Химия и химические технологии / 5. 

 

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

 

Способ получения анодно-оксидных покрытий на

титановых имплантатах с качествами биологической

совместимости

 

Успешное развитие медицинской имплантологии связано с использованием современных биоматериалов, имеющих небиологическое происхождение и не вызывающих иммунных реакций организма. К таким материалам относятся биоинертные металлы и сплавы – Ta, Ti, Zr, Ni, TiNi, Co-Cr, Co-Cr-Ni, Co-Cr-Mo, нержавеющая сталь 12Х18Н10Т; органические и неорганические биоактивные полимеры – трикальцийфосфат, гидроксиапатит, фторгидроксиапатит, стеклоуглерод, биостекла и биоситаллы, а также оксиды биоинертных металлов [1, 2]. С использованием данных материалов изготовляют многие разновидности костных стоматологических и ортопедических имплантатов, соответствующих требованиям биологической и механической совместимости с окружающими биотканями и действующими нагрузками. Биоинертные металлы используют, как правило, для изготовления несущей основы имплантата. Органические и неорганические полимеры применяют для нанесения на основу функциональных покрытий, обеспечивающих прочную биомеханическую связь с костными структурами.

Наибольшее применение в производстве костных имплантатов получил титан и его сплавы, обладающие требуемым уровнем биологических и механических свойств при взаимодействии с биосредой. При этом на поверхности титана формируют специальное биопокрытие с определенными морфологическими качествами и фазово-структурным состоянием, придающими биоактивность имплантату. В качестве материалов таких покрытий могут использоваться как биоактивные полимеры, наносимые на поверхность имплантата различными методами, так и собственный оксидный слой титана, создаваемый на поверхности с помощью анодного оксидирования [3, 4].

Высокая статистическая частота операционных неудач при вживлении костных имплантатов во многом определяется травмированием биоткани и аллергическими реакциями организма на чужеродное тело в послеоперационный период. Указанные явления приводят к раздражению, воспалению и нагноению прилегающей костной ткани, а также последующему отторжению имплантата. Неудовлетворительность данных результатов способствовала поиску новых путей решения этой проблемы, обеспечивающих нормальную остеоинтеграцию имплантатов, минимизацию послеоперационных осложнений и снижение частоты операционных неудач.

В связи с этим разработан эффективный электрохимический способ получения оксидного биопокрытия на титановых имплантатах с высоким уровнем биологической совместимости и антисептическими свойствами.

Для достижения такого технического результата в предлагаемом способе, содержащем анодирование титана и его сплавов постоянным током, осуществляют предварительную пескоструйную обработку поверхности имплантатов частицами оксида алюминия с последующим получением на ней двухслойного покрытия, при этом при получении первого слоя покрытия процесс ведут в электролите концентрацией 200 г/л серной кислоты в дистиллированной воде, а при получении второго слоя покрытия процесс ведут в этом же электролите с добавлением раствора 50 г/л сульфата меди.

Разработанный способ позволяет за счет предварительной пескоструйной обработки поверхности имплантатов получить шероховатую металлическую поверхность, на которой за счет использования двух электролитов сформировать поверхностно-пористое двухслойное покрытие, при этом в электролите, содержащем 200 г/л серной кислоты в дистиллированной воде создается основной слой из оксидов титана, в основном из TiO2, с необходимыми биомеханическими качествами, в электролите концентрацией 200 г/л серной кислоты с добавлением раствора 50 г/л сульфата меди в дистиллированной воде создается антисептический слой, включающий смесь оксидов титана и оксида меди. Слои имеют заданную толщину и определенное количественное соотношение компонентов, масс. %: оксид титана (TiO2) – 75-85, оксид меди – 15-25.

В результате получаются костные имплантаты с покрытием, обладающим высокими остеоинтеграционными и антисептическими свойствами.

 Способ осуществляется следующим образом: берут имплантаты из титана или его сплава и подвергают их поверхность пескоструйной обработке частицами оксида алюминия дисперсностью 250-400 мкм при давлении воздушно-абразивной струи 0,65 МПа в течение 5 мин. Затем готовые к покрытию шероховатые имплантаты погружают в электрохимическую ванну с подготовленным электролитом, представляющим раствор 200 г/л серной кислоты в дистиллированной воде и имеющим температуру 500С. Через электролит пропускают постоянный ток напряжением 100 В, плотностью анодного тока 50 мА/см2. Процесс оксидирования ведут в течение 30-40 мин при постоянном перемешивании электролита, в результате толщина получаемого титанооксидного слоя составляет 20-30 мкм. Затем в данный электролит добавляют раствор 50 г/л сульфата меди в дистиллированной воде и проводят оксидирование при температуре 250С, напряжении постоянного тока 30 В, плотности анодного тока 15 мА/см2 в течение 10 мин при постоянном перемешивании электролита, в результате толщина слоя смеси оксидов титана и оксида меди равна 2-5 мкм.

Пескоструйная обработка поверхности имплантатов обеспечивает ее исходную шероховатость, морфологически гетерогенный профиль которой повторяется титанооксидным слоем, за счет чего в покрытии получаются открытые поры различного размера. Полученная поверхностная пористость покрытия придает имплантатам высокие остеоинтеграционные способности и качества биологической совместимости.

Таким образом, разработанный способ анодирования костных титановых имплантатов позволяет создать покрытие, содержащее оксиды титана и состоящее из двух слоев, первый слой толщиной 20-30 мкм – из оксидов титана, в основном TiO2, второй слой толщиной 2-5 мкм из смеси оксидов титана и оксида меди. Указанное присутствие оксида меди во втором слое анодно-оксидного покрытия в пределах 15-25 масс.% обеспечивает необходимое антисептическое действие поверхности имплантатов и снижает уровень аллергической реакции биотканей. Пониженное содержание оксида меди в слое не обеспечивает достаточное антисептическое действие покрытия, повышенное содержание данного оксида создает условия для протекания канцерогенных процессов в окружающих тканях.

На основании представленных результатов можно заключить, что оксидное биопокрытие, полученное путем разработанного электрохимического способа, обладает высокой поверхностной пористостью и антисептическим действием, обеспечивающими имплантатам прочное сцепление с окружающей биотканью при отсутствии воспалительных явлений в зоне имплантации. Вместе с этим покрытие является универсальным при использовании костных имплантатов в различных клинических ситуациях.

 

Литература

 

1. Бутовский К.Г., Протасова Н.В. Материалы, используемые в производстве дентальных имплантатов // Современные проблемы имплантологии: Сборник научных статей по материалам 6-й Международной конференции. Саратов, 2002. С. 21-29.

2. Родионов И.В. Анодно-оксидные биосовместимые покрытия титановых дентальных имплантатов // Технологии живых систем. Т.3, №4, 2006. С. 28-32.

3. Родионов И.В., Серянов Ю.В. Применение технологии анодного оксидирования при создании биосовместимых покрытий на дентальных имплантатах // Вестник Саратовского государственного технического университета, №2 (12), 2006. С. 77-87.

4. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Функциональные свойства анодно-оксидных биосовместимых покрытий титановых дентальных имплантатов / Материалы междунар. науч. конф. «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий». Томск. Изд-во ТПУ, 2006, Т.2. С. 424-426.