Устройство для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза

 

Использование: изобретение относится к медицинской технике, а точнее к травматологии и ортопедии для изготовления имплантатов, оптимизирующих процессы остеорепарации при лечении повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы. Основными задачами изобретения являются обеспечение стабилизации режима работы устройства электродугового испарения для изготовления имплантата, повышение его производительности и качества электретных покрытий имплантата. Сущность изобретения: поставленные задачи решаются тем, что катод 14 плазменного ускорителя 2 устройства выполнен многослойным в виде двух или более частей 25, 26, из которых испаряемая часть 25 выполнена заменяемой из тантала, а опорная 26 снабжена углублением 28 со стороны охлаждающей жидкости причем эффективная толщина катода Нк определяется по формуле. 4 ил.

Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в травматологии и ортопедии для получения устройств, оптимизирующих процессы остеорепарации при лечении повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы.

Применяемые в настоящее время для оперативного лечения имплантаты, покрытые в электретном состоянии, создают нормальный биопотенциал в области остеосинтеза, что предупреждает развитие атрофии и снижение прочности костной ткани, а также некроз и деформацию поверхностей крупных суставов, сокращая при этом сроки лечения и сводя к минимуму послеоперационные осложнения. Для создания электретных покрытий, в том числе и многослойных, необходимо обеспечить высокую чистоту и заданный стехиометрический состав пленок диэлектриков в электретном состоянии, определяющих функциональные возможности имплантируемых конструкций для остеосинтеза.

Характерная конструкция имплантата представляет собой, как правило, плоскую металлическую пластину с крепежными отверстиями [1] Предпочтительным материалом для изготовления имплантатов является титан, биологически совместимый с живым организмом и обладающий, кроме этого, целым рядом высоких физико-механических показателей, среди которых особо следует отметить прочность, антикоррозионную стойкость и низкий удельный вес.

Известнын способ и схема установки для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза, в которых в качестве исходного изделия используют имплантат из титана, на который наносят последовательно покрытие из тантала в качестве подслоя и затем его окись в качестве электретного слоя до получения заданной толщины [2] Указанная установка принята в качестве наиболее близкого аналога. Указанный способ достаточно эффективен для изготовления плоских имплантатов с электретными свойствами для остеосинтеза, имеющих длину не более 10 см. Однако в связи с тем, что в современной медицинской практике начали использовать более сложные конструкции имплантатов (Г-образной и других форм), метод электронно-лучевого испарения для реализации этого способа не может обеспечить требование равномерности свойств наносимых покрытий на поверхности таких изделий, так как при электронно-лучевом испарении материалов источник парового потока является точечным.

Основными задачами изобретения являются обеспечение стабилизации режима работы устройства для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза, повышение его производительности и качества электретных покрытий.

В процессе решения поставленных задач были проведены экспериментальные исследования, которые позволили устранить отмеченные недостатки и оптимизировать конструкцию распыляемого катода. Это достигается тем, что в устройстве для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза, содержащем каркас, механическую часть, вакуумную систему, в которую входит плазменный ускоритель с анодом и катодом, системы охлаждения, газопитание и удаление пыли, катод выполнен многослойным в виде двух или более частей, из которых испаряемая часть выполнена заменяемой из тантала, а опорная снабжена углублением со стороны охлаждающей жидкости, причем эффективная толщина катода H_k определяется по формуле H_к = K_сλS_к(ΔT)/h_кIv, м, где K_c коэффициент теплового сопротивления в месте контакта соединяемых частей с учетом их материала; λ коэффициент теплопроводности материала испаряемой части катода, Вт/м·град; S_k площадь испаряемой части катода, м²; DT разность температур между средней по площади испаряемой части торца катода и охлаждаемого торца его основания, град.

h_k коэффициент катодной мощности; I ток дуги, А; V падение напряжения на разряде, В.

Новым является то, что катод устройства выполнен многослойным в виде двух или более частей, из которых испаряемая часть выполнена заменяемой из тантала, а опорная снабжена углублением со стороны охлаждающей жидкости, причем эффективная толщина катода H_k определяется из эмпирической формулы, изложенной и раскрытой ранее.

На фиг. 1 изображена схема устройства; на фиг. 2 узел плазменного ускорителя с анодом и катодом, поперечное сечение; на фиг. 3 катод, поперечное сечение; на фиг. 4 то же, по варианту исполнения.

На схеме (фиг. 1) условно не показан каркас, механическая часть, системы газопитания и удаления пыли. Вакуумная система устройства состоит из вакуумной камеры 1, снабженной узлом 2 плазменного ускорителя с анодом и катодом, изолированным вакуумным вводом вращения 3, приводом 4 вращения имплантатов (подложек), электрическим вводом в вакуум 5 и источником напряжения смещения 6 на имплантаты. На валу 7 привода вращения 4 смонтированы два фланца 8, на которых с помощью держателей 9 закреплены имплантаты 10. Выходной патрубок для откачки 11 смонтирован в нижней части вакуумной камеры. Направление откачки для создания вакуума и направление вращения имплантатов показаны стрелками. Узел 2 плазменного ускорителя (фиг. 2) состоит из анода 12, размещенного в корпусе 13, распыляемого катода 14, который закреплен в стакане 15, снабженном камерой охлаждения 16 с вводом охлаждающей жидкости 17 и ее выводом 18. Катод 14 закреплен в стакане 15 с помощью накидной гайки 19 с уплотнениями 20. Между корпусом 13 и стаканом 15 с камерой охлаждения смонтирован стакан с поджигающим электродом 21. Верхняя фиксация стакана 15 к корпусу осуществлена с помощью прижимного винта 22 и скобы 23 с резьбовой втулкой 24.

Катод 14 состоит из двух частей испаряемой 25 и опорной 26, отбортовка 27 служит опорой для закрепления катода в стакане 15. Углубление 28 предназначено для более эффективного охлаждения катода.

На фиг. 3 изображена эффективная высота катода H_k и его полная высота H_п. На фиг. 4 показан вариант выполнения катода, состоящего из трех частей и различных материалов.

Возможны следующие комбинации сочетания материалов катода (испаряемая часть и основание): тантал-тантал, тантал-титан (фиг. 3) и тантал-тантал-титан или тантал-титан-титан для трехслойного катода (фиг. 4, позиция 29 - промежуточная пластина). Для многократного использования наиболее приемлема комбинация материалов катода: тантал + титан; наиболее дешевый вариант выполнения: тантал + титан, однако эта комбинация требует тщательного контроля минимальной толщины испаряемого слоя тантала в процессе эксплуатации катода.

Наиболее целесообразной следует считать трехслойную конструкцию, обладающую преимуществами двух первых комбинаций.

Устройство для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза работает следующим образом. Между катодом 14 и анодом 12 при подаче напряжения возникает дуговой разряд. Катод подвергается эрозии, образуя в парах тантала плазму. Фокусировку плазмы осуществляют с помощью внешнего магнитного поля. Ускоренные ионы напыляемого материала заполняют пространство вакуумной камеры и осаждаются под действием напряжения смещения на имплантатах 10 (фиг. 1), укрепленных на вращающихся фланцах 8 с помощью держателей 9. Слой покрытия с электретными свойствами на имплантаты определяется соответствующим режимом работы устройства.

Испарение катода осуществляется в режиме "катодных пятен", поведение которых на испаряемой поверхности катода изучено недостаточно. Однако их перемещение по испаряемой поверхности непосредственно зависит от степени охлаждения каждого участка этой поверхности и при плохом их охлаждении стабильной работы установки достигнуть невозможно.

Процесс эксплуатации предлагаемой конструкции устройства подтвердил полную его работоспособность и эффективность благодаря устранению отмеченных недостатков прототипа. С помощью предлагаемой конструкции катодного узла, кроме решения поставленных задач, получены дополнительные результаты.

Конструкция многослойного катода дает возможность многократного его использования, так как после двухсменной работы обычный катод исключает повторное применение из-за изменения его толщины. Кроме того, тантал является дорогостоящим материалом и краткосрочное его использование экономически нецелесообразно. В процессе эксплуатации устройства повышен срок службы катода, что достигается проточкой эрозированной поверхности испаряемой части и соединением новой танталовой пластинки (диска) на обработанную поверхность основания с помощью электронно-лучевой или термодиффузионной сварки. Кроме того, благодаря многослойности обеспечивался регулируемый тепловой контакт между испаряемой и опорной частями, что позволило более эффективно испарять поверхность катода дугой с относительно небольшим током (180 190 А вместо 220 230 А).

Еще одним дополнительным преимуществом следует считать применение в качестве опорной части более дешевого материала, например титана.

1. Пример расчета, выполненного по предлагаемой формуле при использовании катода, состоящего из однородного металла тантала.

H_к = K_сλS_к(ΔT)/h_кIv, м, где K_c коэффициент теплового сопротивления в месте контакта соединяемых частей с учетом их материалов; λ коэффициент теплопроводности материала испаряемой части катода, Вт/м·град;
S_k площадь испаряемой части катода, м²;
DT разность температур между средней по площади испаряемой части торца катода и охлаждаемого торца его основания, град;
h_k коэффициент катодной мощности;
I ток дуги, А;
V падение напряжения на разряде, В.

Рекомендуемые значения K_c:
для цельно-металлического катода K_c 1;
для сварного из однородного материала (при электронно-лучевой сварке) K_c 0,95 1;
для сварного из разнородных материалов K_c <0,95.

c 1; λ 16 Вт/м·град; S_к=πD²/4=3,14·0,065²/4=3,32·10^-3 м², где D диаметр катода; ΔT 400 град; h_k 0,2; I 190 А, V 29 В.

H_k 1 · 16 · 3,32 · 10^-3 · 400/0,2 · 190 · 29 1,9 · 10^-2 м
Таким образом, для обеспечения нормального теплоотвода толщина катода H_k должна быть меньше или равна 19 мм.

2. Пример расчета двухслойного сварного катода, в котором испаряемая его часть выполнена, как и основная, из тантала (тантал + тантал).

H_к = K_сλS_к(ΔT)/h_кIv, м.

При K_c 0,95; λ 16 Вт/м·град; S_k 3,32 · 10^-3 м²; DT 400 град; h_k 0,2; I 190 А; V 29 В.

H_k 0,95 · 16 · 3,32 · 10^-3 · 400/0,2 · 190 · 29 1,83 · 10^-2 м
Таким образом, для обеспечения нормального теплоотвода толщина катода H_k должна быть меньше или равна 18,3 мм.

3. Пример расчета трехслойного сварного катода, в котором испаряемая часть выполнена из тантала, а основная и средняя части из тантала (тантал - титан титан).

Поскольку заменяемая часть катода из тантала имеет малую толщину (2 4 мм), то и перепад температур в ней незначителен, т.е. рассматриваемый многослойный катод, с позиции расчета теплового режима, представляет собой как бы однородный титановый электрод, работающий в режиме распыления, характерном для
стимулирования процессов остеорепарации и сокращения сроков регенерации костной ткани;
повышения противовоспалительной активности, предупреждения послеоперационных осложнений, развития некроза и деформации суставных поверхностей.

Все это в итоге приведет к сокращению времени лечения повреждений и заболеваний опорно-двигательной системы в 1,7 2 раза.

Формула изобретения

Устройство для изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза, содержащее каркас, механическую часть, вакуумную систему, в которую входит плазменный ускоритель с анодом и катодом, системы охлаждения, газопитания и удаления пыли, отличающееся тем, что катод выполнен многослойным в виде двух или более частей, из которых испаряемая часть выполнена заменяемой из тантала, а опорная снабжена углублением со стороны охлаждающей жидкости, причем эффективная толщина катода Н_к определяется по формуле
H_к = K_сλS_к(ΔT)/h_кIU,
где К_с коэффициент теплового сопротивления в месте контакта соединяемых частей с учетом их материалов;
λ - коэффициент теплопроводности материала испаряемой части катода, Вт/(м·град);
S_к площадь испаряемой части катода, м²;
ΔT - разность температур между средней по площади испаряемой части торца катода и охлаждаемого торца его основания, град;
h_к коэффициент катода мощности;
I ток дуги, А;
U падение напряжения на разряде, В.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4