способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов

Формула изобретения

Способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов путем плазменно-электролитической обработки импульсным током в электролите, содержащем соединения кальция и фосфора, отличающийся тем, что обработку проводят при длительности импульсов тока 0,0033-0,02 с первоначально в монополярном гальваностатическом режиме при эффективном значении плотности тока 3-5 А/см ² и конечном напряжении формирования 350-380 В в течение 10-15 мин, затем в течение 3-5 мин в биполярном режиме с потенциодинамической анодной составляющей при росте напряжения от 0 до 280-300 В и гальваностатической катодной составляющей с эффективной плотностью тока 1,0-1,5 А/см², при этом в качестве соединений кальция и фосфора электролит содержит, г/л:

цитрат кальция Са3(С 6Н5O7) 2·4Н2O	25-30
фосфат натрия Na2 HPO4·12H2O	25-30

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, в частности к электрохимическому нанесению биоактивных покрытий на имплантаты из титана и титансодержащих сплавов, и может быть использовано в травматологии и ортопедии.

Известен способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов [пат. РФ №2154463, опубл. 20.08.2000], включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового разряда в насыщенном растворе гидроксиапатита в фосфорной кислоте с концентрацией 5-20% или 3-5% суспензии гидроксиапатита дисперсностью менее 100 мкм в этом насыщенном растворе. Полученное покрытие содержит оксиды титана, кальция и фосфора.

Недостатком известного способа являются сравнительно низкие биоактивные и защитные свойства покрытия, полученного с его помощью, обусловленные малой толщиной покрытия (3-20 мкм), не обеспечивающей антикоррозионной защиты имплантата, а также соотношением кальция и фосфора в покрытии (Са/Р=0,3-0,4), значительно меньшим этого соотношения в костной ткани. Кроме того, анодирование в кислой среде приводит к растворению возможных компонентов титанового сплава (алюминия, циркония, молибдена, марганца, ванадия) с их последующим внедрением в покрытие. Присутствие этих компонентов в составе покрытия способно отрицательно влиять на свойства имплантата, вызывая аллергические и воспалительные процессы в тканях человеческого организма.

Наиболее близким к заявляемому способу является способ формирования покрытий на поверхности имплантатов, изготовленных из титана и титановых сплавов [пат. РФ №2291918, опубл. 20.01.2007], плазменно-электролитической обработкой имплантата путем его анодирования в условиях искрового разряда в растворе фосфорной кислоты, содержащей гидроксиапатит и карбонат кальция, при этом анодирование ведут импульсным током со следующими параметрами: время импульса 50-200 мкс; частота следования импульсов 50-100 Гц; начальная плотность тока 0,2-0,25 А/мм²; конечное напряжение 100-300 В. Полученное покрытие толщиной 40-80 мкм содержит, мас.%: титанат кальция 7-9, пирофосфат титана 16-28, кальций-фосфатные соединения - остальное.

Недостатком известного способа являются невысокие биоактивные и остеоиндуктивные свойства получаемого с его помощью покрытия в связи с тем, что в покрытии содержится значительное количество титана, за счет чего в нем уменьшается содержание кальция и фосфора. При этом в опубликованной работе авторов известного способа [Ю.Р.Колобов, Ю.П.Шаркеев, А.В.Карлов и др. Биокомпозиционный материал с высокой совместимостью для травматологии и ортопедии. Деформация и разрушение материалов. №4, 2005, с.2-8] показано, что в покрытиях, полученных на титане в условиях, идентичных описанным в известном способе, отношение кальций/фосфор (Са/Р) составляет 0,4, что заметно ниже этого соотношения в костной ткани.

Задачей изобретения является разработка способа нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов, обеспечивающего повышение биоактивных и остеоиндуктивных свойств получаемого с его помощью покрытия за счет оптимизации качественного состава покрытия и увеличения соотношения Са/Р в покрытии.

Поставленная задача решается способом нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантаты из титана и его сплавов путем плазменно-электролитической обработки импульсным током в электролите, содержащем соединения фосфора и кальция, при этом в отличие от известного способа, обработку проводят при длительности импульсов тока 0,0033-0,02 секунд первоначально в монополярном гальваностатическом режиме при эффективном значении плотности тока 3-5 А/см² и конечном напряжении формирования 350-380 В в течение 10-15 мин, затем в течение 3-5 мин в биполярном режиме с потенциодинамической анодной составляющей при росте напряжения от 0 до 280-300 В и гальваностатической катодной составляющей с эффективной плотностью тока 1,0-1,5 А/см ², при этом в качестве соединений фосфора и кальция электролит содержит, г/л:

кальций лимоннокислый Са3 (С6Н5O 7)2·4Н2 O	25-30
двухзамещенный фосфат натрия Na2HPO4 ·12Н2О	25-30.

Способ осуществляют следующим образом. Имплантат, выполненный из титана или его сплава, погружают в водный раствор электролита, содержащий 25-30 г/л кальция лимоннокислого (цитрата кальция) и 25-30 г/л фосфата натрия двухзамещенного, и проводят плазменно-электролитическую обработку в два этапа. Первый этап включает обработку импульсным током в монополярном гальваностатическом режиме при эффективном значении плотности тока 3-5 А/см ² и конечном напряжении формирования 350-380 В в течение 10-15 мин. На втором этапе используют комбинированный биполярный процесс, при этом анодная составляющая является потенциодинамической с ростом напряжения от 0 до 280-300 В, катодная составляющая - гальваностатической с эффективным значением плотности тока 1,0-1,5 А/см². Длительность анодных и катодных импульсов ( _а/ _k=1) равна 0,0033-0,02 сек. Продолжительность обработки в биполярном режиме составляет 3-5 мин. Температуру электролита поддерживают в пределах 25-30°С.

В биполярном режиме обработки поверхность имплантата при его катодной поляризации насыщается ионами Са²⁺, которые, взаимодействуя с приходящими на поверхность имплантата при его анодной поляризации ионами HPO₄ ^2-, образуют молекулы кальций-фосфатных соединений. Кроме того, в биполярном режиме плазменно-электролитической обработки в состав плазмы вовлекается большое количество элементов электролита, что обеспечивает на поверхности имплантата более интенсивный электрохимический синтез кальций-фосфатных соединений из соответствующих элементов.

Ионы Ti⁴⁺, выходящие в электролит с поверхности обрабатываемого имплантата, легко связываются с цитратным анионом в растворимые цитратные комплексы, которые остаются в растворе, что позволяет избежать осаждения нерастворимых гидроксидов титана, в частности, на формируемом покрытии.

В результате обработки на поверхности имплантата из титана или его сплава формируется покрытие светло-серого цвета толщиной до 100 мкм, в состав которого, как показывают результаты ренттенофазового анализа, входят -фосфат кальция трехзамещенный Са₃ (PO₄)₂ и гидроксиапатит кальция Са₁₀(PO₄) ₆(ОН)₂.

Присутствие в составе покрытия трехзамещенного фосфата кальция, более растворимого, чем гидроксиапатит, увеличивает биологическую активность и остеоиндуктивные свойства поверхностного слоя, так как низкая растворимость гидроксиапатита служит причиной того, что костные клетки медленно усваивают входящий в его состав кальций и фосфор и кость медленно врастает в имплантат.

Рассчитанное согласно данным микрозондового рентгеноспектрального анализа соотношение кальций/фосфор (Са/Р) в полученном покрытии составляет 1,25-1,40, что близко к соотношению этих составляющих в костной ткани (1,67).

С помощью атомно-силовой микроскопии были получены изображения поверхности слоев, снятые под прямым углом и под углом, отличным от 90°, которые наглядно показывают, что полученные покрытия обладают разветвленной пористой поверхностью (фиг.1-2).

Разветвленная пористая поверхность полученного покрытия и его состав, близкий к минеральному составу костной ткани, обеспечивают быстрое вживление имплантата за счет того, что костная ткань прорастает в поры его поверхности. Кроме того, пористая поверхность дает возможность последующего заполнения пор лекарственными препаратами, например, антибиотиками, антиаллергическими средствами, с целью предотвращения воспалительных или аллергических процессов при врастании костной ткани в имплантат.

Состав полученного покрытия и его структура обеспечивают отсутствие реакции со стороны иммунной системы (биосовместимость), быстрое срастание имплантата с костной тканью (биоактивность) и стимулирование остеосинтеза (остеоиндуктивность) имплантата.

Таким образом, заявляемый способ позволяет получить на имплантате из титана или его сплава покрытие, которое благодаря своему составу, близкому к минеральному составу костной ткани, в том числе, соотношению Са/Р, сравнимому с соотношением, присущим костной ткани, и наличию системы разветвленных пор обладает более высокой биологической активностью и остеоиндуктивностью в сравнении с покрытием, полученным известным способом, что является техническим результатом изобретения.

Примеры конкретного осуществления способа

В качестве источника тока использовали реверсивный тиристорный агрегат типа ТЕР4-100.460Н-2-2УХЛ4. Параметры обработки задавали и контролировали с помощью автоматизированной системы управления и контроля, включающей кроме источника тока контрольно-измерительный блок и персональный компьютер со специальным программным обеспечением.

Толщину покрытий измеряли на поперечном шлифе образца с помощью оптического микроскопа.

Фазовый состав покрытий определяли на рентгеновском дифрактометре D8 Advance (производство фирмы Bruker, Германия) по методу Брегг-Брентано с вращением образца в Cu K -излучении. При выполнении рентгенофазового анализа использована программа поиска EVA с банком данных PDF-2 порошковых образцов.

Концентрацию различных элементов на поверхности покрытия, а также распределение элементов по сечению покрытия определяли методом электронного микрозондового анализа с помощью рентгеноспектрального микроанализатора IXA-5A (JEOL, Japan), электронного микрозонда ЕРМА-8705 (Shimadzu, Japan) и сканирующего микроскопа S2400 (Hitachi, Japan), снабженного рентгеноэлектронным микроанализатором (Horbia, Japan).

Содержание элементов в изучаемом образце оценивали путем сравнения интенсивности линий в исследуемом образце и эталоне (образце сравнения):

где , - содержание i-го определяемого элемента, соответственно, в анализируемом образце и эталоне; , - интенсивность аналитической линии в образце и эталоне.

Дополнительно элементный состав покрытий исследовали с помощью лазерного масс-спектрометра ЭМАЛ-2. Полученные изотопные фотоспектры обрабатывали на автоматизированном микрофотометре с записью спектров на персональный компьютер.

Топологию поверхности в плоскости и распределение высоты рельефа полученных покрытий изучали с помощью атомно-силового микроскопа (АСМ) SOLVER производства ЗАО NT-MDT (г.Зеленоград).

Обработке подвергали образцы в виде пластин размером 1,0×0,5 см, выполненные из титана марки ВТ1-0 (99,05%) или его сплавов ИР М2 (5-6% А1, 0,1-0,2% Re, остальное - Ti), ПТ 7М (1,8-2,5% А1,2,0-3,0% Zr, остальное - Ti).

Первую стадию обработки осуществляли в гальваностатическом режиме, вторую стадию - в биполярном, при этом анодную поляризацию образца проводили в потенциодинамическом режиме, катодную - в гальваностатическом.

Обработку осуществляли при постоянном перемешивании электролита.

Электролит представлял собой водную суспензию.

Пример 1

Обработку образца, выполненного из титана ВТ1-0, осуществляли в электролите, содержащем, г/л: цитрат кальция - 30 и фосфат натрия двухзамещенный - 30, в две стадии. Эффективное значение плотности тока на первой стадии - 3 А/см², напряжение - до 350 В, время обработки 10 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 280 В в ходе анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,0 А/см² в ходе катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 3 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,0033 с.

Толщина полученного покрытия 100 мкм. Фазовый состав покрытия: Са ₁₀(PO₄)₆(ОН) ₂; - гидроксиапатит кальция и Са₃ (PO₄)₂ - трикальцийфосфат при соотношении Са/Р=1,4.

Изображение поверхности покрытия, полученное методом атомно-силовой микроскопии, показано на фиг.1 и 2: 1 - снятое под прямым углом; 2 - снятое под углом, отличным от 90°. Увеличение х500.

Пример 2.

Обработку образца из сплава ИР М2 осуществляли в две стадии в электролите по примеру 1. Эффективное значение плотности тока на первой стадии 5 А/см², напряжение - до 380 В, время обработки 12 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 290 В в ходе анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,0 А/см² при катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 4 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,0033 с.

Толщина полученного покрытия 100 мкм. Фазовый состав покрытия аналогичен составу по примеру 1 при соотношении Са/Р=1,25.

Пример 3

Обработку образца из сплава ПТ-7М осуществляли в электролите, содержащем, г/л: цитрат кальция 25, фосфат натрия двухзамещенный 25, в две стадии. Эффективное значение плотности тока на первой стадии 3 А/см², напряжение - до 370 В, время обработки 15 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 280 В в ходе анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,3 А/см ² при катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 5 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,01 с.

Толщина полученного покрытия 90 мкм. Фазовый состав покрытия аналогичен составу по примеру 1 при соотношении Са/Р=1,40.

Пример 4

Обработку образца из титана ВТ 1-0 осуществляли в электролите состава, аналогичного примеру 3, в две стадии. Эффективное значение плотности тока на первой стадии 5 А/см² , напряжение - до 360 В, время обработки 10 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 280 В при анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,5 А/см² при катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 5 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,01 с.

Толщина полученной пленки 90 мкм. Фазовый состав покрытия аналогичен примеру 1. Соотношение Са/Р=1,30.

Пример 5

Обработку образца из сплава ИР М2 осуществляли в электролите, содержащем, г/л: цитрат кальция 27, фосфат натрия двухзамещенный 25, в две стадии. Эффективное значение плотности тока на первой стадии 3,5 А/см², напряжение до 365 В, время обработки 10 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 300 В при анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,2 А/см² при катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 5 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,02 с.

Толщина полученного покрытия 95 мкм. Фазовый состав покрытия аналогичен составу по примеру 1 при соотношении Са/Р=1,40.

Пример 6

Обработку образца из сплава ПТ-7М осуществляли в электролите, содержащем, г/л: цитрат кальция 28, фосфат натрия двухзамещенный 28, в две стадии. Эффективное значение плотности тока на первой стадии 4,5 А/см², напряжение - до 380 В, время обработки 10 мин. На второй стадии обработку осуществляли в биполярном режиме с напряжением от 0 до 290 В при анодной поляризации и эффективной плотностью тока 1,5 А/см² при катодной поляризации. Время обработки на второй стадии 3 мин. Длительность импульсов ( _a/ _k=1) равна 0,02 с.

Толщина полученного покрытия 100 мкм. Фазовый состав покрытия аналогичен составу по примеру 1 при соотношении Са/Р=1,30.