UA120582C2 - ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM - Google Patents
ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM Download PDFInfo
- Publication number
- UA120582C2 UA120582C2 UAA201902730A UAA201902730A UA120582C2 UA 120582 C2 UA120582 C2 UA 120582C2 UA A201902730 A UAA201902730 A UA A201902730A UA A201902730 A UAA201902730 A UA A201902730A UA 120582 C2 UA120582 C2 UA 120582C2
- Authority
- UA
- Ukraine
- Prior art keywords
- coating
- ceramic coating
- titanium
- implants
- pores
- Prior art date
Links
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 35
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 20
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 20
- 230000000844 anti-bacterial effect Effects 0.000 title claims abstract description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title abstract description 19
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title abstract description 17
- GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N Titan oxide Chemical compound O=[Ti]=O GWEVSGVZZGPLCZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 42
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 35
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims abstract description 21
- 239000004408 titanium dioxide Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 16
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 15
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 239000013081 microcrystal Substances 0.000 claims abstract description 12
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 11
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 11
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims abstract description 5
- 230000018044 dehydration Effects 0.000 claims description 8
- 238000006297 dehydration reaction Methods 0.000 claims description 8
- 230000007062 hydrolysis Effects 0.000 claims description 7
- 238000006460 hydrolysis reaction Methods 0.000 claims description 7
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims description 2
- 230000010065 bacterial adhesion Effects 0.000 abstract description 8
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 4
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 abstract description 2
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 7
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 7
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M Potassium hydroxide Chemical compound [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 4
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N Oxalic acid Chemical compound OC(=O)C(O)=O MUBZPKHOEPUJKR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 3
- AOWKSNWVBZGMTJ-UHFFFAOYSA-N calcium titanate Chemical compound [Ca+2].[O-][Ti]([O-])=O AOWKSNWVBZGMTJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 3
- 210000002808 connective tissue Anatomy 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N oxo(oxoalumanyloxy)alumane Chemical compound O=[Al]O[Al]=O TWNQGVIAIRXVLR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 3
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000009825 accumulation Methods 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000001580 bacterial effect Effects 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 230000000278 osteoconductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000012916 structural analysis Methods 0.000 description 2
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 2
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910002012 Aerosil® Inorganic materials 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000588724 Escherichia coli Species 0.000 description 1
- PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N Manganese Chemical compound [Mn] PWHULOQIROXLJO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920000388 Polyphosphate Polymers 0.000 description 1
- 241000589517 Pseudomonas aeruginosa Species 0.000 description 1
- 241000191967 Staphylococcus aureus Species 0.000 description 1
- 206010052428 Wound Diseases 0.000 description 1
- 208000027418 Wounds and injury Diseases 0.000 description 1
- HGWOWDFNMKCVLG-UHFFFAOYSA-N [O--].[O--].[Ti+4].[Ti+4] Chemical compound [O--].[O--].[Ti+4].[Ti+4] HGWOWDFNMKCVLG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000000443 aerosol Substances 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000007743 anodising Methods 0.000 description 1
- 230000000845 anti-microbial effect Effects 0.000 description 1
- 238000009835 boiling Methods 0.000 description 1
- 244000309464 bull Species 0.000 description 1
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 1
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000010835 comparative analysis Methods 0.000 description 1
- 210000003298 dental enamel Anatomy 0.000 description 1
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000003487 electrochemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006056 electrooxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 1
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 description 1
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 1
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 1
- 208000015181 infectious disease Diseases 0.000 description 1
- 230000016507 interphase Effects 0.000 description 1
- UEGPKNKPLBYCNK-UHFFFAOYSA-L magnesium acetate Chemical class [Mg+2].CC([O-])=O.CC([O-])=O UEGPKNKPLBYCNK-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000011572 manganese Substances 0.000 description 1
- 229910052748 manganese Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000002908 manganese Nutrition 0.000 description 1
- 229940071125 manganese acetate Drugs 0.000 description 1
- AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L manganese oxide Inorganic materials [Mn].O[Mn]=O.O[Mn]=O AMWRITDGCCNYAT-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L manganese(2+);methyl n-[[2-(methoxycarbonylcarbamothioylamino)phenyl]carbamothioyl]carbamate;n-[2-(sulfidocarbothioylamino)ethyl]carbamodithioate Chemical compound [Mn+2].[S-]C(=S)NCCNC([S-])=S.COC(=O)NC(=S)NC1=CC=CC=C1NC(=S)NC(=O)OC WPBNNNQJVZRUHP-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N manganese(2+);oxygen(2-) Chemical class [O-2].[Mn+2] PPNAOCWZXJOHFK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 150000004706 metal oxides Chemical class 0.000 description 1
- 244000005700 microbiome Species 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 201000008482 osteoarthritis Diseases 0.000 description 1
- 235000006408 oxalic acid Nutrition 0.000 description 1
- 150000003018 phosphorus compounds Chemical class 0.000 description 1
- 239000001205 polyphosphate Substances 0.000 description 1
- 235000011176 polyphosphates Nutrition 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
- GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H sodium hexametaphosphate Chemical compound [Na]OP1(=O)OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])OP(=O)(O[Na])O1 GCLGEJMYGQKIIW-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 1
- 235000019982 sodium hexametaphosphate Nutrition 0.000 description 1
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 239000001577 tetrasodium phosphonato phosphate Substances 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000009834 vaporization Methods 0.000 description 1
- 230000008016 vaporization Effects 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61F—FILTERS IMPLANTABLE INTO BLOOD VESSELS; PROSTHESES; DEVICES PROVIDING PATENCY TO, OR PREVENTING COLLAPSING OF, TUBULAR STRUCTURES OF THE BODY, e.g. STENTS; ORTHOPAEDIC, NURSING OR CONTRACEPTIVE DEVICES; FOMENTATION; TREATMENT OR PROTECTION OF EYES OR EARS; BANDAGES, DRESSINGS OR ABSORBENT PADS; FIRST-AID KITS
- A61F2/00—Filters implantable into blood vessels; Prostheses, i.e. artificial substitutes or replacements for parts of the body; Appliances for connecting them with the body; Devices providing patency to, or preventing collapsing of, tubular structures of the body, e.g. stents
- A61F2/02—Prostheses implantable into the body
- A61F2/30—Joints
-
- 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
-
- 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
- A61L27/10—Ceramics or glasses
-
- 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
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25D—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PRODUCTION OF COATINGS; ELECTROFORMING; APPARATUS THEREFOR
- C25D11/00—Electrolytic coating by surface reaction, i.e. forming conversion layers
- C25D11/02—Anodisation
- C25D11/26—Anodisation of refractory metals or alloys based thereon
Landscapes
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Transplantation (AREA)
- Public Health (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Dermatology (AREA)
- Medicinal Chemistry (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Heart & Thoracic Surgery (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Cardiology (AREA)
- Biomedical Technology (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Vascular Medicine (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
Abstract
Винахід належить до медицини. Антибактеріальне керамічне покриття для імплантів з титанових сплавів складається з кристалів діоксиду титану, причому в порах кераміки містяться мікрокристали діоксиду кремнію в кількості до 0,5-3 мас. %. Також заявлено спосіб одержання цього покриття мікродуговим оксидуванням під напругою до 240 В, яке проводять в електроліті, що складається з 2-3 % розчину гідроксиду натрію і 2-3 % розчину силікату натрію у співвідношенні 1:1. Група винаходів дозволяє одержати керамічне покриття для імплантів, що перешкоджає бактеріальній адгезії і забезпечує антибактеріальні властивості, що знижує вірогідність септичних ускладнень після операції.The invention relates to medicine. Antibacterial ceramic coating for implants of titanium alloys consists of crystals of titanium dioxide, and the pores of the ceramic contain microcrystals of silicon dioxide in an amount of up to 0.5-3 wt. %. Also claimed is a method of obtaining this coating by microarc oxidation at a voltage of up to 240 V, which is carried out in an electrolyte consisting of 2-3% sodium hydroxide solution and 2-3% sodium silicate solution in a ratio of 1: 1. The group of inventions allows to obtain a ceramic coating for implants, which prevents bacterial adhesion and provides antibacterial properties, which reduces the likelihood of septic complications after surgery.
Description
(57) Реферат:(57) Abstract:
Винахід належить до медицини. Антибактеріальне керамічне покриття для імплантів з титанових сплавів складається з кристалів діоксиду титану, причому в порах кераміки містяться мікрокристали діоксиду кремнію в кількості до 0,5-3 мас. 95. Також заявлено спосіб одержання цього покриття мікродуговим оксидуванням під напругою до 240 В, яке проводять в електроліті, що складається з 2-395 розчину гідроксиду натрію і 2-3 95 розчину силікату натрію у співвідношенні 1:1. Група винаходів дозволяє одержати керамічне покриття для імплантів, що перешкоджає бактеріальній адгезії і забезпечує антибактеріальні властивості, що знижує вірогідність септичних ускладнень після операції.The invention belongs to medicine. The antibacterial ceramic coating for implants made of titanium alloys consists of titanium dioxide crystals, and the pores of the ceramics contain microcrystals of silicon dioxide in the amount of up to 0.5-3 wt. 95. The method of obtaining this coating by micro-arc oxidation under a voltage of up to 240 V, which is carried out in an electrolyte consisting of 2-395 sodium hydroxide solution and 2-3 95 sodium silicate solution in a 1:1 ratio, is also claimed. The group of inventions makes it possible to obtain a ceramic coating for implants that prevents bacterial adhesion and provides antibacterial properties, which reduces the likelihood of septic complications after surgery.
Винахід належить до медицини, а саме - до травматології і ортопедії, і стосується, безпосередньо, удосконалення поверхні імплантів з титанових сплавів.The invention belongs to medicine, namely to traumatology and orthopedics, and directly concerns the improvement of the surface of implants made of titanium alloys.
Відомий спосіб використання діоксиду титану на поверхні імпланта для набуття діелектричних властивостей |Лукянченко В.В. з співавт. Деклараційний патент на корисну модель Мо 13893, Сферична головка ендопротеза суглоба переважно кульшового, Бюл. Мо 4, 17.04.2006). Згідно з патентом, на зовнішній поверхні імпланта нанесене керамічне покриття із суміші окису алюмінію АЇгОз і діоксиду титану ТО» товщиною 150,0-400,0 мкм, при цьому співвідношення окису алюмінію і діоксиду титану в зазначеному покритті складає як 0,9-0,98.A known method of using titanium dioxide on the surface of the implant to acquire dielectric properties | Lukyanchenko V.V. with coauthor Declaratory patent for utility model Mo 13893, Spherical head endoprosthesis of the hip joint, Bull. Mo 4, 17.04.2006). According to the patent, a ceramic coating made of a mixture of aluminum oxide AIgOz and titanium dioxide TO" with a thickness of 150.0-400.0 microns is applied to the external surface of the implant, while the ratio of aluminum oxide and titanium dioxide in the specified coating is 0.9-0, 98.
Керамічне покриття із суміші окису алюмінію А2Оз і діоксиду титану ТіОг» на зовнішній поверхні імпланта створює діелектричний шар. Поверхня керамічного покриття має ліофільні властивості, але не виключає бактеріальну адгезію.A ceramic coating made of a mixture of aluminum oxide A2Oz and titanium dioxide TiOg" on the external surface of the implant creates a dielectric layer. The surface of the ceramic coating has lyophilic properties, but does not exclude bacterial adhesion.
Відомий спосіб використання діоксиду титану на поверхні імпланта з титанового сплава для набуття діелектричних властивостей в 395 розчині МаонН (Нечаєв Г. Г. Микродуговое оксидированиє титановьїх сплавов в щелочньїх злектролитах. Конденсированнье средь! и межфазньсе границь. - 2012, Том 14, Мо 4. - С. 453-455). Згідно з цим способом на зовнішній поверхні імпланта методом мікродугового оксидування в однокомпонентному розчині гідроксиду натрію формується пористе керамічне покриття з діоксиду титану.A known method of using titanium dioxide on the surface of a titanium alloy implant to acquire dielectric properties in a 395 solution of MaonN (Nechaev H.G. Micro-arc oxidation of titanium alloys in alkaline electrolytes. Condensing medium and interphase boundaries. - 2012, Volume 14, Mo. 4. - pp. 453-455). According to this method, a porous ceramic coating of titanium dioxide is formed on the external surface of the implant by the method of micro-arc oxidation in a one-component solution of sodium hydroxide.
Наявність пор в керамічному покритті із двооксиду титану на зовнішній поверхні імпланта створює умови для проростання сполучної та кісткової тканин, має остеокондуктивні властивості, але не виключає бактеріальну адгезію.The presence of pores in the titanium dioxide ceramic coating on the external surface of the implant creates conditions for the growth of connective and bone tissues, has osteoconductive properties, but does not exclude bacterial adhesion.
Відомий спосіб одержання покриття з діоксиду титану на поверхні імпланта для набуття інертних властивостей в 0,5-1 95 розчині калію гідроксиду та 0,5-1,5 9о розчині силікату натрію, або багатокомпонентних електролітів, які містять натрію гексаметафосфат, манган або магнію ацетат комплекси поліфосфатметалів (Патент України на корисну модель Мо 30072, МПК С250 11/04, Електроліт для анодування сплавів титану., М.Д. Сахненко, М.В. Ведь, Т.П. Ярошок, О.В.There is a known method of obtaining a coating of titanium dioxide on the surface of the implant to acquire inert properties in a 0.5-1 95% solution of potassium hydroxide and a 0.5-1.5% solution of sodium silicate, or multicomponent electrolytes containing sodium hexametaphosphate, manganese or magnesium acetate complexes of polyphosphate metals (Patent of Ukraine for utility model Mo 30072, IPC C250 11/04, Electrolyte for anodizing titanium alloys., M.D. Sakhnenko, M.V. Ved, T.P. Yaroshok, O.V.
Богоявленська; власник патенту НТУ "ХПІ". заявка Мо и200711446, заявл. 15.10.2007; опубл. 11.02.2008; Бюл. Мо 3.Ї. Згідно з патентом, на зовнішній поверхні імпланта методом мікродугового оксидування в багатокомпонентному розчині дифосфату калію формується емалеподібне керамічне покриття діоксиду титану з домішками фосфору, оксидів марганцю таEpiphany; patent holder of NTU "KhPI". application No. 200711446, application no. 15.10.2007; published 11.02.2008; Bul. Mo 3.Yi. According to the patent, an enamel-like ceramic coating of titanium dioxide with impurities of phosphorus, manganese oxides and
Зо кобальту.From cobalt.
Виконання керамічного покриття із суміші оксидів металів на зовнішній поверхні імпланта робить його інертним, створює умови для вростання сполучної та кісткової тканин в пори, але високий вміст фосфору та наявність токсичних металів (марганець, кобальт) навіть в формі окислів, є недоліком. Також таке покриття не виключає бактеріальної адгезії на поверхню імпланта.Making a ceramic coating from a mixture of metal oxides on the external surface of the implant makes it inert, creates conditions for the growth of connective and bone tissue in the pores, but the high content of phosphorus and the presence of toxic metals (manganese, cobalt) even in the form of oxides are a disadvantage. Also, such a coating does not exclude bacterial adhesion to the surface of the implant.
Відомий спосіб створення покриття на імплантах з титанових сплавів методом мікродугового оксидування в розчині фосфорної кислоти. При цьому утворюється кристалічний двоокис титану. Така форма діоксиду титану має діелектричні властивості і біологічно сумісна. Інші електроліти (розчини гідроксиду калію і щавелевої кислоти) дають частково кристалічні покриття |Вахитов Б.И., Ситдикова И.Д. Сравнительньй анализ свойств покритий на титане и его сплавах, полученньїх различньми методами. Лечение артрозов. Все, кроме замень! сустава: Материальї Междисциплинарной научно-практической конференции с международньм участием (Казань, 13-14 мая 2016). - 2016, Казань: Изд-во Казан. ун-та, 2016. - С. 41-43).There is a known method of creating a coating on implants made of titanium alloys by the method of micro-arc oxidation in a phosphoric acid solution. At the same time, crystalline titanium dioxide is formed. This form of titanium dioxide has dielectric properties and is biologically compatible. Other electrolytes (solutions of potassium hydroxide and oxalic acid) give partially crystalline coatings | Vakhitov B.I., Sytdykova I.D. Comparative analysis of the properties of coatings on titanium and its alloys obtained by various methods. Treatment of arthrosis. Everything, except replacements! of the joint: Materials of the Interdisciplinary scientific and practical conference with international participation (Kazan, May 13-14, 2016). - 2016, Kazan: Kazan Publishing House. University, 2016. - pp. 41-43).
Наявність в складі покриття сполук фосфору, як залишків електроліту в порах кераміки, сприяє інтеграції імпланта з тканинами організма.The presence of phosphorus compounds in the composition of the coating, as electrolyte residues in the pores of ceramics, contributes to the integration of the implant with the tissues of the body.
До недоліків належить відсутність впливу покриття на мікроорганізми, бо гнійні ускладнення після імплантацій можуть досягати 2 95.Disadvantages include the lack of effect of the coating on microorganisms, as purulent complications after implantation can reach 2 95.
Відоме покриття на імплантах з титанових сплавів з діоксиду титану та титанат кальцію, під назвою "Ерісаке" від фірми МегеїефФ (Берлін, Германія). Наявність кальцію в покритті сприяє інтеграції імплантів та знижує акумуляцію бактерій в порівнянні з металевою поверхнею титанових сплавів.A well-known coating on implants is made of titanium alloys made of titanium dioxide and calcium titanate, called "Erisake" from the company MegeifF (Berlin, Germany). The presence of calcium in the coating promotes the integration of implants and reduces the accumulation of bacteria compared to the metal surface of titanium alloys.
До недоліків найближчого аналога належить те, що для отримання титанат кальцію необхідно тривало нагріти основу (імплант) до високої температури (9000-1100 "С), що впливає на фізичні властивості імпланта, а кристалічна форма діоксиду титану закривається емалеподібною поверхнею титанат кальцію. У формі емалі поверхня інертна, та не може бути біологічно активною. Таке покриття тільки знижує накопичення бактерій на поверхні, але не впливає на бактеріальні плівки.The disadvantages of the closest analogue include the fact that to obtain calcium titanate, it is necessary to heat the base (implant) for a long time to a high temperature (9000-1100 "С), which affects the physical properties of the implant, and the crystalline form of titanium dioxide is covered by an enamel-like surface of calcium titanate. In the form The enamel surface is inert and cannot be biologically active.This coating only reduces the accumulation of bacteria on the surface, but does not affect bacterial films.
Задача винаходу полягає у перетворенні поверхні титанових імплантів методом мікродугового оксидування в керамічне покриття, гідролізу і дегідратації складових електроліту бо в порах кераміки до мікрокристалів діоксиду кремнію з антибактеріальними властивостями. Це досягається утворенням на поверхні титанового сплаву кристалів діоксиду титану, гідролізом силікату натрію та дегідратацією гелю кремнієвої кислоти в порах керамічної поверхні до діоксиду кремнію в кількості до 0,5-3 мас. 9о, що попереджає електрохімічні реакції окислювання імпланта в організмі, перешкоджає бактеріальній адгезії і забезпечує антибактеріальні властивості, що, як наслідок, знижує вірогідність септичних ускладнень після операцій.The task of the invention is to transform the surface of titanium implants by the method of micro-arc oxidation into a ceramic coating, hydrolysis and dehydration of electrolyte components in the pores of ceramics to silicon dioxide microcrystals with antibacterial properties. This is achieved by the formation of titanium dioxide crystals on the surface of the titanium alloy, the hydrolysis of sodium silicate and the dehydration of the silicic acid gel in the pores of the ceramic surface to silicon dioxide in an amount of up to 0.5-3 wt. 9o, which prevents electrochemical reactions of oxidation of the implant in the body, prevents bacterial adhesion and provides antibacterial properties, which, as a result, reduces the likelihood of septic complications after operations.
Поставлена задача вирішується тим, що утворюється антибактеріальне керамічне покриття на імплантах з титанових сплавів, яке складається з кристалічного діоксиду титану, згідно з винаходом, в порах кераміки міститься мікрокристали діоксиду кремнію в кількості до 0,5-3 мас.The task is solved by the fact that an antibacterial ceramic coating is formed on implants made of titanium alloys, which consists of crystalline titanium dioxide, according to the invention, the pores of the ceramics contain microcrystals of silicon dioxide in an amount of up to 0.5-3 wt.
Чо.What
Поставлена задача вирішується також завдяки способу отримання керамічного покриття для імплантів з титанових сплавів мікродуговим оксидуванням, у якому, згідно з винаходом, мікрокристали діоксиду кремнію осаджують гідролізом і дегідратацією, що виникають у порах керамічного покриття при проходженні мікродугового розряду у анодно-катодному режимі в електроліті, що складається з 2-3 95 розчину гідроксиду натрію і 2-3 95 розчину силікату натрію у співвідношенні 1:11, при цьому процес мікродугового оксидування здійснюють під напругою до 240 В.The task is also solved thanks to the method of obtaining a ceramic coating for implants from titanium alloys by microarc oxidation, in which, according to the invention, microcrystals of silicon dioxide are deposited by hydrolysis and dehydration, which occur in the pores of the ceramic coating during the passage of a microarc discharge in the anodic-cathodic mode in the electrolyte, consisting of 2-3 95 sodium hydroxide solution and 2-3 95 sodium silicate solution in a ratio of 1:11, while the micro-arc oxidation process is carried out at a voltage of up to 240 V.
Збільшення концентрації силікату натрію в електроліті дає можливість підвищувати струм доAn increase in the concentration of sodium silicate in the electrolyte makes it possible to increase the current to
А/дм2 поверхні імпланта. Під час мікродугового оксидування поверхня титанового імпланта під впливом мікроплазмових розрядів локально розплавляється, титан окислюється та 20 утворюються хімічні зв'язки титан - двоокис титану, в створених в керамічній поверхні порах силікат натрію в гарячій воді гідролізується до діоксиду кремнію, а під впливом мікроплазмових розрядів також проходить дегідратація гелю кремнієвої кислоти до діоксиду кремнію |ЛидинA/dm2 of the implant surface. During microarc oxidation, the surface of the titanium implant is locally melted under the influence of microplasma discharges, titanium is oxidized and chemical bonds titanium - titanium dioxide are formed, in the pores created in the ceramic surface, sodium silicate is hydrolyzed to silicon dioxide in hot water, and under the influence of microplasma discharges also dehydration of silicic acid gel to silicon dioxide takes place |Lydin
Р.А., Молочко В.А., Андреєва Л.А. Неорганическая химия в реакциях. Справочник. - М. 2007. -R.A., Molochko V.A., Andreyeva L.A. Inorganic chemistry in reactions. Directory. - M. 2007. -
С. 554. Так утворюється міцно зкріплена з титановим сплавом керамічна поверхня товщиною до 100 мкм. Одночасно, в місцях розплавлення основи (поверхня титанового сплаву), в процесі мікродугового оксидування залишаються пори на місці пробою електричного заряду, також пори залишаються на місцях закипання води з місцевим пароутворенням, де в гарячій воді створені умови для реакції гідролізу силікату натрію та дегідратації гелю кремнієвої кислоти до діоксиду кремнію. Результатом цього процесу є послідовне утворення пористих шарів з мікрокристаламиP. 554. This is how a ceramic surface with a thickness of up to 100 μm is formed, firmly attached to a titanium alloy. At the same time, in the places where the base is melted (the surface of the titanium alloy), in the process of micro-arc oxidation, pores remain at the place of breakdown of the electric charge, and pores also remain at the places of water boiling with local vaporization, where conditions for the reaction of hydrolysis of sodium silicate and dehydration of silicon gel are created in hot water acid to silicon dioxide. The result of this process is the successive formation of porous layers with microcrystals
Зо діоксиду кремнію в керамічному покритті. Фізичні властивості поверхні мікрокристалів діоксиду кремнію перешкоджають бактеріальній адгезії та утворенню бактеріальних плівок.From silicon dioxide in a ceramic coating. The physical properties of the surface of silicon dioxide microcrystals prevent bacterial adhesion and the formation of bacterial films.
В запропонованому способі одержання покриття вибраний анодно-катодний режим мікродугового оксидування. Мікродугові розряди виникають в короткий період часу, при цьому не перегрівається основа (не змінюється імплант всередині), а в інтервалі між імпульсами тепло встигає відводитися в розчин і теплообмінник. На поверхні основи титан окислюється до окису титану у вигляді кристалів, складові сплаву титану (алюміній, ванадій) після окислення не фіксуються на поверхні і випадають в осад. Атоми складових титанового сплаву (алюміній, ванадій), крім титану, не були знайдені на керамічній поверхні при проведенні рентгенструктурного аналізу запропонованого покриття. Умови і особливості хімічних реакцій в гарячій воді сприяють гідролізу силікату натрію та дегідратації гелю кремнієвої кислоти до діоксиду кремнію. Мікрокристали діоксиду кремнію відомі в медицині, як аеросил. Фізичні властивості мікрокристалів аеросилу роблять його біологічно активним, одна з його властивостей - антибактеріальна. Рентгенструктурний аналіз покриття трансформованої поверхні показує частку атомів кремнію до 0,5-3 мас. 90.In the proposed method of obtaining the coating, the anode-cathode mode of micro-arc oxidation is selected. Micro-arc discharges occur in a short period of time, while the base does not overheat (the implant inside does not change), and in the interval between pulses, the heat manages to dissipate into the solution and the heat exchanger. On the surface of the base, titanium is oxidized to titanium oxide in the form of crystals, the components of the titanium alloy (aluminum, vanadium) after oxidation are not fixed on the surface and precipitate. Atoms of titanium alloy components (aluminum, vanadium), except for titanium, were not found on the ceramic surface during the X-ray structural analysis of the proposed coating. The conditions and features of chemical reactions in hot water contribute to the hydrolysis of sodium silicate and the dehydration of silicic acid gel to silicon dioxide. Microcrystals of silicon dioxide are known in medicine as aerosil. The physical properties of aerosol microcrystals make it biologically active, one of its properties is antibacterial. X-ray structural analysis of the coating of the transformed surface shows the proportion of silicon atoms up to 0.5-3 wt. 90.
Трансформація поверхні імпланта із титанового сплаву методом мікродугового оксидування в керамічне покриття з діоксиду титану в формі анатазу, гідроліз силікату натрію та дегідратація гелю кремнієвої кислоти з осадженням мікрокристалів діоксиду кремнію в порах кераміки, створює діелектричний шар, попереджає подальше електрохімічне окислювання імпланта, захищає організм від токсичних складових сплаву, попереджає бактеріальну адгезію, має антимікробні властивості. Проростання кісткової та сполучної тканин в пори поверхні сприяє надійній фіксації імпланта в організмі.Transformation of the surface of the implant from a titanium alloy by the method of microarc oxidation into a ceramic coating of titanium dioxide in the form of anatase, hydrolysis of sodium silicate and dehydration of a silicic acid gel with the deposition of microcrystals of silicon dioxide in the pores of ceramics creates a dielectric layer, prevents further electrochemical oxidation of the implant, protects the body from toxic components of the alloy, prevents bacterial adhesion, has antimicrobial properties. The growth of bone and connective tissue in the pores of the surface contributes to the reliable fixation of the implant in the body.
Аналогічних технічних рішень зі схожими ознаками при проведенні патентно-інформаційного пошуку не виявлено. Це свідчить про те, що технічне рішення, що пропонується, є новим, клінічно та промислово придатним.Analogous technical solutions with similar features were not found during the patent information search. This indicates that the proposed technical solution is novel, clinically and industrially applicable.
Дане трансформоване антибактеріальне покриття придатне для ендопротезів суглобів, спейсерів, кейджів, сіток для краніопластики, стержнів апаратів зовнішньої фіксації, пластин для остеосинтезу.This transformed antibacterial coating is suitable for joint endoprostheses, spacers, cages, meshes for cranioplasty, rods of external fixation devices, plates for osteosynthesis.
Моделювання роботи даного покриття в лабораторних умовах показало відсутність росту золотистого стафілококу, кишкової палички та синьогнійної палички в термін до 3 діб. бо Використання в клінічній практиці для остеосинтезу біля вогнищ інфекції пройшло з загоювання ран первинним натягом, без відторгнення імплантів.Simulation of the operation of this coating in laboratory conditions showed the absence of growth of Staphylococcus aureus, Escherichia coli and Pseudomonas aeruginosa within 3 days. Because the use in clinical practice for osteosynthesis near the foci of infection has resulted in the healing of wounds by primary tension, without rejection of implants.
На основі вищенаведеного можна зробити висновок, що трансформована поверхня титанових імплантів в керамічне покриття з діоксиду титану та діоксиду кремнію має остеокондуктивні та антибактеріальні властивості.Based on the above, it can be concluded that the transformed surface of titanium implants into a ceramic coating of titanium dioxide and silicon dioxide has osteoconductive and antibacterial properties.
Claims (2)
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201902730A UA120582C2 (en) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM |
| PCT/UA2020/000030 WO2020190251A1 (en) | 2019-03-20 | 2020-03-19 | Antibacterial ceramic coating and method for coating titanium alloy implants |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| UAA201902730A UA120582C2 (en) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| UA120582C2 true UA120582C2 (en) | 2019-12-26 |
Family
ID=71116724
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| UAA201902730A UA120582C2 (en) | 2019-03-20 | 2019-03-20 | ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| UA (1) | UA120582C2 (en) |
| WO (1) | WO2020190251A1 (en) |
Families Citing this family (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113774460B (en) * | 2021-09-30 | 2023-04-21 | 中山大学 | Preparation method of titanium alloy plasma electrolytic oxidation composite coating |
| US20230137797A1 (en) * | 2021-10-29 | 2023-05-04 | James D. Wernle | Additively manufactured implant with ceramic coating |
Family Cites Families (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU1775507C (en) * | 1990-04-20 | 1992-11-15 | Тюменский индустриальный институт им.Ленинского комсомола | Method for micro-arc oxidation of aluminium alloys |
| UA49220C2 (en) * | 2001-08-14 | 2005-03-15 | Univ Ukrainian State Chem Tech | Electrolyte for anode final polishing plated tins |
| RU2238352C1 (en) * | 2003-09-02 | 2004-10-20 | Пензенский государственный университет | Coating method |
| CN102409383B (en) * | 2011-11-09 | 2014-05-14 | 嘉兴学院 | Anodic oxidation method for magnesium alloy |
| CN106757260B (en) * | 2016-11-22 | 2018-07-20 | 中国科学院金属研究所 | A kind of its application of the composite Nano electrolyte being used to prepare micro-arc oxidation of aluminum alloy surface film |
| CN107268062A (en) * | 2017-06-26 | 2017-10-20 | 赣南师范大学 | A kind of preparation method of magnesium alloy plasma oxidation antimicrobial coating |
| CN108914187A (en) * | 2018-07-20 | 2018-11-30 | 南京理工大学 | A kind of anti-oxidant complex gradient ceramic coating of titanium alloy surface high hardness wear-resisting and preparation method thereof |
-
2019
- 2019-03-20 UA UAA201902730A patent/UA120582C2/en unknown
-
2020
- 2020-03-19 WO PCT/UA2020/000030 patent/WO2020190251A1/en active Application Filing
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| WO2020190251A1 (en) | 2020-09-24 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Qadir et al. | Ion-substituted calcium phosphate coatings by physical vapor deposition magnetron sputtering for biomedical applications: A review | |
| Ciobanu et al. | Cerium-doped hydroxyapatite/collagen coatings on titanium for bone implants | |
| Montazerian et al. | Bioceramic coatings on metallic implants: An overview | |
| Ullah et al. | Mechanical, biological, and antibacterial characteristics of plasma-sprayed (Sr, Zn) substituted hydroxyapatite coating | |
| JP3220150B2 (en) | Novel bioactive coatings and their manufacture and use | |
| Lee et al. | Hydroxyapatite-TiO2 hybrid coating on Ti implants | |
| Sampatirao et al. | Developments in plasma electrolytic oxidation (PEO) coatings for biodegradable magnesium alloys | |
| Saleh et al. | Biodegradable/biocompatible coated metal implants for orthopedic applications | |
| US20130190888A1 (en) | Implant Having a Multilayered Coating and a Process for Preparing Thereof | |
| CN102438671A (en) | Ion substituted calcium phosphate coatings | |
| JP2009067669A (en) | Process for preparation of protein mediated calcium hydroxyapatite (hap) coating on metal substrate | |
| UA120582C2 (en) | ANTIBACTERIAL CERAMIC COATING FOR TITANIUM ALLOY IMPLANTS AND METHOD OF OBTAINING COATING FOR THEM | |
| Praharaj et al. | Biocompatibility and adhesion response of magnesium-hydroxyapatite/strontium-titania (Mg-HAp/Sr-TiO2) bilayer coating on titanium | |
| US20140308628A1 (en) | Metal materials having a surface layer of calcium phosphate, and methods for preparing same | |
| Forsgren et al. | A novel method for local administration of strontium from implant surfaces | |
| CN103526261A (en) | Preparation method of zinc-containing micro-arc oxidation electrolyte and zinc-containing biological ceramic membrane | |
| Mahmud et al. | Recent developments in hydroxyapatite coating on magnesium alloys for clinical applications | |
| TWI532883B (en) | Titanium or titanium alloy having antibacterial surface and method for manufacturing the same | |
| Usinskas et al. | Sol–gel processing of calcium hydroxyapatite thin films on silicon nitride (Si 3 N 4) substrate | |
| Terleeva et al. | Microplasma synthesis of biocompatible coatings with additions of magnesium, silicon and silver on pure titanium from homogeneous electrolytes | |
| Pedeferri | Titanium anodic oxidation: a powerful technique for tailoring surfaces properties for biomedical applications | |
| UA144530U (en) | ELECTROLYT FOR COATING ON TITANIUM ALLOYS | |
| Kim et al. | Effect of surface pretreatment and pack cementation on bioactivity of titanium dental implant | |
| Hsu et al. | Effect of different post-treatments on the bioactivity of alkali-treated Ti–5Si alloy | |
| Karaji et al. | Surface Modification of Porous Titanium Granules for Improving Bioactivity. |