Химия и химические технологии / 5.

к.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Технология совмещенного электрохимического

обезжиривания и оксидирования имплантатов

из титана и его сплавов

В производстве медицинской техники значительная роль отводится изготовлению изделий имплантационного назначения, а именно, костных имплантатов для стоматологии, травматологии и ортопедии. При этом материалами данных имплантатов в большинстве случаев являются биоинертные титан и его сплавы (ВТ1-0, ВТ1-00, ВТ-6, ВТ-16 и др.), которые обладают комплексом необходимых биомеханических свойств.

Для придания имплантатам качеств повышенной биосовместимости на их поверхности может создаваться оксидное покрытие, обеспечивающее интеграцию имплантатов с окружающими костными структурами и прочное закрепление в организме. Эффективной технологией получения указанного оксидного биопокрытия является анодирование титановых имплантатов в электролитах определенного состава [1, 2]. При этом формирование биосовместимых электрохимических покрытий на имплантатах требует предварительной подготовки их поверхности путем очистки от жировых загрязняющих пленок, ухудшающих контактирование электролита с обрабатываемым металлом и способствующих развитию патогенной микрофлоры в зоне имплантации. Указанные явления часто приводят к снижению качества покрытия, возникновению воспалительных процессов в окружающих имплантат тканях с ухудшением остеоинтеграции и отторжением имплантата.

Очистка металлической поверхности от жировых пленок применяется как самостоятельный метод подготовки изделий перед нанесением покрытий, включающий способы щелочного, химического и электрохимического обезжиривания в специальных моющих электролитах [3]. Проведение отдельной очистки поверхности с последующим отдельным нанесением на нее покрытия требует использования разных технических устройств и электролитов, что сопровождается высокими трудоемкостью, энергоемкостью, низкой экономической эффективностью производства, а также сложностью технологии нанесения покрытия. Объединение процессов очистки и оксидирования имплантатов в одну технологическую операцию может значительно упростить формирование покрытия. Для этого необходимо использовать электролиты, обеспечивающие совмещенное электрохимическое действие – очистку и оксидирование.

Составы известных моющих электролитов, предназначенных для очистки металлических поверхностей, не могут обеспечить получение оксидных покрытий на имплантатах и не позволяют осуществлять их очистку обезжириванием, совмещенную с электрохимическим оксидированием. В свою очередь, составы существующих электролитов оксидирования не могут обеспечить обезжиривание поверхности имплантатов. Известно только последовательное использование каждой из указанных операций.

На данных основаниях разработана упрощенная технология получения оксидного биопокрытия на костных имплантатах из титана и его сплавов предусматривающая совмещение электрохимических процессов очистки обезжириванием и оксидирования имплантатов в одной технологической операции.

Для достижения совмещенного электрохимического воздействия был выбран электролит, содержащий 200 г/л H₂SO₄, 5 г/л сульфонола и 15 г/л Na₂SiO₃. Указанный электролит включает растворы окисляющих и обезжиривающих компонентов в дистиллированной воде и позволяет формировать оксидные покрытия на имплантатах без отдельно проводимой очистки их поверхности.

Сущность технологии заключается в том, через электролит для электрохимического обезжиривания и оксидирования с температурой 40-60⁰С пропускается постоянный электрический ток анодной плотностью 1,8-2,4 А/дм², напряжением 25-100 В и проводится обработка имплантатов в течение 10-12 мин. При этом происходит уменьшение поверхностного натяжения жирового слоя и адсорбционное вытеснение его частиц с поверхности имплантатов за счет присутствия в электролите компонентов для обезжиривания. На участках поверхности без частиц жира, являющихся следствием электрохимического перфорирования жирового слоя, образуются оксиды титана при взаимодействии электролита с металлом, которые по мере своего роста вытесняют крупные фрагменты загрязняющей пленки с обрабатываемой поверхности. В результате происходит очистка обезжириванием, совмещенная с анодированием имплантатов, создается титанооксидное покрытие, обладающее высокой биосовместимостью и механической прочностью.

Технология изготовления костных титановых имплантатов путем совмещения электрохимического обезжиривания и оксидирования осуществляется следующим образом: имплантаты с исходной шероховатой поверхностью, обработанной абразивно-струйным методом, помещаются в электролизер с трехкомпонентным электролитом концентрацией 200 г/л H₂SO₄, 5 г/л сульфонола и 15 г/л Na₂SiO₃ в дистиллированной воде. Имплантаты подсоединяются в качестве анода, противоэлектродом служит титановый катод. Электролит нагревается до температуры 50⁰С, затем через него пропускается постоянный электрический ток анодной плотностью 1,8 А/дм² и напряжением 50 В. Процесс совмещенного обезжиривания и оксидирования проводится в течение 10 мин. В результате получается оксидное покрытие с высоким уровнем показателей биосовместимости, а именно, суммарной открытой пористостью 30-35%, размером открытых пор 15-20 мкм, толщиной 20-30 мкм, адгезией 25-27 МПа, способствующими эффективной адаптации покрытия к окружающей костной ткани и прочному закреплению оксидированных имплантатов в организме.

Значения данных показателей биопокрытия аналогичны значениям показателей покрытия, полученного путем проведения отдельных электрохимических операций обезжиривания и оксидирования.

Качество очистки поверхности при совмещенном обезжиривании и оксидировании имплантатов определялось с помощью лазерного микроспектрального анализа путем установления уровня содержания углерода на обработанной поверхности. При совмещенном электрохимическом обезжиривании и оксидировании имплантатов из титана ВТ1-0 получалось биопокрытие с уровнем содержания углерода 0,1%, что всего на 0,03% превышает уровень естественного содержания углерода в титане, составляющий 0,07%. В биопокрытии на титане ВТ1-00 наличие углерода соответствовало уровню 0,09% при естественном содержании примесного углерода 0,05%. Указанное содержание углерода свидетельствует об эффективности электрохимического обезжиривания титановых имплантатов, совмещенного с их электрохимическим оксидированием, и полноте удаления жировой загрязняющей пленки с обрабатываемой поверхности.

За счет объединения в одной технологической операции двух электрохимических процессов достигается очистка поверхности имплантатов обезжириванием и получение покрытия на них оксидированием, что дает возможность использовать в техпроцессе один и тот же электролизер и один и тот же электролит, исключить такие вспомогательные операции как промывку имплантатов, а также вторичные загрузку и выгрузку имплантатов из электролизера, в результате чего происходит экономия производственного времени, электролита и электроэнергии, не требуется дополнительное оборудование для техпроцесса.

Все это позволяет значительно упростить технологию получения оксидного биопокрытия на костных имплантатах, существенно уменьшить ее трудоемкость и повысить экономичность.

Литература

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

2. Родионов И.В. Исследование биоинтеграционных и антисептических свойств анодированных титановых имплантатов / Сборник науч. статей 3-й Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 196-200.

3. Грилихес С.Я. Обезжиривание, травление и полирование металлов. Л.: Машиностроение, 1983. 102 с.