal layer coverings.
В предлагаемом способе на первой стадии процесса напыляют плотный металлический слой под углом более 45°, на второй стадии процесса под углом к подложке менее 45° напыляют пористое покрытие в виде гребней и впадин. Пористость второго слоя покрытия определяет пористость покрытия в целом. На третьей стадии процесса напыляют керамическое покрытие под углом 45-90° к поверхности гребней (второй слой покрытия). Напыление керамического покрытия на третьей стадии преследует цель сформировать покрытие на всей свободной поверхности гребней, сформированных на второй стадии напыления. Напыление слоя керамического покрытия под углом 45-90° к поверхности гребней позволяет получить на поверхности гребней плотное и прочное керамическое покрытие без существенных уменьшений пористости второго слоя, полученного на второй стадии.In the proposed method, in the first stage of the process, a dense metal layer is sprayed at an angle of more than 45 °, in the second stage of the process, a porous coating in the form of ridges and depressions is sprayed at an angle to the substrate of less than 45 °. The porosity of the second coating layer determines the porosity of the coating as a whole. In the third stage of the process, a ceramic coating is sprayed at an angle of 45-90 ° to the surface of the ridges (second coating layer). The spraying of the ceramic coating in the third stage aims to form a coating on the entire free surface of the ridges formed in the second spraying stage. Spraying the ceramic coating layer at an angle of 45-90 ° to the surface of the ridges makes it possible to obtain a dense and durable ceramic coating on the surface of the ridges without significantly reducing the porosity of the second layer obtained in the second stage.
Пример 1Example 1
При напылении композиционного покрытия по предлагаемому способу сформировали покрытие в три стадии при подогреве подложки 200°C. На первой стадии напылили титановый слой из титановой проволоки толщиной 100 мкм. Напыление вели под углом 70-90° к подложке. На второй стадии напыление вели из титановой проволоки под углом 30°, толщина покрытия 600 мкм. На третьей стадии напыление вели под углами 45-90° к поверхности гребней из порошка гидроксиапатита с размером частиц 25-40 мкм, толщина покрытия гидроксиапатита 90 мкм. Среднее значение сдвиговой прочности композиционного покрытия 120 МПа, пористость покрытия 55%, средний размер пор 600 мкм.When spraying a composite coating according to the proposed method, a coating was formed in three stages by heating the substrate 200 ° C. In the first stage, a titanium layer of titanium wire 100 μm thick was sprayed. Spraying was carried out at an angle of 70-90 ° to the substrate. In the second stage, the deposition was carried out from titanium wire at an angle of 30 °, the coating thickness was 600 μm. In the third stage, the deposition was carried out at angles of 45-90 ° to the surface of the ridges of hydroxyapatite powder with a particle size of 25-40 microns, the coating thickness of hydroxyapatite was 90 microns. The average shear strength of the composite coating is 120 MPa, the coating porosity is 55%, and the average pore size is 600 μm.
Пример 2Example 2
При напылении композиционного покрытия по предлагаемому способу сформировали покрытие в три стадии при подогреве подложки 400°C. На первой стадии напылили танталовый слой из танталовой проволоки толщиной 50 мкм. Напыление вели под углом 90° к подложке. На второй стадии напыление вели из танталовой проволоки под углом 35°, толщина покрытия 600 мкм. На третьей стадии напыление вели под углами 50-80° к поверхности гребней из порошка гидроксиапатита с размером частиц 40-63 мкм, толщина покрытия гидроксиапатита 100 мкм. Среднее значение сдвиговой прочности композиционного покрытия 130 МПа, пористость покрытия 46%, средний размер пор 450 мкм.When spraying a composite coating according to the proposed method, the coating was formed in three stages by heating the substrate 400 ° C. In the first stage, a tantalum layer of 50 μm thick tantalum wire was sprayed. Spraying was carried out at an angle of 90 ° to the substrate. In the second stage, the deposition was carried out from tantalum wire at an angle of 35 °, the coating thickness was 600 μm. In the third stage, the deposition was carried out at angles of 50-80 ° to the surface of the ridges of hydroxyapatite powder with a particle size of 40-63 μm, the coating thickness of hydroxyapatite was 100 μm. The average shear strength of the composite coating is 130 MPa, the coating porosity is 46%, and the average pore size is 450 μm.
Пример 3Example 3
При напылении композиционного покрытия по предлагаемому способу сформировали покрытие в три стадии при подогреве подложки 900°C. На первой стадии напылили титановый слой из порошка с размером частиц 30-71 мкм толщиной 50 мкм. Напыление вели под углом 90° к подложке. На второй стадии напыление вели из титанового порошка с размером частиц 30-71 мкм под углом 25°, толщина покрытия 500 мкм. На третьей стадии напыление вели под углом под углами 50-80° к поверхности гребней из порошка гидроксиапатита с размером частиц 25-32 мкм, толщина покрытия гидроксиапатита 30 мкм. Сдвиговая прочность покрытия 125 МПа, пористость покрытия 60%, средний размер пор 500 мкм.When spraying a composite coating according to the proposed method, a coating was formed in three stages by heating the substrate at 900 ° C. At the first stage, a titanium layer was sprayed from a powder with a particle size of 30-71 μm and a thickness of 50 μm. Spraying was carried out at an angle of 90 ° to the substrate. In the second stage, the deposition was carried out from titanium powder with a particle size of 30-71 μm at an angle of 25 °, the coating thickness was 500 μm. In the third stage, the deposition was carried out at an angle at angles of 50-80 ° to the surface of the ridges made of hydroxyapatite powder with a particle size of 25-32 μm, the coating thickness of hydroxyapatite was 30 μm. Shear strength of the coating 125 MPa, porosity of the coating 60%, average pore size 500 microns.
Таким образом, поставленная задача решена. В предлагаемом способе напыления композиционного пористого покрытия получен объем пористости покрытия - 30-60%, размер пор - 300-600 мкм. Сдвиговая прочность покрытия выше, чем в прототипе.Thus, the task is solved. In the proposed method of spraying a composite porous coating, the volume of porosity of the coating is obtained - 30-60%, pore size - 300-600 microns. Shear strength of the coating is higher than in the prototype.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016103965A RU2623944C1 (en) | 2016-02-08 | 2016-02-08 | Method of obtaining composite porous bioactive coating |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2016103965A RU2623944C1 (en) | 2016-02-08 | 2016-02-08 | Method of obtaining composite porous bioactive coating |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2623944C1 true RU2623944C1 (en) | 2017-06-29 |
Family
ID=59312705
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2016103965A RU2623944C1 (en) | 2016-02-08 | 2016-02-08 | Method of obtaining composite porous bioactive coating |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2623944C1 (en) |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2146302C1 (en) * | 1997-11-26 | 2000-03-10 | Институт металлургии им.А.А.Байкова РАН | Coat deposition method |
RU2423545C2 (en) * | 2009-07-13 | 2011-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" | Procedure for coating sputtering |
WO2012036718A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Centre Luxembourgeois De Recherches Pour Le Verre Et La Ceramique S.A. (C.R.V.C) | Improved method of co-sputtering alloys and compounds using a dual c-mag cathode arrangement and corresponding apparatus |
EP2947172A1 (en) * | 2013-01-18 | 2015-11-25 | Fujimi Incorporated | Article with metal-oxide-containing film |
-
2016
- 2016-02-08 RU RU2016103965A patent/RU2623944C1/en active
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2146302C1 (en) * | 1997-11-26 | 2000-03-10 | Институт металлургии им.А.А.Байкова РАН | Coat deposition method |
RU2423545C2 (en) * | 2009-07-13 | 2011-07-10 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Белгородский государственный университет" | Procedure for coating sputtering |
WO2012036718A1 (en) * | 2010-09-17 | 2012-03-22 | Centre Luxembourgeois De Recherches Pour Le Verre Et La Ceramique S.A. (C.R.V.C) | Improved method of co-sputtering alloys and compounds using a dual c-mag cathode arrangement and corresponding apparatus |
EP2947172A1 (en) * | 2013-01-18 | 2015-11-25 | Fujimi Incorporated | Article with metal-oxide-containing film |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
WO 99/35306 A2), 15.07.1999. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US8388887B2 (en) | Methods for making textured ceramic implants | |
US8241361B2 (en) | Endoprosthesis component | |
EP0760687B1 (en) | A biomaterial and bone implant for bone repair and replacement | |
US8268383B2 (en) | Medical implant and production thereof | |
KR101144248B1 (en) | Preparation method of hydroxyapatite coating layer using aerosol deposition and hydrothermal treatment, and nanostructured hydroxyapatite coating layer prepared by the method | |
US20120213911A1 (en) | Method for the realization of biologically compatible prosthesis | |
US20130236854A1 (en) | Ceramic oral implants and related apparatus, systems, and methods | |
KR20150131863A (en) | implant forming hydroxyapatite coating layer using RF magnetron sputtering and manufacturing method thereof | |
Qian et al. | Fabrication of Ti/HA composite and functionally graded implant by three-dimensional printing | |
Safi et al. | Effects of long durations of RF–magnetron sputtering deposition of hydroxyapatite on titanium dental implants | |
CN103041449B (en) | Composite bioactivity functional coating | |
RU2623944C1 (en) | Method of obtaining composite porous bioactive coating | |
Chou et al. | Plasma-sprayed zirconia bond coat as an intermediate layer for hydroxyapatite coating on titanium alloy substrate | |
RU2423545C2 (en) | Procedure for coating sputtering | |
KR101095909B1 (en) | Artificial bone capable of inducing natural bone and method for preparation thereof | |
Khor et al. | Thermal spraying of functionally graded coatings for biomedical applications | |
Jongprateep et al. | Effects of solid loadings and silica addition on microstructure and compressive strength of hydroxyapatite specimens fabricated by freeze casting technique | |
RU2541171C1 (en) | Biocompatible porous material and method for preparing it | |
Seo et al. | Fabrication and microstructure of hydroxyapatite coatings on zirconia by room temperature spray process | |
CN103201237B (en) | There is the bulk ceramics body of mixed oxide marginarium and exemplary metallic surfaces, its manufacture method and application | |
AU2016300118B2 (en) | Metallic and/or ceramic components with at least one osseointegrative and osteoinductive surface (multi)layer structure | |
RU2525737C1 (en) | Method of manufacturing intraosseous dental implant | |
CN109338268B (en) | Preparation method of non-phase-decomposition hydroxyapatite coating | |
Jingyu et al. | Experimental study on the osseointegration of foam TiC/Ti composites | |
RU2512714C1 (en) | Method for making endosseous implant with antimicrobial effect |