RU2694963C1 - Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане - Google Patents
Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане Download PDFInfo
- Publication number
- RU2694963C1 RU2694963C1 RU2016151294A RU2016151294A RU2694963C1 RU 2694963 C1 RU2694963 C1 RU 2694963C1 RU 2016151294 A RU2016151294 A RU 2016151294A RU 2016151294 A RU2016151294 A RU 2016151294A RU 2694963 C1 RU2694963 C1 RU 2694963C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- minutes
- calcium phosphate
- nanostructured titanium
- calcium
- Prior art date
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 39
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 38
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000002103 nanocoating Substances 0.000 title claims abstract description 25
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 24
- 239000002131 composite material Substances 0.000 title claims abstract description 15
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical group [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims abstract description 21
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 claims abstract description 18
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 14
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 claims abstract description 13
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 claims abstract description 13
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims abstract description 13
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 12
- ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N calcium nitrate Chemical compound [Ca+2].[O-][N+]([O-])=O.[O-][N+]([O-])=O ZCCIPPOKBCJFDN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 claims abstract description 7
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims abstract description 5
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 5
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 5
- 238000005660 chlorination reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- 230000011987 methylation Effects 0.000 claims abstract description 4
- 238000007069 methylation reaction Methods 0.000 claims abstract description 4
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 3
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- 238000005342 ion exchange Methods 0.000 claims abstract description 3
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 8
- FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N thionyl chloride Chemical compound ClS(Cl)=O FYSNRJHAOHDILO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 7
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- TVDSBUOJIPERQY-UHFFFAOYSA-N prop-2-yn-1-ol Chemical compound OCC#C TVDSBUOJIPERQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 claims description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims description 3
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 3
- UHZYTMXLRWXGPK-UHFFFAOYSA-N phosphorus pentachloride Chemical compound ClP(Cl)(Cl)(Cl)Cl UHZYTMXLRWXGPK-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 2
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 17
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 16
- 239000012620 biological material Substances 0.000 abstract description 14
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 abstract description 9
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 5
- IOIUDPNHMGQVIE-UHFFFAOYSA-N O.O.O.O.O.[P] Chemical compound O.O.O.O.O.[P] IOIUDPNHMGQVIE-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract 1
- 239000007792 gaseous phase Substances 0.000 abstract 1
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 13
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 12
- 229960001714 calcium phosphate Drugs 0.000 description 10
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 7
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 7
- 230000004069 differentiation Effects 0.000 description 4
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 4
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 4
- YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N Dichloromethane Chemical compound ClCCl YMWUJEATGCHHMB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 102000004067 Osteocalcin Human genes 0.000 description 3
- 108090000573 Osteocalcin Proteins 0.000 description 3
- 239000007795 chemical reaction product Substances 0.000 description 3
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 description 3
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 3
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 3
- 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 3
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 3
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 3
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000000089 atomic force micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000004630 atomic force microscopy Methods 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 2
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 2
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 2
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 230000004083 survival effect Effects 0.000 description 2
- 229940122361 Bisphosphonate Drugs 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000008346 aqueous phase Substances 0.000 description 1
- 239000000560 biocompatible material Substances 0.000 description 1
- 150000004663 bisphosphonates Chemical class 0.000 description 1
- 229960005069 calcium Drugs 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 1
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013130 cardiovascular surgery Methods 0.000 description 1
- 230000021164 cell adhesion Effects 0.000 description 1
- 239000013553 cell monolayer Substances 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 125000004122 cyclic group Chemical group 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 238000005474 detonation Methods 0.000 description 1
- 238000004821 distillation Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000001941 electron spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 1
- 210000000056 organ Anatomy 0.000 description 1
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 description 1
- 230000035479 physiological effects, processes and functions Effects 0.000 description 1
- 102000004196 processed proteins & peptides Human genes 0.000 description 1
- 108090000765 processed proteins & peptides Proteins 0.000 description 1
- 239000000047 product Substances 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 238000002278 reconstructive surgery Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 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
- 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
-
- 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
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B3/00—Manufacture or treatment of nanostructures by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
- B82B3/0095—Manufacture or treatments or nanostructures not provided for in groups B82B3/0009 - B82B3/009
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Public Health (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
Abstract
Изобретение имеет отношение к способу получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане. Способ включает синтез кальцийфосфатных структур на поверхности наноструктурированного титана. Перед синтезом кальцийфосфатных структур проводится подготовка поверхности наноструктурированного титана хлорированием и метилированием. Далее метилированную поверхность обрабатывается циклически в потоке гелия низкомолекулярными реагентами. На полученную шероховатую поверхность наносится кальцийфосфатные наноструктуры в две стадии, сначала обрабатывается парами пятихлористого фосфора в газовой фазе, после чего продолжается обработка ионами кальция из органического раствора нитрата кальция методом ионного обмена. Техническим результатом заявленного способа является повышение скорости приживляемости биоматериала с костной тканью и повышение сроков службы покрытия при сохранении высоких прочностных свойств нанотитана. 2 з.п. ф-лы, 2 табл., 3 пр., 3 ил.
Description
Изобретение относится к области нанотехнологий, в частности, производства композиционного биоматериала на основе наноструктурированного титана, с биосовместимым нанопокрытием на основе титанорганических наноструктур с включениями кальцийфосфатных наноструктур для ускоренной остеоинтеграции (приживляемостьи) в костную ткань и получение биоматериала механические свойства которого не ухудшаются после нанесения композитного нанопокрытия.
В последнее время активно разрабатывается направление в области биосовместимых материалов - активная интеграция небиологических материалов, в живую ткань. Такая интеграция желательна, например, при имплантации искусственных суставов, которые должны сохранять длительный и надежный контакт с тканями организма. Это относится, в первую очередь, к изделиям, предназначенным для сердечнососудистой хирургии, ортопедии, стоматологической и реконструктивной хирургии, офтальмологии [1,2; Qizhi Chen, George A. Thouas, Metallic implant biomaterials, Materials Science and Engineering R., 2015, 87; L.L. Hench and J.R. Jones, (eds.), Biomaterials, Artificial Organs and Tissue Engineering, Woodhead Publishing, Ltd., Cambridge, UK (2005) 284 pp.]. Повышение биосовместимости титановых имплантатов является одним из приоритетных направлений в реконструктивной медицине. К настоящему времени было предложено множество вариантов покрытий, включая бисфосфонатное покрытие, гидроксиаппатиты и фосфаты кальция, различные биолиганды (например, пептиды, белки) при этом применение покрытия не решают основную проблему связанную с адгезией покрытия к металлической поверхности и проблему ускоренной остеоинтеграции (далее: приживляемости). Полученные нами экспериментальные данные показали, что на жизнеспособность клеток и их рост влияет не только химический состав покрытия, но и рельеф поверхности (далее: шероховатость) получаемого покрытия. Шероховатость поверхности обычно регулируется за счет изменения высоты синтезируемых наноструктур, в нашем случае, титанорганических наноструктур.
Известен способ получения детонационного биосовместимого покрытия на медицинском имплантате [3; RU 2557924 С1, 2014], который повышает адгезионную прочность сцепления покрытия с титановым имплантатом. Недостатком известного способа является наличие средней шероховатости поверхности в области 4,5-10 мкм, что не позволяет регулировать скорость приживления имплантата в костную ткань.
Известен способ изготовления внутрикостных имплантатов [4; RU 2443434 С1, 2010] на основе титана с слоем гидроксиапатита на поверхности. Средняя шероховатость поверхности 46 -104 мкм. Недостатком известного способа является отсутствие возможности приживление имплантата в долгосрочной перспективе. Эти недостатки известного способа в первую очередь связаны со структурными особенностями используемого гидроксиапатита. С течением времени такое покрытие растворяется в костной ткани.
Известен способ получения наноструктурированного кальцийфосфатного покрытия для медицинских имплантатов [5; RU 2523410 С1, 2013] с размером агломератов кальцийфосфатного покрытия 200×1000 нм. Недостатком известного способа является отсутствие возможности регулировать шероховатость поверхности, а также ухудшения степени приживляемости имплантатов в костную ткань в долгосрочной перспективе. Со временем происходит резорбция кальций-фосфатного покрытия.
Известен способ получения кальцийфосфатного покрытия на имплантате из биоинертного материала, который является наиболее близким к предлагаемому техническому решению и выбран в качестве прототипа [6; RU 2476243 С1, 2012]. В известном способе общим с предлагаемым изобретением является синтезе кальцийфосфатных структур на поверхности наноструктурированного титана с толщиной наносимых слоев 200 нм.
Недостатком известного способа является недостаточно высокие сроки службы покрытия, не высокая приживляемость биоматериала, ухудшения прочностных характеристик биоматериала.
Заявленное изобретение свободно от указанных недостатков.
Техническим результатом заявленного способа является повышение скорости приживляемости биоматериала с костной тканью и повышение сроков службы покрытия при сохранении высоких прочностных свойств нанотитана.
Указанный технический результат достигается за счет создания на поверхности нанотитана композиционного биосовместимого нанопокрытия на основе титанорганических наноструктур с включениями кальцийфосфатных наноструктур для ускоренной остеоинтеграции, в соответствии с заявленным изобретением, перед синтезом кальцийфосфатных структур проводят подготовку поверхности наноструктурированного титана хлорированием при 50°C в течение 30 мин, и метилированием при температуре 200°C в течение 15 мин, после чего метилированную поверхность обрабатывают циклически в потоке гелия низкомолекулярными реагентами при температуре 180°C в течение от 30 мин. до 5 час в интервале получения средней шероховатости поверхности от 33 нм до 85 нм, затем на полученную шероховатую поверхность наносят кальцийфосфатные наноструктуры в две стадии, сначала обрабатывают парами пятихлористого фосфора в газовой фазе при температуре 180°C в течение 15 минут, после чего продолжают обработку ионами кальция из органического раствора нитрата кальция при температуре 35°C в течение 5 минут методом ионного обмена между 0,5 молярным раствором Ca(NO3)2 и поверхностными - P(-OH)3 группами, затем проводят сушку полученного нанопокрытия при 100°C 15 мин.
В основе решения технической задачи заявленного изобретения положен принципиально новый подход к созданию биосовместимого нанопокрытия с регулируемой шероховатостью.
В заявленном изобретении впервые для дополнительного тонкого регулирования шероховатости поверхности предлагается использовать нанесение нанослоев титанорганические наноструктуры, на основе проведения поверхностных химических реакций (хемосорбции) в определенной последовательности, а химический состав поверхности за счет нанесения кальцийфосфатных структур.
Заявленное изобретение было апробировано в лабораторных условиях химического факультета Санкт-Петербургского государственного университета. Результаты проведенных исследований, подтверждающих достижение технического результата, приведены в конкретных примерах реализации заявленного изобретения.
Сущность заявленного изобретения поясняется конкретными примерами реализации способа с таблицами и иллюстрируется Фиг. 1-3.
На Фиг. 1 представлено изображение АСМ реконструкции поверхности композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане после 25 циклов обработки.
На Фиг. 2 представлена микрофотография поверхности композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане после 25 циклов обработки.
На Фиг. 3 представлена оценка характера дифференцировки клеток остеобластов на поверхности контрольного образца (наноструктурированного титана) и образцов с нанопокрытиями: 1 - образец нанотитана, 2 - образец с нанопокрытием после 15 циклов обработки, 3 - образец с нанопокрытием после 20 циклов обработки, 4 - образец с нанопокрытием после 25 циклов обработки.
Заявленный способ описывает синтез на поверхности нанотитана композиционного нанопокрытия, который включает три стадии:
1. Подготовка поверхности нанотитана.
2. Синтез титанорганических наноструктур на поверхности нанотитана.
3. Синтез кальцийфосфатных наноструктур (включений).
Заявленный способ реализуется следующим образом.
Первая стадия заявляется впервые и обладает абсолютно новизной к известному уровню техники [7; E.G. Zemtsova, Morozov, Р.Е., Valiev, R.Z., Smirnov, V.M., Study of conditions for the increase of surface hydrophobization of nanostructured titanium with titanium organic nanostructures brush type on the surface, Materials Physics and Mechanics, 24, (2015), p. 129-138]. Синтез на второй стадии проводится на стандартной установке газофазного синтеза известным методом ALD [8; Zemtsova Е.G., Arbenin A.Yu., Plotnikov A.F., Smirnov V.M. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2015. V. 33. N 2., 021519 - 6.]. Апробация заявленного способа приведена в примере 1.
Пример 1
Этот пример демонстрирует получение композиционного нанопокрытия после предварительной подготовки поверхности наноструктурированного титана с целью получения максимальной реакционно способной для хемосорбции поверхности, с максимальным количеством OH-групп.
В заявляемом изобретении используется способ подготовки поверхности при низкой температуре 50°C с использованием жидкого тионилхлорида (SOCl2), за счет осуществления следующих реакций:
взаимодействие ОН групп нанотитана с парами тионилхлорида:
где [Ti] - образец нанотитана;
[TiO2] - поверхностный слой TiO2
- ОН и -Cl - поверхностные функциональные группы
взаимодействие продукта реакции (1) с газообразным метаном:
в результате проведения реакций (1) и (2) на поверхности нанотитана образуются термостабильные метальные (-СН3) группы, которые обладают высокой реакционной способностью.
Далее на метилированной поверхности нанотитана проводили синтез титанорганических наноструктур за счет осуществления следующих реакций с низкомолекулярными реагентами:
взаимодействие метальных (-СН3) групп на нанотитане с парами четыреххлористого титана: 
взаимодействие продукта реакции (3) с пропаргиловым спиртом:
где n - число циклов, определяющих высоту наноструктуры, и, следовательно, шероховатость.
Обработка нанотитана по реакциям 3 и 4 рассматривается как один цикл обработки нанотитана. Один цикл позволяет получать титанорганические наноструктуры минимальной высоты. Проводили 25 циклов обработки поверхности нантитана.
Далее на поверхности нанотитана с титанорганическими наноструктурами осуществляют синтез фосфатных групп за счет осуществления следующих реакций между продукта реакции (4) с пятихлористым фосфором в водной фазе:
Далее проводят обработку образца 0,5 молярным раствором нитрата кальция для получения композиционного нанопокрытия с кальцийфосфатными стуктурами. Содержание фосфатных групп и кальция контролировались методом электронной спектроскопии химического анализа (ЭСХА).
Технологически синтез осуществляется следующим образом.
Берут пластину нанотитана (10×10 мм) и помещают в стеклянную колбу с мешалкой. Далее в колбу с нанотитаном добавляют раствор тионилхлорида в растворе хлористого метилена, предварительно осушенного хлористым кальцием с последующей перегонкой при нагревании на водяной бане при постоянном перемешивании при температуре 50°C в течение 30 мин. Избыток растворителя после проведения реакции удаляют вакуумированием в течение 30 мин. Затем образец обрабатывают в установке газофазного синтеза газообразным метаном при температуре 200°C в течение 15 мин, после чего метилированную поверхность обрабатывают циклически в потоке гелия низкомолекулярными реагентами (четыреххлористым титаном и пропаргиловым спиртом) при температуре 180°C в течение 5 часов. Затем на полученную поверхность наносят кальцийфосфатные наноструктуры для этого, образец помещают в стеклянный проточный реактор в токе гелия с парами PCl5 при температуре 180°C в течение 15 минут, затем образец помещают в стеклянную колбу объемом 50 мл. с 0,5 молярным раствором нитрата кальция и выдерживают в колбе при постоянном перемешивании 15 мин. при температуре 35°C. После этого проводят сушку полученного образца с нанопокрытием при 100°C в течение 15 мин.
Для диагностики получаемых образцов использовали методы сканирующую электронную микроскопию (СЭМ), атомно-силовую микроскопию (АСМ), а также исследовали механические свойства образцов. На Фиг. 1 и Фиг. 2 представлены СЭМ и АСМ изображения поверхности композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане после 25 циклов обработки. Данные исследования позволяют максимально достоверно охарактеризовать среднюю шероховатость поверхности образца (85 нм) и размер титанорганических наструктур.
В таблице 1 приведены данные структурных и прочностных характеристик образца нанотитана с композиционным нанопокрытием и контрольного образца (нанотитана).
Как видно из данных представленных в таблице прочностные свойства нанотитана после нанесения композиционного нанопокрытия сохраняются высокими, предел выносливости (после 106 циклов) не меняется.
Пример 2.
Иллюстрирует возможность регулировать шероховатость поверхности композиционного нанопокрытия за счет регулирования количества циклов обработки титанорганическими наноструктурами на метилированной поверхности наноструктурированного титана от 15 до 25 раз. Один цикл обработки включает чередование низкомолекулярных реагентов, в качестве которых используется четыреххлористый титан и пропаргиловым спирт. Как следует из таблицы 2, шероховатость поверхности нанопокрытия увеличивается с количеством циклов обработки, что позволяет направленно регулировать приживляемость биоматериала. Проводили 15, 20, 25 циклов обработки поверхности наноструктурированного титана.
Пример 3.
Иллюстрирует возможность регулировать приживляемость биоматериала за счет регулирования шероховатости поверхности композиционного нанопокрытия. Первоначально исследовались адгезионные свойства клеток остеобластов МС3Т3-Е1 на образцах и степень формирования клеточного монослоя. Анализ образцов проводили с применением сканирующей электронной микроскопии. Было показано, способность клеток остеобластов к адгезии на поверхности образцов не менее 85% за 72 часа, а также способность остеобластов к начальной дифференцировки уже на этапе адгезии клеток, это указывает на возможность ускоренного приживления костной ткани к поверхности образцов.
Характер дифференцировки клеток остеобластов на поверхности образцов показывает закономерный рост показателя дифференцировки, остеокальцина, в остеобластах в зависимости от шероховатости поверхности нанопокрытия (Фиг. 3). Наличие остеокальцина в клетках остеобластов определяли колориметрически. Каждое значение представляет собой среднее из трех независимых экспериментов.
Приведенные данные указывают на способность получаемых биоматериалов к повышению скорости приживляемости с костной тканью, за счет регулирования шероховатости поверхности нанопокрытия. Образец с шероховатостью 85 нм показал 2-кратное увеличение количества остеокальцина в клетках культивируемых на его поверхности, по сравнению с контрольным образцом, это указывает на возможность 2-кратного увеличения скорости приживляемости.
Как видно из приведенных примеров, заявляемый способ имеет существенные преимущества перед известными аналогами, прежде всего, в возможности напрвленно повышать скорость приживляемости биоматериала с костной тканью при сохранении высоких прочностных свойств нанотитана. Полученный биоматериал может применяться в ортопедии, стоматологии и травматологии для создания имплантов с высокой приживляемостью.
Список используемой литературы
1. Qizhi Chen, George A. Thouas, Metallic implant biomaterials, Materials Science and Engineering R., 2015, 87;
2. L.L. Hench and J.R. Jones, (eds.), Biomaterials, Artificial Organs and Tissue Engineering, Woodhead Publishing, Ltd., Cambridge, UK (2005) 284 pp;
3. RU 2557924 C1, 2014;
4. RU 2443434 C1, 2010;
5. RU 2523410 C1, 2013;
6. RU 2476243 C1, 2012], "Способ получения кальцийфосфатного покрытия на имплантате из биоинертного материала (варианты)" (прототип);
7. E.G. Zemtsova, Morozov, Р.Е., Valiev, R.Z., Smirnov, V.M., Study of conditions for the increase of surface hydrophobization of nanostructured titanium with titanium organic nanostructures brush type on the surface, Materials Physics and Mechanics, 24, (2015), p. 129-138;
8. Zemtsova E.G., Arbenin A.Yu., Plotnikov A.F., Smirnov V.M. // J. Vac. Sci. Technol. A. 2015. V. 33. N2., 021519-6.
Claims (3)
1. Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане, заключающийся в синтезе кальцийфосфатных структур на поверхности наноструктурированного титана с толщиной наносимых слоев 200 нм, отличающийся тем, что перед синтезом кальцийфосфатных структур проводят подготовку поверхности наноструктурированного титана хлорированием при 50°C в течение 30 мин, и метилированием при температуре 200°C в течение 15 мин, после чего метилированную поверхность обрабатывают циклически в потоке гелия низкомолекулярными реагентами при температуре 180°C в течение от 30 мин до 5 час в интервале получения средней шероховатости поверхности от 33 нм до 85 нм, затем на полученную шероховатую поверхность наносят кальцийфосфатные наноструктуры в две стадии, сначала обрабатывают парами пятихлористого фосфора в газовой фазе при температуре 180°C в течение 15 минут, после чего продолжают обработку ионами кальция из органического раствора нитрата кальция при температуре 35°C в течение 5 минут методом ионного обмена между 0,5 молярным раствором Ca(NO3)2 и поверхностными - P(-OH)3 группами, затем проводят сушку полученного нанопокрытия при 100°C 15 мин.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что хлорирование проводят тионилхлоридом, метилирование проводят метаном.
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что в качестве низкомолекулярных реагентов использованы четыреххлористый титан и пропаргиловый спирт, которые чередуют в циклах обработки на метилированной поверхности наноструктурированного титана от 15 до 25 раз.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016151294A RU2694963C1 (ru) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2016151294A RU2694963C1 (ru) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2694963C1 true RU2694963C1 (ru) | 2019-07-18 |
Family
ID=67309484
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2016151294A RU2694963C1 (ru) | 2016-12-27 | 2016-12-27 | Способ получения композиционного нанопокрытия на наноструктурированном титане |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2694963C1 (ru) |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009053670A2 (en) * | 2007-10-25 | 2009-04-30 | Plasma Coatings Limited | Method of forming a bioactive coating |
| RU2443434C1 (ru) * | 2010-10-18 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Способ изготовления внутрикостных имплантатов |
| RU2476243C1 (ru) * | 2012-01-11 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения кальцийфосфатного покрытия на имплантате из биоинертного материала (варианты) |
| RU2523410C1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Способ получения наноструктурированного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов |
| RU2530573C1 (ru) * | 2013-07-25 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления внутрикостных имплантатов с биоактивным покрытием |
| RU2557924C1 (ru) * | 2014-04-09 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Способ получения детонационного биосовместимого покрытия на медицинский имплантат |
-
2016
- 2016-12-27 RU RU2016151294A patent/RU2694963C1/ru active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2009053670A2 (en) * | 2007-10-25 | 2009-04-30 | Plasma Coatings Limited | Method of forming a bioactive coating |
| RU2443434C1 (ru) * | 2010-10-18 | 2012-02-27 | Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет" (СГТУ) | Способ изготовления внутрикостных имплантатов |
| RU2476243C1 (ru) * | 2012-01-11 | 2013-02-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения кальцийфосфатного покрытия на имплантате из биоинертного материала (варианты) |
| RU2523410C1 (ru) * | 2013-04-09 | 2014-07-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Новосибирский государственный технический университет" | Способ получения наноструктурированного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов |
| RU2530573C1 (ru) * | 2013-07-25 | 2014-10-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ изготовления внутрикостных имплантатов с биоактивным покрытием |
| RU2557924C1 (ru) * | 2014-04-09 | 2015-07-27 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова" (АлтГТУ) | Способ получения детонационного биосовместимого покрытия на медицинский имплантат |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Liu et al. | Surface nano-functionalization of biomaterials | |
| Lin et al. | Enhanced osteointegration of medical titanium implant with surface modifications in micro/nanoscale structures | |
| Göncü et al. | Electrophoretic deposition of hydroxyapatite-hexagonal boron nitride composite coatings on Ti substrate | |
| Cotrut et al. | Influence of deposition temperature on the properties of hydroxyapatite obtained by electrochemical assisted deposition | |
| Nazarov et al. | Enhanced osseointegrative properties of ultra-fine-grained titanium implants modified by chemical etching and atomic layer deposition | |
| Goudarzi et al. | Development of electrophoretically deposited hydroxyapatite coatings on anodized nanotubular TiO2 structures: corrosion and sintering temperature | |
| Jiang et al. | Hydroxyapatite-modified micro/nanostructured titania surfaces with different crystalline phases for osteoblast regulation | |
| Tan et al. | Effect of amino-, methyl-and epoxy-silane coupling as a molecular bridge for formatting a biomimetic hydroxyapatite coating on titanium by electrochemical deposition | |
| Manjaiah et al. | Effect of anodizing on surface integrity of Grade 4 titanium for biomedical applications | |
| Pisarek et al. | Effect of two-step functionalization of Ti by chemical processes on protein adsorption | |
| Patel et al. | Combined effects of nanoroughness and ions produced by electrodeposition of mesoporous bioglass nanoparticle for bone regeneration | |
| Hu et al. | One-step modification of nano-hydroxyapatite coating on titanium surface by hydrothermal method | |
| Ouyang et al. | Nano textured PEEK surface for enhanced osseointegration | |
| Katić et al. | The potential-assisted deposition as valuable tool for producing functional apatite coatings on metallic materials | |
| Wei et al. | Structures, bonding strength and in vitro bioactivity and cytotoxicity of electrochemically deposited bioactive nano-brushite coating/TiO2 nanotubes composited films on titanium | |
| Zhao et al. | Enhancement of hydroxyapatite formation on titanium surface by alkali heat treatment combined with induction heating and acid etching | |
| Nazir et al. | Biomimetic coating of modified titanium surfaces with hydroxyapatite using simulated body fluid | |
| Shen et al. | Control of hydroxyapatite coating by self‐assembled monolayers on titanium and improvement of osteoblast adhesion | |
| Bronze-Uhle et al. | Physicochemical bisphosphonate immobilization on titanium dioxide thin films surface by UV radiation for bio-application | |
| Lee et al. | Precipitation of bone-like apatite on anodised titanium in simulated body fluid under UV irradiation | |
| Kim et al. | Bioactive effect of alkali-heat treated TiO2 nanotubes by water or acid treatment | |
| Li et al. | Preparation of well-distributed titania nanopillar arrays on Ti6Al4V surface by induction heating for enhancing osteogenic differentiation of stem cells | |
| Metoki et al. | Effect of decorating titanium with different self-assembled monolayers on the electrodeposition of calcium phosphate | |
| Wei et al. | Titania nanotube/nano-brushite composited bioactive coating with micro/nanotopography on titanium formed by anodic oxidation and hydrothermal treatment | |
| Amin et al. | Biomimetic apatite growth from simulated body fluid on various oxide containing DLC thin films |