Способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов

Изобретение относится к изготовлению пористых материалов, в частности имплантатов, предпочтительно из титановых сплавов. Способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии. После изготовления ячеистой структуры ее поры заполняют жидкой средой, охлаждают до температуры ниже температуры фазового перехода среды из жидкого состояния в твердое и подвергают пластической деформации. Затем нагревают до температуры фазового перехода среды из твердого состояния в жидкое и удаляют жидкую среду из пор ячеистой структуры. Обеспечивается повышение прочностных свойств имплантата. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

 

Предлагаемое изобретение относится к области аддитивных технологий, применяемых для изготовления имплантатов, предпочтительно, из титановых сплавов.

Имплантаты предпочтительно изготавливают из пористых материалов. Наличие пор в материале позволяет решить несколько задач:

1. обеспечить меньшую массу имплантата;

2. снизить модуль упругости, за счет чего повышается эластичность конструкции имплантата;

3. обеспечить возможность соединения с живыми тканями организма за счет прорастания их через поровое пространство.

В медицинской практике применения имплантатов чаще всего используют титановые сплавы, как коррозионностойкие материалы, не отторгаемые организмом человека. Так, патентом RU 2397735 [1] и аналогичным патентом WO 2006/089792 [2] предложен способ изготовления медицинского имплантата, включающий прецизионное литье бета-титанового сплава. Применение бета-титанового сплава мотивировано возможностью понижения модуля упругости материала по отношению к альфа+бета титановым сплавам. Недостатком способа является получение беспористого материала, поэтому понижение модуля упругости не является значительным.

Известен также способ изготовления металлического компонента по патенту RU 2574536 [3], включающий последовательное наращивание детали из металлического базового компонента с помощью метода аддитивного изготовления путем сканирования энергетического луча, при этом применяют или селективное лазерное плавление (SLM) или селективное лазерное спекание (SLS) или электронно-лучевое плавление (ЕВМ). Поскольку целью изобретения являлось достижение максимальной прочности, то детали этим методом получаются беспористыми, что является недостатком с позиции получения имплантатов.

В соответствии с патентом RU 2320741 [4] пористый материал на основе никелида титана получают методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза из шихты, формуемой в цилиндрическом контейнере. Недостатком способа является неравномерное распределение пористости по объему имплантата по причине того, что процесс самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не является полностью управляемым, он не позволяет создать строгую архитектуру материала.

Прочностные свойства материалов часто оценивают условным пределом текучести σ0,2, как механическим напряжением, при котором остаточная пластическая деформация образца при линейном напряженном состоянии составляет 0,2%. Следует отметить, что условный предел текучести является функцией степени деформации, т.е. при нагартовке величина σ0,2 возрастает.

Если имплантат изготавливается из технически чистого титана, то уравнение, описывающее упрочнение металла, выглядит следующим образом:

где ε - относительная деформация, выраженная в процентах.

Из формулы (1) следует, что в состоянии после воздействия на плавкий материал(титан) источником энергии материал имплантата не нагартован (ε=0) и поэтому характеризуется условным пределом текучести 500 МПа. В соответствии с формулой (1) воздействуя на материал пластической деформацией можно добиться увеличения прочности материала.

Сам прием упрочнения материала пластической деформацией получил широкое распространение. Причем в последнее время создается все больше технических решений, направленных на создание способов интенсивной, т.е. очень большой пластической деформации [5-7], в том числе, например, на исследование и усовершенствование равноканального углового прессования [8, 9]. Однако большая часть этих технических решений не может быть применена к имплантатам, поскольку они обладают слишком ажурной архитектурой, которая под воздействием больших пластических деформаций разрушается. Кроме того, при наложении чрезмерно высоких сжимающих средних напряжений структура пористого тела деформируется с уплотнением, чего желательно не допускать, поскольку теряется одно из преимуществ материала: повышенная пористость. Интенсивность процесса закрытия пор зависит от схемы напряженно-деформированного состояния [10, 11].

В качестве прототипа выбран способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов, описанный в патенте RU 2589510 [12] и аналогичном патенте [13]. Способ включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии. Ячеистая структура образована изогнутыми ветвями, образующими ячейки при размере их размере 0,01…2000 мкм. В том числе рассмотрен вариант источника энергии такой как лазерный луч, расплавляющий порошок с целью послойного построения структуры в соответствии моделью, выбранной в базе данных компьютера. Сам материал может представлять собой металл или сплав, в том числе титан или титановый сплав.

Недостатком способа по прототипу является низкий уровень прочностных свойств материала. Действительно, металл, полученный из расплава обладает свойствами отожженного материала, в случае применения титана предел текучести оказывается на уровне 500 МПа, что следует, в частности, из формулы (1).

Предлагаемое изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося повышении прочностных свойств имплантата.

Предлагаемый способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов включает подготовку модели ячеистой структуры и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии, при этом после изготовления ячеистой структуры ее погружают в жидкую среду, охлаждают до температуры ниже температуры фазового перехода среды из жидкого состояния в твердое и осуществляют пластическую деформацию, после чего проводят нагрев до температуры фазового перехода среды из твердого состояния в жидкое и удаляют жидкую среду из пор ячеистой структуры.

При подстановке в формулу (1) значения деформации 50% получим условный предел текучести 774 МПа, что на 54% выше начального значения. Вместе с тем, при осуществлении пластической деформации возникает следующая проблема. При наличии внутри материала ячеистых структур передача давления от деформирующего инструмента может осуществляться неравномерно. В режим пластической деформации попадают элементы структуры, где механические напряжения оказываются высокими. Это области, где передача давления осуществляется через тонкие перегородки. Остальные элементы пластически не деформируются, а поэтому и не упрочняются. Предложенная прототипом ячеистая структура, в виде изогнутых ветвей, образующих ячейки для равномерной передачи давления не пригодна. Следовательно, необходима такая схема напряженного состояния для пористой среды, в которой передача давления осуществляется равномерно.

Поэтому предлагается разместить в ячейках дополнительную среду с малым коэффициентом сжимаемости. В такой схеме нагружения передача давления происходит не только через перегородки между ячейками, но и через среду. Прием использования среды в жидком состоянии позволяет произвести заполнение ячеек пористой структуры. Прием перевода среды в твердое состояние позволяет создать условия для невытекания этой среды из порового пространства. Твердофазное состояние среды позволяет создать внутреннее давление в ячейках, за счет чего напряженное состояние приближается к всестороннему сжатию, что повышает пластичность металла. Дополнительный эффект возникает вследствие того, внутри ячейки оказывается не газовая среда, обладающая существенной сжимаемостью и из-за этого не передающая давления, а несжимаемая твердая среда, передающая это давление. В результате деформация распространяется по телу материала более равномерно.

В качестве жидкой среды можно использовать воду, как вещество, имеющее фазовый переход из жидкого состояния в твердое при умеренной температуре 0°С.

В качестве жидкой среды можно использовать расплав биосовместимых солей. При этом температура перехода этого расплава из твердого состояния в жидкое не должна быть выше температуры рекристаллизации металлического материала, чтобы не произошло разупрочнение этого материала при операции расплавления биосовместимых солей для их удаления из ячеистой структуры.

В качестве жидкой среды можно использовать расплав биосовместимых металлов или сплавов как веществ, обладающих достаточным уровнем пластических свойств.

При указанном воздействии пластические деформации оказываются постоянными по высоте деформируемого тела. Материал получает одинаковый уровень пластической деформации, следовательно, уровень механических свойств повышается, а сами свойства оказываются однородными. Возможность деформации осадкой без разрушения пористых структур из титана показана в источнике [14].

На фиг. 1 показана структура имплантата, имеющего в сечении ячейки круглой формы, заполненные веществом, имеющим фазовый переход из жидкого состояния в твердое при температуре ниже такого перехода. На фиг. 2 показана форма ячеек после пластической деформации осадкой. На фиг. 3 показана форма ячеек после проведения кантовки на 90° и повторной осадки. На фиг. 4 показана форма ячеек после проведения еще одной кантовки на 90° и осадки.

Пример 1. Осуществляют подготовку модели ячеистых структур и изготовляют ячеистую структуру при воздействии на плавкий материал, источником энергии. В качестве плавкого материала используют титан. Ячеистую структуру изготавливают с открытой пористостью, например, с формой пор в сечении в виде окружностей 1 (фиг. 1), разделенных перемычками 2. Ячеистую структуру погружают в жидкую среду, например, воду, охлаждают до температуры ниже температуры фазового перехода среды из жидкого состояния в твердое состояние, т.е. ниже 0°С. В результате вода застывает и не может покинуть поры при извлечении заготовки из жидкой среды. Ячеистую структуру подвергают пластической деформации осадкой, что показано на фиг. 2 воздействием силы P1 на торец структуры. В результате высота структуры уменьшается. Увеличение ширины структуры происходит за счет того, что в целом структура при наличии среды в порах представляет собой несжимаемый материал. Кроме того, наличие среды в порах позволяет создать противодавление со стороны пространства ячеек, что повышает пластичность металла. Если этот металл представляет собой титан, то в соответствии с формулой (1) при ε=20% получим условный предел текучести после операции σ0,2=500+67*200,36=697 МПа. Тем самым достигнуто упрочнение материала на 100*(697-500)/500=39%. После проведения операции упрочнения ячеистую структуру нагревают до температуры фазового перехода среды из твердого состояния в жидкое состояние, например, для воды выше 0°С и удаляют жидкую среду.

Пример 2. Достигнутое в условиях примера 1 упрочнение может быть увеличено за счет повторения операции осадки. Однако выполнять осадку в том же направлении нежелательно, поскольку форма заготовки будет существенно изменена, а профиль ячеек сильно вытянется в одном предпочтительном направлении и это приведет к повышенной анизотропии свойств. Поэтому заготовку при наличии в ячейках твердой среды кантуют на 90°С (фиг. 3) и осаживают в направлении действия силы Р2. В результате создается возможность вернуться к первоначальной форме пор (фиг. 4), которая обеспечивала макроизотропность материала в целом. Основываясь на расчете по формуле (1), можно показать дальнейшее увеличение прочностных свойств материала.

Пример 3. В качестве жидкой среды можно использовать расплав биосовместимых солей, имеющий температуру перехода из твердого состояния в жидкое не выше температуры рекристаллизации металлического материала. Желательно применять именно биосовместимые соли, не оказывающие вредного действия на организм человека, в случае, если их не удастся удалить из имплантата полностью. Одним из наиболее хорошо совместимым с организмом человека является хлорид натрия, с температурой фазового перехода из жидкого состояния в твердое: 801°С. При температуре выше обозначенной возможно насыщение ячеистой структуры расплавом. При пониженной температуре расплав в ячейках переходит в твердое состояние и способен передавать давление. При дальнейшем повышении температуры соль в виде жидкости можно удалить из ячеистой структуры. Для снижения температуры плавления солевого материала возможно смешивание хлорида натрия с другими хлоридами с созданием эвтектических соединений. Например, для соединения хлорида натрия и хлорида магния, также биосовместимой солью, удается снизить температуру фазового перехода до 420°С.

Пример 4. В качестве жидкой среды можно использовать расплав металлов или сплавов из числа биосовместимых материалов. В качестве такого биосовместимого металла может быть применен цинк, имеющий невысокую температуру плавления 420°С.

Таким образом здесь показано достижение технического результата, заключающегося повышении прочностных свойств материала имплантата при использовании приемов, указанных в формуле изобретения.

1. Способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов, включающий подготовку модели ячеистой структуры и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии, отличающийся тем, что после изготовления ячеистой структуры ее поры заполняют жидкой средой, охлаждают до температуры ниже температуры фазового перехода среды из жидкого состояния в твердое и осуществляют пластическую деформацию, после чего проводят нагрев до температуры фазового перехода среды из твердого состояния в жидкое и удаляют жидкую среду из пор ячеистой структуры.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют воду.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют расплав биосовместимых солей, имеющий температуру перехода из твердого состояния в жидкое не выше температуры рекристаллизации металлического материала.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве жидкой среды используют расплав биосовместимых металлов или сплавов.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области синтеза новых материалов и может быть использовано в деятельности, связанной с добычей полезных ископаемых, с обрабатывающими производствами, с медицинской промышленностью, для элементов конструкций и механизмов, требующих высокой износостойкости поверхностей.

Изобретение относится к материалам для защиты от радиационного излучения, обладающим повышенной теплопроводностью, термостойкостью до 400°С и низким значением коэффициента термического расширения, и может быть использовано в атомной, радиохимической промышленности, а также в военно-морской и авиакосмической промышленности в целях защиты обслуживающего персонала и окружающей среды.

Изобретение относится к спинодальным сплавам медь-никель-олово и способам их получения. Сплав медь-никель-олово, содержащий 8-20 мас.% никеля и 5-11 мас.% олова, получен литьем под давлением и имеет по меньшей мере 40%-ную пластичность и 0,2% условный предел текучести по меньшей мере 25 ksi.

Изобретение относится к области металлургии легких сплавов, в частности сплавов на основе алюминия, и может быть использовано при получении слитков различными методами литья, в частности методом полунепрерывного вертикального литья.

Изобретение относится к технологии производства супертвердых керамических материалов - алюмомагниевых боридов (ВАМ) и может быть использовано для нанесения упрочняющих покрытий на режущие и лезвийные инструменты.

Изобретение относится к получению порошковых материалов тугоплавких соединений. Способ включает приготовление экзотермической смеси переходного металла и неметалла с 1-5 мас.% порошкового полиэтилена, размещение приготовленной смеси в цилиндрическом реакторе, инициирование реакции горения в приготовленной смеси в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) и сдвиговое деформирование продуктов горения с получением порошка.

Изобретение относится к получению магнитно-абразивного порошка. Готовят смесь, содержащую порошки титана, кобальта и бора, при следующем соотношении компонентов, мас.%: 13,8-27,6 Ti, 55,2-73,6 Со, 12,6-17,2 В.

Изобретения относятся к области металлургии, в частности к составам и способам производства высокопрочных чугунов с шаровидным графитом, и могут быть использованы при производстве литых изделий, например валков прокатных станов.
Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, в частности к получению магниевых лигатур с неодимом, которые могут быть использованы в качестве легирующих и модифицирующих добавок в производстве сплавов на основе магния и алюминия, а также в качестве легирующих добавок при производстве чугунов и сталей.

Изобретение относится к области металлургии, а именно к производству литейных жаропрочных сплавов на основе никеля для изготовления лопаток и других деталей горячего тракта газотурбинных двигателей и установок.

Изобретение относится к области медицины, конкретно к области аддитивных технологий, применяемых для изготовления имплантатов, предпочтительно из титановых сплавов.

Изобретение относится к области медицины, в частности, к регенеративной медицине и стоматологии, и может быть использовано для направленной костной регенерации при костно-пластических операциях.

Изобретение относится к способу изготовления коллагенового остеопластического материала из костной ткани, заключающемуся в том, что после механической очистки и фрагментации материал отмывают нагретым до 45-50°С физраствором в течение 30 мин, выполняют обработку раствором 3% пероксида водорода в воде в виде 3 циклов по 10 минут с отмывкой физраствором при 45-50°С, а вместо обработки папаином выполняют обработку раствором 0.1-0.5% липазы в забуференном физиологическом растворе при рН 8.0 в течение 2 суток, затем промывают физиологическим раствором, обрабатывают смесью хлороформа с водой (1:1) в течение 1-3 суток с периодической заменой смеси по мере ее помутнения, отмывают хлороформ раствором 20-30% этанола в воде в течение 6-12 часов, а затем физиологическим раствором при пятикратной смене растворов, выполняют деминерализацию материала раствором 0.6 М соляной кислоты в воде в течение 0,25-1 часа при температуре 4-6°С в условиях перемешивания и смене раствора на свежий каждые 15 мин, затем обрабатывают раствором 5% тиосульфата натрия в воде в течение 3 ч, промывают 10-кратной сменой дистиллированной воды, и нормализуют в забуференном физиологическом растворе рН7.4 в течение 7 суток при комнатной температуре и при смене раствора на свежий 3 раза в сутки, причем соотношение объемов костной ткани и смесей или растворов для обработки или отмывки составляет 1:4-1:6, обработку и отмывку выполняют в условиях перемешивания при 40-50°С, если не указана другая температура, а деминерализацию выполняют при периодическом вакуумировании до 10-30 мм рт.ст.
Группа изобретений относится к области медицинских изделий. Первое изобретение представляет собой способ изготовления имплантата с по меньшей мере одной функциональной поверхностью, отличающийся тем, что способ включает следующие стадии a) подготовку керамической порошковой смеси; b) смешивание этой керамической порошковой смеси с пластической связующей системой с образованием первого сырьевого материала; с1) разделение первого сырьевого материала и смешивание его части с наполнителями для образования второго сырьевого материала или с2) получение второго сырьевого материала в соответствии со стадиями а) и b); d) проведение процесса формования, при котором основную часть и поверхность, имеющую сродство к костям, формуют из первого и второго сырьевого материала; e) удаление связующего вещества из сырца; f) спекание сформованной и подвергнутой удалению связующего вещества заготовки имплантата с получением готового имплантата с поверхностью, имеющей сродство к костям.

Группа изобретений относится к медицине, конкретно к способу получения костного регенеративного материала, который включает в себя: приведение костного материала, содержащего гидроксиапатит и органические вещества, в контакт с экстракционной жидкостью, что дает первую жидкую фазу, содержащую упомянутые органические вещества и, возможно, примеси, экстрагированные из упомянутого костного материала, и вторую твердую гидроксиапатитную фазу, содержащую упомянутый гидроксиапатит; и разделение упомянутой жидкой фазы и упомянутой твердой гидроксиапатитной фазы.

Изобретение относится к химико-фармацевтической промышленности и представляет собой способ производства пористых имплантатов на основе титана или сплава титана ВТ6, включающий подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии, отличающийся тем, что после изготовления ячеистой структуры ее подвергают пластической деформации, при этом ячеистую структуру изготовляют в виде цилиндра или призмы, ячейки выполняют в виде параллельных каналов, ортогональных основанию цилиндра или призмы, а пластическую деформацию осуществляют путем осадки цилиндра или призмы в направлении, ортогональном основанию цилиндра или призмы.

Изобретение относится к области медицины и раскрывает средство для восстановления кожи пациентов, которые пострадали от ожогов. Средство для восстановления кожи включает лоскут полотна, изготовленного из полигликолевой кислоты, который имеет множество отверстий, по меньшей мере одна из поверхностей вышеупомянутого лоскута содержит по меньшей мере один покровный слой, изготовленный из коллагена.

Изобретение относится к области медицины. Описан способ получения микроволокнистого материала путем последовательного смешивания раствора человеческого сывороточного альбумина (ЧСА) в гексафторизопропаноле (ГФИП) и лекарственного средства (ЛС) в диметилсульфоксиде (ДМСО), после чего полученный раствор смешивают с раствором поликапролактона (ПКЛ) в ГФИП.

Изобретение относится к медицине. Предлагается имплантируемый фиксатор костного лоскута относительно свода черепа содержит подвижный и неподвижный ограничители и детали средств их стягивания, выполненные с возможностью фиксации ограничителей на заданном расстоянии друг от друга; согласно изобретению на всех поверхностях ограничителей и деталей средств стягивания выполнен слой поликристаллического кремния толщиной от 70 нм до 3000 нм, покрытый сетью глухих каналов шириной от 40 нм до 400 нм и глубиной от 40 нм до 2000 нм.

Изобретение касается частиц биоактивного стекла для регенерации костей, имеющих форму сфер или сжатых сфер и имеющих бимодальное распределение размера частиц, включающее частицы между 90 мкм и 180 мкм и частицы между 355 мкм и 500 мкм, где биоактивное стекло представляет собой 45S5 стекло.

Изобретение относится к изготовлению пористых материалов, в частности имплантатов, предпочтительно из титановых сплавов. Способ обработки пористых имплантатов на основе металлических материалов включает подготовку модели ячеистых структур и изготовление ячеистой структуры при воздействии на плавкий материал источником энергии. После изготовления ячеистой структуры ее поры заполняют жидкой средой, охлаждают до температуры ниже температуры фазового перехода среды из жидкого состояния в твердое и подвергают пластической деформации. Затем нагревают до температуры фазового перехода среды из твердого состояния в жидкое и удаляют жидкую среду из пор ячеистой структуры. Обеспечивается повышение прочностных свойств имплантата. 3 з.п. ф-лы, 4 ил., 4 пр.

Наверх