Имплантат зубной из изотропного пиролитического углерода
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в стоматологии для восстановления частичных и полных дефектов зубных рядов. Технический результат - повышение прочности и надежности зубных имплантатов из углеродсодержащих материалов. Имплантат зубной цилиндрический эндоссальный изготовлен из монолитного изотропного пиролитического углерода, без легирующих элементов или легированного бором или кремнием, с пределом прочности на изгиб не менее 300 МПа. При изготовлении зубных имплантатов из изотропного пиролитического углерода будет решена задача создания прочного, надежного, технологичного и доступного по цене имплантата для восстановления частичных и полных дефектов зубных рядов. 2 табл.
Изобретение относится к медицинской технике и может быть использовано в стоматологии для восстановления частичных и полных дефектов зубных рядов.
Проблема разработки биосовместимых материалов для стоматологических имплантатов всегда была самой важной и трудной. Материалы, из которых изготавливают стоматологические имплантаты, должны удовлетворять ряду требований:
- Отсутствие токсичности и коррозии
- Прочность
- Технологичность
- Близкие к естественным тканям физические свойства.
Несоответствие материала хотя бы по одному из параметров снижает функциональную ценность имплантата и сроки его функционирования. Оптимальное сочетание характеристик материала обеспечивает биосовместимость (в т.ч. биомеханическую) имплантата.
Известные материалы для стоматологических имплантатов можно классифицировать как биоинертные (титан и его сплавы, цирконий, корундовая керамика, тантал, углерод), биотолерантные (нержавеющая сталь, хромкобальтовые сплавы и др.) и биоактивные (покрытия имплантатов гидроксилапатитом, кальцийфосфатной керамикой и др.). Биотолерантные материалы практически не применяются в настоящее время, так как не пригодны для целей имплантации ввиду отсутствия биоинертности [1].
Применение металлических имплантатов всегда осложняется гальваноэлектрическими явлениями, приводящими к металлозу окружающих тканей и коррозии деталей. Металлам свойственно вызывать резорбцию костной ткани. Различие физико-механических свойств металлов и костной ткани приводит к расшатыванию имплантатов и необходимости их ревизии (повторных операций).
Керамика отличается хрупкостью при ударной нагрузке и недостаточной технологичностью.
Процесс совершенствования материалов для имплантатов продолжается, однако в сложившейся на сегодняшний день практике имплантологии используются в подавляющем большинстве металлические имплантаты (в основном - титановые).
Развитие техники получения многочисленных видов углеродных материалов наряду с выявленной совместимостью с живой тканью привело к активизации исследований, разработке новых и композиционных материалов на основе углерода для медицины. К настоящему времени достоверно установлено, что углеродные материалы не имеют конкурентов по степени удовлетворения биохимических и физико-механических требований, предъявляемым к медицинским изделиям.
К этим требованиям относятся:
- отсутствие токсичности и канцерогенности;
- неизменность под воздействием биологических сред произвольной активности;
- отсутствие коррозионных явлений при контакте с живыми тканями;
- близость физико-механических свойств;
- отсутствие усталостных напряжений и, как следствие, долговечность имплантата;
- наличие у поверхности имплантата остеогенной активности;
- низкий износ в условиях трения и индифферентность продуктов износа, накапливающихся в лимфатических узлах;
- способность стимулировать рост тканей или регенерацию основной ткани;
- электропроводность, близкая к тканевой, без выделения ионов в окружающую среду;
- возможность получения поверхности практически любого класса чистоты и простого изготовления пористой структуры;
- безусловной и быстрой стерилизации любого вида.
Материалы, используемые для изготовления эндопротезов и имплантатов, по величине нормального электрохимического потенциала в плазме крови можно расположить в следующий ряд: стеклоуглерод (+0,329МВ), платина (+0.332МВ), золото (+0,334МВ), пирографит (+0,344МВ). Известно, что стеклоуглерод обладает аморфной структурой, а пирографит близок к монокристаллу. Можно сказать, что таким образом все углеродные материалы с различной структурой, имея нормальный электрохимический потенциал в пределах от +0,329МВ до +0,344МВ, т.е. сравнимый с этими показателями наиболее пассивных из всех элементов золота и платины. Углеродные материалы в настоящее время наиболее близки по электрохимическому потенциалу к биологической среде живого организма.
Как показали морфологические исследования, проведенные на кроликах в Московском научно-исследовательском институте глазных болезней им.Гемгольца с использованием прочного мелкодисперсного графита МПГ-6, синтактической углеродной пены, углеродного войлока Карботекстим-М и углеродной ткани ТГН-2М, все углеродные материалы в течение года не отторгались, не изменяли своей формы и обрастали соединительной пленкой белкового происхождения.
Поэтому по показателям биосовместимости, токсичности и коррозии углеродные материалы являются одними из лучших для использования в качестве имплантатов.
Известны зубные имплантаты из стеклоуглерода и углерод-углеродного композиционного материала [2]. Прочность стеклоуглерода составляет в среднем около 80 МПа, а углерод-углеродного композиционного материала в среднем около 100 МПа. Недостатком данных зубных имплантатов является их недостаточная прочность и повышенная хрупкость стеклоуглерода.
Известен зубной имплантат в виде лопаточки на основе пиролитического графита [3]. Этот имплантат, выбранный в качестве прототипа, состоит из графитового внутреннего слоя и покрытия из изотропного пиролитического углерода. Расчетные значения напряжений при изгибе составляют примерно 340 МПа для наружного покрытия и 55 МПа для внутреннего графитового слоя. Толщина наружного покрытия составляет около 250 мкм. Более толстое покрытие нельзя делать из-за высокой твердости покрытия и возможности его растрескивания. Недостатком данного имплантата является также сложность и высокая стоимость изготовления цилиндрических имплантатов.
Из-за указанных недостатков имплантаты из углеродных материалов не нашли широкого применения.
Целью изобретения является повышение прочности и надежности зубных имплантатов из углеродсодержащих материалов.
Достижение цели в повышении прочности и надежности зубных имплантатов из углеродсодержащих материалов, обеспечивается тем, что имплантат зубной цилиндрический эндоссальный изготовлен из монолитного изотропного пиролитического углерода, без легирующих элементов или легированного бором или кремнием с пределом прочности на изгиб не менее 300 МПа.
Перечисленные отличия предлагаемого зубного имплантата сообщают ему ряд важных преимуществ по сравнению с прототипом.
Изотропный пиролитический углерод получают путем совместного пиролиза углеводородов с галогенидами металлов или без них. Изотропный пиролитический углерод имеет однородную, изотропную, мелкокристаллическую структуру.
Изотропный пиролитический углерод благодаря своим уникальным свойствам (высокая плотность, прочность, износостойкость, биологическая совместимость с кровью и тканями организма) нашел применение в медицине. Из него изготавливают основные элементы искусственных клапанов сердца.
Основные физико-механические и теплофизические свойства изотропного пиролитического углерода приведены в таблице 1.
Физико-механические свойства изотропного пиролитического углерода наиболее близки к свойствам кости и зубов, как это показано в таблице 2. Из таблицы видно, что физико-механические свойства титана на порядок выше свойств кости и зубов. Поэтому при одинаковых деформациях в титане и кости будут возникать различные напряженные состояния, что и является основной причиной расшатывания металлических имплантатов.
Использование изотропного пиролитического углерода для изготовления зубных имплантатов позволит значительно увеличить их прочность, надежность и долговечность.
Еще одним из преимуществ изготовления имплантатов из изотропного пиролитического углерода является их технологичность и относительно низкая стоимость. Изотропный пиролитический углерод обрабатывается на токарных, фрезерных, сверлильных, шлифовальных и полировальных станках с помощью стандартных режущих инструментов. Мелкозернистая структура изотропного пиролитического углерода позволяет изготавливать изделия толщиной 0.8-1 мм с кромками 0.03 мм и получать поверхности 12-13 класса чистоты. Кроме этого, самым важным является возможность непосредственной доработки имплантата в любые сроки и моменты перед протезированием по объемным параметрам.
Реализуют предлагаемое изобретение следующим образом.
Из изотропного пиролитического углерода, полученного по описанной выше технологии, с пределом прочности на изгиб не менее 300 МПа путем круглого шлифования изготавливают цилиндрические зубные имплантаты. Имплантат моется в специальном растворе в ультразвуковой ванне при температуре около 100°С. После окончательной очистки имплантат упаковывается и стерилизуется или в потребительской таре, или непосредственно перед операцией любым методом.
Операция установки имплантата производится следующим образом.
На предварительном этапе пациенту проводится санация полости рта, выполняются клинико-биохимические и лабораторные тесты, бактериологический контроль, рентгенограммы челюстей, уточняется аллергический анализ. Совместно с ортопедом стоматологом обсуждаются детали дентальной имплантации. Непосредственно перед операцией проводится гигиена полости рта антисептиками, дважды обрабатывается кожа лица спиртом, премедикация по известным схемам. Под местной анестезией рассекается десна до 0.5-0.8 см альвеолярного гребня, выполняется отслойка слизисто-надкостичного лоскута (его краев). Специальными сверлами (фрезами) диаметрами, например, 2,4; 3,4; 4,0 мм последовательно делается костный канал по длине (10-12 мм) и диаметру (например, 4,0 мм) эндоссальной части дентального имплантата из изотропного пиролитического углерода. Частота оборотов сверла 250-300 оборотов в минуту с непрерывным орошением (охлаждением) раствором антисептика. С помощью направителя, молотка и других специальных инструментов дентальный имплантат "всаживается" с натягом в костный канал. В течение 3-5 дней проводятся симптомитическая терапия, антибиотики. Контрольный осмотр проводится через неделю и через месяц с бактериологическими тестами. Через 1,5-3 месяца выполняется протезирование.
Имеется первый опыт использования зубных имплантатов из изотропного пиролитического углерода в клинической практике [4]. Срок наблюдения уже около 5 лет с положительным результатом.
При изготовлении зубных имплантатов из изотропного пиролитического углерода будет повышена прочность, надежность и технологичность имплантатов для восстановления частичных и полных дефектов зубных рядов.
| Таблица 1 | ||
| Физико-механические и теплофизические свойства изотропного пиролитического углерода | ||
| № пп | Характеристика | Свойства |
| 1 | Плотность, г/см3 | 1.90-2.05 |
| 2 | Микротвердость, МПа | 1000-1500 |
| 3 | Предел прочности при изгибе, МПа | 300-360 |
| 4 | Предел прочности при сжатии, МПа | 650-720 |
| 5 | Модуль упругости, ГПа | 22.9-23.1 |
| 6 | Коэффициент теплопроводности, Вт/мх°К | 23-25 |
| 7 | Коэффициент теплового линейного расширения, °К-1 293-473°К | 5.5×10-6 |
| 8 | Удельное электросопротивление, Ом×м | (1.4-1.5)×10-5 |
| Таблица 2 | ||
| Физико-механические свойства материалов | ||
| Модуль упругости, МПа | Коэффициент Пуассона | Материал |
| 20 | 0,3 | Периодонт |
| 1500 | 0,3 | Губчатая кость |
| 15000 | 0,3 | Кортикальная кость |
| 20000 | 0,3 | Дентин |
| 16000-25000 | 0,3 | Изотропный пиролитический углерод |
| 110000 | 0,35 | Титан |
ИСточники информации
1. Мушеев И.У., Олесова В.Н., Фрамович 0.3. Практическая дентальная имплантология. Парадиз, 2000.
2. Jenkins G.M., Grigson C.J. "The fabrication of artifacts out of glassy carbon and carbon-fiber-reinforced carbon for biomedical applications" // J. Biomed. Mater. Res., 1979, 13, №3, 371-394.
3. Shim Hong S. "The strength of LTI carbon dental implants" // J. Biomed. Mater. Res., 1977, 11, №3, 435-445 (Прототип).
4. Татаринов В.Ф., Олейников М.К. Применение углеситалла для зубных имплантатов: Тез. докл. Международная научно-техническая конференция «Современные материалы и технологии - 2002». - Пенза, 28-31 мая 2002. - с.43-45.
Имплантат зубной цилиндрический эндоссальный из углеродсодержащего материала, отличающийся тем, что он изготовлен из монолитного изотропного пиролитического углерода без легирующих элементов или легированного бором или кремнием с пределом прочности на изгиб не менее 300 МПа.
