способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрекостных имплантатах из нержавеющей стали

Формула изобретения

Способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали, включающий термическое оксидирование на воздухе при температуре 300-600°C с продолжительностью 0,3-1,0 ч и охлаждение на воздухе, отличающийся тем, что оксидирование имплантатов проводят при многократных последовательных термических циклах нагрев-охлаждение, где после нагрева имплантатов в печи в течение каждых 5-10 мин осуществляют их кратковременное охлаждение с извлечением из печи на 5-10 сек.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области медицинской техники и может использоваться при изготовлении спицевых, а также стержневых чрескостных имплантатов с оксидным биосовместимым покрытием.

Клиническая эффективность применения чрескостных имплантатов, входящих в состав аппаратов внешнего управляемого остеосинтеза и наиболее часто выполняемых из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т, во многом определяется наличием на их поверхности биосовместимого морфологически гетерогенного покрытия, обеспечивающего прочность закрепления изделий в костной ткани. В качестве биосовместимого покрытия могут выступать собственные механически прочные оксидные слои металлического материала, создаваемые путем его термического оксидирования в различных газовых средах. При этом известные способы термического оксидирования металлических имплантатов не позволяют сформировать оксидное биосовместимое покрытие с трещиноватой микро- и наноструктурой, которая во многом определяет уровень остеокондуктивности поверхности имплантатов, существенно повышает эффективность остеоинтеграционных процессов и обеспечивает высокопрочную взаимосвязь имплантируемых изделий с костной тканью.

Известен способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов, заключающийся в газотермическом оксидировании в смеси, состоящей из инертного (Ar, Ne, Не) и окисляющего (O₂, CO₂) газов, с последующим охлаждением оксидированных имплантатов в инертном газе [патент РФ № 2322267. Опубл. 20.04.2008].

Недостатком данного способа является невозможность получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой, повышающей эффективность остеоинтеграции имплантатов.

Известен способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана путем воздействия на них перегретого водяного пара при температуре 500-550°C в течение 1,5-2,0 ч [патент РФ № 2332239. Опубл. 27.08.2008]. При этом сначала из печи удаляют воздух подачей в рабочий объем перегретого пара под давлением 3-4 атм, потом проводят оксидирование в среде чистого пара, подаваемого под давлением 1,2-1,3 атм. После термообработки оксидированные остеофиксаторы сначала охлаждают в печи в среде пара до температуры 250-300°C, а затем на воздухе до температуры 20-30°C. Однако недостатком данного способа является отсутствие технической возможности, позволяющей сформировать на имплантатах оксидное биосовместимое покрытие с гетерогенной трещиноватой наноструктурой.

Ближайшим прототипом, по мнению авторов, является способ получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали, заключающийся в том, что осуществляют оксидирование имплантатов на воздухе при температуре 300-600°C, продолжительности 0,3-1,0 ч и атмосферном давлении среды с последующим постепенным охлаждением обработанных изделий в печи до температуры окружающей среды (20-30°C) [патент РФ № 2412723. Опубл. 27.02.2011].

Недостатком данного способа является невозможность получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой, повышающей эффективность остеоинтеграции чрескостных имплантатов из нержавеющей стали.

Задачей изобретения является создание технологических условий для получения оксидного биосовместимого покрытия с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении оксидным покрытием высокой остеокондуктивности поверхности имплантатов и способности их высокопрочного срастания с костной тканью.

Поставленная задача достигается за счет того, что в предлагаемом способе получения оксидного биосовместимого покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали, включающем термическое оксидирование на воздухе при температуре 300-600°C с продолжительностью 0,3-1,0 ч и охлаждение на воздухе, согласно новому техническому решению оксидирование имплантатов проводят при многократных последовательных термических циклах нагрев-охлаждение, где после нагрева имплантатов в печи в течение каждых 5-10 мин осуществляют их кратковременное охлаждение с извлечением из печи на 5-10 сек. При этом при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов с формированием на поверхности оксидного покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры.

Способ осуществляется следующим образом. Для получения биосовместимого оксидного покрытия на чрескостных имплантатах из нержавеющей стали проводят их оксидирование на воздухе при значениях температуры от 300°C до 600°C и значениях продолжительности от 0,3 ч до 1,0 ч при последовательных термических циклах нагрев-охлаждение, где при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов с формированием на поверхности оксидного покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин после нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры. В данных технологических условиях на поверхности стальных имплантатов образуются частицы оксидов металлов, входящих в состав сплава, которые за счет осуществления последовательных термических циклов нагрев-охлаждение на воздухе вследствие быстро изменяющихся внутренних напряжений в поверхностных слоях имплантатов растрескиваются с разрывом связей между частицами и покрытие приобретает трещиноватую микро- и наноструктуру, благоприятствующую высокоэффективной остеоинтеграции имплантатов.

Значения температуры нагрева печи свыше 600°C и продолжительности оксидирования более 1,0 ч приводят к образованию механически непрочного хрупкого оксидного покрытия большой толщины (250-300 мкм), которое характеризуется низким уровнем адгезии к поверхности основного металла. Значения температуры менее 300°C и продолжительности обработки менее 0,3 ч не обеспечивают термохимических условий для протекания активных реакционных окислительных процессов на поверхности нержавеющей стали и не позволяют сформировать оксидное покрытие с качествами биосовместимости.

Время охлаждения имплантатов с их извлечением из печи менее чем на 5 сек, не позволяет обеспечить необходимую скорость их охлаждения до момента снижения температуры оксидного покрытия, приводящей к растрескиванию крупных частиц оксидов с формированием микро- и наноразмерных частиц, а также трещиноватой структуры поверхности. Время охлаждения имплантатов с их извлечением из печи более чем на 10 сек, приводит к возникновению высоких внутренних напряжений в оксидном покрытии, при которых происходит макрофрагментация покрытия с разрывом связей между его частицами, что сопровождается разрушением оксидных слоев и их отсоединением от поверхности имплантатов.

Периодичность извлечения имплантатов из печи для цикла охлаждения менее чем через каждые 5 мин после цикла нагрева, не обеспечивает необходимую интенсивность оксидирования и технологически не позволяет создать оксидное биосовместимое покрытие с остеокондуктивными качествами поверхности, а периодичность извлечения имплантатов более чем через каждые 10 мин после цикла нагрева, не позволяет получить морфологически развитую трещиноватую микро- и наноструктуру оксидного покрытия.

Пример 1. Берут предварительно подготовленный для формирования покрытия имплантат из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, помещают его в электропечь сопротивления с температурой 300°C. По истечении 5 мин нагрева в печи имплантат извлекают из нее на 5 сек, при которых происходит кратковременное охлаждение изделия на воздухе, после чего опять помещают в печь с воздушной атмосферой для нагрева в течение следующих 5 мин. Данный термический цикл нагрев-охлаждение последовательно повторяется с вышеуказанным временным интервалом до момента окончания обработки (0,3 ч), в результате чего после процесса оксидирования в таких технологических условиях на поверхности имплантата формируется оксидное покрытие с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой.

Пример 2. Берут предварительно подготовленный для формирования покрытия имплантат из нержавеющей стали 12Х18Н10Т, помещают его в электропечь сопротивления с температурой 600°C. По истечении 10 мин нагрева в печи имплантат извлекают из нее на 10 сек, при которых происходит кратковременное охлаждение изделия на воздухе, после чего опять помещают в печь с воздушной атмосферой для нагрева в течение следующих 10 мин. Данный термический цикл нагрев-охлаждение последовательно повторяется с вышеуказанным временным интервалом до момента окончания обработки (1,0 ч), в результате чего после процесса оксидирования в таких технологических условиях на поверхности имплантата создается оксидное покрытие с гетерогенной трещиноватой микро- и наноструктурой.

Способ позволяет получить морфологически развитое трещиноватое оксидное покрытие толщиной 10-60 мкм, суммарной открытой пористостью 15-65%, размером частиц оксидов от 5 нм до 150 мкм, размером пор от 10 нм до 200 мкм, шириной трещин 50-150 нм, глубиной трещин 30-100 нм.

Положительный эффект, заключающийся в обеспечении оксидным покрытием высокой остеокондуктивности поверхности имплантатов и способности их высокопрочного срастания с костной тканью, достигается за счет проведения термического оксидирования и охлаждения имплантатов на воздухе при осуществлении последовательных термических циклов нагрев-охлаждение, где при нагреве в печи происходит оксидирование имплантатов при температуре 300-600°C и продолжительности 0,3-1,0 ч с формированием на поверхности оксидного биосовместимого покрытия, а при охлаждении имплантатов с их извлечением из печи на 5-10 сек через каждые 5-10 мин после нагрева происходит растрескивание оксидного покрытия с формированием его гетерогенной микро- и наноструктуры, обеспечивающей повышенную остеокондуктивность поверхности имплантатов.