Результат интеллектуальной деятельности: УСТРОЙСТВО ЗОНТИЧНОЕ (ОККЛЮДЕР) С МОДИФИЦИРОВАННЫМ ПОВЕРХНОСТНЫМ СЛОЕМ

Изобретение относится к изготовлению кардиоимплантатов, преимущественно зонтичных устройств, из сплава на основе никелида титана с эффектом памяти формы (ЭПФ) и сверхэластичности с модифицированным ионно-плазменной обработкой поверхностным слоем, предназначенных для длительной эксплуатации в сердечно-сосудистой системе организма и обладающих коррозионной стойкостью, биосовместимостью и нетоксичностью в биологических средах.

Известны устройства, представленные корпорацией AGA Medical Corparation (США) и раскрытые в патентах США, например US 5725552 (опубликовано 10.03.1998), US 5846261 (опубликовано 08.12.1998), US 5944738 (опубликовано 31.08.1999), US 6123715 (опубликовано 26.09.2000). Устройства изготовлены из оплеточной металлической сетки, сформированной переплетением проволочных элементов из обладающего памятью формы никель-титанового сплава (часто называемого нитинолом - Nitinol). Указанные устройства являются узкопрофильными и хорошо подходят для селективной окклюзии сосуда, просвета, канала, отверстия, полости или тому подобного, такого как дефекты межпредсердной перегородки, открытого овального окна, открытого артериального протока, дефекта межжелудочковой перегородки, а также артериального венозного свища.

Известно из патента US 6652556 (опубликовано 25.10.2003) фильтрующее устройство для ушка левого предсердия (УЛП), у которого каркас из проволочных элементов выполнен из никель-титанового сплава.

Известно из публикации заявки US 2003/0023266 (опубликовано 30.01.2003) имплантируемое в ушко левого предсердия устройство из сплава с памятью формы, выполненное в полном соответствии с индивидуальными анатомическими характеристиками размеров, формы и внутренней поверхности ушка левого предсердия пациента.

Общим недостатком для всех вышеупомянутых вариантов исполнения этого устройства является то, что у них отсутствует модифицированный поверхностный слой.

Известен дентальный внутрикостный имплантат и материал с эффектом памяти формы для его изготовления (RU 2397732, А61С 8/00, С22С 19/03, опубл. 27.08.2010). Описана конструкция дентального внутрикостного имплантата. Материал для изготовления имплантата состоит из основы и поверхностного слоя, модифицированного легирующими элементами: кислородом, углеродом путем ионной имплантации. Поверхностный слой имеет толщину 100-700 нм, а в качестве легирующего элемента дополнительно содержит молибден, при следующем отношении элементов, ат.%: кислород - 20-70; углерод - 5-10; молибден - 15-30; титан - 5-35; никель - 0-10. Технический результат - повышение механической устойчивости имплантата при установке через лунку свежеудаленного зуба и его коррозионной стойкости и биосовместимости путем создания барьерного ионно-модифицированного слоя на его поверхности.

Недостатком известного изобретения является то, что заявлен дентальный внутрикостный имплантат и изобретение относится к стоматологии.

Известны медицинские конструкции, в частности, кардиоимплантаты из материала с памятью формы такого, как сплав на основе никелида титана (US 2006157159, A61L 27/06, A61L 27/50, С23С 14/48, С23С 8/36, опубл. 2006.07.20), с модифицированным поверхностным слоем с использованием методов ионно-пучковой или плазменно-иммерсионной имплантации или осаждения ионов с целью изменения поверхностных свойств данных материалов. Поверхность, обработанная азотом, кислородом и углеродом, становится биоинертной.

Недостатком медицинской конструкции, в частности, кардиоимплантата с поверхностным слоем, модифицированным путем ионной имплантации легирующими элементами, упомянутыми в известном изобретении, является то, что известный модифицированный поверхностный слой не позволяет изолировать биосреду от продуктов растворения в ней компонентов материала конструкции, в частности никеля, и не обеспечивает быструю интеграцию кардиоимплантата с организмом животного или человека.

Также в известном изобретении отмечено, как рекомендация, что кремний может быть использован для создания биоинертной поверхности кардиоимплантата. Однако в известном изобретении не заявлен химический состав поверхностного слоя кардиоимплантата, в том числе, содержание атомов никеля и его изменение, связанное с изменением содержания атомов кремния и других легирующих элементов.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка устройства зонтичного (окклюдера) с модифицированным поверхностным слоем для окклюзии ушка левого предсердия. Предлагаемое зонтичное устройство с модифицированным поверхностным слоем обладает биосовместимостью, коррозионной стойкостью и отсутствием токсичности.

Указанный технический результат достигается тем, что устройство зонтичное (окклюдер) с модифицированным поверхностным слоем выполнено из сплава на основе никелида титана, при этом оно имеет поверхностный модифицированный слой толщиной 80-95 нм, который состоит, по меньшей мере, из двух подслоев:

наружный подслой толщиной 20-25 нм содержит кислород, углерод, кремний и титан при следующем соотношении элементов, ат.%:

промежуточный подслой толщиной 60-70 нм содержит кислород, углерод, кремний, титан и никель при следующем соотношении элементов, ат.%:

причем максимальную концентрацию кремний достигает на глубине 30-35 нм от поверхности.

Устройство зонтичное (окклюдер) выполнено из двойного сплава на основе никелида титана, имеющего следующий состав химических элементов, ат.%:

Устройство зонтичное (окклюдер) выполнено из двойного сплава на основе никелида титана, имеющего дополнительно примеси внедрения О, N, С и замещения Fe, Co до 0.2 ат.%.

Кроме того, двойной сплав на основе никелида титана имеет температуру завершения обратного мартенситного превращения, при его нагреве, не более 23°С и величину обратимой неупругой деформации не менее 6%.

Модифицированный поверхностный слой устройства зонтичного (окклюдера) получают обработкой его поверхности потоками ионов кремния при ускоряющем напряжении 40-80 кВ, при частоте следования импульсов 50-100 Гц в течение 5-60 минут, в режиме высокодозовой ионной имплантации.

Перед обработкой поверхности устройства зонтичного (окклюдера) потоками ионов кремния осуществляют химическую и электрохимическую очистку его поверхности.

Химическую очистку поверхности устройства зонтичного (окклюдера) проводят в смеси азотной и плавиковой кислот при температуре 50°С.

Электрохимическую очистку поверхности устройства зонтичного (окклюдера) проводят в смеси кислот СН₃СООН (97%): HClO₄ (70%), взятых в соотношении 3:1 об.ч.

Использование сплава на основе никелида титана, в частности, в диапазоне следующих составов, ат.%:

в сердечно-сосудистой хирургии в качестве материала для кардиоимплантатов, преимущественно устройства зонтичного (окклюдера), связано с наличием у данного сплава ценных механических свойств, таких как термическая память формы, сверхэластичность. В частности, упомянутый двойной сплав на основе никелида титана может иметь дополнительно примеси внедрения О, N, С и замещения Fe, Co до 0.2 ат.%. Содержание такого небольшого количества указанных примесей не оказывает существенного влияния на его функциональные свойства. Упомянутый двойной сплав на основе никелида титана имеет температуру завершения обратного мартенситного превращения (Ак), при его нагреве, не более 23°С и величину обратимой неупругой деформации не менее 6%.

Указанные свойства двойного сплава на основе никелида титана необходимы для выполнения из него устройства зонтичного (окклюдера) определенной конструкции, требующего восстановления его формы при температуре человеческого тела, а также для его длительной работы в органах сердечно-сосудистой системы под нагрузкой (мышечное давление на конструкцию со стороны стенок сосудов).

Присутствие значительной доли атомов никеля в сплаве (50.50-51.00 ат.%) обуславливает необходимость создания барьерного слоя, препятствующего проникновению ионов никеля в биосреду (ткани и жидкости - кровь, лимфа крови) в результате коррозионных процессов, протекающих на поверхности устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана при контакте с биологическими тканями и жидкостями и сопровождающихся выделением ионов никеля. Увеличение концентрации атомов никеля в тканях выше допустимого уровня способствует ухудшению биологической совместимости устройства зонтичного (окклюдера), оказывает на организм токсическое и аллергическое воздействие, может приводить к возникновению воспалительных процессов.

Настоящим изобретением предложено устройство зонтичное (окклюдер) из сплава на основе никелида титана с модифицированным поверхностным слоем.

Модифицированный поверхностный слой устройства зонтичного (окклюдера) толщиной 80-95 нм состоит, по меньшей мере, из двух подслоев:

наружный подслой толщиной 20-25 нм содержит кислород, углерод, кремний и титан при следующем соотношении элементов, ат.%: кислород 25-65, углерод 1-5, кремний 1-10, титан остальное;

промежуточный подслой толщиной 60-70 нм содержит кислород, углерод, кремний, титан и никель при следующем соотношении элементов, ат.%: кислород 5-30, углерод 1-5, кремний 10-30, никель 1-50, титан остальное, причем максимальную концентрацию кремний достигает на глубине 30-35 нм от поверхности.

Выбор кремния, как основного химического элемента для легирования поверхности устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана, позволит решить некоторые из вышеперечисленных проблем благодаря его химическим (электронный аналог углерода), физическим (частично растворяется в решетке титана с образованием ограниченного твердого раствора замещения и образует биоинертные, нерастворимые фазы на основе титана, никеля и кремния, которые могут являться основой для синтеза композиционной металлокерамики на основе титана и кремния) и биологическим (высокая совместимость с живыми клетками) свойствам.

На фиг.1 представлены профили распределения концентрации основных элементов в поверхностных слоях сплава TiNi перед (а) и после ионной модификации кремнием (б).

Из заявленного распределения концентраций химических элементов в поверхностном слое устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана видно существенное уменьшение содержания никеля в наружном слое толщиной от 20 до 35 нм, по сравнению с его содержанием во внутреннем объеме, вплоть до полного отсутствия атомов никеля на самой поверхности устройства зонтичного и под ней в глубину до 20 нм от поверхности. Модифицированный поверхностный слой толщиной 80-95 нм, состоящий, как минимум, из двух подслоев, существенно различается соотношением концентраций кислорода, углерода, никеля и кремния и не обладает выраженной поверхностью раздела между подслоями, характерной для осажденного слоя.

На фиг.1(б) представлены концентрационные профили распределения основных химических элементов в поверхностном слое устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана. Видно, что максимальное на поверхности содержание кислорода и углерода, 50 ат.% и 20 ат.%, соответственно, понижается по экспоненциальной зависимости в довольно узком наружном слое и уже на глубине 10-20 нм не превышает 5 ат.%, каждый. Распределение внедренных ионов кремния описывается кривой с максимумом концентрации кремния 30 ат.%, расположенным в приповерхностной области, как уже было выше отмечено, на глубине 30-35 нм от поверхности.

Наличие углерода в модифицированном поверхностном слое обусловлено существованием адсорбированного углерода на исходной поверхности устройства зонтичного (окклюдера), на поверхности распыляемого материала (катода из кремния), а также присутствием углерода в остаточной атмосфере технического вакуума, который (углерод) по механизмам атомного перемешивания и диффузии проникает в более глубокие слои обрабатываемого сплава на основе никелида титана.

Из фиг.1(б) следует, что концентрация кислорода в модифицированном поверхностном слое увеличилась, а толщина этого слоя в 2 раза превысила толщину оксидного слоя устройства зонтичного (окклюдера) до ионной обработки. Это связано с тем, что в процессе ионной имплантации помимо атомов основного имплантируемого химического элемента (кремния), как правило, в ионном пучке имеются такие элементы, как кислород, присутствующий, как в остаточной атмосфере рабочей камеры, так и адсорбированные на поверхности облучаемого устройства зонтичного (окклюдера). В процессе ионной обработки кремнием, вследствие атомного перемешивания поверхностных и внутренних слоев, а также в результате радиационно-стимулированной диффузии, ионы этого элемента попадают в приповерхностный слой и распределяются в нем, участвуя в формировании модифицированного поверхностного слоя.

Особого внимания заслуживают особенности перераспределения атомов никеля в поверхностном модифицированном слое.

Из фиг.1(б) видно, что во внешнем (наружном) подслое толщиной 20 нм атомы никеля практически отсутствуют, затем наблюдается повышение их концентрации до величины, соответствующей его исходной концентрации в сплаве на глубине 80-95 нм от облученной поверхности.

Из результатов коррозионных испытаний следует, что потенциал перепассивации Е_пп сплава на основе никелида титана в биохимических водных растворах 0.9% NaCl, плазмы крови после модификации поверхности устройства зонтичного (окклюдера) в среднем составляет 0.9 В, в отличие от его значения Е_пп≈0.8 В, полученного при испытаниях устройства зонтичного (окклюдера) с немодифицированной поверхностью. Повышение коррозионной стойкости поверхности устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана с модифицированным ионами кремния поверхностным слоем обусловлено заявленным химическим составом элементов в поверхностном слое устройства зонтичного (окклюдера). На его модифицированной поверхности образовались, как минимум, два высоко коррозионно-стойких к биорастворам подслоя, расположенных один под другим: первый - наружный - на основе окси-карбидов титана (подслой на основе титана, кислорода и углерода) и второй - промежуточный - на основе оксидов кремния, силицидов титана и никеля. В результате потенциостатической выдержки в биохимических растворах при значении анодного потенциала Е, превышающем значение стационарного потенциала Е_ст для сплава на основе никелида титана, кроме высококоррозионно-стойких соединений на основе титана, таких как T₂Si, Ti₅Si₃, возможно образование малорастворимого соединения Ni₂SiO₄, что может являться одной из причин стабилизации пассивного состояния поверхностного слоя устройства зонтичного (окклюдера) в области положительных потенциалов, повышающего его коррозионную устойчивость.

Из результатов испытаний in vitro на биосовместимость с живыми клетками (были использованы мезенхимальные стволовые клетки (МСК) костного мозга крысы) устройства зонтичного (окклюдера) из сплава на основе никелида титана с немодифицированным и модифицированным (кремнием) поверхностным слоем получено, что эффективность пролиферации клеток МСК на поверхности устройства зонтичного (окклюдера) после ионной модификации оказалась в ~1,3 раза выше, чем на поверхности устройства зонтичного (окклюдера), которая не подвергалась ионной обработке кремнием. Это означает, что после модификации пучками ионов кремния биосовместимость устройства зонтичного (окклюдера) повысилась.

Предлагаемое изобретение осуществляют следующим образом.

Из трубки двойного сплава на основе никелида титана диаметром 3 мм с помощью аппарата лазерной резки (дискового лазера с диодной накачкой) по специально заданной программе в стенках трубки вырезают отверстия и разрезы нужной геометрии для получения каркасной заготовки.

Осуществляют химическую очистку каркасной заготовки, которая необходима для удаления дефектов лазерной резки типа наплывов, брызг и уменьшения толщины оксидной пленки. Для этого каркасную заготовку обрабатывают смесью азотной и плавиковой кислот при температуре 50°С в течение 5-7 секунд. Проводят мойку каркасной заготовки в ультразвуковой ванне в дистиллированной воде.

Далее каркасной заготовке с помощью формующих шаблонов придают необходимую объемную форму устройства зонтичного (окклюдера). Для этого предварительно охлажденную каркасную заготовку натягивают на охлажденный внутренний формующий шаблон и зажимают охлажденным внешним формующим шаблоном. Операцию выполняют при температуре от минус 15 до плюс 5°С. Зажатую заготовку вместе с формующими шаблонами помещают в расплав смеси неорганических солей при температуре 450-475°С на 15 минут. Проводят закалку заготовки в воду комнатной температуры, и затем объемную заготовку устройства зонтичного (окклюдера) освобождают от внешнего шаблона и снимают с внутреннего шаблона (см. фиг.2(а)).

Далее устройство зонтичное (окклюдер) подвергают электрохимической очистке в смеси СН₃СООН (97%): HClO₄ (70%), взятых в соотношении 3:1 об.ч., при температуре электролита 0°С, время обработки 10-15 секунд при напряжении 30 В. После электрохимической очистки устройство зонтичное (окклюдер) промывают в дистиллированной воде в ультразвуковой ванне. Промытое устройство зонтичное (окклюдер) подвергают сушке.

Далее проводят обработку поверхности устройства зонтичного (окклюдера) ускоренными ионами кремния в вакууме ионно-плазменной установки (далее в примере установка).

Для этого подлежащие обработке аналогичные устройства зонтичные (окклюдеры) закрепляют в держателях системы позиционирования рабочего стола установки. Система позиционирования обеспечивает равномерную обработку внешней и внутренней поверхностей одновременно нескольких (до 10 штук) устройств зонтичных (окклюдеров) потоком ионов кремния. Рабочий стол перемещают в рабочую камеру установки. Камеру откачивают до давления не меньше 3·10^-3 Па (2·10^-5 торр) для уменьшения содержания атомов примеси (кислорода, углерода) в остаточной атмосфере до минимальной их концентрации.

Включают систему прогрева-охлаждения рабочей камеры. Камера должна прогреться до температуры 30-35°С. Устанавливают ускоряющее напряжение 60 кВ, напряжение смещения 1000 В, частоту следования импульсов 50 Гц, включают импульсный ускоритель ионов кремния и систему позиционирования. Ионную модификацию поверхности устройства зонтичного (окклюдера) проводят с применением импульсных однокомпонентных пучков ионов кремния в условиях безмасляной откачки и высокого вакуума, в режиме высокодозовой ионной имплантации с флюенсом, равным 2×10 см^-2. В процессе обработки обеспечивают вращение каждого устройства зонтичного (окклюдера) по заданной траектории для достижения равномерного распределения дозы облучения по поверхности обрабатываемого устройства зонтичного (окклюдера). Для выгрузки обработанного устройства зонтичного (окклюдера) в камеру установки напускают воздух, выкатывают стол и вынимают обработанные устройства зонтичные (окклюдеры). Описанная ионная обработка кремнием обеспечивает толщину модифицированного поверхностного слоя 80-95 нм и заявленный химический состав элементов внутри модифицированного поверхностного слоя устройства зонтичного (окклюдера) (см. фиг.2(б)), необходимые для достижения заявленного технического результата.