УДК 621.03
Физические принципы формирования наноструктурированных гидроксиапатитовых покрытий
Саратовский государственный технический университет имени
Научные руководители – , д. т.н., профессор;
, ассистент
Студенты группы ВМТ-41 – , ,
г. Саратов, РФ
*****@***com
Стремление к повышению качества жизни человека, обуславливает активизацию научной деятельности в области медицины и, как следствие, создание и внедрение получаемых разработок. Большое их количество связано с проблемой приживления имплантатов, которая решается с помощью применения новых материалов и методов их нанесения.
Ключевые слова: гидроксиапатит, наноструктурированные покрытия, имплантат.
The aspiration to human life improvement of quality, causes activization of scientific activity in the field of medicine and, as a result, creation and introduction of received development. Their large number is connected with a problem of a incerment of implants which is solved by means of application of new materials and methods of their drawing.
Keywords: the hydroxyapatite, the nanostructured coverings, implant.
В последние годы значительное внимание уделяется улучшению качества и увеличению продолжительности человеческой жизни. Травматизм, поражения и заболевания суставов представляют собой глобальную медико-социальную проблему. Самым эффективным способом лечения и восстановления целостности костной ткани в этом случае является эндопротезирование. Одним из возможных путей решения данной проблемы является создание биоактивных покрытий на металлических имплантатах. Имплантаты в биоактивном исполнении позволяют сократить сроки лечения при тяжелых заболеваниях и исключить отторжение последних.
По существующей технологии, биопокрытия на титановых имплантатах получают электрохимическими методами, а также методами плазменного, магнетронного, лазерного напыления биоактивного материала [1,2]. Высокоэнергетические воздействия, характерные для данных методов, приводят к частичной деструкции биоактивного материала и снижению его эффективности. Кроме этого для нанесения покрытий используется сложное дорогостоящее оборудование, эксплуатация которого требует высококвалифицированного персонала, специально оборудованных помещений и т. д., что приводит к удорожанию готовой продукции [3].
В настоящее время в качестве биоактивного материала для покрытий эндопротезов применяют, главным образом, гидроксиапатит (ГА).
Плазменное напыление металлических и керамических покрытий является эффективным методом формирования требуемых свойств поверхности изделий различного назначения, в частности биомеханических характеристик внутрикостных дентальных имплантатов (искусственных зубных корней). В последние годы благодаря работам отечественных и зарубежных ученых достигнуты определенные успехи в повышении эффективности дентальной имплантации путем увеличения приживляемости до 96-98% за счет применения новых биосовместимых и биоактивных материалов, разработки их оптимальных композиций, совершенствования технологических схем и режимов напыления покрытий [4,5]. Выполненные ранее исследования плазменного напыления биосовместимых покрытий касались проблемы повышения однородности их морфологии и пористой структуры, в частности при воздействии на основу ультразвука в процессе напыления.
Известно, что формирование заданных свойств материалов возможно путем создания условий образования самоорганизующихся структур нанодиапазона. Однако применительно к процессам плазменного напыления порошковых биопокрытий на имплантаты условия формирования наноструктур мало изучены.
Между тем переход на новый уровень взаимодействия искусственных (имплантат с покрытием) и естественных (костная ткань) материалов позволил бы качественно улучшить процесс остеоинтеграции имплантатов и повысить биологичность контакта имплантата и костного ложа. Ранее нами исследовалось влияние ультразвука (УЗ) на формирование микроагломератов размерами в доли микрометра при плазменном напылении титана и гидроксиапатита [6]. Установлено, что доля микрочастиц размерами менее 0,3 мкм в структуре покрытия достигает 30-40% и это положительно влияет на остеоинтегративные процессы. Однако для адекватного воспроизведения взаимодействия естественного корня зуба с костной тканью челюсти, по-видимому, необходимо формирование в покрытии наряду с микроагломератами и микропор, проникновение в которые белковых молекул будет способствовать повышению «естественности» контакта костной ткани с имплантатом [7].
Приведенные сведения подтверждают актуальность работы в данном направлении и целесообразность проведения дальнейших научных исследований, одним из результатов которых является патент «Способ изготовления внутрикостных имплантатов с антимикробным эффектом».
Предлагаемый способ заключается в создании комбинированных частиц исходного порошка для напыления закреплением (иммобилизацией) мелких частиц гидроксиапатита размером менее 40 мкм или оксида алюминия размером 1?3 мкм на крупных частицах гидроксиапатита или оксида алюминия размером 40?90 мкм с применением отжига. В процессе плазменного распыления в высокотемпературной струе теплоотвод от мелкой частицы к крупной сохранит часть мелких закрепленных частиц от полного расплавления. При ударе о подложку комбинированная частица раздробится с отрывом мелкой от крупной частицы или произойдет пластическая деформация мелкой частицы с возникновением нанообразований на ней. При этом отлетевшая мелкая частица, имея кинетическую энергию и давление на подложку, соответствующие удару крупной частицы, разобьется на частицы нанометрового размера.
При этом при использовании мелкого порошка в количестве более 30 мас.% в смеси происходит значительное изменение выбранного ранее размера частиц напыляемого порошка, что приводит к изменению необходимой пористости покрытия. Использование менее 5 мас.% мелкого порошка не приводит к желаемому эффекту от увеличения количества вводимых наночастиц в покрытие.
При проведении отжига смеси порошков в течение времени, меньшем 1,5 ч, не происходит диффузионный процесс спекания частиц смеси порошков, а отжиг в течение времени, большем 3 часов, экономически невыгоден и может привести к появлению массивного образца, исчезновению частиц порошка как самостоятельных единиц.
В процессе высокотемпературного отжига мелкие, наиболее активные частицы исходного порошка, припекаются друг к другу и к более крупным частицам, а при последующем легком разломе их нельзя отделить в виде самостоятельных частиц.
Крупные же конгломераты (60?90 мкм), малоактивные при отжиге, разрушаются в процессе размола до более мелких частиц исходного размера. Таким образом, предварительно отожженный и размолотый порошок становится менее полидисперсным, чем исходный, и структура пористых каркасов из него получается более однородной.
Подобная обработка исходных порошков с размерами частиц, различающимися почти в 2 раза, может привести к повышению его равномерности по гранулометрическому составу и, в конечном итоге, к повышению прочности и равномерности пористой структуры покрытия из него, а также может быть использована для выполнения иммобилизации мелких частиц на крупных. Вводимые в исходные порошки мелкие частицы в значительной степени отличаются от них по размеру. Поэтому применение термомеханической обработки (ТМО) будет способствовать получению равномерной по гранулометрическому составу смеси мелких и крупных порошков [8].
Таким образом, физические принципы формирования наноструктурированных гидроксиапатитовых покрытий являются важной основой для научных исследований в области медицины при создании внутрикостных имплантатов.
Литература
1. , , Формирование микропористой структуры биокомпозиционных покрытий при их плазменном напылении с воздействие ультразвука // Вестник Саратовского государственного технического университета 2010. № 3 (48). С. 71-79.
2. ., Биокерамика на основе фосфатов кальция. – М.: Наука, 2005. – 204 с.
3. , , , , Получение порошка гидроксиапатита в ходе жидкофазного синтеза. // Известия Томского политехнического университета. – 2009. – Т. 315. – № 3. Химия. – C. 47–50.
4. , , Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство и клиническое применение. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. – 254 с.
5. , , Дентальные имплантаты и плазменное напыление в технологии их производства. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. – 192 с.
6. , Научные основы электроплазменного напыления биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов и их размерной обработки с применением электрофизических процессов // Вестник Саратовского государственного технического университета 2007. № 1 (23). Вып. 3. С. 47-56.
7. Научные основы разработки дентальных имплантатов / , , // Саратовский научно-медицинский журнал. - 2013. - Т. 9. - №3. - С. 431-434
8. Патент на изобретение № 000 / , , // Способ изготовления внутрикостных имплантатов с антимикробным эффектом. - 2014.
