Химия и химические технологии / 5.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Создание остеоинтеграционных оксидных покрытий на чрескостных титановых фиксаторах паротермическим

оксидированием

Чрескостные остеофиксаторы из титана представляют костные имплантаты временного функционирования, подлежащие удалению из организма по истечении требуемого периода лечения. Они используются в аппаратах внешнего управляемого остеосинтеза для фиксации костных отломков при переломах конечностей, исправления врожденных и приобретенных деформаций костных сегментов опорно-двигательного аппарата. В процессе приживления остеофиксаторов должно создаваться прочное соединение их поверхности с окружающей костной тканью и обеспечиваться неподвижность в кости при биомеханических нагрузках, что достигается за счет использования биопокрытия. При этом глубина остеоинтеграции покрытия должна быть ограниченной во избежание травмирования костной ткани при последующем удалении остеофиксаторов. В связи с этим целью работы являлось создание биосовместимого покрытия на остеофиксаторах, обеспечивающего ограниченную глубину остеоинтеграции, достаточную для прочного закрепления фиксаторов в кости и снижающую травматизацию ткани при их удалении.

Методика. Образцы изготовлялись из биоинертного титана ВТ1-0, ВТ1-00 и титанового сплава ВТ-16 в виде прямоугольных пластин толщиной 1 мм, площадью рабочей поверхности 200 мм². Опытными чрескостными металлофиксаторами являлись резьбовые стержни для остеосинтеза диаметром 6 мм и длиной 60 мм, выполненные путем токарной обработки из титана.

Перед термическим оксидированием поверхность образцов-свидетелей и остеофиксаторов подвергалась подготовке путем ультразвукового обезжиривания в моющем растворе, промывки и сушки, а также обдувки струей порошкового корунда Al₂O₃. Благодаря этому обеспечивалась высокая степень очистки поверхности с созданием в поверхностном слое пластических микродеформаций и внутренних напряжений, усиливающих окисление металла.

Последующее формирование оксидных покрытий на титановых образцах, а также фиксаторах проводилось с использованием способа паротермического оксидирования, который осуществлялся в камерной электропечи экспериментальной нагревательной установки при различных режимах, включающих температуру нагрева 500 и 550⁰С в атмосфере перегретого водяного пара, а также продолжительность оксидирования 1,5-2 ч при каждой температуре (рис. 1). При этом давление пара в рабочем объеме печи поддерживалось на уровне 1,2-1,3 атм.

Рис. 1. Схема установки паротермического оксидирования:

ПК – печь камерная, ПГ – парогенератор, БПУ – блок питания и управления параметрами обработки

Выбранный температурный режим оксидирования позволял избежать образования в поверхностном слое образцов и имплантатов хрупких металлонитридных соединений, активно возникающих при температурах свыше 600⁰С. Продолжительность оксидирования обеспечивала получение толщины оксидного покрытия не менее 12 мкм для создания его необходимой структурной плотности и прочности.

Исследование функциональных свойств и остеоинтеграционной способности сформированных покрытий включало определение фазового состава, толщины, уровня морфологической гетерогенности, адгезионной прочности и глубины открытых пор оксидного слоя.

Результаты. Поставленная цель достигалась путем оксидирования пескоструйно обработанных шероховатых титановых образцов и остеофиксаторов в паровой среде при повышенной температуре равной 500-550⁰С в течение 1,5-2 ч. Перед оксидированием предварительно из рабочего объема печи удалялся воздух подачей в него под давлением 3-4 атм перегретого пара, процесс оксидирования осуществлялся в среде перегретого чистого пара, подаваемого в рабочий объем под давлением 1,2-1,3 атм, оксидированные образцы и остеофиксаторы сначала охлаждались в печи до температуры 250-300⁰С, затем на воздухе до температуры 20-30⁰С.

Указанные условия паротермического оксидирования приводили к созданию в покрытии больших внутренних напряжений, превышающих предел его прочности, вследствие чего происходило микрорастрескивание и образование шероховатой структуры покрытия, а также открытых пор размером 12-16 мкм, обеспечивающих необходимые условия для интеграции остеофиксаторов, их закрепления в биоткани и надежного функционирования (рис. 2). Сформированное покрытие состояло преимущественно из диоксида титана TiO₂ с включением небольшого количества других оксидных фаз титана – TiO, Ti₂O₃, Ti₃O₅, имело толщину 40-50 мкм, адгезию 40 МПа и суммарную поверхностную пористость 30% (рис. 3). Глубина интеграции костной ткани в поры такого покрытия составляет 25-30 мкм, что не вызывает существенного травмирования костных структур при удалении остеофиксаторов.

Рис. 2. Структура поверхностно-пористого оксидного покрытия, полученного паротермическим оксидированием пескоструйно обработанного титанового образца (х300)

Рис. 3. Дифрактограмма оксидного покрытия титанового образца,

полученного паротермическим оксидированием при t = 550⁰С и τ = 2 ч

Сравнительная оценка функциональных характеристик оксидных покрытий опытных остеофиксаторов и образцов-свидетелей, выполненных из титана ВТ1-0, ВТ1-00 и титанового сплава ВТ-16, показала незначительное отличие в значениях показателей фазово-структурного состояния, толщины и адгезии получаемых поверхностных оксидов.

Таким образом, разработанная технология высокотемпературной обработки чрескостных титановых остеофиксаторов в парогазовой среде позволяет создать оксидное покрытие с высоким уровнем биомеханической совместимости, обусловленным однородным фазовым составом, значительной шероховатостью поверхности, ее структурной гетерогенностью и наличием открытой пористости [1-3]. За счет данных функциональных показателей, покрытие титановых фиксаторов обладает биоинертностью в жидких средах организма, а также способностью к адаптации в костной ткани при прочном ее срастании с поверхностью покрытия. Присутствие в титанооксидном слое открытых пор размером 12-16 мкм, глубиной 25-30 мкм обеспечивает проникновение костных структур на заданное расстояние от поверхности покрытия, ограничивая уровень остеоинтеграции и снижая травмирование тканей при последующем удалении фиксаторов из организма.

Литература

1. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Морфологические характеристики оксидных биопокрытий, получаемых паротермическим оксидированием костных титановых имплантатов // Технологии живых систем. Т.3, №5-6, 2006. С. 66-73.

2. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Коррозионное поведение оксидных биопокрытий костных титановых имплантатов, получаемых паротермическим оксидированием // Технологии живых систем. Т.3, №5-6, 2006. С. 74-78.

3. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Основные функциональные свойства парооксидных биопокрытий костных титановых имплантатов // Инженерная физика. №5, 2006. С. 37-46.