RU2729653C1 - Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления - Google Patents

Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления Download PDF

Info

Publication number
RU2729653C1
RU2729653C1 RU2020109249A RU2020109249A RU2729653C1 RU 2729653 C1 RU2729653 C1 RU 2729653C1 RU 2020109249 A RU2020109249 A RU 2020109249A RU 2020109249 A RU2020109249 A RU 2020109249A RU 2729653 C1 RU2729653 C1 RU 2729653C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
peek
polytetrafluoroethylene
nanohydroxyapatite
polyetheretherketone
composite
Prior art date
Application number
RU2020109249A
Other languages
English (en)
Inventor
Сергей Викторович Панин
Людмила Александровна Корниенко
Дык Ань Нгуен
Дмитрий Геннадьевич Буслович
Владислав Олегович Алексенко
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН)
Priority to RU2020109249A priority Critical patent/RU2729653C1/ru
Application granted granted Critical
Publication of RU2729653C1 publication Critical patent/RU2729653C1/ru

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61FFILTERS 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
    • A61F2/00Filters 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
    • A61F2/02Prostheses implantable into the body
    • A61F2/30Joints
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/40Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L27/44Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/40Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L27/44Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
    • A61L27/46Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix with phosphorus-containing inorganic fillers
    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61LMETHODS 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
    • A61L27/00Materials for grafts or prostheses or for coating grafts or prostheses
    • A61L27/40Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material
    • A61L27/44Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix
    • A61L27/48Composite materials, i.e. containing one material dispersed in a matrix of the same or different material having a macromolecular matrix with macromolecular fillers
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C08ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08KUse of inorganic or non-macromolecular organic substances as compounding ingredients
    • C08K3/00Use of inorganic substances as compounding ingredients
    • C08K3/32Phosphorus-containing compounds

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
  • Transplantation (AREA)
  • Dermatology (AREA)
  • Epidemiology (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Heart & Thoracic Surgery (AREA)
  • Vascular Medicine (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Materials For Medical Uses (AREA)

Abstract

Изобретение относится к антифрикционным композитным материалам на основе термопластичных полимеров и может использоваться в медицинских или ветеринарных целях для изготовления деталей суставных имплантатов, а также к способу их изготовления. Предложен высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона, содержащий наполнитель на основе кальций-фосфатного соединения, такой как наногидроксиапатит, дополнительно содержащий политетрафторэтилен при соотношении компонентов, вес.%: наногидроксиапатит (Са(РО)(ОН))с размером частиц 20-30 нм 0,3-0,5; политетрафторэтилен с размером частиц 6-20 мкм 8-10; полиэфирэфиркетон с размером частиц 30-50 мкм - остальное. Способ изготовления композита содержит этапы: перемешивание порошков полиэфирэфиркетона, политетрафторэтилена и наногидроксиапатита, которое проводят путем диспергирования взвеси компонентов в этиловом спирте с ультразвуковой обработкой в течение 3-5 мин; горячее прессование при давлении 15-20 МПа и температуре 390-405°С со скоростью последующего охлаждения 2-3°С/мин. Технический результат – разработка высокопрочного антифрикционного композита для медицины с повышенными физико-механическими и трибологическими свойствами для трибоузлов. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 1 пр., 2 табл., 5 ил.

Description

Изобретение относится к антифрикционным композитным материалам на основе термопластичных полимеров и может использоваться в медицинских или ветеринарных целях для изготовления деталей суставных имплантатов (коленные, тазобедренные, локтевые суставы, межпозвоночные диски и кейджи, лучезапястный, пястно-фаланговый, межфаланговый суставы; голеностопный, подтаранный, плюснефаланговый суставы).
Известен материал для медицинских или ветеринарных нужд, способ его получения и использование из патента РФ 2338557, опубл. 20.11.2008 [1].
Описан материал, который используют в виде детали, выполненной путем формования литьем, и он представляет собой биосовместимое связующее, содержащее одно или несколько соединений, обеспечивающих добавление кальция или фосфора, отличающийся тем, что его подвергают операции поверхностной очистки, предназначенной для выведения на поверхность и, следовательно, для обеспечения доступности на поверхности добавляемых к связующему элементов, в частности кальция и фосфора. Этот материал предпочтительно используют для изготовления внутрикостных имплантатов или костных протезов.
Недостатком известного изобретения является отсутствие самосмазывающихся наполнителей, а, следовательно, невозможность использования разработанного композита в узлах трения по причине высокого коэффициента трения и низкой износостойкости.
Известна полимерная композиция биомедицинского назначения из патента РФ 2197509, опубл. 27.01.2003 [2].
Описывается полимерная композиция биомедицинского назначения, содержащая термопластичный полимер - полиамид или пропилен, биосовместимый порошкообразный наполнитель - гидроксиапатит и углеродный волокнистый наполнитель, а в качестве модификатора используют полиакриловую кислоту и поливинилпирролидон при следующем соотношении компонентов, масс. частей: термопластичный полимер 85-45, гидроксиапатит 10-35, углеродный волокнистый наполнитель 5-35, полиакриловая кислота 0,002-0,2, поливинилпирролидон 0,04-0,25. Материал, полученный из композиции, обладает прочностью 700-1200 МПа, твердостью до 120 МПа и краевым углом смачивания от 16 до 40 °.
Недостатками биомедицинского композитного материала являются:
- невозможность его использования в (био) трибоузлах в медицине;
- отсутствие в его составе твердосмазочного наполнителя, обеспечивающего низкий коэффициент трения и высокую износостойкость, определяющую ресурс работы трибоузла.
Наиболее близким аналогом является композитная деталь для внутрикостной имплантации и способ изготовления такой детали из патента РФ 2609870, опубл. 06.02.2017 [3].
Изобретение относится к медицине и представляет собой имплантат для внутрикостной имплантации, выполненный из материала, содержащего: термопластическое органическое связующее, представляющее собой полиэфирэфиркетон (ПЭЭК); волоконный наполнитель, волокна которого выполнены из поли(амида-имида); наполнитель из соединения на основе кальция, представляющего собой трехкальциевый фосфат Са3(PO4)2 с гексагональной в-структурой. Волокна, локализованные на поверхностном слое имплантата, в основном отслоены от связующего на всей длине или на части их длины. Изобретение относится также к способу изготовления имплантата. Технический результат заключается в равномерном распределении волокон, усиленном имплантате с увеличенной глубиной взаимопроникновения между имплантатом и костной тканью.
Недостатками наиболее близкого аналога являются:
- назначение разработанного композита на основе ПЭЭК только для замещения костной ткани;
- волокнистый наполнитель, требующий сложной технологии его равномерного распределения в матрице.
Технической задачей изобретения является разработка высокопрочного антифрикционного композита на основе полиэфирэфиркетона для медицины с повышенными физико-механическими и трибологическими свойствами для трибоузлов (коленные, локтевые и тазобедренные суставы, межпозвоночные диски и кейджи).
Указанный технический результат достигается тем, что высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины содержит наполнитель из соединения на основе кальция (гидроксиапатит-Ca10(PO4)6(OH)2), при этом дополнительно содержит политетрафторэтилен (ПТФЭ), при следующем соотношении компонентов, вес. %:
наногидроксиапатит (Ca10(PO4)6(OH)2 0,3-0,5;
политетрафторэтилен 8-10;
полиэфирэфиркетон остальное.
В композит введены: нанопорошок гидроксиапатита с размером наночастиц 20-30 нм; порошок полиэфирэфиркетона размером частиц 30-50 мкм и порошок политетрафторэтилена с размером частиц 6-20 мкм.
Композит обладает наиболее высокими физико-механическими и трибологическими свойствами при составе, вес. %: гидроксиапатит 0,3; политетрафторэтилен 10; полиэфирэфиркетон остальное.
Способ изготовления композита содержит этапы:
- перемешивание порошков полимерного связующего и наполнителей проводят путем диспергирования взвеси компонентов в этиловом спирте с ультразвуковой обработкой в течение 3-5 мин;
- горячее прессование при давлении 15-20 МПа и температуре 390-405 °С со скоростью последующего охлаждения 2-3 °С/мин.
Раскрытие изобретения.
Полиэфирэфиркетон (ПЭЭК), благодаря уникальному сочетанию различных физико-механических свойств, является одним из перспективных конструкционных полимерных материалов. Этот полимер обладает рядом ценных эксплуатационных свойств: высокая прочность, высокая термическая и химическая стойкость, высокая биосовместимость и повышенная ударная вязкость. ПЭЭК отличается стойкостью к длительной эксплуатации при низкой и повышенной температурах (от -40 до 260 °С), сохраняя при этом высокие механические свойства [4, 5]. Однако наряду с высокой прочностью и термостабильностью он имеет высокий коэффициент трения (0,34) и недостаточно высокую износостойкость. По этой причине полиэфирэфиркетон в исходном состоянии не используется в узлах трения как в машиностроении, так и в медицине.
Выбором наполнителей можно целенаправленно изменять функциональные свойства и расширять область применения ПЭЭК. В частности, для повышения механических свойств вводят армирующие волокна (углеродные, стеклянные, арамидные и др.) [6-8]. На рынке полимерных композитов в качестве конструкционных материалов наибольшее распространение получили композиции на основе ПЭЭК, содержащие порядка 30% углеродных либо стекловолокон [9-10]. В медицине рентгенопрозрачные имплантаты (CF/PEEK) используются в качестве межпозвоночных прокладок, шейных пластин, высокопрочных антикоррозионных крепежей и др. Однако, как было неоднократно показано в литературе, даже при трении по ненаполненному ПЭЭК стальное контртело может испытывать заметный износ [11], а также и при наполнении ПЭЭК армирующими волоками интенсивность износа может многократно возрастать [12].
Проблема придания ПЭЭК антифрикционных свойств решается путем введения твердосмазочных наполнителей, прежде всего политетрафторэтилена (ПТФЭ), который способен снижать интенсивность износа на несколько порядков [13]. В последнее время также активно разрабатываются нанокомпозиты на основе ПЭЭК [14]. При этом авторы показывают порой противоречивые данные о влиянии наполнителей на сопротивление изнашиванию композитов при сухом трении скольжения. Тем не менее, добавление (нано)частиц различного состава в качестве твердосмазочных включений не приводит к многократному повышению износостойкости. Более того, изменение состава композиции за счет наполнения при улучшении одних свойств, как правило, сопровождается ухудшением других. Введение в ПЭЭК частиц фторопласта традиционно сопровождается снижением деформационно-прочностных свойств [15]. Именно отсутствие межфазной адгезии, обусловленной неполярной природой ПТФЭ, препятствует получению однородных по структуре высокопрочных композитов. Компенсировать частичную потерю прочности предлагается улучшением структуры полимерного связующего/матрицы, например, введением (нано)наполнителей.
Введение в композит наногидроксиапатита в количестве 0,3-0,5 вес.% обосновано следующим. Содержание нанопорошка гидроксиапатита не менее 0,3 вес.% достаточно для армирования с целью сохранения прочностных характеристик ПЭЭК и равномерного распределения в композиции; гидроксиапатит в количестве выше 0,5 вес.% сложно равномерно распределить в композиции и коммерчески не обосновано.
Введение в композит политетрафторэтилена в количестве 8-10 вес. % достаточно для формирования равномерной пленки переноса на металлическом и керамическом контртелах.
Для медицинских приложений авторами изобретения предлагается пойти по пути улучшения структуры полимерной матрицы введением наночастиц гидроксиапатита (Ca10(PO4)6(OH)2), которые должны обеспечить решение нескольких задач. Во-первых, реализовать мелкодисперсное упрочнение полимера, в том числе за счет активации процессов на межфазной границе раздела «матрица-наполнитель»; во-вторых, обеспечить функцию повышение износостойкости, в качестве комплементарной к действию частиц ПТФЭ. В-третьих, получить многокомпонентный биосовместимый композит, пригодный в металло-полимерных и керамо-полимерных сопряжениях в ортопедии.
Для оптимизации состава трехкомпонентной композиции шли по пути последовательного исследования механических и трибологических характеристик двухкомпонентных смесей ПЭЭК с политетрафторэтиленом и гидроксиапатитом.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Для разработки материала заявленного состава использовали порошок PEEK фирмы Victrex со средним размером частиц 50 мкм и наполнители: политетрафторэтилен РТFЕ (размер частиц 6-20 мкм, марка Ф4-ПН20, ООО «Руфлон», РФ) и гидроксиапатит ГА (размер наночастиц 20-30 нм, ИХТТ СО РАН). Композиты на основе PEEK получали методом горячего прессования при давлении 15 МПа и температуре 400 °С со скоростью последующего охлаждения 2 °С/мин. Перемешивание порошков полимерного связующего и наполнителей проводили путем диспергирования взвеси компонентов в этиловом спирте в ультразвуковой ванне ПСБ-Галс 1335-05 (Центр ультразвукового оборудования ПСБ-Галс). Время обработки: 3 мин., рабочая частота генератора 22 кГц.
Твердость по Шору D определяли на приборе Instron 902 в соответствии с ASTM D 2240. Механические характеристики образцов на основе PEEK определяли при разрывных испытаниях на электромеханической испытательной машине Instron 5582 при растяжении образцов в форме двойной лопатки (ГОСТ 11262-80 / ISO 178: 2010).
Испытания образцов на основе PEEK на изнашивание в режиме сухого трения проводили по схеме «шар-по-диску» с использованием стального и керамического контртел при нагрузке P=10 Н и скорости скольжения V=0.3 м/с на трибометре CSEM CH-2000 в соответствии с ASTM G99. Диаметры контртел, выполненных из стали ШХ15 и диоксида циркония ZrO2, составлял 6 мм. Путь испытания равен 3 км, радиус траектории вращения (триботрека) – 10 мм, т.е. круговая частота вращения составляла 286 об/мин. Скорость изнашивания определяли путем измерения объема дорожки трения с помощью контактного профилометра Alpha-Step IQ (KLA-Tencor, USA).
Для наблюдения поверхностей дорожек трения испытанных образцов использовали оптический микроскоп Neophot 2 (Carl Zeiss, Германия), (Canon EOS 550D, Canon Inc., Japan). Надмолекулярную структуру композитов наблюдали с помощью растрового электронного микроскопа LEO EVO (Carl Zeiss, Германия).
Пример.
Для получения материала заявленного состава берут порошок PEEK фирмы Victrex со средним размером частиц 50 мкм и наполнители: политетрафторэтилен РТFЕ (размер частиц 6-20 мкм, марка Ф4-ПН20, ООО «Руфлон», РФ) и гидроксиапатит ГА (размер частиц 20-30 нм, ИХТТ СО РАН).
Взвешивание исходных компонентов проводят на аналитических весах с точностью 0,001 г. Берут исходный состав (5) компонентов: 0,3 г ГА (нано) + 10 г ПТФЭ + 89,7 г ПЭЭК, который соответствует заявленному количественному составу композита [0,3 % ГА (нано)+10 % ПТФЭ, остальное ПЭЭК].
Перемешивание порошков полимерного связующего (PEEK) и наполнителей проводили путем диспергирования взвеси компонентов в этиловом спирте в ультразвуковой ванне ПСБ-Галс 1335-05. Обработка проводилась в течение 3 минут, при рабочей частоте генератора 22 кГц.
Образцы композита размером 55×50×10 мм получали методом компрессионного спекания при давлении 15 МПа и температуре 400 °С со скоростью последующего охлаждения 2 °С/мин. Использовали термопресс компании GoTech (Тайвань) с усилием до 50 тонн и верхней температурой нагрева 320 °С. Далее проводились исследования физико-механических и трибологических характеристик полученных образцов композита.
Физико-механические и трибологические характеристики образцов композита состава (5) приведены в таблицах 1 и 2. Для сравнения в таблицах 1 и 2 приведены физико-механические и трибологические характеристики ПЭЭК (1) и композитов на его основе других составов (2, 3, 4)
В таблице 1 приведены физико-механические характеристики ПЭЭК и композитов на его основе.
Таблица 1
№п/п Составы образцов, вес. % Плотностьρ, г/см3 Твердость по Шору Д Модуль упругости E, МПа Предел прочности σВ, МПа Удлинение при разрыве ε, %
1 ПЭЭК 1,308 80,1±1,17 2840±273 106,9±4,7 25,6±7,2
2 +0,3 % ГА (нано) 1,304 78,7±0,4 3076±79 108,5±3,1 18,3±2,7
3 +7 % ГА (нано) 1,348 80,5±0,8 3248±144 102,5±2,4 8,1±1,5
4 +10 % ПТФЭ 1,324 77,3±0,2 2620±158 83,9±2,4 4,4±0,7
5 +0,3 % ГА (нано)
+10 % ПТФЭ
1,344 77,9±0,2 2688±104 85,2±2,0 9,7±0,9
В таблице 2 представлены трибологические свойства всех исследованных композиций в условиях сухого трения по металлическому и керамическому контртелу. Из таблицы 2 следует, что тройная композиция по трибологическим характеристикам эффективнее всех двойных. Наименьший коэффициент трения и скорость износа наблюдаются в тройной композиции «ПЭЭК+0,3 вес.% ГА+10 вес. % ПТФЭ). Коэффициент трения в условиях скольжения по металлическому контртелу уменьшается в 2,5 раза по сравнению с ненаполненным полимером, а по керамическому – в 3,4 раза. Интенсивность объемного износа в условиях скольжения по металлическому контртелу уменьшается в 14,5 раза по сравнению с матрицей, а по керамическому – в 13 раз.
Таблица 2
№п/п Составы образцов
вес.%
Коэффициент трения ƒ Интенсивность износа,10-6 мм3/Н*м
Металлическое контртело Керамическое контртело Металлическое контртело Керамическое контртело
1 ПЭЭК 0,34±0,03 0,27±0,02 11,67±1,00 3,00±0,33
2 +0,3 % ГА(нано) 0,30±0,02 0,19±0,02 7,33±0,33 0,97±0,10
3 +7 % ГА (нано) 0,23±0,02 0,12±0,01 0,97±0,07 0,37±0,03
4 +10 % ПТФЭ 0,17±0,02 0,09±0,01 0,93±0,07 0,47±0,07
5 +0,3 % ГА(нано)
+10 % ПТФЭ
0,14±0,02 0,08±0,01 0,80±0,07 0,23±0,02
Изобретение иллюстрируются фигурами 1-5.
На фиг. 1 представлена зависимость коэффициента трения от дистанции испытаний (а, в) и его среднее значение (б, г) для образцов чистого ПЭЭК (1) и композитов на его основе с ГА и ПТФЭ: «ПЭЭК+0,3 вес. % ГА» (2); «ПЭЭК+7 вес. % ГА» (3); «ПЭЭК+10 вес. % ПТФЭ» (4); «ПЭЭК+0,3 вес. % ГАП + 10 вес. % ПТФЭ» (5) при испытании по металлическому (а, б) и керамическому (в, г) контртелам.
На фиг. 2 представлена интенсивность изнашивания образцов ПЭЭК (1) и композитов на его основе с наполнением ГА и ПТФЭ: «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА» (2); «ПЭЭК + 7 вес. % ГА» (3); «ПЭЭК + 10 вес. % ПТФЭ» (4); «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» (5) при сухом трении скольжения по стальному и керамическому контртелам.
На фиг. 3 представлены РЭМ-фотографии надмолекулярной структуры ненаполненного ПЭЭК (а) и композитов на его основе: «ПЭЭК + 10 вес. % ПТФЭ» (б), «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» (в).
На фиг. 4 представлена топография поверхностей износа полимерных образцов, стального контртела и профили дорожки трения после дистанции испытаний 3 км: чистый ПЭЭК (а, б, в); «ПЭЭК+0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» (г, д, е).
На фиг. 5 представлена топография поверхностей износа полимерных образцов, керамического контртела и профили дорожки трения после дистанции испытаний 3 км: чистый ПЭЭК (а, б, в); «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» (г, д, е).
Из фиг. 1 и 2 следует, что введение в матрицу ПЭЭК 10 вес. % ПТФЭ обеспечивает как низкий коэффициент трения (1, а и в, столбец 4) и высокую износостойкость (фиг. 2, ст. 4) в обоих случаях трибосопряжения (металлическое и керамическое контртела). Однако введение политетрафторэтилена в ПЭЭК сильно понижает прочностные свойства композиции (модуль упругости, предел текучести, удлинение при растяжении) (табл. 1). Введение в полимерную матрицу 7 вес. % ГА (нано) способно повысить модуль упругости ПЭЭК-композита на 11 %, но при этом коэффициент трения композиции значительно выше, чем при введении ПТФЭ за счет агломерирования большого количества нанонаполнителя (фиг. 1). Поэтому тройная композиция «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» оказывается наиболее эффективной: ПТФЭ обеспечивает твердосмазочное действие в трибосопряжении с металлическим и керамическим контртелам, а небольшое количество ГА (0,3 вес. %) достаточно для компенсирования потери механических свойств матрицы за счет введения ПТФЭ и дополнительно к последнему повышение биосовместимости.
Ниже приведены фотографии надмолекулярной структуры и поверхности изнашивания ненаполненного полимера и тройного композита «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ», которые свидетельствуют о том, что надмолекулярная структура тройного композита равномерная, а нанонаполнитель в композиции не агломерирован (фиг. 3, в).
Поверхности трения образцов ненаполненного ПЭЭК и композита «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» и контртел (металлического и керамического) приведены на фиг. 4 и 5.
Шероховатость поверхностей износа образцов композита «ПЭЭК + 0,3 вес. % ГА + 10 вес. % ПТФЭ» уменьшается в 2,7 раза в металло-полимерном сопряжении и в 2,2 раза в керамо-полимерном сопряжении по сравнению с ненаполненным ПЭЭК. На контртелах образуется пленка переноса из фторопласта [15], формируя фактически полимер-полимерное трибосопряжение (износостойкость композита повышается в 13-14 раз).
Источники информации:
1. Патент РФ 2338557, опубл. 20.11.
2. Патент РФ 2197509, опубл. 27.01.2003.
3. Патент РФ 2609870, опубл. 06.02.2017.
4. Abid Haleem, Mohd Javaid. Polyether ether ketone (PEEK) and its manufacturing of customised 3D printed dentistry parts using additive manufacturing // Clinical Epidemiology and Global Health, 2019, Volume 7, Issue 4, 654-660. DOI:10.1016/j.cegh.2019.03.001.
5. A. A. Stepashkin, D. I. Chukov, F. S. Senatov, A. I. Salimon, A. M. Korsunky, S. D. Kaloshkin. 3D-printed PEEK-carbon fiber (CF) composites: Structure and thermal properties // Composites Science and Technology, 2018, Vol. 164, 319-326. DOI: 10.1016/j.compscitech.2018.05.032.
6. Z. Rasheva, G. Zang, Th. Burkhart. A correlation between the tribological and mechanical properties of SCF reinforced PEEK materials with different fiber orientation // Tribology International, 2010, Volume 43, Issue 8, 1430-1437.
7. M. Sumer, H. Unal, A. Mimaroglu, Evaluation of tribological behavior of PEEK and glass fiber reinforced PEEK composite under dry sliding and water lubricated conditions // Wear, 2008, Volume 265, Issues 7-8, 1061-1065.
8. Lu, Z.P.; Friedrich, K. On sliding friction and wear of PEEK and its composites. Wear. 1995, 181-183, 624-631. DOI:10.1016/0043-1648(95)90178-7.
9. Unal H., Mimaroglu A. Friction and wear chracteristics of PEEK and its composite under water lubrication // Journal of reinforced plastics and composites, 2006, Vol. 25 (16), 1659-1667.
10. D. Kumar, T. Rajmohan, S. Venkatachalapathi. Wear Behavior of PEEK matrix composites: A review // Materials today: Proceedings, 2018, Vol. 5 (6), 14583-14589. DOI: 10.1016/j.matpr.2018.03.049.
11. S. M. Kurtz, J. Nevelos. PEEK Biomaterials handbook. Plastics Design Library, 2012, 297 p.
12. G. Kandemir, S. Smith, T. J. Joyce. Wear behavior of CFR PEEK articulated against CoCr under varying contact stresses: Low wear of CFR PEEK negated by wear of the CoCr counterface // Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2019, Vol.97, 117-125. DOI: 10.1016/j.jmbbm.2019.05.022.
13. Zalaznik, M.; Kalin, M.; Novak, S.; Jakša. G. Effect of the type, size and concentration of solid lubricants on the tribological properties of the polymer PEEK. Wear. 2016, 364-365, 31–39. DOI:10.1016/j.wear.2016.06.013.
14. S. V. Panin, Duc Anh Nguyen, L. A. Kornienko, L. R. Ivanova and B. B. Ovechkin. Comparison on efficiency of solid-lubricant fillers for polyetheretherketone-based composites// AIP Conference Proceedings 2051 (2018).
15. David L. Burris, W. Gregory Sawyer. Tribological behavior of PEEK components with composition graded PEEK/PTFE surfaces // Wear, 2007, Volume 262, Issues 1-2, 220-224.

Claims (6)

1. Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для изготовления деталей суставных имплантатов, содержащий наполнитель на основе кальций-фосфатного соединения, такой как наногидроксиапатит, отличающийся тем, что он дополнительно содержит политетрафторэтилен при следующем соотношении компонентов, вес.%:
наногидроксиапатит (Са10(РО4)6(ОН)2) с размером частиц 20-30 нм 0,3-0,5; политетрафторэтилен с размером частиц 6-20 мкм 8-10; полиэфирэфиркетон с размером частиц 30-50 мкм остальное.
2. Композит по п. 1, отличающийся тем, что он обладает повышенными физико-механическими и трибологическими свойствами при составе, вес.%: гидроксиапатит 0,3; политетрафторэтилен 10; полиэфирэфиркетон остальное.
3. Способ изготовления композита по любому из пп.1-2, отличающийся тем, что содержит этапы:
перемешивание порошков полиэфирэфиркетона, политетрафторэтилена и наногидроксиапатита, которое проводят путем диспергирования взвеси компонентов в этиловом спирте с ультразвуковой обработкой в течение 3-5 мин;
горячее прессование при давлении 15-20 МПа и температуре 390-405°С со скоростью последующего охлаждения 2-3°С/мин.
RU2020109249A 2020-03-03 2020-03-03 Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления RU2729653C1 (ru)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109249A RU2729653C1 (ru) 2020-03-03 2020-03-03 Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020109249A RU2729653C1 (ru) 2020-03-03 2020-03-03 Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2729653C1 true RU2729653C1 (ru) 2020-08-11

Family

ID=72086133

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020109249A RU2729653C1 (ru) 2020-03-03 2020-03-03 Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2729653C1 (ru)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115737933A (zh) * 2022-11-29 2023-03-07 华南理工大学 表面大贯通孔结构的径向梯度羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料支架及其制备方法与应用

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2197509C1 (ru) * 2001-06-08 2003-01-27 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Полимерная композиция биомедицинского назначения
WO2006113642A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-26 Duke University Three-dimensional fiber scaffolds for tissue engineering
WO2007123861A2 (en) * 2006-04-18 2007-11-01 University Of Florida Prosthetic device
RU2338557C2 (ru) * 2002-12-24 2008-11-20 КАДОРЕЛЬ Катрин Материал для медицинских или ветеринарных нужд, способ его получения и использование
CN105013017A (zh) * 2014-04-21 2015-11-04 圆容生物医药无锡有限公司 一种微创骨科植入组合物
US9250620B2 (en) * 2012-03-08 2016-02-02 Brett Kotlus 3D design and fabrication system for implants
RU2609870C2 (ru) * 2011-07-13 2017-02-06 КАДОРЕЛЬ Катрин Композитная деталь для внутрикостной имплантации и способ изготовления такой детали

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2197509C1 (ru) * 2001-06-08 2003-01-27 Институт элементоорганических соединений им. А.Н. Несмеянова Полимерная композиция биомедицинского назначения
RU2338557C2 (ru) * 2002-12-24 2008-11-20 КАДОРЕЛЬ Катрин Материал для медицинских или ветеринарных нужд, способ его получения и использование
WO2006113642A1 (en) * 2005-04-18 2006-10-26 Duke University Three-dimensional fiber scaffolds for tissue engineering
WO2007123861A2 (en) * 2006-04-18 2007-11-01 University Of Florida Prosthetic device
RU2609870C2 (ru) * 2011-07-13 2017-02-06 КАДОРЕЛЬ Катрин Композитная деталь для внутрикостной имплантации и способ изготовления такой детали
US9250620B2 (en) * 2012-03-08 2016-02-02 Brett Kotlus 3D design and fabrication system for implants
CN105013017A (zh) * 2014-04-21 2015-11-04 圆容生物医药无锡有限公司 一种微创骨科植入组合物

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115737933A (zh) * 2022-11-29 2023-03-07 华南理工大学 表面大贯通孔结构的径向梯度羟基磷灰石/聚醚醚酮复合材料支架及其制备方法与应用

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ge et al. Increasing the wear resistance of UHMWPE acetabular cups by adding natural biocompatible particles
KR20090003292A (ko) 표면을 지탱하는 복합 물질을 포함하는 조립체 및 복원 또는 인공 관절에 있어서 그의 용도
Johnson et al. Wear behavior of carbon nanotube/high density polyethylene composites
Zhao et al. Effects of surface oxidation treatment of carbon fibers on biotribological properties of CF/PEEK materials
Liu et al. Tuning the tribofilm nanostructures of polymer-on-metal joint replacements for simultaneously enhancing anti-wear performance and corrosion resistance
CN109364305B (zh) 一种纳米或微米陶瓷颗粒填充的聚醚醚酮基人工关节材料
Xiong et al. Friction, wear, and tensile properties of vacuum hot pressing crosslinked UHMWPE/nano‐HAP composites
Huang et al. Reciprocating sliding wear behavior of alendronate sodium-loaded UHMWPE under different tribological conditions
EP1839685B1 (en) Bearing material for a medical implant
RU2729653C1 (ru) Высокопрочный антифрикционный композит на основе полиэфирэфиркетона для медицины и способ его изготовления
Xin et al. A comparative bio-tribological study of self-mated PEEK and its composites under bovine serum lubrication
Hirwani et al. Bio-tribological studies of Structalit/UHMWPE composites as an alternative to UHMWPE for hip joint application
Kanagaraj et al. Tribological characterisation of carbon nanotubes/ultrahigh molecular weight polyethylene composites: the effect of sliding distance
Chamberlain et al. Wear properties of poly‐ether‐ether‐ketone bearing combinations under zero and cross shear kinematics in total knee arthroplasty
Nath et al. Tribological investigation of novel HDPE‐HAp‐Al2O3 hybrid biocomposites against steel under dry and simulated body fluid condition
Song et al. Study on the wettability and tribological behaviors of glass fiber reinforced poly (ether-ether-ketone) against different polymers as bearing materials for artificial cervical disc
Song et al. Study on the Tribological Behaviors of Different PEEK Composite Coatings for Use as Artificial Cervical Disk Materials
Chowdhury et al. Wear characteristic and biocompatibility of some hydroxyapatite–collagen composite acetabular cups
Das et al. Fabrication and selection of suitable biomaterials for acetabular liner of hip implants by using TOPSIS method
Hirwani et al. Mechanical and tribological studies of SU-8 composites filled with UHMWPE and Gum Acacia under dry and bovine serum albumin lubricated conditions
Arevalo et al. An overview of the tribological and mechanical properties of PEEK and CFR-PEEK for use in total joint replacements
Xiang et al. Study on tribological properties of CoCrMo alloys against metals and ceramics as bearing materials for artificial cervical disc
Singh et al. Production and tribological performance under sliding contact conditions of zirconia and reduced graphene oxide loaded polymer nanocomposites for biomedical applications
Al-Mutairi et al. Mechanical properties and wear behavior of polypropylene/hydroxyapatite nanocomposite
Das et al. Tribological performances of a novel biopolymeric material HD-HA for hip joint implants

Legal Events

Date Code Title Description
TC4A Change in inventorship

Effective date: 20201016