СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ ИЗ БИОСОВМЕСТИМЫХ МАТЕРИАЛОВ

Изобретение относится к технологии лазерного синтеза объемных изделий (ЛСОИ), в том числе к способам скоростного изготовления из порошковых материалов точных биосовместимых пористых медицинских имплантатов для протезирования, в том числе с внутренними пустотами, методом селективного лазерного спекания (СЛС) порошковых композиций.

Известны результаты многочисленных работ /см. например труды Всесоюзной научной конференции "Сверхупругость, эффект памяти формы и их применение в новой технике". Тезисы докладов, Томск, 1985/, в которых раскрываются широкие перспективы по использованию в качестве биосовместимого материала для медицинских имплантатов интерметаллида - никелида титана (NiTi), обладающего даже в пористом состоянии крайне полезным для медицины свойством памяти формы. Традиционно никелид титана получают как минимум двойным переплавом расходуемого электрода в вакуумно-дуговой печи или в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) горения порошковой смеси Ni и Ti. Использование данных методик получения этого материала для нужд медицины имеет существенный недостаток - трудоемкость процесса создания функциональных медицинских имплантатов с заранее заданными индивидуальными форморазмерами. Сам материал также оказывается загрязнен примесями из-за выгорания и ликвации компонентов, что ухудшает параметры формовосстановления и другие свойства этого интерметаллида.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению прототипом является способ изготовления объемных изделий из порошковой композиции (Шишковский И. В., Куприянов Н. Л. Патент РФ 2145269, B 22 F 3/105), включающий последовательное послойное размещение порошковой композиции в станке для СЛС, обработку каждого слоя лазерным излучением (ЛИ) по заданному контуру и извлечение полученного изделия из станка с удалением порошковой композиции, не принявшей участия в формировании объемного изделия. По этому способу возможно изготовление изделий из металлполимерных порошковых композиций путем реализации процесса жидкофазного спекания.

Следующим логичным шагом является синергетическое совмещение процессов СЛС и СВС новых интерметаллидных фаз в контролируемом ЛИ пространстве. Формирование из порошков Ni и Ti в едином технологическом процессе интерметаллидной фазы - пористого никелид титана позволяет рекомендовать такой процесс для создания медицинских имплантатов заданных индивидуальных форм с использованием методов трехмерного компьютерного моделирования.

Задачей заявляемого изобретения является реализация скоростного синтеза пористых функциональных медицинских имплантатов заданных индивидуальных форм методом СЛС из предлагаемой порошковой композиции Ni - Ti.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления медицинских имплантатов заданных индивидуальных форм из биосовместимых материалов методом селективного лазерного спекания порошковых композиций, включающем последовательное послойное размещение порошковой смеси, обработку каждого слоя сканирующим лазерным излучением, в качестве исходной порошковой композиции используют смеси металлических порошков на основе никеля и титана при их весовом соотношении 1:1 с реализацией контролируемой лазерным излучением реакции самораспространяющегося высокотемпературного синтеза пористой интерметаллидной фазы - никелида титана (NiTi) в защитной газовой среде.

При этом для повышения биосовместимости синтезированных медицинских имплантатов исходная смесь порошков никеля и титана дополнительно содержит гидроксиаппатит (-акрилат).

При этом для ускорения процесса вживления в поры синтезированных медицинских имплантатов инфильтруют биостимулирующие добавки.

Защитная среда позволяет избежать окисления частиц титана. Предварительное просеивание смешиваемых порошков необходимо для усреднения гранулометрического состава, что улучшает однородность материала изготавливаемого имплантата. При этом важно выбирать размер фракции (дисперсность) обрабатываемого порошка так, чтобы она была соизмерима или меньше диаметра пятна ЛИ. Этим достигается одновременное воздействие ЛИ на несколько частиц порошковой смеси, что обеспечивает их надежное сцепление в процессе реакции контролируемого горения. С другой стороны, соотношение размеров каждой фракции в смеси предпочтительно подбирать так, чтобы частицы титана несколько превосходили по размеру частицы никеля. Это связано с тем, что диффузия из более мелких частиц Ni в сторону частиц Ti происходит активней в контролируемой ЛИ реакции СВС интерметаллида, поскольку коэффициент диффузии Ni больше чем соответствующий коэффициент диффузии Ti. Крупно зернистость частиц Ti по сравнению с частицами Ni минимизирует также его неблагоприятную химическую активность со следами остатков газов - О₂, N₂, Н₃, которые могут оказаться в защитной среде по тем или иным причинам. Использование хорошо апробированной СВС композиции Ni:Ti стехиометрического состава 1:1 позволяет обеспечить не просто спекание порошинок друг с другом, но и одновременно синтезировать интерметаллидную фазу - никелид титана NiTi. Его высокая биосовместимость и возможность использования в медицине достоверно доказана в многочисленных публикациях. Экзотермичность реакции горения СВС композиции вносит дополнительный энерговклад в зону лазерного воздействия (ЛВ). С учетом высокой поглощательной способности металлических систем на длинах волн технологических лазерных установок, интервал оптимальных режимов комбинированного процесса СЛС и СВС практически не смещается в область более высоких плотностей мощности ЛИ, что позволяет уменьшить деформации формы имплантата и избежать его расслоения.

Как известно, процесс СВС может протекать либо в режиме неконтролируемого теплового взрыва, либо в поддающемся контролю диффузионном режиме горения, характеризующемся стационарным распространением волны синтеза. Поскольку ЛСОИ требует прецизионного селективного воздействия на порошковую композицию с целью послойного синтеза строго заданной формы имплантата, принципиальным является выбор параметров ЛВ (плотность мощности ЛИ, скорость сканирования луча, диаметр пятна фокусировки, коэффициент его перекрытия) такими, чтобы имел место именно диффузионный режим. В условиях экзотермичности реакции СВС это достигается экспериментальным подбором, например, скорости сканирования ЛИ, при прочих фиксированных параметрах ЛВ. Визуально реакция горения при оптимальной скорости сканирования должна наблюдаться лишь в зоне прохода лазерного луча.

Для заявляемого изобретения характерен следующий отличительный признак. Формирование биосовместимых функциональных медицинских пористых имплантатов заданных индивидуальных форм реализуется путем синергетического совмещения СЛС и СВС процессов. Управление этим сложным комбинированным процессом надежно осуществляется необходимым изменением параметров ЛВ. Никелид титана, в том числе и в пористом виде, обладает известным свойством памяти формы. Наличие этого свойства при синтезе методом СЛС медицинских имплантатов позволяет перевести на качественно новый уровень ортопедию путем создания самосрабатывающих, самофиксирующихся, саморазворачивающихся протезных элементов при температуре живого организма. Наличие пористости здесь может оказаться еще одним положительным фактором, так как позволяет обеспечить прорастание мягких тканей в имплантат, инфильтровать поры стерилизующими препаратами, способствовать повышению биологической совместимости и активизировать процесс заживления.

Предлагаемый способ реализован следующим образом.

Пример 1. Порошки предварительно просеивались на системе сит 005-05 (ГОСТ 3584-73). Наплавочный порошок ПГ-СР4 на основе (Ni, Cr, В, Si сплава) с размером фракции <50 мкм смешивали механически с порошком титана марки ПТОМ с размером фракции <40 мкм в весовой пропорции 1:1 до равномерного распределения. Совмещение СЛС и СВС процессов осуществлялось в операционном поле лазерной установки КВАНТ-60 при параметрах ЛИ: мощность ЛВ Р=10,8-14,7 Вт, скорость сканирования лазерного луча v=2-3 см/с, диаметр пятна ЛИ d=50 мкм. ЛСОИ на основе интерметаллида NiTi реализовывался в среде защитного газа Аr при компьютерном управлении процессом.

Пример 2. Процесс реализовывался по примеру 1 с использованием в качестве исходных компонент порошка никеля ПНК 1 с размером фракции <40 мкм и порошка титана марки ПТХ с размером фракции <45 мкм, смешиваемых механически в весовой пропорции 1:1.

Изменение марок исходных порошковых компонент смеси отражается на полноте протекания реакции синтеза основного продукта - никелида титана. Так в примере 1 синтез NiTi достигал практически 100%, тогда как при исходном составе порошков в примере 2 в спеченном 3-х мерном изделии рентгенофазовым анализом выявляется образование и других интерметаллидных фаз - NiTi₂, Ni₃Ti.