Результат интеллектуальной деятельности: Способ нанесения синтетического биоактивного кальций-фосфатного минерального комплекса на имплантаты медицинского назначения

Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к технологии нанесения покрытия на имплантаты из различных сплавов титана для травматолого-ортопедических, нейрохирургических, челюстно-лицевых и стоматологических операций. Наша разработка позволяет повысить качество имплантатов путем нанесения на их поверхность созданного нами синтетического биоактивного кальций-фосфатного минерального комплекса с микроэлементным составом, максимально приближенным к составу кости человека.

Известен способ нанесения покрытия на имплантат из титана и его сплавов (патент RU 2221904, C25D 11/26, A61F 2/02, опубл. 2004.01.20), включающий анодирование имплантата импульсным или постоянным током в условиях искрового разряда с частотой следования импульсов 0,5-10,0 Гц в растворе фосфорной кислоты в течение 10-30 мин при постоянном перемешивании, причем анодирование ведут при напряжении 90-100 В и 20-35°C в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-33%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния, или в растворе фосфорной кислоты с концентрацией 5-25%, содержащем порошок СаО до пересыщенного состояния и дополнительно 5-10% суспензии гидроксиапатита дисперсностью менее 70 мкм для создания суспензии.

Недостатком известного способа является то, что при его реализации получают покрытие толщиной не более 30 мкм. Также недостатком является то, что используются только кальций-фосфатные соединения. Недостатком покрытия, полученного этим способом, является низкое содержание кальция в нем.

Известен способ нанесения кальций-фосфатного покрытия на имплантат из титана и титановых сплавов, включающий анодирование имплантата импульсным током в условиях искрового разряда в растворе фосфорной кислоты, содержащем гидроксиапатит, 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, а раствор фосфорной кислоты дополнительно содержит карбонат кальция /RU 2291918 С1/.

Недостатком известного способа является то, что при его реализации получают покрытие толщиной не более 80 мкм. Также недостатком является то, что используются только кальций-фосфатные соединения без добавления микроэлементов необходимых для усиления остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств покрытия.

Задачей предлагаемого изобретения является разработка способа нанесения синтетического биоактивного кальций-фосфатного минерального комплекса на имплантаты из титана и титановых сплавов для медицинского назначения. При реализации данного изобретения получают покрытие с минеральным составом, приближенным к составу костной ткани. Способ, предлагаемый в заявляемом техническом решении, позволяет получать покрытие толщиной до 150 мкм, что обеспечивает более высокую остеоинтеграцию имплантата.

Указанный технический результат достигается тем, что способ нанесения биоактивного покрытия на имплантаты из различных сплавов титана включает внесение в раствор ортофосфорной кислоты 5-33% до насыщения синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс (СБКФМК), содержащий кальций-фосфатную основу и дополнительно компонент магния в молярном соотношении Са:Р:Mg=1,67:1:1,2⋅10^-2, связующее при содержании 5-25% по массе сверх 100%, микроэлемент фтор и ультрамикроэлемент бор при следующем молярном соотношении:

Ca:P:Mg:F:B=1.67:1:1.2×10^-2:1.1×10^-4:1×10^-6,

затем осуществляют гальваническое нанесения указанного покрытия на изделие медицинского назначения при напряжении 80-400 В, частоте импульсов 50-150 Гц, плотности тока 0,2-1,0 А/мм², времени обработки 5-60 мин, времени импульсов 50-300 мкс, рН электролита 6,5-8 и температура электролита 5-85°C, после указанной обработки имплантаты с нанесенным на их поверхность покрытием промывают дистиллированной водой, высушивают при температуре 25-165°C, для формирования кристаллической и/или коралловидной структуры покрытия с толщиной до 150 мкм изделие обжигают при температуре 900-1300°C от 4 до 8 часов. При более высокой температуре происходит разложение ортофосфата кальция.

В качестве магния применяют карбонат магния, или гидроксид магния, или фосфат магния, в качестве связующего - карбоксиметилцеллюлозу или поливиниловый спирт, или гидрометилцеллюлозу, или глицерин, или метилцеллюлозу, в качестве фтора - фторид кальция, а в качестве бора - кристаллогидрат тетрабората натрия.

Для детализации минерального состава покрытия использована классификация Владимира Ивановича Вернадского, из которой следует, что все минералы можно разделить на три группы, в зависимости от массовой доли и %.

I группа - Макроэлементы (содержание в организме превышает 10^-2):

Са и Р, которые являются основными составляющими структуры костной ткани.

Mg, который до 60% от общего содержания в организме содержится в костях. Магний является важным внутриклеточным элементом, участвует в обменных процессах, также являясь кофактором многих ферментативных реакций, принимает участие в метаболизме аминокислот и влияет на важнейшие стадии биосинтеза белка. Mg обеспечивает энергией многие жизненно важные биопроцессы человеческого организма.

Са и Mg относят к основным биоэлементам - «металлам жизни».

II группа – Микроэлементы, жизненно необходимые (содержание в организме в пределах 10^-3-10^-5):F (Фтор), он концентрируется в костной ткани, и фторид-ионы способствуют осаждению фосфата кальция, что ускоряет процессы реминерализации (образование кристаллов). Однако присутствие в составе покрытия данного микроэлемента должно быть минимально. Связано это с тем, что более высокая концентрация данного микроэлемента является токсичной! Следовательно, при включении микроэлементов в состав покрытия использован принцип «следовое присутствие».

III группа - Ультрамикроэлементы или примесные элементы, которые относят к условно жизненно необходимым (содержание в организме превышает 10^-5):

В (Бор) - активно участвует в углеродно-фосфатном обмене с рядом витаминов, ферментов и гормонов. Он является партнером Са, Mg, участвующих в процессах кальцификации, формирования костной ткани и предотвращения развития остеопороза.

Таким образом, при включении микроэлементов и ультрамикроэлементов в состав покрытия взят принцип - «следовое присутствие».

Синтетический биоактивный кальций - фосфатный минеральный комплекс наносим следующим образом:

В раствор ортофосфорной кислоты 5-33% при перемешивании внести до насыщения синтетический биоактивный кальций-фосфатный минеральный комплекс (СБКФМК), содержащий кальций-фосфатную основу и дополнительно компонент магния в молярном соотношении Са:Р:Mg=1,67:1:1,2 10^-2, связующее при содержании 5-25% по массе сверх 100%, микроэлемент фтор и ультрамикроэлемент бор при следующем молярном соотношении:

Ca:P:Mg:F:B=1.67:1:1.2×10^-2:1.1×10^-4:1×10^-6.

Обрабатываемый титановый имплантат помещают в приготовленный насыщенный раствор. Процесс ведут при следующих известных условиях [патенты RU 2291918 C1, RU 2423150 С1, РФ №2154463]:

Условия гальванического нанесения:

- напряжение 80-400 В,

- частота импульсов 50-150 Гц,

- плотность тока 0,2-1,0 А/мм²,

- время обработки 5-60 мин,

- время импульсов 50-300 мкс,

- рН электролита 6,5-8,5,

- температура электролита 5-85°C.

Процесс гальванического нанесения заключается в следующем. В электролит для анодирования вводят смесь компонентов, содержащих кальций, фосфор и необходимые микро-, ультрамикроэлементы. При подаче напряжения в начале процесса анодное напряжение быстро возрастает вследствие вентильных свойств оксидной пленки на поверхности титанового образца. В результате оксидирования поверхность образца покрывается оксидной пленкой толщиной до 15 мкм. Однако в отдельных местах появляются мелкие точки - зародыши образования нового слоя покрытия. В последующем покрытие приобретает вид с распределением покрытия по поверхности титанового образца при толщине покрытия до 150 мкм.

Концентрация раствора ортофосфорной кислоты является существенным признаком. При низкой концентрации фосфорной кислоты у раствора уменьшается электропроводность, что требует повышения рабочего напряжения для возникновения искрового или дугового разряда. При высокой концентрации ортофосфорной кислоты в электролите повышается вязкость раствора, и процесс осаждения покрытия замедляется. В растворе с концентрацией ортофосфорной кислоты порядка 33% растворяется максимальное количество кальция. Оптимальные концентрации раствора лежат в диапазоне 5-33%.

Изделие промыть дистиллированной водой и высушить при температуре 25-165°C. Для формирования кристаллической и/или коралловидной структуры покрытия с толщиной до 150 мкм изделие обжечь при температуре 900-1300°C.

Для лучшего понимания изобретения приводим следующие примеры.

Пример 1

Приготавливают 15% раствор ортофосфорной кислоты. Затем в него добавляют СБКФМК до насыщения. Титановый имплантат погружают в ванну с готовым насыщенным раствором СБКФМК. Через раствор пропускают импульсный ток со следующими характеристиками: время импульса 50 мкс; частота следования импульсов 80 Гц; начальная плотность тока 0,3 А/мм²; конечное напряжение 150 В; температура электролита 25°C; время обработки 15 мин. Толщина полученного покрытия составляет 80-85 мкм.

После указанной обработки имплантаты с нанесенным на их поверхность покрытием промывают дистиллированной водой, высушивают при температуре 25-165°C, для формирования кристаллической и/или коралловидной структуры покрытия с толщиной до 150 мкм изделие обжигают при температуре 900-1300°C от 4 до 8 часов.

Пример 2

Приготавливают 20% раствор ортофосфорной кислоты. Затем в него добавляют СБКФМК до насыщения. Титановый имплантат погружают в ванну с готовым насыщенным раствором СБКФМК. Через раствор пропускают импульсный ток со следующими характеристиками: время импульса 200 мкс; частота следования импульсов 50 Гц; начальная плотность тока 0,3 А/мм²; конечное напряжение 200 В; температура электролита 25°C; время обработки 30 мин. Толщина полученного покрытия составляет 95-100 мкм.

После указанной обработки имплантаты, с нанесенным на их поверхность покрытием, промывают дистиллированной водой, высушивают при температуре 25-165°C, для формирования кристаллической и/или коралловидной структуры покрытия с толщиной до 150 мкм изделие обжигают при температуре 900-1300°C от 4 до 8 часов.

Пример 3

Приготавливают 28% раствор ортофосфорной кислоты. Затем в него добавляют СБКФМК до насыщения. Титановый имплантат погружают в ванну с готовым насыщенным раствором СБКФМК. Через раствор пропускают импульсный ток со следующими характеристиками: время импульса 100 мкс; частота следования импульсов 100 Гц; начальная плотность тока 0,3 А/мм²; конечное напряжение 120 В; температура электролита 25°C; время обработки 60 мин. Толщина полученного покрытия составляет 115-120 мкм.

После указанной обработки имплантаты, с нанесенным на их поверхность покрытием, промывают дистиллированной водой, высушивают при температуре 25-165°C, для формирования кристаллической и/или коралловидной структуры покрытия с толщиной до 150 мкм изделие обжигают при температуре 900-1300°C от 4 до 8 часов.

Покрытия из синтетического биоактивного кальций-фосфатного минерального комплекса на титановых имплантатах, полученные заявляемым способом, прошли лабораторные экспериментальные исследования.