Химия и химические технологии / 5.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Способ получения биопокрытий на стоматологических

и ортопедических костных имплантатах

термооксидированием в смесях инертных и окисляющих газов

Костные имплантаты представляют изделия из небиологического материала, предназначенные для замены утраченных либо исправления поврежденных костных частей организма с целью выполнения определенных медицинских функций. В зависимости от своего назначения костные имплантаты делятся на стоматологические и ортопедические.

Стоматологические имплантаты предназначены для лечения дефектов челюстно-лицевой системы. Это – искусственные корни зубов и специальные пластины для сращения и коррекции поврежденной костной ткани челюсти либо костей черепно-лицевой области.

Ортопедические имплантаты – это имплантационные конструкции, используемые для замены функций тазобедренных, локтевых и других суставов, коррекции сегментов позвоночника, лечения переломов конечностей и т.д. В ортопедии наиболее широкое применение находят имплантаты для лечения переломов конечностей. Такими имплантатами в большинстве случаев служат стержневые и спицевые остеофиксаторы, которые в составе аппарата внешней фиксации позволяют осуществлять направленный остеосинтез поврежденных частей кости.

В изготовлении костных имплантатов наибольшее применение получил титан ВТ1-0, ВТ1-00, а также титановые сплавы ВТ-6, ВТ-16, обладающие биоинертностью и повышенными показателями биомеханической совместимости. При этом для повышения надежности закрепления титановых имплантатов в биоструктурах на их поверхности формируют специальное биосовместимое покрытие, являющееся основной функциональной частью имплантатов и способствующее эффективному взаимодействию их поверхности с окружающей биотканью, а также созданию высокого уровня адаптации. Для этого покрытиям придают определенные фазово-структурные характеристики и физико-механические свойства, обусловливающие оптимальные условия функционирования имплантатов в организме. Нанесение биопокрытий и формирование их необходимых качеств может осуществляться многими способами с использованием различных технологий к числу которых относится газотермическое оксидирование металлоимплантатов. Однако в отношении оксидирования имплантатов из титановых сплавов эффективны не все газовые среды, т.к. в некоторых окислительных атмосферах процесс пассивации сопровождается образованием многофазного состава покрытия с содержанием в нем малопрочных и низко коррозионностойких титанонитридов и других нежелательных металлооксидных соединений, значительно ухудшающих функционирование имплантатов. Поэтому создание оксидных биопокрытий на титановых имплантатах с однородным фазовым составом, высокими показателями поверхностной структуры и коррозионной стойкости требует разработки специального способа газотермического окисления. Одним из таких способов является высокотемпературное оксидирование в смесях инертных и окисляющих газов, позволяющее формировать поверхностно-пористое биосовместимое покрытие на титановых имплантатах путем термического модифицирования их поверхностных слоев [1,2]. При этом получаемое покрытие может приобретать необходимые качества биосовместимости и удовлетворять всем требованиям имплантации. В связи с этим целью работы являлось создание оксидного покрытия на титановых имплантатах, способного адаптироваться к окружающим биологическим тканям в различных имплантационных условиях.

Поставленная цель достигалась путем разработки способа формирования покрытия путем высокотемпературного оксидирования имплантатов из титана и его сплавов в газовой среде, состоящей из смеси инертного (Ar, Ne, He) и окисляющего (О₂, СО₂) газов при следующем соотношении компонентов: инертный газ – 60-70%, окисляющий газ – 40-30%. Указанные пределы содержания инертных и реакционных компонентов в смеси создают недостаток окислителя, что является необходимым для исключения самовозгорания химически высоко активного титана и достаточным для активного образования оксидного покрытия.

Процесс оксидирования в контролируемой инертно-окислительной атмосфере осуществляется при повышенных температурах, находящихся в интервале 600-1000⁰С, и продолжительности 1,5-2 ч. Высокотемпературная обработка титановых имплантатов производится в трубчатой электропечи сопротивления, в которую прямоточно поступает двухкомпонентная газовая среда (рис. 1). При этом сначала происходит нагрев печи с помощью регулятора температуры, затем через нее пропускается рабочая смесь, образующаяся в газовом смесителе, подсоединенном резиновыми шлангами к редукторам соответствующих газовых баллонов.

Рис. 1. Схема электропечи для высокотемпературного оксидирования в газовых смесях: ГС – газовый смеситель, ПТ – печь трубчатая,

РТ – регулятор температуры

Способ получения биосовместимого покрытия реализуется следующим образом. Перед высокотемпературным оксидированием поверхность имплантатов проходит абразивно-струйную обработку для создания ее исходной шероховатости и химической активации. Затем шероховатые титановые имплантаты помещают в камеру нагрева электропечи с температурой 600-1000⁰С и продувают рабочий объем газовой смесью из инертного (Ar, Ne, He) и окисляющего (О₂, СО₂) газов при содержании компонентов: инертный газ – 60-70%, окисляющий газ – 40-30%. Такое содержание компонентов в смеси оксидирования обеспечивает недостаток окислителя, исключающий образование на поверхности имплантатов хрупких титанонитридных и других чужеродных соединений, что соответствует получению покрытия с однофазным составом. После этого продолжают подачу указанной двухкомпонентной смеси при давлении 1,2-1,3 атм в течение 1-1,5 ч. По окончании оксидирования выключают нагрев печи, прекращают подачу газовой смеси и пропускают через камеру нагрева, с находящимися в ней имплантатами, инертный газ (Ar, Ne, He) в течение 15-20 мин. Так происходит охлаждение оксидированных имплантатов до нормальной температуры без опасности образования в покрытии титанонитридных соединений. В этих условиях достигается получение покрытия с однородным фазовым составом из прочного и коррозионностойкого диоксида титана, толщиной 40-50 мкм, суммарной открытой пористостью 30-35%, размером пор 16-25 мкм, адгезией 50 МПа, необходимыми для эффективного биомеханического взаимодействия имплантатов с биоструктурами (рис. 2). Данные параметры покрытия соответствуют условиям надежной фиксации и приживлению стоматологических и ортопедических имплантатов в костной ткани.

Рис. 2. Поверхность оксидированного титанового имплантата (х300)

Таким образом, однофазный состав покрытия создается за счет оксидирования имплантатов в нагретой контролируемой газовой среде из смеси инертного (Аr, Ne, Нe) и окисляющего (О₂, СО₂) газов, взятых в определенном процентном соотношении. Поверхностная пористость покрытия формируется вследствие возникновения в нем больших внутренних напряжений из-за чего происходит разрыв поверхностного слоя покрытия на фрагменты и образование трещиноватой структуры с наличием большого количества открытых пор. Такое фазово-структурное состояние оксидных покрытий, создает благоприятные условия для адаптации стоматологических и ортопедических имплантатов к окружающим тканям и жидким средам организма.

На данном основании можно считать, что разработанный физико-химический способ, а также технологические особенности получения биосовместимых покрытий на титановых имплантатах являются высокоэффективными в производстве медико-технических изделий имплантационного назначения.

Литература

1. Родионов И.В. Термооксидные биосовместимые покрытия титановых дентальных имплантатов / Материалы междунар. науч. конф. «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий». Томск. Изд-во ТПУ, 2006, Т.2. С. 422-423.

2. Родионов И.В. Технология получения термооксидных биосовместимых покрытий дентальных имплантатов в аргонокислородной газовой смеси / Сб. материалов ХIII Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием «Материалы и упрочняющие технологии – 2006». Курск. Изд-во Курск. гос. техн. ун-та, 2006, Ч.2. С. 155-160.