Кальций-фосфатные материалы на титановой подложке

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Риск возникновения различного рода очагов остеолиза в послеоперационный период зависит от качества поверхности имплантируемого протеза и от уменьшения плотности структуры костной ткани (остеопороз) На рисунке 1 стрелками показаны места остеолиза возникающие вследствие воспалительных процессов и микротравмами вызванными нагрузками имплантата на внутреннею часть кости [9]. Кость как биологическая структура имеет преимущества по сравнению с металлами, поскольку способна самовосстанавливаться (регенерировать). Может изменять свои свойства и геометрию в ответ на изменение механических требований, но всё же она не обладает определенным уровнем прочности. Конструкционная остеинтеграционная поверхность имплантатов обеспечивает рост остеобластов, что ведёт к реконструкции и сцепке с костью. Решением медицинских требований для внедрения в организм человека, является нанесение биоактивных Ca/P покрытий, приближающих создаваемые имплантаты к классу имитационных биологических структур для костной ткани [1].

имплантат магнетронный остеинтеграционный

Рис. 1. Фотоотпечаток рентгенограммы после эндопротезирования (А) схематическое изображение мест остеолиза (В). Стрелками указаны очаги остеолиза

Методики позволяющие выполнить эти требования, многочисленны. Их можно классифицировать следующим образом: физические модификации (ионно-лучевой синтез, плазменное напыление, пескоструйная обработка, магнетронное нанесение), химические модификации (кислотное травление, анодное оксидирование, использование щелочей), создание монослоёв, осаждение наночастиц (шликерный или золь-гель метод, биомиметический), а также сочетание физических и химических модификаций.

Сочетание различных методов получения гидроксиапатита Са10(РО4)6(ОН)2 матрицы для костеобразования или кальций-фосфатных покрытий, на биосовместимом титане являются различные модификации: пескоструйная обработка, кислотное травление с последующим магнетронным напылением на подложку, кость. Перед оценкой физико-химических характеристик титановой матрицы с кальций-фосфатным покрытием, проводят подготовку нескольких идентичных образцов. Для увеличения статистики используют различные, но биологически, механически и химически совместимые марки титановых подложек рис. 2.

Рис. 2. (А) Рентгеновский спектр излучения образец ВТ5-1, (В) микрофотография поверхности образца ВТ5-1, (Г) Рентгеновский спектр излучения образец ВТ1-0, (Д) микрофотография поверхности образца ВТ1-0

Первую группу шлифуют до образования гладкой и ровной без царапин поверхности. Шлифовка проводится на небольшой скорости с малой зернистостью абразивного круга в охлаждающей жидкости, что уменьшает степень шероховатости поверхности. Такую обработку можно использовать для создания наноконфигураций методами АСМ литографии (перенос материала с поверхности зонда и наоборот, наночеканка). С помощью пескоструйной обработки на второй группе титановых образцов формируется более грубый рельеф. Над третьей группой образцов производят более сложные манипуляции, а именно кислотное травление или оксидирование титановых подложек. Сам способ нанесения микроструктурированного кальций-фосфатного покрытия, проводят в растворе фосфорной и серной кислот определённых концентраций дополнительно содержащем суспензию гидроксиапатита, при напряжении и температуре, соответствующим параметрам эксперимента с учётом времени [2]. После пескоструйной обработки и анодирования титана для очистки поверхности образцы помещают в ультразвуковую мойку. Методами АСМ и РЭМ микроскопии проводится первичная оценка изменения приповерхностных слоёв и элементарного состава. На рисунке 2 (А,В) видим схожую топографию поверхности при пескоструйной обработке и кислотном травлении [10]. Однако в зависимости от задачи в (А) мы можем контролировать величину пор на поверхности от 50 до 100 нм., а в (В) степень диффузионного-сегрегационного перераспределения.

Рис. 2. Микрофотография титановой подложки после (А) пескоструйная обработка (В) кислотное травление

Для повышения технологического процесса производственного нанесения кальций-фосфатного покрытия используют способ, заключающийся в распылении материала катода из гидроксиапатита Са10(РО4)6(ОН)2 необходимого химического состава, созданного по керамической технологии. При получение керамической таблетки определённого размера из порошков ГАП, возникает ряд трудностей: порошок нужно подготовить в виде мокрого синтеза, в растворе или суспензии, скажем для анодного оксидирования и в виде твёрдой фазы для дальнейшего прессования, формования, сушки и обжига образца, изделия. Важный ряд условий должен соблюдаться для получения керамики из порошков ГАП: соотношение кальция к фосфору Ca/P = 1,67, что является близким к основному минеральному составу кости; определённый фазовый состав керамики до и после обжига, проверенный методами рентгеноструктурного анализа и ПЭМ микроскопии; высокая дисперсность (размер частиц должен быть мал и обладать высокой дефектностью решётки отдельных кристаллов), иметь определённую структурную организацию [3].

Одним из перспективных методов магнетронного нанесения слабопроводящих материалов является метод ВЧ-магнетронного распыления. В плазме ВЧ-магнетронного разряда в вакуумной установке в атмосфере аргона под давлением и определённой плотности распределения мощности, с учётом расстояния до мишени и в течении интервала времени происходит формирование наноструктуры [4]. В связи с эксплуатационными особенностями в работе процесса распыления используют переменное напряжение, так как постоянное напряжение приводит к прекращению возле диэлектрического катода процесса распыления, вследствие образования в пространстве положительного облака. К недостаткам метода относят контроль над факторами, влияющими на свойства покрытий: состояние поверхности титановой подложки, плазма магнетронного разряда и её химический состав, взаимодействие плазмы с основой из титана, плотности потока распыляемой таблетки, влияние температуры подложки, особенность морфологии покрытия при получении его на разных стадиях и наконец эволюция сформированных плёнок во внешней среде. Низкая скорость формирования покрытий методом ВЧ-магнетронного распыления несёт на себе значимые потери времени. Метод ВЧ-магнетронного распыления имеет такие достоинства, как низкая температура разогрева титановой основы, при этом сохраняется стехиометрический состав формируемых покрытий, распыляя многокомпонентные мишени [5, 6].

Рис. 3. Микрофотография матрицы (А) кальций фосфатное покрытие (В) титановая подложка

Выполнив все ступени создания титановой матрицы с кальций-фосфатным покрытием рис. 3 [8], приступаем к изучению физико-химических свойств (структура, фазовый и элементарный состав, шероховатость, тип кристаллической решётки, адгезию и т.д.), то есть всех определяющих черт, что должна иметь поверхность имплантата.

Возможным недостатком может являться толщина нанесённой плёнки, поэтому предстоит рассчитать высоту покрытия, чтобы она соответствовала и нормальной биоактивности к остеоиндукции, и соизмеримой прочности к кости и адгезии к подложке [7, 8]. Методы анализа модифицированных титановых подложек разнообразны и достойны отдельной публикации.

Литература

1. Brinkmann, J., Hefti, T., Schlottig, F. et al. Response of Osteoclasts to Titanium Surfaces with Increasing Surface Roughness: An In Vitro Study. Biointerphases (2012) 7: 34.

2. Пат. 2444376 С1 Российская Федерация. Способ нанесения биоактивного нано- и микроструктурированного кальций-фосфатного покрытия на имплантат из титана и его сплавов / Т.С. Петровская, В.П. Шахов и т.д. 10.03.2012, Бюл. № 7

3. Т.В. Сафронова, М.А. Шехирев, В.И. Путляев, Ю.Д. Третьяков. Керамические материалы на основе гидроксиапатита, полученные из растворов различной концентрации. / Неорганические материалы, 2007, том 43, № 8, с. 1005-1014.

4. Пат. 2523410 C1 Российская Федерация. Способ получения наноструктурированного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов /А.Б. Беркин, В.В. Дерябина. 20.07.2014, Бюл. № 20

5. А.М. Аронов [и др.] Тонкие кальций-фосфатные покрытия, полученные методом высокочастотного магнетронного распыления и перспективы их применения в медицинской технике [Текст] / Медицинская техника. - 2008. - № 3. - С. 18-22.

6. В.Ф. Пичугин [и др.]. Применение высокочастотного магнетронного распыления для формирования на поверхности титана тонких кальций-фосфатных биосовместимых покрытий [Текст] / Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. - 2007. - № 11.С. 67-72.

7. Д.В. Штанский, М.И. Петржик, И.А. Башкова и т.д. Адгезионные, фрикционные и деформационные характеристики покрытий Ti для ортопедических и зубных имплантов. / Физика твёрдого тела, 2006, том 48, вып. 7.

8. А.А. Ситников, В.И. Яковлев, М.Н. Сейдуров, А.А. Попова. Исследование тонкой структуры детонационных биосовместимых покрытий из гидроксиапатита кальция. / Алтайский государственный технический университет им. И.И. Ползунова, г. Барнаул, 2010. - 167-168с

9. С. Сагаловски, М. Шенерт. Клеточно-молекулярные механизмы развития асептической нестабильности эндопротеза тазобедренного сустава. / Отделение ортопедии клиники Медиан, Бад Лаузик, Германия; Травма №1 том 13 2012г.

10. B. Stadlinger, S.J. Ferguson, U. Eckelt, R. Mai, A.T. Lode, R. Loukota, F. Schlottig. Biomechanical evaluation of a titanium implant surface conditioned by a hydroxide ion solution. The British Journal of Oral & Maxillofacial Surgery [2012, 50(1):74-79].

Размещено на Allbest.ru