Способ изготовления протеза клапана сердца

 

Способ используется в медицинской промышленности для изготовления протеза клапана сердца. Изготавливают корпус и запирающий элемент заданной конфигурации, полируют его, затем производят ионную очистку деталей клапана от окисной пленки в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана. Ионную очистку деталей клапана производят при температуре (250 ± 20)^oC, вакууме Р = (453,2 ± 40,0) · 10^-5 Па и поддержании потенциала V = (-40 ± 60) В на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги I = (110 ± 10) А, напряжение питания дуги U = (70 ± 5) В, потенциал на деталях клапана V = (-100 ± 10) В и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при Р = (466,6 ± 40,0) · 10^-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления Р = (573,2 ± 40,0) · 10^-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100 - 500) · 10^-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью (10^-9 - 10^-11) кг/м³ при скорости конденсации покрытия (2 - 10) · 10^-10 м/имп, энергии облучения (23,2 - 96) · 10^-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,5 · 10^-6 м. Изобретение повышает функциональную долговечность клапана.

Изобретение относится к медицине, а именно к протезам клапанов сердца.

Повышение тромбозащиты и биосовместимости протезов клапанов сердца частично достигается нанесением на их металлические поверхности специальных покрытий. Из всех имеющихся в неживой природе веществ лишь составы на основе углерода или графита удовлетворяют в известной степени требованиям нейтральности и тромборезистентности. Однако их слабые механические свойства, особенно в тонких пленках, ограничивают возможности их использования для клапанов, работающих в жестком динамическом режиме. Снашивание тромборезистентных покрытий и обнажение таким образом арматуры приводит к серьезным тромбоэлитическим осложнениям, сводит на нет эффект имплантации и в конечном счете, сдерживает широкое клиническое использование протезов клапанов сердца.

Известен способ получения тромборезистентного покрытия на искусственных клапанах сердцу [1]. Перед нанесением покрытия детали протеза клапана сердца (далее клапана) подвергают очистке и химической полировке, после чего помещают в кварцевый реактор, который заполняют очищаемым селикагелем гелием. После продувки реактора инертным газом включают нагрев, достигая 860^oC, после чего в реактор подают смесь очищенного пропана с гелием в соотношении 1:9, поддерживая постоянным расход газа в течение всего периода пиролиза (15 - 30) мин. В результате пиролиза на металлических поверхностях клапана образуется адгезионный подслой карбида титана, а наружный слой покрытия толщиной (10 - 15)·10^-6 м целиком состоит из графита. Затем для повышения тромборезистентности графитовую поверхность обрабатывают активирующим раствором - смесью альбумина с поливиниловым спиртом.

Недостатком известного способа в первую очередь является пористость получаемого слоя и неоднородность его толщины. Для повышения плотности и однородности необходимо существенно увеличить толщину покрытия, а такой слой вследствие недостаточной адгезии с металлической подложкой предрасположен к отслаиванию. Пористость (шероховатость) поверхности играет важную роль в инициировании тромбообразования, что вызывает необходимость обработки клапана активирующим раствором, а впоследствии - введения антикоагулянтов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления протеза клапана сердца по [2] , принятый в качестве прототипа. Согласно способу-прототипу изготавливают детали клапана (корпус и запирающий элемент) заданной конфигурации, рабочие поверхности которых обрабатывают механическим путем до шероховатости 9 или 10-го класса (0,08 - 0,05)·10^-6 м, загружают в ванну с фреоном и при помощи ультразвука производят очистку клапана в течение 20 мин при комнатной температуре. После ультразвуковой очистки поверхности клапана подвергают электрополированию, повышая класс шероховатости до 12-го. Затем осуществляют ионную очистку клапана, для чего его помещают в вакуумную камеру, которая заполнена инертным газом (аргоном) с давлением (6,67 - 1,33) Па. Основные параметры очистки: указанное давление, ток дуги (3,8 - 4,0) А, температура подложки (300 - 320)^oC, скорость вращения клапана 60 об/мин. После ионной очистки поверхностей клапана наносят углеродное покрытие из массивной мишени спектрально чистого углерода. При этом давление рабочего газа (аргона) доводят до значения (0,133 - 0,107) Па, ток накала термокатода до (110 - 120) А, ток дуги плазмы (4,0 - 4,2) А, потенциал мишени (4,8 - 5,2) кВ, напряженность магнитного поля (0,95 - 1,19)·10⁴ А/м и температура клапана (380 - 420)^oC. При этом режиме время нанесения углеродного покрытия толщиной (6 - 8)·10^-6 м составляет (40 - 80) мин.

Недостатком способа-прототипа является низкая прочность наносимого слоя, что объясняется невысокой микротвердостью графита. Такое покрытие не может выдержать жестких условий работы клапана, какими характеризуется его функционирование в живом организме.

Задачей изобретения является снижение тромбообразования и повышение функциональной долговечности протеза клапана сердца.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу изготовления протеза клапана сердца, включающему механическое изготовление корпуса и запирающего элемента заданной конфигурации, полировку, ионную очистку деталей клапана в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана, дополнительно перед углеродным покрытием формируют адгезионно-упрочняющий слой. При этом ионную очистку деталей клапана производят при температуре (250±20)^oC, вакууме P = (453,2±40,0)·10^-5 Па и поддержании потенциала V = (-400±60) В на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги I=(110± 10) А, напряжение питания дуги U = (70±5) В, потенциал на деталях клапана V = (-100±10) В и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при P = (466,6±40,0)·10^-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления P = (573,2±40,0)·10^-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100-500)·10^-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью (10^-9 - 10^-11) кг/м³ при скорости конденсации покрытия (2-10)·10^-10 м/имп, энергии облучения (23,2-96)·10^-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,5·10^-6 м.

Функциональная долговечность клапана определяется высокой твердостью и прочностью покрытия, которые обеспечиваются совокупностью признаков предлагаемого способа, а именно: проведением ионной очистки при глубоком вакууме, что позволяет ликвидировать окисную пленку с поверхности деталей; нанесением адгезионного подслоя химически чистого титана для атомарного сцепления покрытия с подложкой (деталью клапана); нанесением упрочняющего слоя нитрида титана, обеспечивающего сглаживание микронеровностей поверхности и, кроме того, обладающего химической инертностью в сочетании с высокой микротвердостью и плотностью; нанесением адгезионного подслоя титана, обеспечивающего подготовку поверхности к атомарному сцеплению с углеродом с образованием химического соединения - карбида титана при последующем осаждении углеродного покрытия; формированием углеродного покрытия алмазоподобной структуры, обладающего наибольшей микротвердостью и гемосовместимостью электроизоляционных характеристик, что обеспечивает снижение тромбообразования при имплантации клапана; выбором соотношения параметров технологических режимов при послойном осаждении покрытия на детали клапана.

Способ изготовления протеза клапана сердца осуществляют следующим образом.

Из биосовместимого материала, например, титана марки ВТ1-0 механической обработкой изготавливают заготовки корпуса и запирающего элемента клапана заданной конфигурации. Детали полируют механическим способом с применением мягких паст на углеродной основе без алмазных включений до шероховатости поверхности 9 - 10-го класса R_а = (0,08 - 0,05)·10^-6 м. Затем детали клапана погружают в ванну с фреоном и при помощи ультразвука очищают в течение 20 мин при комнатной температуре.

Для осуществления следующих операций формирования промежуточного покрытия используют вакуумную камеру, в которую устанавливают детали клапана в приспособлении, обеспечивающем их вращение в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Камеру откачивают турбомолекулярным насосом типа НВТ-3500 до давления P = 133,3·10^-5 Па и прогревают детали излучением, исходящим из титановой мишени - анода, нагреваемого дуговым разрядом полого катода, через который в камеру подают инертный газ (аргон) в магнитном поле, создаваемом двумя соленоидами для отклонения плазменного луча (дуги) на 90^o в сторону анода. Прогрев производят в режиме: I = 60 А; U = 60 В; P = 453,2·10^-5 Па, где I - ток дуги разряда, U - напряжение питания дуги.

После достижения температуры деталей 250^oC осуществляют ионную очистку деталей во вращении в течение 30 мин в среде аргона при отрицательном потенциале V = -400 В на деталях относительно анода, а затем нанесение подслоя титана в течение 5 мин в режиме: I = 110 А; U = 70 В; P = 466,5·10^-4 Па, V = -100 В.

Затем в камеру в течение 30 мин вводят азот (N₂) марки B₄до общего давления P = 573,2·10^-4 Па, сохраняя отрицательный потенциал на деталях и параметры дуги прежними. Процесс образования на деталях TiNi прекращают путем перекрытия подачи азота. Перед нанесением второго адгезионного подслоя титана при прежних параметрах дуги в течение 5 с снижают потенциал на деталях до V = -300 В, а затем снова устанавливают V = -100 В и в течение 10 мин формируют подслой титана до общей толщины промежуточного покрытия (100 - 500)·10^-10 м. Толщина промежуточного покрытия установлена экспериментально, при этом слой менее 100·10^-10 м не дает достаточного сглаживания микродефектов поверхности, а слой более 500·10^-10 м является порогом дефектообразования углеродного покрытия. После окончания формирования промежуточного покрытия выключают источники питания дуги, снимают отрицательное смещение на деталях, перекрывают подачу аргона, а затем откачивают камеру до вакуума P = 679,8·10^-6 Па и выдерживают детали в течение 15 мин.

Операция формирования углеродного алмазоподобного покрытия осуществляется при использовании импульсного электродугового источника углеродной плазмы с расходуемым графитовым катодом и углеродной мишенью при питании дуги от конденсаторной батареи емкостью 200 мкФ напряжением (200-300) В с частотой следования импульсов разряда (1-5) Гц. Конденсация покрытия производится в течение (60-100) мин при вращении деталей со скоростью 60 об/мин, при поддержании вакуума P = 173,3·10^-5 Па и температуры деталей клапана не ниже 120^oC. При этих параметрах создают плотность плазмы (10^-9-10^-11) кг/м³, на два порядка превышающую плотность остаточных атмосферных газов с целью обеспечения минимальной загрязненности поверхности этими газами, и обеспечивают скорость конденсации покрытия (2-10)·10^-6 м/имп. Полученное углеродное покрытие имеет удельное сопротивление 10⁹ Ом·м, диэлектрическую проницаемость пленки дельта = (8-14) и механическую прочность (7 -8)·10^-5 Па. Достигаемая прочность обеспечивается энергией осажденных ионов углерода в несколько десятков электрон-вольт, которая должна превосходить энергию связи атомов в решетке алмаза и оставаться меньше порога дефектообразования. Оптимальная толщина покрытия, включая промежуточный слой, - (2- 2,5)·10^-6 м, что подтверждается испытаниями опытной партии клапанов, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом. При 4·10⁸ циклов срабатывания клапана, эквивалентных сроку службы 10 лет, износа покрытия не обнаружено.

После нанесения углеродного покрытия осуществляют сборку клапана.

Формула изобретения

Способ изготовления протеза клапана сердца, включающий изготовление корпуса и запирающего элемента заданной конфигурации, полировку, ионную очистку деталей клапана от окисной пленки в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана, отличающийся тем, что ионную очистку деталей клапана производят при (250 ± 20)^oC, вакууме (453,2 ± 40,0) · 10^-5 Па и поддержании потенциала (-400 ± 60) B на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги (110 ± 10) A, напряжение питания дуги (70 ± 5) B, потенциал на деталях клапана (-100 ± 10) B и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при (466,6 ± 40,0) · 10^-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления (573,2 ± 40,0) · 10^-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100 - 500) · 10^-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью 10^-9 - 10^-11 кг/м³ при скорости конденсации покрытия (2 - 10) · 10^-10 м/имп., энергии облучения (23,2 - 96) · 10^-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,5 · 10^-6 м.