SU1599028A1

SU1599028A1 - Method of preparing surfaces of implants for prosthesis

Info

Publication number: SU1599028A1
Application number: SU874336299A
Authority: SU
Inventors: Валерий Игоревич Арциховский; Юрий Михайлович Ясельский; Владимир Михайлович Машков; Валентин Васильевич Никитенко
Original assignee: В. И. Арциховский, Ю. М. Ясельский, В. М. Машков и В. В. Никитенко
Priority date: 1987-10-19
Filing date: 1987-10-19
Publication date: 1990-10-15

Abstract

Изобретение относитс к медицинской технике. Цель изобретени - улучшение врастани костной ткани в конструкцию материала. На поверхности имплантатов производ т углублени сфокусированным лазерным излучением, после чего полость образованных лунок переменной глубины закрывают биорастворимым материалом с одновременным воздействием ультразвуковыми колебани ми, причем обработку лазерным лучом провод т с пропуском р да лунок при оптимальной дл данного материала мощности лазерного излучени , а обработку ранее пропущенных р дов производ т при уменьшении на 30-40% мощности лазерного излучени . Способ может быть использован дл обработки элементов конструкций эндопротезов крупных суставов, выполненных из специальных сплавов, пластических масс, композиционных материалов и керамики.The invention relates to medical technology. The purpose of the invention is to improve the growth of bone tissue in the construction of the material. On the surface of the implants, holes are made with focused laser radiation, after which the cavity of the formed wells of varying depth is covered with a biosoluble material with simultaneous exposure to ultrasonic vibrations, and the laser beam is processed with a pass of the well and the laser power is optimal the missing rows are produced with a 30-40% reduction in laser power. The method can be used to process the structural elements of endoprostheses of large joints made of special alloys, plastics, composite materials and ceramics.

Description

Изобретение относитс к медицине.This invention relates to medicine.

Целью изобретени вл етс улучшение врастани костной ткани в конструкцию материала за счет учета скорости процесса регенерации и скорости процесса рассасывани материала.The aim of the invention is to improve the ingrowth of bone tissue into the construction of a material by taking into account the speed of the regeneration process and the speed of the resorption process of the material.

Способ осуществл ют следующим образом .The method is carried out as follows.

Дл отработки технологии и вы влени положительного эффекта были изготовлены различные варианты образцов из различных материалов (полиэтилен ПОВММ, сталь 18X9 ЮТ, сплав ВТ1 - 1, керамика и композиты ). Технологи изготовлени образцов из полиэтилена включает в себ следующие операции: изготовление армирующих элементов и их заливка под давлением в пресс- формах, удаление литников из заусенец, термостабилизаци . Последующа лазерна обработка производитс на лазерной установке типа ЛТН-103 или «КВАНТ-12 с фокусирующей системой и приспособлением дл ориентации заготовки, в качествеTo refine the technology and to reveal the positive effect, various versions of samples were made of various materials (polyethylene POVMM, 18X9 UT steel, VT1-1 alloy, ceramics and composites). The technology of making samples of polyethylene includes the following operations: the manufacture of reinforcing elements and their casting under pressure in molds, removal of sprues from burrs, thermal stabilization. Subsequent laser processing is carried out on an LTN-103 or KVANT-12 laser setup with a focusing system and a device for orientation of the workpiece, as

которого использовали стол оТ станка с ЧПУ. Программа управлени движением стола учитывает конфигурацию издели , материал издели , геометрию наносимых лунок и режим работы лазерного оборудовани . При обработке сложной геометрии элементов конструкции эндопротеза процесс идет в автоматическом режиме без участи оператора и обеспечивает соблюдение всех технологических параметров. Мощность лазерного излучени определ етс технологическим процессом и лежит в пределах 0,7-1,5 Дж при длительности импульса 0,1 - 0,5 мс. В результате проведенных экспериментов установлены следующие средние значени параметров: диаметр лунок S/i 0,01 -1,5 мм, глубина лунок ,03- -1,7 мм, шаг нанесени лунок , 1 - -0,2 мм, скважность лунок (отношение глубины к среднему диаметру) ,5-10. Кроме того, геометри лунок может предусматривать не только выполнение отдельных лунок кратерной формы от воздейстсдwhich used the table ot CNC machine. The program for controlling the movement of the table takes into account the configuration of the product, the material of the product, the geometry of the holes being applied and the mode of operation of the laser equipment. When processing a complex geometry of the elements of the endoprosthesis design, the process proceeds automatically without the participation of the operator and ensures compliance with all technological parameters. The laser power is determined by the technological process and lies in the range of 0.7-1.5 J with a pulse duration of 0.1 - 0.5 ms. As a result of the conducted experiments, the following average values of the parameters were established: S / i hole diameter 0.01-1.5 mm, hole depth, 03-1-1.7 mm, step of drawing the holes, 1-0.2 mm, hole ratio ( the ratio of depth to average diameter), 5-10. In addition, the hole geometry can provide not only the execution of individual holes of the crater shape from impact

соwith

CDCD

ОABOUT

гоgo

0000

ВИЯ единичного импульса, но и удлиненные микропазы различной формы и ориентации. Таким образом, лазерна технологи дает широкие возможности создани искусственной архитектоники, котора может рационально согласовыватьс с архитектоникой натурной костной ткани.VIA of a single impulse, but also elongated micropases of various shapes and orientations. Thus, laser technology provides wide possibilities for creating artificial architectonics that can be rationally coordinated with the architectonics of natural bone tissue.

При лазерной технологии приготовлени материала дл имплантата обработка имеет свои особенности. Так, в случае обработкиWith laser technology for preparing material for an implant, treatment has its own characteristics. So, in the case of processing

всевозможными добавками как лечебных, так и стимулирующих рост костной ткани препаратов .all sorts of supplements, both medicinal and stimulating the growth of bone tissue.

Особое значение- дл биорастворимого материала имеет его твердость, котора вли ет на течение процесса эндопротезировани . Так, в случае если эластичность и твердость биорастворимого материала меньше, нежели у основы, в которой выполнены лунки , то при монтаже плотной посадкой заOf particular importance for a biosoluble material is its hardness, which affects the course of the arthroplasty process. So, if the elasticity and hardness of the biosoluble material is less than that of the base in which the wells are made, then when mounted, a tight fit will

лунок с близкорасположенными р дами, с ша- 10 счет обжати костной тканью происходитholes with closely spaced rows, with a sh-10 expense of compression of bone tissue occurs

гом Stu (0,5-0,8) S/, происходит теплова деформаци лунок, оплавление за счет уменьшени тела Материала после обработки пре- дыдуш.его р да чеек. Дл исключени этого отрицательного эффекта и дл повышени качества обработанной поверхности предлагаетс первоначально проводить лазерную обработку через р д, а потом при мош,ности лазерного луча уменьшенной на 30-40%, обработку ранее пропущенного р 15Stu (0.5–0.8) S /, thermal deformation of the wells takes place, melting due to a decrease in the body of the Material after the processing of the previous row of cells. To eliminate this negative effect and to improve the quality of the treated surface, it is proposed to initially carry out laser treatment through a series, and then with a laser beam reduced by 30-40%, the processing of the previously missed p 15

выдавливание биорастворимого материала из пор и его замещение костной стружкой . В случае большей твердости биорастворимого материала возможно его выкрашивание из лунок основного материала. Исход из приведенных исследований и теоретических предположений твердость биорастворимого материала может находитьс в пределах 35-81 ед.по Шору.squeezing the biosoluble material from the pores and replacing it with bone chips. In the case of greater hardness of the biosoluble material, it is possible to be chipped from the holes of the base material. Based on the above studies and theoretical assumptions, the hardness of the biosoluble material can be in the range of 35-81 units in Shore.

Дл нанесени биорастворимого покрыда . Далее после контрол производ т нане- 20 ти в лабораторных услови х необходимо сение биорастворимого материала. В случаеследующее оборудование: емкость дл раствора , излучатель ультразвуковых колебаний с частотой 20-300 кГц, сушильный шкаф.For the application of a biosoluble coating. Further, after control, it is necessary to produce biologically soluble material under laboratory conditions. In the following equipment: solution tank, emitter of ultrasonic vibrations with a frequency of 20-300 kHz, drying oven.

необходимости выполнени поверхности имплантата с большой пористостью возможно нанесение микролунок лазерной технологией на уже существующую поверхность с готовой микроструктурой, ранее выполненной другими технологическими способами, например накаткой кокильным литьем и др. Макролунки могут быть нанесены также лазерной технологией с необходимой фоку25the need to perform an implant surface with a large porosity, it is possible to apply microholes with laser technology to an already existing surface with a finished microstructure previously made by other technological methods, for example, by chill casting, etc. Macroholes can also be applied by laser technology with the necessary focus.

щетки дл удалени излищков состава, скребки.brushes to remove the composition wrinkles, scrapers.

Изделие предварительно обезжиривают и очищают от технологических остатков, после чего его окунают в емкость с составом с одновременным озвучиванием ультразвуковыми колебани ми с частотой 20-The product is pre-degreased and cleaned of process residues, after which it is dipped into a container with the composition with simultaneous sounding by ultrasonic vibrations at a frequency of 20

сировкой лазерного луча. На втором этапе 300 кГц. Проведенные исследовани показаобработки микролунок они нанос тс посредством лазерной технологии.the alignment of the laser beam. At the second stage 300 kHz. Microwell display processing studies have been performed using laser technology.

Что же касаетс выбора шага размещени лунок в реальных услови х проектировани эндопротезов крупных суставов, то он должен определ тьс архитектоникой костной ткани и функциональной нагрузкой. Так, например, в случае разработки конструкции тазобедренного сустава в его вертельной части пористость должна быть выполнена большей, нежели в нижней части ножки. Кроме того, пористость может измен тьс по сечению ножки эндопротеза, а геометри лунок может измен тьс в широких пределах в зависимости от состо ни костной ткани.As for the choice of the pitch of the placement of holes in the real world, the design of endoprostheses of large joints, it should be determined by the bone tissue architecture and functional load. So, for example, in the case of the design of a hip joint in its spit part, the porosity should be made greater than in the lower part of the leg. In addition, the porosity may vary over the cross section of the leg of the endoprosthesis, and the geometry of the wells may vary within wide limits depending on the state of the bone tissue.

3535

ли, что ведение процесса без ультразвуковой обработки снижает количество нанесени покрыти и только 5-20% пор могут быть полностью закрыты биорастворимым составом. В то же врем при использовании ультразвукового озвучивани за счет возникновени капилл рного эффекта было установлено полное заполнение лунок биорастворимым материалом. Кроме того, дл улучшени сил адгезии биорастворимого материала к материалу, обработанно40 му лазерной технологией, целесообразно его предварительно покрывать тонким слоем поверхностно-активных веществ (ПАВ). Особенно необходима обработка ПАВ при использовании в качестве основного материала высокомолекул рного полиэтилена, имеюIt is believed that conducting the process without ultrasonic treatment reduces the amount of coating and only 5–20% of the pores can be completely closed with a biosoluble composition. At the same time, when using ultrasonic sounding due to the capillary effect, it was found that the wells were completely filled with a biosoluble material. In addition, in order to improve the adhesion forces of the biosoluble material to the material treated with laser technology, it is advisable to precoat it with a thin layer of surfactants. The treatment of surfactants is especially necessary when using high molecular weight polyethylene as the base material;

При дополнительном закрытии лунок биорастворимым материалом исключаетс за- бива,ние лунок основного материала при плотной установке эндопротеза. В качестве биорастворимого материала могут быть использованы , например, составы на основе желатина с добавками минеральных солей или инертных наполнителей (графит, аэро- сил, керамические материалы и т. п.). При проведении части исследований использовалс состав, состо щий из бетатера- кальций фосфата 55%, желатина 35%, помо- ла кетгута 5%, циакрин - остальное. В общем случае биорастворимый состав может включать не только желатин в ка чест- ве основы, но и другие материалы соWith the additional closure of the wells with a biosoluble material, the blockage of the wells of the base material with the endoprosthesis fitted tightly is excluded. As a biosoluble material, for example, gelatin-based compositions with additives of mineral salts or inert fillers (graphite, aerosil, ceramic materials, etc.) can be used. In part of the research, a composition consisting of beta-teracic calcium phosphate 55%, gelatin 35%, pomme catgut 5%, cyacrine - the rest was used. In the general case, the biosoluble composition can include not only gelatin as the basis, but also other materials with

счет обжати костной тканью происходит the expense of bone tissue reduction occurs

счет обжати костной тканью происходитthe expense of bone tissue reduction occurs

Дл нанесени биорастворимого покрыти в лабораторных услови х необходимо следующее оборудование: емкость дл раствоIn order to apply a biosoluble coating in a laboratory, the following equipment is needed: a solution tank

300 кГц. Проведенные исследовани показа5300 kHz. Studies show5

00

5 five

ли, что ведение процесса без ультразвуковой обработки снижает количество нанесени покрыти и только 5-20% пор могут быть полностью закрыты биорастворимым составом. В то же врем при использовании ультразвукового озвучивани за счет возникновени капилл рного эффекта было установлено полное заполнение лунок биорастворимым материалом. Кроме того, дл улучшени сил адгезии биорастворимого материала к материалу, обработанно0 му лазерной технологией, целесообразно его предварительно покрывать тонким слоем поверхностно-активных веществ (ПАВ). Особенно необходима обработка ПАВ при использовании в качестве основного материала высокомолекул рного полиэтилена, имею щего высокие гидрофобные свойства. Однако биологический состав ПАВ должен быть согласован с услови ми пребывани конструкции в организме и биосовместимостью. Был проведен р д экспериментов на собаках по следующей схеме: остеотоми в средней части бедренной кости задней конечности, подготовка специальным инструментарием костномозгового канала дл проведени остеосинтеза, проведение внутри- костного остеосинтеза посредством штифтов, изготовленных по предлагаемой технологии. Вы вление положительного эффекта проводилось на образцах выделенной бедренной кости, вз тых у забитых животных. Образцы подвергались исследованию на стендахIt is believed that conducting the process without ultrasonic treatment reduces the amount of coating and only 5–20% of the pores can be completely closed with a biosoluble composition. At the same time, when using ultrasonic sounding due to the capillary effect, it was found that the wells were completely filled with a biosoluble material. In addition, in order to improve the adhesion forces of the biosoluble material to the material treated with laser technology, it is advisable to precoat it with a thin layer of surfactants. The treatment of surfactants is especially necessary when high-molecular polyethylene with high hydrophobic properties is used as the base material. However, the biological composition of the surfactant must be consistent with the conditions of stay of the structure in the body and biocompatibility. A series of experiments were carried out on dogs according to the following scheme: osteotomy in the middle part of the hip bone of the hind limb, preparation of bone marrow canal for osteosynthesis with special tools, intraosseous osteosynthesis using pins made according to the proposed technology. A positive effect was detected on samples of the isolated femur taken from slaughtered animals. Samples were tested on stands.

дл определени усили врастани костной ткани в структуру материала. Дл получени сравнительных результатов одновременно проводили остеосинтез с использованием образцов, подготовленных по известной технологии.to determine the bone growth in the structure of the material. To obtain comparative results, osteosynthesis was performed simultaneously using samples prepared according to known technology.

Проведенные исследовани показали, что в сравнении с имплантатом, поверхность которого имела только углублени , выполненные пластическим деформированием, в предФормула изобретени Studies have shown that, in comparison with an implant, the surface of which had only depressions made by plastic deformation, in the pre-formula of the invention

Способ подготовки поверхности импланта- тов дл протезировани путем выполнени g углублений на поверхности имплантата, отличающийс тем, что, с целью улучшени врастани костной ткани в конструкцию материала, углублени на поверхности имплантата производ т с фокусированным лазерным излучением, после чего полость обложенном варианте увеличилось усилие из- 10 разованных лунок переменной глубины завлечени штифтов из образцов костнойполн ют биорастворимым материалом с од- ткани в 1,2-1,8 раза. В отдельных случа х было вы влено увеличение усили в 2,6 раза, что говорит о повышенном эффекте вли ни согласовани архитектоники искусственного материала и натурной костной ткани.The method of preparing the surface of the implants for prosthetics by making g grooves on the surface of the implant, characterized in that, in order to improve bone tissue ingrowth in the material design, the cavities on the surface of the implant are produced with focused laser radiation, after which the cavity of the coated version increases the force from - 10 developed wells of varying depth of capturing pins from bone samples with bi-soluble material from one tissue 1.2-1.8 times. In some cases, an increase in the force by a factor of 2.6 was revealed, which indicates an increased effect of coordinating the architectonics of the artificial material and natural bone tissue.

новременным воздействием ультразвуковыми колебани ми, обработку лазерным лучом провод т с пропуском р да лунок, причем об- .с работку ранее пропущенных р дов производ т при уменьшении на 30-40% мощности лазерного излучени .With a modern exposure to ultrasonic vibrations, the laser beam treatment is performed with the omission of a row of wells, and the processing of previously omitted rows is performed while the laser power is reduced by 30-40%.

Claims

Invention Formula

The method of preparing the surface of implants for prosthetics by making recesses on the surface of the implant, characterized in that, in order to improve bone ingrowth in the material design, recesses on the surface of the implant are produced with focused laser radiation, after which the cavity of the formed holes of varying depth is filled biosoluble material from one

characterized in that, in order to improve the ingrowth of bone tissue into the construction of the material, the recesses on the surface of the implant are produced with focused laser radiation, after which the cavity of the formed holes of varying depth is filled with a biosoluble material with one

With a modern exposure to ultrasonic vibrations, the laser beam treatment is carried out with the omission of a row of holes, and the processing of the previously omitted rows is performed while the laser power is reduced by 30-40%.