RU2679604C1 - Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов - Google Patents
Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов Download PDFInfo
- Publication number
- RU2679604C1 RU2679604C1 RU2018137592A RU2018137592A RU2679604C1 RU 2679604 C1 RU2679604 C1 RU 2679604C1 RU 2018137592 A RU2018137592 A RU 2018137592A RU 2018137592 A RU2018137592 A RU 2018137592A RU 2679604 C1 RU2679604 C1 RU 2679604C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- implant
- implants
- torr
- layer
- Prior art date
Links
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 72
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 69
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 68
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 68
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 29
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 13
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims abstract description 42
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims abstract description 28
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 claims abstract description 21
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N argon Substances [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 16
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 claims abstract description 10
- -1 argon ions Chemical class 0.000 claims abstract description 9
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims abstract description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims abstract description 7
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000001020 plasma etching Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 5
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 5
- 239000013060 biological fluid Substances 0.000 abstract description 4
- 230000001413 cellular effect Effects 0.000 abstract description 4
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 abstract description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 34
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 8
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 8
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 5
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 5
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 description 5
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 5
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 5
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 4
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 4
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 4
- 229910000883 Ti6Al4V Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 3
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 3
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 3
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 description 3
- 229910000048 titanium hydride Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000012876 topography Methods 0.000 description 3
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 3
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 2
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000000356 contaminant Substances 0.000 description 2
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000009931 harmful effect Effects 0.000 description 2
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 description 2
- 208000014674 injury Diseases 0.000 description 2
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;fluoride;triphosphate Chemical compound [F-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 2
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000007921 spray Substances 0.000 description 2
- 230000008733 trauma Effects 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N Ethane Chemical compound CC OTMSDBZUPAUEDD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 239000005312 bioglass Substances 0.000 description 1
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 1
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 1
- 210000004369 blood Anatomy 0.000 description 1
- 239000008280 blood Substances 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 230000008468 bone growth Effects 0.000 description 1
- 230000010072 bone remodeling Effects 0.000 description 1
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 239000003599 detergent Substances 0.000 description 1
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 1
- 238000005538 encapsulation Methods 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 230000005660 hydrophilic surface Effects 0.000 description 1
- 230000036512 infertility Effects 0.000 description 1
- 230000002757 inflammatory effect Effects 0.000 description 1
- 230000009878 intermolecular interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005542 laser surface treatment Methods 0.000 description 1
- 229910002109 metal ceramic alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000078 metal ceramic alloy Substances 0.000 description 1
- 229910001092 metal group alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004377 microelectronic Methods 0.000 description 1
- 229910001120 nichrome Inorganic materials 0.000 description 1
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 1
- 210000005009 osteogenic cell Anatomy 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 239000002356 single layer Substances 0.000 description 1
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 1
- 230000000930 thermomechanical effect Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002110 toxicologic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000027 toxicology Toxicity 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
- 229910000391 tricalcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000019731 tricalcium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 229940078499 tricalcium phosphate Drugs 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002023 wood Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/02—Inorganic materials
- A61L27/04—Metals or alloys
- A61L27/06—Titanium or titanium alloys
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
- A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/28—Bones
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61L—METHODS OR APPARATUS FOR STERILISING MATERIALS OR OBJECTS IN GENERAL; DISINFECTION, STERILISATION OR DEODORISATION OF AIR; CHEMICAL ASPECTS OF BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES; MATERIALS FOR BANDAGES, DRESSINGS, ABSORBENT PADS OR SURGICAL ARTICLES
- A61L27/00—Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
- A61L27/28—Materials for coating prostheses
- A61L27/30—Inorganic materials
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Public Health (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Dentistry (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Prostheses (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицины, а именно к медицинской технике, травматологии и стоматологии, и предназначено для создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов. На металлическую титановую основу имплантата наносят биологически инертное покрытие. Причем поверхность имплантата сначала подвергают ионно-плазменному травлению ионами аргона, ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10Торр. Не извлекая имплантат из камеры, при остаточном давлении 1,5⋅10Торр проводят нагрев имплантата в интервале от комнатной до 500°С. В вакуумную камеру напускают чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 ч методом магнетронного распыления при мощности 50-300 Вт проводят осаждение слоя наноструктурированного чистого титана. Импланты охлаждают до комнатной температуры при давлении ниже 1,5⋅10Торр. Использование изобретения обеспечивает получение на имплантатах биосовместимого покрытия из чистого титана, имеющего микрорельефную поверхность и нанорельефную поверхность, а также способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции. 1 з.п. ф-лы, 1 табл., 3 ил.
Description
Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к способу модификации поверхности имплантатов из титана и титановых сплавов для травматолого-ортопедических и стоматологических операций путем создания методом распыления микро- и нанорельефного слоя чистого титана.
Уровень техники
Используемые многообразные методы модификации поверхности титановых имплантатов, например, такие как, пескоструйная обработка поверхности для придания шероховатости, травление в кислотах, лазерная обработка поверхности и др. имеют ограниченные возможности по контролируемому управлению топологией поверхности и особенно непригодны для организации поверхности на наноразмерном уровне. Однако именно имплантаты с нанорельефной топологией могут оказать более эффективное воздействие на остеоинтеграционные процессы и помогут глубже понять процесс ремоделирования костной ткани. В пользу аргументации этого предположения свидетельствует способность повышенного взаимодействия нанорельефной поверхности с такими наноразмерными биологическими субстанциями как фиброзная ткань, коллаген, компоненты поврежденных клеток и крови, что в итоге влияет на интенсивность дифференциации и пролиферации остеогенных клеток (Brett P.M. et al., 2004).
Повышенная адсорбция остеобластов на нанометрическую поверхность может стимулировать рост костной ткани в соответствии с 3D топологией этой поверхности.
К основным характеристикам поверхности имплантатов, ответственных за остеоинтеграционные процессы, относятся не только шероховатость поверхности, но и гидрофильность этой поверхности. Гидрофильная поверхность, обусловленная силами межмолекулярного взаимодействия, способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции (Buser D. et al., 2004; Zhao G. et al., 2005).
Известен способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов, заключающийся в нанесении на металлическую основу из титана, сплава нихрома или нержавеющей стали покрытия из биоактивного апатитового материала [патент Японии JPH0223179, A61C8/00; A61F2/28; A61F2/30; A61L27/00; B32B9/00, опубл. 23.05.1990].
Недостатком покрытия из биоактивного апатитового материала является его низкая механическая прочность, что связано со значительным различием в термомеханических и биомеханических свойствах материала основы имплантата и биоматериала покрытия. Повысить прочность и биосовместимость можно за счет напыления на имплантат многослойного покрытия, предложенного в патенте РФ №2025132. На имплантат, выполненного из металлического или металл-керамического сплава в виде штифта, наносится трехслойное покрытие, при этом первый слой содержит биостекло на основе фосфата кальция с добавлением оксидов металлов, второй слой - смесь фосфата кальция и гидроксиапатита, и промежуточный слой содержит фосфат кальция [патент РФ №2025132, МПК A61F2/28, опубл. 30.12.1994].
Однако использование многокомпонентной системы покрытий (CaP-стекло, гидроксиапатит кальция, трикальцийфосфат и добавки оксидов металлов) с различными коэффициентами термического расширения не способствуют прочному закреплению слоев покрытия (особенно первого слоя) с металлической основной имплантата. Необходимого сочетания механической прочности и биологической активности покрытия, а также получения наружного слоя с определенной пористой структурой и морфологией поверхности достигают применяя многослойную технологию плазменного нанесения покрытий, состоящих из одного или двух компонентов, а именно из титана или гидрида титана, гидроксиапатита кальция и их смеси [патент РФ №2074674, МПК A61F2/28, опубл. 10.03.1997].
Данный способ является наиболее близким к предлагаемому и состоит в следующем. На отдробеструенную поверхность титановой основы имплантата плазменным напылением при различных режимах наносят систему покрытий, состоящую из четырех слоев: первых двух - из порошков титана или гидрида титана различной дисперсности, промежуточного слоя из смеси титана или гидрида титана с гидроксиапатитом кальция и наружного слоя из гидроксиапатита. Однако увеличения прочности сцепления покрытий (адгезии) не наблюдается при переходе от промежуточного слоя к наружному биоактивному.
Заявленный способ позволяет в едином технологическом процессе, без нарушения стерильности процесса формирования титанового покрытия, создавать методом магнетронного распыления, путем выбора соответствующих технологических условий, сначала покрытие с микро-, а затем поверх нее - покрытие с наноразмерной шероховатостью для обеспечения хорошей гидрофильности.
Имплантаты для стоматологии в настоящее время производят из технически чистого титана (Grade 1-4 ASTM, ISO) или ВТ 1-0 по ГОСТ, предел прочности которого составляет 300-550 МПа. По механическим свойствам он уступает сплавам титана марки Ti6Al4V (ВТ6), предел прочности которого - 850-1000 МПа.
Сплав Ti6Al4V (ВТ6) также используется для производства имплантатов и костных шурупов, но не может считаться оптимальным, так как увеличение прочности в сплаве достигается за счет введения в его состав алюминия и ванадия. Установлено, что добавки алюминия снижают коррозионную стойкость титана в активном и пассивном состояниях.
Предлагаемое изобретение делает возможным использование имплантатов не только из технически чистого титана (Grade 1-4 ASTM, ISO) или ВТ 1-0, но и других механически более прочных марок титана, несмотря на наличие в них примесей токсичных металлов.
Используемые в медицине свойства чистого титана - биоинертность, способность к интеграции в костной ткани без воспалительной инкапсуляции, присущи титану благодаря образующейся на его поверхности пленке оксида титана.
Раскрытие изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является получение на поверхности имплантатов изготовленных из титана и сплавов титана, как микро- , так и нанорельефных покрытий из особо чистого титана (99,999) с 3D нанопористой топологией.
Задачей предлагаемого изобретения является также получение на поверхности имплантатов изготовленных из титана и сплавов титана покрытий из особо чистого титана (99,999), состоящих из двух слоев – нижнего микрошероховатого слоя и верхнего слоя с наноразмерной шероховатостью.
Поставленная задача решается следующей совокупностью существенных признаков.
Для создания покрытий из особо чистого титана поверхность имплантата после механической обработки и мокрой химической очистки подвергается ионно-плазменной обработке ионами аргона ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10-4 Торр для очистки поверхности до атомарного уровня путем удаления окисного слоя и других возможных загрязнений в целью обеспечения идеальной адгезии, после чего проводят нагрев имплантата до температуры в интервале от комнатной до 500°С при которой методом DC (Direct Current – постоянный ток) магнетронного распыления из титановой мишени с чистотой 99,999 в среде чистого аргона 99,999 при остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов проводится осаждение на поверхность имплантата слоя наноструктурированного титана, топология и степень шероховатости которой от микроразмерного до наноразмерного, задается мощностью магнетронного распыления, соответственно, в пределах от 50 Вт до 300 Вт и температурой имплантата.
Последовательность существенных признаков - мокрая химическая очистка, обработка ускоренными ионами аргона для получения атомарно чистой поверхности имплантата и обеспечения идеальной адгезии титанового имплантата с титановым покрытием, нагрев имплантата в интервале от комнатной температуры до 500°С, вращение имплантата для обеспечения равномерного покрытия имплантата распыляемым слоем, осаждение методом магнетронного распыления на поверхность имплантата слоя особо чистого титана при заданных технологических условиях, определяющих топологию и степень шероховатости, охлаждение имплантата до комнатной температуры в вакууме не хуже (2-5)⋅10-6 Торр.
Техническим результатом данного изобретения является получение в едином технологическом процессе (т.е. без извлечения имплантата из камеры) биосовместимого (биоинертного) или однослойного или двухслойного покрытий из чистого титана на имплантатах из титана и сплавов титана имеющих как микро-, так и нанорельефную поверхность, нанесенную на микрорельефную поверхность, что повышает гидрофильность этой поверхности и способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами, что имеет особенно важное значение на ранних стадиях остеоинтеграции.
Техническим результатом данного изобретения является также создание имплантатов из высокопрочных сплавов титана, покрытых интегрированным на атомарном уровне слоем чистого титана, который «капсулирует» токсичные для организма примеси, содержащиеся в имплантате, и увеличивает возможности дентальной имплантологии и травматологии за счет применения более прочных имплантатов и костных шурупов.
Указанный технический результат достигается тем, что способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов заключается в нанесении на металлическую титановую основу имплантата биологически инертного покрытия, причем согласно изобретения, механически обработанную поверхность имплантата для получения атомарно-чистой поверхности сначала подвергают ионно-плазменному травлению ионами аргона, ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10-4 Торр, затем, не извлекая имплантат из камеры, при остаточном давлении 1,5⋅10-6 Торр проводят нагрев имплантата в интервале от комнатной температуры до 500°С, после этого в вакуумную камеру напускают чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов методом магнетронного распыления при мощности 50 Вт - 300 Вт проводят осаждение слоя наноструктурированного титана, по завершении которого импланты охлаждают до комнатной температуры при давлении ниже 1,5⋅10-6 Торр.
Для увеличения гидрофильности поверхности и улучшения остеоинтеграции, на поверхности имплантата методом магнетронного распыления сначала осаждают слой чистого (99,999%) титана с микрорельефной шероховатостью поверхности при мощности магнетронного распыления более 200 Вт, а затем, не извлекая имплантат из камеры, при меньшей мощности распыления на этот слой осаждают второй слой с нанорельефной шероховатостью.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 приведены изображения, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа (СЭМ), морфологии поверхности титановых покрытий, полученные при разных мощностях магнетрона - W, a) W = 200 Вт, б) W = 300 Вт.
На фиг. 2 приведены результаты, полученные методом атомно-силовой микроскопии (АСМ), измерений титановых покрытий, полученных при мощности магнетронного распыления W = 200 Вт; а) и б) соответственно, 2D и 3D изображения морфологии поверхности, в) профиль рельефа поверхности, г) распределение зерен по размерам.
На фиг. 3 приведены результаты АСМ измерений титановых покрытий, полученных при мощности магнетронного распыления W = 300 Вт; а) и б) соответственно, 2D и 3D изображения морфологии поверхности, в) профиль рельефа поверхности, г) распределение зерен по размерам.
Осуществление изобретения
Предлагаемый способ осуществляется следующим образом.
Титановые импланты, изготовленные из разных марок титана (ВТ 1-0, ВТ6), после механической обработки подвергали мокрой химической очистке, аналогично очистке, применяемой в микроэлектронной технике, а именно, сначала очищали моющим средством, не содержащим мыла, в ультразвуке, затем промывали в дистиллированной воде ультразвуком, далее промывали этанолом в ультразвуковой ванне и сушили продувкой воздуха, после этого имплантаты помещали в вакуумную камеру магнетронного распыления и подвергали ионно-плазменной обработке ионами аргона ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10-4 Торр для очистки поверхности до атомарного уровня путем удаления окисного слоя и других возможных загрязнений в целью обеспечения идеальной адгезии, затем при остаточном давлении 1,5⋅10-6 Торр имплантаты нагревали от комнатной температуры до 5000С, после этого в вакуумную камеру напускали чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 часов проводили осаждение слоя наноструктурированного чистого (99,999%) титана, топология и степень шероховатости которой от микроразмерного до наноразмерного задавали мощностью магнетронного распыления, соответственно, в пределах от 50 Вт до 300 Вт. Толщину осаждаемого слоя титана контролировали временем распыления. После завершения процесса распыления, образцы охлаждались до комнатной температуры при давлении 1,5⋅10-6 Торр, чтобы исключить образование на их поверхности окисного слоя.
Заявляемый способ позволяет, минуя стадии пескоструйной обработки, которая требует тщательной и трудной очистки поверхности имплантата от остатков пескоструйного материала и экологически вредного процесса химического травления, сразу на поверхности имплантата с очень высокой степенью адгезии формировать слой особо чистого титана, топология поверхности которого и его шероховатость можно менять в пределах от нескольких десятков нанометра до единиц микрометра. Важными преимуществами предлагаемого способа по сравнению с известными методами модификации поверхности имплантата являются:
- возможность создания имплантатов из высокопрочных сплавов титана, поверхность которых содержит слой из особо чистого титана, который полностью исключает вредное действие токсичных примесей, содержащихся в титановых сплавах;
- возможность несложным способом путем изменения технологических условий менять в широких пределах от нескольких десятков нанометра до единиц микрометра шероховатость титанового покрытия;
- возможность повысить гидрофильность титанового покрытия за счет создания двухслойного покрытия, состоящего их нижнего микрорельефного слоя и верхнего нанорельефного слоя, способствующего улучшению процесса остеоинтеграции за счет более эффективного взаимодействия поверхности имплантата с биологическими жидкостями, клеточными элементами;
- возможность снижения себестоимости изготовления имплантатов и повышения их качества
Результаты проведенных нами многочисленных экспериментальных исследований по нанесению титановых покрытий и измерению их элементного состава показали, что на поверхности покрытия из чистого титана не обнаруживаются следы примесных металлов, которые исходно присутствовали в имплантате из сплава Ti6Al4V (ВТ6). Результаты измерений элементного состава титановых имплантатов до и после нанесения покрытий приведены в таблице 1.
На рисунках (см. фиг. 1а и 1б) приведены СЭМ изображения морфологии поверхности титановых покрытий, полученные при разных мощностях магнетрона.
Как видно из рисунков (фиг. 1а и 1б) титановые покрытия, полученные методом магнетронного распыления, имеют однородную зернистую (шероховатую) поверхность с размерами «зерен» в интервале от 50 до 500 нанометров. Изменение мощности магнетронного распыления позволяет существенно менять морфологию нанорельефа поверхности.
Таким образом, как показывают результаты СЭМ изображений, метод магнетронного распыления, в отличие от других методов модификации поверхности имплантата, позволяет получать нанорельефные поверхности с разной морфологией.
На рисунках (см. фиг. 2-3) приведены 2D и 3D изображения морфологии поверхности, распределение зерен по размерам и профиль рельефа поверхности этих же образцов, полученные методом АСМ.
Как видно из рисунков (фиг.2-3) АСМ измерения показывают такую же морфологию поверхности титановых покрытий, как и результаты СЭМ измерений. При мощности магнетронного распыления W = 200 Вт и 300 Вт максимальные неровности поверхности лежат в пределах ± 150 нм, а размеры зерен меняются в пределах от 50 нм до 450 нм. Результаты наших исследований показали, что меняя параметры магнетронного распыления, можно управлять размерными характеристиками нанорельефа титановых покрытий.
В таблице 1 приведены результаты измерений элементного состава в титановых шайбах ВТ6.0 без титанового покрытия и после покрытия слоем чистого титана методом магнетронного распыления.
Таблица 1. Атомная и весовая концентрация элементов на поверхности титановой шайбы ВТ6.0.
а) без титанового покрытия,
б) после нанесения титанового покрытия,
Как видно из таблицы 1 концентрация таких токсичных для остеоинтеграции элементов как ванадий, алюминий, железо и углерода уменьшаются, соответственно, от 2.9 ат.% до 0%, от 7.94 ат.% до 0.19 ат.%, железо от 0.14 ат.% до 0.08 ат.%, от 14,62 ат.% до 10.71 ат.%.
На основании измерений элементного состава установлено, что титановые покрытия позволяют не только формировать на имплантатах нанорельефную поверхность, но и резко снижают на этой поверхности концентрацию таких токсичных для остеоинтеграции элементов как ванадий, алюминий, железо и углерода, которые исходно присутствуют в материале имплантата ВТ6.0.
Имплантаты из титана и его сплавов с покрытием, полученным заявленным способом, прошли токсикологические испытания на биосовместимость и биоинертность. В качестве контроля использовали имплантаты, изготовленные из технически чистого титана ВТ1-0, с химической обработкой поверхности.
Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного способа, не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».
В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».
Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявляемого способа в области медицины для создания биоинертной поверхности имплантатов из титана и титановых сплавов, которые используются при проведении травматолого-ортопедических и стоматологических операций, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».
Claims (2)
1. Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов, заключающийся в нанесении на металлическую титановую основу имплантата биологически инертного покрытия, отличающийся тем, что механически обработанную поверхность имплантата для получения атомарно-чистой поверхности сначала подвергают ионно-плазменному травлению ионами аргона, ускоренными до 2-5 кэВ при давлении (3,75-5,25)⋅10-4 Торр, затем, не извлекая имплантат из камеры, при остаточном давлении 1,5⋅10-6 Торр проводят нагрев имплантата в интервале от комнатной температуры до 500°С, после этого в вакуумную камеру напускают чистый аргон (99,999%) и при его остаточном давлении 10-20 мТорр в течение 0,5-2 ч методом магнетронного распыления при мощности 50-300 Вт проводят осаждение слоя наноструктурированного чистого (99,999%) титана, по завершении которого имплантаты охлаждают до комнатной температуры при давлении ниже 1,5⋅10-6 Торр.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что для увеличения гидрофильности поверхности и улучшения остеоинтеграции на поверхности имплантата методом магнетронного распыления сначала осаждают слой чистого (99,999%) титана с микрорельефной шероховатостью поверхности при мощности магнетронного распыления более 200 Вт, а затем, не извлекая имплантат из камеры, при меньшей мощности распыления на этот слой осаждают второй слой с нанорельефной шероховатостью.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137592A RU2679604C1 (ru) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018137592A RU2679604C1 (ru) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2679604C1 true RU2679604C1 (ru) | 2019-02-12 |
Family
ID=65442665
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018137592A RU2679604C1 (ru) | 2018-10-25 | 2018-10-25 | Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2679604C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724437C1 (ru) * | 2019-08-26 | 2020-06-23 | Общество с ограниченной ответственностью "НС ТЕХНОЛОГИЯ" | Способ изготовления дентального имплантата из нанотитана с использованием лазерного структурирования поверхности и наноструктурированного композитного покрытия и имплатат |
| RU2779367C1 (ru) * | 2021-12-06 | 2022-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Блохина" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина" Минздрава России) | Титановый имплантат с функцией локальной иммунотерапии для остеореконструктивной хирургии и профилактики местного рецидива онкологического заболевания и способ его изготовления |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2074674C1 (ru) * | 1994-08-09 | 1997-03-10 | Саратовский государственный технический университет | Способ изготовления внутрикостных имплантатов |
| WO2004008983A1 (en) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Astra Tech Ab | An implant and a method for treating an implant surface |
| RU2571559C1 (ru) * | 2014-11-05 | 2015-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с углеродным нанопокрытием |
| RU2597750C1 (ru) * | 2015-05-05 | 2016-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием |
| RU2632761C1 (ru) * | 2016-10-28 | 2017-10-09 | Арчил Важаевич Цискарашвили | Ортопедический имплантат из титана и нержавеющей стали с антиадгезивным антибактериальным покрытием |
-
2018
- 2018-10-25 RU RU2018137592A patent/RU2679604C1/ru not_active IP Right Cessation
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2074674C1 (ru) * | 1994-08-09 | 1997-03-10 | Саратовский государственный технический университет | Способ изготовления внутрикостных имплантатов |
| WO2004008983A1 (en) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Astra Tech Ab | An implant and a method for treating an implant surface |
| RU2571559C1 (ru) * | 2014-11-05 | 2015-12-20 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов им. М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук (ИФМ УрО РАН) | Способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с углеродным нанопокрытием |
| RU2597750C1 (ru) * | 2015-05-05 | 2016-09-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления внутрикостных стоматологических имплантатов с биоактивным покрытием |
| RU2632761C1 (ru) * | 2016-10-28 | 2017-10-09 | Арчил Важаевич Цискарашвили | Ортопедический имплантат из титана и нержавеющей стали с антиадгезивным антибактериальным покрытием |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2724437C1 (ru) * | 2019-08-26 | 2020-06-23 | Общество с ограниченной ответственностью "НС ТЕХНОЛОГИЯ" | Способ изготовления дентального имплантата из нанотитана с использованием лазерного структурирования поверхности и наноструктурированного композитного покрытия и имплатат |
| RU2779364C1 (ru) * | 2021-11-25 | 2022-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Блохина" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина" Минздрава России) | Титановый имплантат с поверхностью, модифицированной для усиления клеточной адгезии, и способ его изготовления |
| RU2779367C1 (ru) * | 2021-12-06 | 2022-09-06 | Федеральное государственное бюджетное учреждение "Национальный медицинский исследовательский центр онкологии имени Н.Н. Блохина" Министерства здравоохранения Российской Федерации (ФГБУ "НМИЦ онкологии им. Н.Н. Блохина" Минздрава России) | Титановый имплантат с функцией локальной иммунотерапии для остеореконструктивной хирургии и профилактики местного рецидива онкологического заболевания и способ его изготовления |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Ballo et al. | Dental implant surfaces-Physicochemical properties, biological performance, and trends | |
| Liu et al. | Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications | |
| Anil et al. | Dental implant surface enhancement and osseointegration | |
| Rúa et al. | Micro-arc oxidation coating on porous magnesium foam and its potential biomedical applications | |
| US8920869B2 (en) | Osseoinductive metal implants for a living body and producing method thereof | |
| Kang et al. | State of the art of bioimplants manufacturing: part II | |
| Lee et al. | Biological performance of calcium phosphate films formed on commercially pure Ti by electron-beam evaporation | |
| Pattanaik et al. | Biocompatible implant surface treatments | |
| Fuentes et al. | Advanced surface treatments on titanium and titanium alloys focused on electrochemical and physical technologies for biomedical applications | |
| Çaha et al. | A Review on Bio-functionalization of β-Ti Alloys | |
| KR20150131863A (ko) | Rf 마그네트론 스퍼터링을 이용한 수산화아파타이트 코팅막이 형성된 임플란트와 이의 제조방법 | |
| Fouziya et al. | Surface modifications of titanium implants–The new, the old, and the never heard of options | |
| Tsai et al. | Surface modification induced phase transformation and structure variation on the rapidly solidified recast layer of titanium | |
| Mediaswanti et al. | Sputtered hydroxyapatite nanocoatings on novel titanium alloys for biomedical applications | |
| Huang et al. | Hydroxyapatite coatings produced on commercially pure titanium by micro-arc oxidation | |
| Kobayashi et al. | Inhibition effect of zirconium coating on calcium phosphate precipitation of titanium to avoid assimilation with bone | |
| US11058794B2 (en) | Method for surface treatment of a biocompatible metal material and implant treated by said method | |
| Munir et al. | Surface modifications of metallic biomaterials | |
| Pogrebjak et al. | Research of the relief and element composition of the surface coatings based on hydroxyapatite implants from titanium alloys | |
| Lin et al. | Biomedical evaluation of vacuum plasma sprayed tantalum coatings processed by alkali treatment and alkali-heat treatment with different NaOH concentrations | |
| Hieda et al. | Enhancement of adhesive strength of hydroxyapatite films on Ti–29Nb–13Ta–4.6 Zr by surface morphology control | |
| RU2679604C1 (ru) | Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов | |
| Ergün et al. | Effect of acid passivation and H2 sputtering pretreatments on the adhesive strength of sol–gel derived Hydroxyapatite coating on titanium surface | |
| Byon et al. | Apatite-forming ability of micro-arc plasma oxidized layer of titanium in simulated body fluids | |
| Guler et al. | The chemical surface evaluation of black and white porous titanium granules and different commercial dental implants with energy‐dispersive x‐ray spectroscopy analysis |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201026 |