Химия и химические технологии / 5.

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Специализированное электрохимическое оборудование для получения высококачественных анодно-оксидных

биопокрытий на медицинских имплантатах

Анодное оксидирование металлоизделий уже давно является распространенным и эффективным методом получения износостойких, коррозионностойких, диэлектрических, декоративных и др. функциональных покрытий с важнейшими эксплуатационными характеристиками. Анодно-оксидные поверхностные слои изделий значительно увеличивают срок их службы в условиях трения, химической и электрохимической коррозии, воздействия высоких температур, механических нагрузок. Исследования последних лет показывают перспективность применения анодного оксидирования в медицине при получении биопокрытий на костных металлоимплантатах с высокой способностью адаптации к различным тканям и средам организма [1-4]. Костные имплантационные системы широко используются в современной стоматологии при восстановлении утраченных зубов, а также в травматологии и ортопедии при исправлении деформаций и лечении переломов костей опорно-двигательного аппарата. При этом имплантаты, в большинстве случаев выполняемые из титановых сплавов, должны иметь структурно развитую поверхность с комплексом физико-химических и механических свойств, обеспечивающих благоприятные условия для эффективного взаимодействия с окружающими биоструктурами. В результате такого взаимодействия должна создаваться прочная биотехническая система «имплантат – биоткань», характеризуемая биоинтеграцией. Необходимые биоинтеграционные качества поверхности имплантатов могут придаваться с помощью анодного формирования оксидных покрытий в специальных электролитах. При этом получаемые покрытия способны к проявлению биосовместимости за счет высоких показателей шероховатости и морфологической гетерогенности поверхности, коррозионной стойкости, механических свойств, а также благоприятного фазового состава, включающего биоинертные соединения.

При анодной обработке изделий существенное влияние на качество получаемых покрытий оказывают условия проведения электролиза, определяемые видом технологического воздействия и применяемым оборудованием. В гальванотехнике разработка и конструирование электрохимического оборудования носит специализированный характер и предусматривает создание устройств для каждого отдельно взятого метода обработки. Анодирование промышленных изделий различного назначения осуществляют в специальных электролизерах, типаж которых определяется конфигурацией и количеством обрабатываемых заготовок [5-8]. Такие электролизеры характеризуются значительным габаритом, большим расходом электролитов, а также низкой технико-экономической эффективностью при обработке малогабаритных изделий типа медицинских костных имплантатов. Поэтому для анодирования титановых (ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ-6, ВТ-16) имплантатов, имеющих небольшие конструктивные размеры, целесообразно использовать разработанную малогабаритную установку, отличительной особенностью которой является конструкция электролизера (рис. 1, 2).

Электролизер состоит из двух цилиндрических корпусов разного диаметра, выполненных из оргстекла, – внешнего 6, имеющего углубление на середине основания, и внутреннего 4 со специальным выступом 19. Выступ 19 обеспечивает фиксацию корпуса 4 в корпусе 6 на некотором расстоянии от его внутренних стенок, за счет чего образуется водяная рубашка 3. Циркуляция воды по рубашке происходит через вмонтированные во внешний корпус входной и выходной штуцеры 2 и 13, соединенные с термостатом пластиковыми шлангами.

Во внутреннем корпусе 4 с помощью титановых болтов 7 крепится цилиндрический полый катод 14, выполненный из титана и состоящий из двух колец разного диаметра, соединенных между собой титановыми перемычками 5 и образующих рабочий катодный зазор. Такая конструктивная особенность катода позволяет обеспечить стабильность электролиза и равномерность получаемых анодно-оксидных покрытий.

Рис. 1. Установка для анодирования костных титановых имплантатов

Рис. 2. Конструкция специализированного электролизера для

анодирования титановых имплантатов

Электродом-анодом служит специальная титановая подвеска, представляющая крышку-кронштейн 12, в которую по определенной окружности вкручены резьбовые титановые винты 10 для закрепления имплантатов 16, служащих рабочими анодами (рис. 3).

Отверстие 1 крышки-анода предназначено для вывода электрического контакта двойного цилиндрического катода 14 и его подключения к источнику питания. Отверстие 2 служит для доливки электролита во внутренний корпус 4 электролизера в случае его испарения при анодировании. Необходимый уровень электролита должен соответствовать специальной уровневой метке 8, нанесенной на внешнюю стенку корпуса 4 (рис. 2).

Рис. 3. Крышка-анод с расположением цилиндрических имплантатов (вид снизу)

Крышка 11 электролизера изготовлена из оргстекла и имеет соосные с крышкой-анодом 12 симметричные отверстия. Дополнительное отверстие 9 в крышке 11 предназначено для вывода электрического контакта крышки-анода 12 (рис. 2).

На дне корпуса 4 расположен цилиндрический магнит 17, запаянный в стеклянную трубку 18, которая изолирует его от химического действия электролита 15. Путем вращения магнита с помощью магнитного привода мешалки 1 осуществляется перемешивание электролита, поддерживается его температурная и концентрационная однородность.

Электролизер имеет следующие конструктивные размеры, мм:

диаметр внешнего корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 340

диаметр внутреннего корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .320

высота внешнего корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200

высота внутреннего корпуса . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .190

внешний диаметр кольцевого катодного зазора. . . . . . . . . . . . 300

внутренний диаметр кольцевого катодного зазора. . . . . . . . . 250

высота катодного зазора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

ширина катодного зазора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

Разработанная конструкция электролизера позволяет осуществлять групповое анодирование имплантатов с формированием оксидных биопокрытий, имеющих высокую структурную однородность и равномерную толщину, а также обеспечивать необходимые технико-экономические показатели электрохимической обработки.

Формирование анодно-оксидных биопокрытий костных имплантатов с использованием разработанного оборудования предусматривает выполнение нескольких вспомогательных операций и основной операции обработки.

Вспомогательные операции включают приготовление электролита с заданной концентрацией компонентов, заливку его в электролизер до необходимого уровня, нагрев до требуемой температуры, перемешивание, закрепление партии имплантатов на подвеске, завеску закрепленных имплантатов в электролит.

Основная операция заключается в анодной обработке имплантатов при заданных значениях параметров режима электролиза.

Литература

1. 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.

2. 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.

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

4. Родионов И.В. Исследование биоинтеграционных и антисептических свойств анодированных титановых имплантатов / Сборник науч. статей Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 196-200.

5. Оборудование для нанесения гальванических, химических и анодно-оксидных покрытий: Каталог. М.: НИИмаш. 1982. – 55 с.

6. Типаж оборудования для нанесения гальванических, химических и анодно-оксидных покрытий на 1981-1985 гг. М.: НИИмаш. 1980. – 26 с.

7. Александров В.М., Антонов Б.В., Гендлер Б.И. Оборудование цехов электрохимических покрытий. Л.: Машиностроение. 1987. – 309 с.

8. Дасоян М.А., Пальмская Н.Я. Оборудование цехов электрохимических покрытий. Л.: Машиностроение. 1979. – 287 с.