Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов и способ его получения

Изобретение относится к области ортопедической импланталогии и может быть использовано для изготовления имплантатов (штифтов), внедряемых в костную ткань. Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов в объеме состоит из сплава титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов. Материал имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит. Поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана. Способ получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов заключается в изготавливании сплава Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава. Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава в интервале 950-800°С со степенью деформации 30-60%. После этого придают заготовкам заданную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок. Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10^-2 мм рт.ст. и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул. Материал обеспечивает высокий срок службы костных имплантов за счет эффекта псевдоупругости, а также безопасного для человека за счет исключения проникновения металлических ионов в организм. Способ технологически упрощен и позволяет получить материал для костных имплантов со стабильными свойствами. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 1 табл.

 

Изобретение относится к области медицины, а именно к псевдоупругим биосовместимым функционально-градиентным материалам и способу их получения. Указанные материалы используются при ортопедической имплантологии, в частности дентальной имплантологии, и могут быть применены для изготовления безопасных имплантов («штифтов»), внедряемых в костную ткань.

Известен сплав для медицинских устройств и имплантов (ЕР 1444993, опублик. 10.02.98). Низкомодульный сплав содержит ниобий, тантал и не менее одного металла из группы, в состав которой входят цирконий, вольфрам и молибден. Изготовленные из данного сплава медицинские устройства и изделия обладают высокими функциональными характеристиками, являются биологически совместимыми, рентгеноконтрастными и пригодны для использования с магниторезонансной системой визуализации.

К недостаткам этого материала относится излишнее легирование элементами цирконий, вольфрам и молибден, которые повышают модуль Юнга и упрочняют материал, что приводит к повышению остаточных напряжений и ускоренному разрушению костной ткани.

Прототипом первого объекта предложенного изобретения является материал импланта для замещения дефекта костной ткани (JP 2710849, опублик. 11.08.04). Имплант содержит слой биологически активного материала, обладающего сродством к тканям организма, сформированный на поверхности основы, изготовленной из титанового сплава и имеющий шероховатую поверхность. Сплав, из которого состоит основа импланта, содержит алюминий в количестве 5.5-6.0%, ниобий в количестве 1.5-2.5%, 0.5-1.5% тантала, 0.5-1.0% молибдена и титан до 100%. При таком составе сплава возможна его обработка раствором при температуре около 1000°С и кальцинирование покрывающего его биологически активного материала. При этом имплантат приобретает высокую усталостную прочность.

Недостатками материала являются отсутствие эффекта псевдоупругости, а также высокое содержание алюминия, за счет которого он обладает более высоким модулем упругости и имеет ограничения по химическому составу сплавов, допущенных Минзравом РФ для контакта с живой тканью (Al - не допущен).

Известен материал для изготовления имплантов и способ его получения (JP 3545505, опублик. 14.07.05). Поверхность титановой основы материала покрывают смесью состоящей из стеклянного порошка и порошка гидроксиапатита, после чего производят обжиг, формируя на поверхности слой стеклокерамики. Этот слой протравливают кислотой, за счет чего в нем образуются отверстия. Полученный композиционный материал пропитывают раствором электролита, содержащим 137,8 мМ ионов Na⁺, 1,67 мМ ионов HPO₄ ^2-, 2,5 мМ ионов Са²⁺ и 50 мМ (CH₂OH)₂CNH₂; pH раствора отрегулированный с помощью соляной кислоты, равен 7,2. После этого на поверхности материала электрохимическим методом формируют пленку, состоящую из фосфата кальция, основным компонентом которого является карбоксиапатит.

К недостаткам способа относится отсутствие у получаемого материала эффекта псевдоупругости и невозможность получения точных геометрических размеров импланта из-за неконтролируемой толщины поверхностного слоя, изготавливаемого по многостадийной химически сложной технологии.

Прототипом второго объекта предложенного изобретения является способ изготовления биомедицинского титанового импланта (WO 3006080, опублик. 23.01.03), поверхность которого содержит титан или его сплав, помещение поверхности импланта в содержащую кислород атмосферу с точкой выпадения росы 0°С, нагревание поверхности данного биомедицинского импланта в данной атмосфере, образуя, таким образом, оксид титана на данной поверхности.

К недостаткам способа относятся то, что используется отдельная (и излишняя) технологическая операция - нагрев импланта в специальной атмосфере, что, в общем, может приводить к неконтролируемому изменению свойств.

В первом объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в создании материала, обеспечивающего высокий срок службы костных имплантов за счет эффекта псевдоупругости, а также безопасного для человека за счет исключения проникновения металлических ионов в организм.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов в объеме состоит из сплава титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Nb	23,61-37,18
Та	6,42-19,0
Ti	остальное

Материал имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит. Поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана.

Во втором объекте изобретения достигается технический результат, заключающийся в упрощении и повышении технологичности способа получения материала для костных имплантов со стабильными свойствами.

Указанный технический результат достигается следующим образом.

В способе получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов изготавливают сплав Ti-Nb-Та методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава.

Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава в интервале 950-800 С со степенью деформации 30-60%. После этого придают заготовкам заданную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок.

Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10^-2 мм рт.ст. и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.

При этом термомеханическую обработку заготовок осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.

Кроме того, механическую обработку заготовок осуществляют путем резания и шлифования.

Сплавы системы Ti-Ta-Nb проявляют псевдоупругость и представляют при этом собой твердый раствор, поэтому для них технология получения и обрабатываемость проще, а чувствительность комплекса свойств к отклонению от расчетного химического состава заметно меньше, чем у сплавов на основе интерметаллидов. Кроме того, как компоненты сплава, так и их оксиды безопасны для человека и разрешены Министерством здравоохранения РФ к использованию в медицинской практике.

Преимуществами материала по изобретению является формирование поверхностной защитной оксидной пленки и способность упруго деформироваться (аккомодировать) при установке за счет эффекта псевдоупругости, что обеспечивает прекрасную фиксацию в кости и уменьшает уровень остаточных напряжений. При его использовании принципиально снижается риск образования костных трещин и проникновения металлических ионов в организм. Вышеописанные свойства увеличивают срок службы импланта, поскольку он не вызывает разрушения кости и развития нежелательных реакций живого организма. В результате пропадает необходимость в повторном хирургическом вмешательстве и обеспечивается более высокое качество жизни пациента.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Вначале изготавливают сплав Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Nb	23,61-37,18
Та	6,42-19,0
Ti	остальное

Сплавы указанной концентрации испытывают мартенситное превращение вблизи температуры человеческого тела и проявляют псевдоупругость (частный случай эффекта запоминания формы). Они обладают низким модулем упругости (около 60 ГПа) и обратимо возвращают более 2% наведенной деформации. Псевдоупругость приближает материал импланта по механическим свойствам к костной ткани.

Кроме того, эти сплавы не содержат химические элементы, вызывающие в живом организме канцерогенные или аллергические реакции.

Затем проводят термомеханическую обработку заготовок из полученного сплава, для чего нагревают заготовку в печи до 950°С в воздушной атмосфере. Время выдержки в печи зависти от размеров заготовки, например, для диаметра заготовки 5 мм время выдержки составляет 2 минуты.

После этого вынимают заготовку из печи и в температурном интервале 950-800°С проводят деформацию со степенью 30-60%, которую осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.

После этого придают заготовкам окончательную геометрическую форму имплантов с помощью механической обработки путем резания и шлифования при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок.

Размещают полученные импланты в кварцевых ампулах, вакуумируют их до давления 10^-2 мм рт.ст., запаивают и проводят рекристаллизационный отжиг имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 часов при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.

Компоненты сплава химически инертны при температуре человеческого тела, но при повышенных температурах обладают высоким сродством к кислороду, поэтому при термообработке на поверхности импланта образуются устойчивые оксиды, которые совместимы с биологическими тканями и жидкостями.

При обработке на всех технологических этапах избегают попадания примесей (кислород, водород и др.), которые резко понижают псевдоупругость при содержании примесей более 0,5%.

Функциональные свойства обеспечиваются при придании сплаву особого метастабильного фазово-структурного состояния, а именно: двухфазной структуры, включающей механически неустойчивую бета-фазу и альфа орторомбический мартенсит, которая формируется при предварительной термомеханической обработке и рекристаллизационном отжиге, завершающимся закалкой в воду.

Такая структура обеспечивает механические свойства, схожие со свойствами кости: необычно низкие для металлов значения твердости и модуля упругости и высокое упругое восстановление.

На поверхности импланта формируется также тонкая защитная пленка из безопасных для организма оксидов, которая после внедрения в костную ткань является разделителем между металлическим имплантом и живым телом, препятствуя проникновению металлических ионов в организм.

Примеры конкретной реализации изобретения приведены в таблице.

1. Псевдоупругий биосовместимый функционально-градиентный материал для костных имплантов, содержащий сплав титана, ниобия и тантала, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Nb	23,61-37,18
Та	6,42-19,0
Ti	остальное,

и имеет двухфазную структуру, включающую механически неустойчивую бета-фазу и орторомбический мартенсит, при этом поверхность материала покрыта защитной пленкой из оксида титана.

2. Способ получения псевдоупругого биосовместимого функционально-градиентного материала для костных имплантов, заключающийся в изготовлении сплава Ti-Ta-Nb методом трех - пятикратного вакуумного дугового переплава, термомеханической обработке заготовок из полученного сплава в интервале 950-800°С со степенью деформации 30-60%, придании заготовкам заданной геометрической формы имплантов с помощью механической обработки при комнатной температуре с предотвращением локального разогрева обрабатываемых заготовок, размещении полученных имплантов в кварцевых ампулах, вакуумированных до давления 10^-2 мм рт.ст., проведении рекристаллизационного отжига имплантов в кварцевых ампулах в течение 4-48 ч при температуре 900°С, который завершают закалкой в воду с разбитием ампул.

3. Способ по п.1, заключающийся в том, что термомеханическую обработку заготовок осуществляют путем проведения горячей ковки или прокатки.

4. Способ по п.1, заключающийся в том, что механическую обработку заготовок осуществляют путем резания и шлифования.