Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к покрытиям имплантатов на основе титана и его сплавов и способам их получения, и может быть использовано в ортопедической стоматологии. Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов включает предварительную механическую очистку и химическую обработку поверхности в растворе фосфорной кислоты с последующим промыванием дистиллированной водой и этиловым спиртом, оксидирование в воздушной атмосфере. На образовавшийся плотный слой рутила погружением имплантата в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, наносят слой продуктов гидролиза титана, при прокаливании которых образуется прочно связанный с рутилом слой биологически активного анатаза островковой структуры. Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить приживаемость микроорганизмов (на примере штамма Staphylococcus epidermidis) в 3 раза. 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области медицинской техники, а именно к способам получения покрытий имплантатов на основе титана и его сплавов и, может быть использовано в ортопедической стоматологии.

Биоинертные и относительно легкие титановые имплантаты нашли широкое применение в качестве замены жестких тканей человеческого организма (Хенч Л., Джонс Д. Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей. М: Техносфера, 2007. 304 с.). Серьезной проблемой, однако, остается рост числа нозокомиальных инфекций, которые возникают в процессе протезирования. Возбудителями их чаще всего являются коагулазонегативные стафилококки, в частности вид Staphylococcus epidermidis (Ушакова Р.В, Царева В.Н. Микрофлора полости рта и ее значение в развитии стоматологических заболеваний / Стоматология для всех. 1998. №3. С. 22-24).

С целью повышения остеоинтеграционной и антибактериальной активности на титан и его сплавы обычно наносят покрытия различного состава.

Известен способ изготовления внутрикостного стоматологического имплантата с углеродным нанопокрытием (патент РФ №2490032 от 20.08.13 г.), включающий пескоструйную обработку поверхности имплантата частицами оксида алюминия, послойное напыление плазменным методом на основу имплантата системы биосовместимых покрытий из смеси порошков титана или гидрида титана и гидроксиапатита кальция, при этом первым слоем напыляют титан или гидрид титана дисперсностью 3-5 мкм с дистанцией напыления 70-80 мм и толщиной 5-10 мкм, вторым слоем - титан или гидрид титана дисперсностью 50-100 мкм с дистанцией напыления 100 мм, толщиной 50-115 мкм, третьим слоем напыляют смесь титана или гидрида титана дисперсностью 40-70 мкм и гидроксиапатита кальция дисперсностью 5-10 мкм, с соотношением 60-80 и 20-40 мас. % соответственно, с дистанцией напыления 80 мм и толщиной слоя 15-20 мкм, четвертым слоем напыляют гидроксиапатит кальция дисперсностью 40-70 мкм с дистанцией напыления 70 мм и толщиной слоя 20-30 мкм, при этом на многослойную систему биосовместимых покрытий методом магнетронного распыления наносят пленку металла из триады железа (железа, кобальта или никеля) толщиной 20-35 нм, на которой получают углеродное нанопокрытие толщиной до 1 мкм. Углеродное нанопокрытие представляет собой углеродные нанотрубки и нановолокна диаметром 50-200 нм. Способ обеспечивает получение имплантата, покрытие которого способствует активному росту костной ткани.

К недостаткам известного способа относится то, что в результате осуществления данного способа на поверхности имплантата оказывается 6 слоев различных покрытий, равномерное нанесение которых осуществить достаточно трудно. Кроме того, известно, что углеродные нанотрубки способны преодолевать гематоэнцефалический барьер (Направленный транспорт лекарственных препаратов / А.Г. Ивонин, Е.В. Пименов, В.А. Оборин, Д.А. Девришов, С.Н. Копылов // Известия Коми научного центра УрО РАН. Вып. 1 (9). Сыктывкар, 2012. С.46-54), т.е. потенциально опасны для человека.

Известен способ получения наноструктурированнного кальций-фосфатного покрытия для медицинских имплантатов (патент РФ №2523410 от 20.07.2014 г.), заключающийся в распылении мишени из стехиометрического гидроксиапатита Ca₁₀(РО₄)₆(ОН)₂ в плазме высокочастотного магнетронного разряда в атмосфере аргона при давлении 0.1-1 Па и плотностью мощности на мишени 0.1-1 Вт/см² в течение 15-180 мин на расстоянии от мишени до подложки в интервале от 40 до 50 мм, где формирование наноструктуры производится после нанесения покрытия в ходе контролируемого термического отжига при температуре 700-750°С в течение 15-30 мин.

К недостаткам известного способа относится способствующий формированию наноструктуры кратковременный отжиг, который может вызывать отслоение покрытия из-за различия термических коэффициентов линейного расширения слоев.

Известен способ получения покрытия на имплантат из титана и его сплавов (патент РФ №2361623 от 20.07.2009 г.). Покрытие состоит их двух слоев, первый слой толщиной 20-30 мкм - из оксидов титана, в основном TiO₂, второй слой толщиной 2-5 мкм из смеси оксидов титана и оксида меди при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид титана (TiO₂) - 65-75, оксид меди - 15-25, остальное - другие типы оксидных фаз титана (TiO, Ti₃O₅). Формирование покрытия осуществляют путем электрохимического оксидирования предварительно пескоструйно обработанных титана и его сплавов (ВТ 1-0, ВТ 1-00, ВТ-6, ВТ-16 и др.) постоянным током последовательно в двух электролитах, при этом сначала формируют слой оксидов титана в электролите концентрацией 200 г/л серной кислоты в дистиллированной воде, затем в него добавляют раствор концентрацией 50 г/л сульфата меди в дистиллированной воде и проводят последующее оксидирование с образованием второго слоя смеси оксидов титана и оксида меди. Способ позволяет получить биосовместимое покрытие, обладающее антисептическими свойствами.

Недостатками известного способа являются отсутствие остеоинтеграционных свойств и наличие оксида меди, токсичного не только для бактериальных пленок.

Известен способ формирования пористого покрытия из диоксида титана в анатазной форме на субстрате с улучшенной фотокаталитической и антибактериальной активностью (патент РФ №2470053 от 20.12.2012 г.). Согласно способу готовят золь-гель композицию с, по меньшей мере, одним средством для образования золь-гель композиции и пористой структуры. Наносят на стеклянный субстрат. Нагревают покрытый субстрат для удаления средства для образования золь-гель композиции и пористой структуры. Средство для образования пористой структуры выбирают из высокомолекулярного полимерного вещества, образованного из, по меньшей мере, одного из веществ: глицеринового сложного эфира, глицеринов, гликолей, диолов, органических кислот, поливинилового спирта, сложных эфиров, простых эфиров, органических полимеров, полиакрилатов, поливинилпирролидона, полиакриамидов, поливинилацетатов, алкилполисахаридов, алкиламиноэтоксилатов, этоксилатов касторового масла, этоксилатов цетостеарилового спирта, этоксилатов децилового спирта и этиленгликолевых сложных эфиров.

Недостатком известного способа является токсичность применяемых реагентов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по совокупности признаков является способ создания остеоинтеграционного оксидного покрытия на ортопедических и стоматологических титановых имплантатах (патент РФ №2472532 от 20.01.2013 г.). Покрытие состоит из оксида титана и содержит гидроксиапатит как модифицирующий компонент с биоактивными свойствами и медь как модифицирующий компонент с бактерицидными свойствам при следующем соотношении компонентов, мас. %: оксид титана - от 70 до 80, гидроксиапатит - от 18 до 25, медь - от 2 до 5. Технологический процесс создания покрытия следующий: стоматологический титановый имплантат подвергают дробеструйной обработке, затем очищают в моющем растворе под действием ультразвука. Подготовленный имплантат помещают в камеру и создают оксидное покрытие путем обработки водяным паром или кислородно-аргонной реакционной смесью. После имплантат с оксидным покрытием очищают и электрохимическим путем вводят в поверхность сначала гидроксиапатит, затем медь. Покрытие позволяет обеспечить ускоренную остеоинтеграцию и безопасное приживление титановых имплантатов без протекания гнойно-воспалительных процессов в тканях. Данный способ принят за прототип.

Признаки прототипа, совпадающие с существенными признаками заявляемого изобретения, - предварительная механическая очистка и химическая обработка поверхности, оксидирование и нанесение активных компонентов.

К недостаткам известного способа, принятого за прототип, относится наличие меди и сложный состав покрытия, неоднородность взаимодействия с тканями компонентов которого способна привести и к неодинаковому отклику тканей организма на введение имплантата.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - получение на поверхности титанового имплантата равномерного остеоинтеграционного и антибактериального покрытия, не содержащего токсичных компонентов.

Поставленная задача решается за счет того, что в известном способе модифицирования поверхности титановых имплантатов, включающем предварительную механическую очистку и химическую обработку поверхности, оксидирование и нанесение активных компонентов, согласно изобретению химическую обработку поверхности титанового имплантата проводят в растворе фосфорной кислоты с последующим промыванием дистиллированной водой и этиловым спиртом, оксидирование осуществляют при нагревании в воздушной атмосфере, а нанесение активного компонента проводят погружением имплантата в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, и последующим прокаливанием до 500-550°С.

Признаки заявляемого технического решения, отличительные от решения по прототипу, - химическую обработку поверхности титанового имплантата проводят в растворе фосфорной кислоты с последующим промыванием дистиллированной водой и этиловым спиртом; оксидирование осуществляют при нагревании в воздушной атмосфере; нанесение активного компонента проводят погружением имплантата в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, и последующим прокаливанием до 500-550°С.

Как показали проведенные ранее исследования (Кульметьева В.Б., Порозова С.Е. Обработка поверхности титана перед нанесением стоматологических эмалевых покрытий // Стекло и керамика. 2002. №7. С. 29-30), для получения диоксида титана в прочно связанной с титаном форме рутила на поверхности титана и его сплавов недостаточно просто механической очистки и промывания в различных моющих средствах. Необходимой стадией является обработка в растворе фосфорной кислоты, приводящая к глубокой пассивации поверхности, что существенно замедляет скорость оксидирования титана. Образующийся в этом случае при термообработке на воздухе слой диоксида титана (рутила) отличается высокой плотностью и равномерным распределением по поверхности металла. Полученный слой биоинертен. Антимикробной активностью обладает низкотемпературная форма диоксида титана - анатаз. При наличии пористости слой анатаза может способствовать и остеоинтеграции. Покрытие получали по золь-гель технологии, образовавшийся на поверхности рутила слой гидрооксида титана обрабатывали при 500-550°С в воздушной атмосфере. При этом получали прочно связанный с поверхностью рутила слой анатаза. Как показали проведенные исследования, формирование покрытия происходило по островковому механизму, т.е. покрытие всегда имело достаточно сложный рельеф.

Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов поясняется чертежом, на котором представлено СЭМ-изображение полученного покрытия.

Возможность осуществления заявляемого изобретения подтверждается следующим примером конкретного выполнения.

Пример

Титановые штифты (дентальные имплантаты) подвергали механической обработке для получения ювенильной поверхности. Далее выдерживали в 5 М растворе ортофосфорной кислоты в течение 60 мин. при комнатной температуре. Затем штифты тщательно промывали в дистиллированной воде до исчезновения кислой реакции среды. Промытые штифты обрабатывали этиловым спиртом (все операции проводили с использованием чистого пинцета, избегая контакта с руками или не прошедшими предварительную очистку поверхностями), сушили и прокаливали до 800°С для формирования слоя рутила на поверхности штифтов. Равномерность полученного слоя легко идентифицируется по характерной для тонких слоев рутила на поверхности титана синей окраске.

Охлажденные после термической обработки штифты помещали в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, и выдерживали в течение 60 мин при постоянном перемешивании. Штифты с нанесенным слоем сушили в эксикаторе до постоянного веса и нагревали в муфельной печи до 500-550°С для перехода продуктов гидролиза тетрахлорида титана в анатаз.

Покрытие исследовали методами спектроскопии комбинационного рассеяния света, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии. СЭМ-изображение полученного покрытия представлено на чертеже. Рельеф покрытия сложный, что способствует остеоинтеграционной активности. Средняя толщина покрытия, рассчитанная при статистической обработке серии АСМ-изображений, составила 50-80 мкм. Основная фаза в покрытии - анатаз. Содержание рутила по данным спектроскопии комбинационного рассеяния света менее 20%.

Эксперимент по исследованию остеоинтеграционной и антибактериальной активности покрытия проводили сотрудники кафедры ортопедической стоматологии Пермского государственного медицинского университета им. академика Е.А. Вагнера. На примере лабораторных животных показана высокая остеоинтеграционная активность и снижение приживаемости микроорганизмов (использовался штамм Staphylococcus epidermidis 33) в 3 раза.

Таким образом, предложенный способ позволяет получить на поверхности титанового имплантата равномерное остеоинтеграционное и антибактериальное покрытие, не содержащее токсичных компонентов.

Способ легко осуществим и не требует применения дорогостоящего оборудовании.

Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов, включающий предварительную механическую очистку и химическую обработку поверхности, оксидирование и нанесение активных компонентов, отличающийся тем, что химическую обработку поверхности титанового имплантата проводят в растворе фосфорной кислоты с последующим промыванием дистиллированной водой и этиловым спиртом, оксидирование осуществляют при нагревании в воздушной атмосфере, а нанесение активного компонента проводят погружением имплантата в золь, полученный гидролизом тетрахлорида титана, и последующим прокаливанием до 500-550°C.