RU145527U1 - Имплантируемое медицинское изделие - Google Patents

Abstract

Имплантируемое медицинское устройство из титанового сплава, в котором поверхностные части материала покрыты биосовместимым покрытием, отличающееся тем, что биосовместимое покрытие получают ионно-плазменным способом, а покрытие толщиной 4-6 мкм содержит в составе смесь нитридов титана и гафния, в соотношении по массе нитрида гафния 40-60%, нитрида титана - остальное.

Description

Полезная модель относится к области медицины, предназначена для использования в ортопедии и травматологии в качестве винтов и пластин для остеосинтеза, интрамедуллярных стержней, которые замещают анатомические костные элементы, восстанавливают их функции и соединяют обломки.

Известны медицинские имплантируемые изделия: внутрикостный имплантат пат. RU 128097, А61С 8/00, 2012 г., пластина для остеосинтеза костей таза пат. RU 113945, А61В 17/00, 2010 г., имплантат для остеосинтеза из армированного биодеградируемого материала пат. RU 92322, А61В 17/58, 2009 г., nanostructured Hydroxyapatite Coating for Dental and Orthopedic Implants пат. US 20120276336, A61L 2400/12, 2012 г. изготовленные из титановых сплавов, на поверхности которых имеется покрытие на основе гидроксиапатита.

Недостатками известных медицинских имплантируемых изделий являются высокая хрупкость покрытия, что приводит к растрескиванию сдиранию и соскабливанию покрытия, обнажению металла и потере изделием в целом полезных свойств, поэтому такая конструкция не может использоваться в винтах и других костных имплантатах, имплантируемых в костную ткань с большими усилиями.

Известен медицинский имплантат из титанового сплава с улучшенной биологической совместимостью (пат. RU 2313370, A61L 27/04, 2005 г.) за счет поверхностного слоя из гидроксида титана, гидроксидный слой включает в себя одно или более биомолекулярное вещество, связанное с ним. Недостатком известного имплантата является повышенная сквозная пористость покрытия, низкая твердость и недостаточная коррозионная стойкость при контакте с биологической тканью живого организма. Высокая пористость поверхностного слоя приводит к увеличению степени миграции химических элементов основного материала. Коррозия происходит под действием активных жидких сред живого организма (лимфа, кровь и др.) и приводит к отрицательным явлениям - отслоению покрытия, образованию нагноений, фиброзной капсулы, в итоге, потере биосовместимости имплантата.

Наиболее близким по технической сущности, выбранным в качестве прототипа, является медицинский имплантат (пат. RU 71537, МПК А61С 8/00, 2007 г.), выполненный из титана, который имеет биоинертное покрытие из оксида титана.

Недостатками прототипа являются низкая твердость и биологическая совместимость. Низкая твердость материала покрытия приводит к поломкам и сдиранию биоинертной оболочки на имплантатах, имплантируемых в костную ткань с большими усилиями, отслоение покрытия приводит к образованию нагноений, капсулы, т.е. отторжению имплантата и, в итоге, к нарушению биосовместимости и потере полезных свойств имплантата для кости.

Технической задачей предлагаемой полезной модели является повышение биологической совместимости медицинского имплантируемого изделия.

Технический результат, обеспечиваемый заявленной полезной моделью, достигается тем, что имплантируемое медицинское устройство сделано из титанового сплава, в котором поверхностные части материала покрыты биосовместимым покрытием, биосовместимое покрытие получают ионно-плазменным способом, а покрытие толщиной 4-6 мкм содержит в составе смесь нитридов титана и гафния, в соотношений по массе нитрида гафния 40-60%, нитрида титана - остальное.

Предлагаемый имплантат с покрытием из нитридов титана и гафния является биосовместимым материалом с повышенной твердостью.

Полезная модель поясняется чертежами на фиг.1-5.

Имплантируемое медицинское изделие изображено на чертежах: фиг.1 - винт кортикальный для остеосинтеза (общий вид) из титанового сплава, преимущественно из ВТ6 или ВТ16; фиг.2 - пластина для остеосинтеза костей (общий вид) из титанового сплава, преимущественно из ВТ1-00 или ВТ6; фиг.3 - вид А-А на фиг.2 (сечение пластины); фиг.4 - интрамедуллярный стержень (общий вид) из титанового сплава, преимущественно из ВТ6; фиг.5 - вид А на фиг.4 (вид сверху). Поверхностные части титанового имплантата 1 содержат слой защитного покрытия 2 (фиг.1-5), сформированного методом конденсации из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки (КИБ) на вакуумной установке ионно-плазменного напыления ННВ 6,6 - И1. Вакуумное ионно-плазменное нанесение покрытия на основе сложного нитрида металлов осуществляют с помощью нескольких дуговых испарителей и плазмохимическая реакция проходит в среде газа азота с использованием по меньшей мере двух дуговых испарителей, один из которых содержит гафниевый катод, остальные титановые. Под действием металлической плазмы азот ионизируется и его ионы вступают в реакцию с ионами металла, образуя на поверхности изделия покрытие из нитридов титана и гафния. Для того, чтобы покрытие было по плотности близким к 100%, процесс организуют таким образом, что ионы металла катодов постоянно бомбардируют изделие, повышая его температуру до 300-500°C и уплотняя покрытие.

Равномерность покрытия изделия обеспечивается вращением изделия в вакуумной камере или пространственным расположением нескольких дуговых испарителей в камере.

Толщина получаемого покрытия регулируется общим временем процесса нанесения покрытия.

Периодичность включения и время работы каждого из испарителей (с титановым и гафниевым катодами) обеспечивает необходимое соотношение нитрида гафния и нитрида титана в защитном покрытии. Оптимальным является содержание нитрида гафния в покрытии 40-60 мас.%, а нитрида титана - остальное. При отклонении от заданного диапазона в большую или меньшую сторону биологическая совместимость инструмента значительно снижается. Это объясняется более низкой инертностью нитрида титана, преобладающего в составе покрытия при содержании нитрида гафния менее 40 мас.%, а при содержании нитрида гафния, приближающемся к 100 мас.% меняется структура покрытия, что также приводит к потере биологической совместимости.

Данный способ позволяет наносить защитное покрытие на поверхность медицинских имплантируемых изделий широкой номенклатуры, выполненных из титанового сплава.

Примеры конкретного осуществления полезной модели.

В приведенных примерах биосовместимое покрытие наносили на винты кортикальные из титанового сплава марки ВТ6 диаметром 2,7 мм и длиной 8 мм производства ПТО «Медтехника» г. Казань.

Пример 1.

Винты кортикальные промывают в ультразвуковой ванне в бензине БР-1, поверхность протирают салфеткой увлажненной этиловым спиртом и помещают на внутрикамерной технологической оснастке планетарного механизма вращения установки «ННВ-6,6-И1», снабженной тремя вакуумными дуговыми испарителями. Один катод изготовлен из гафния ГФЭ-1, остальные два изготовлены из титана ВТ1-00. Откачивают камеру до давления 0,01÷0,02 Па, включают планетарный механизм вращения, подают на него потенциал смещения 0,8÷1 кВ и проводят очистку ионами титана при токе дуги 65 А. После очистки в камеру напускают реагирующий газ-азот. Затем при потенциале смещения 200 В, при токе испарителей титана - 65 А, гафния - 75 А и давлении 0,15÷0,35 Па на винты в течение 70 минут непрерывно осаждается покрытие (Ti,Hf)N. После нанесения покрытия отключают дуговые испарители, подачу реакционного газа, планетарный механизм вращения и снимают потенциал смещения. Через 30 минут камеру открывают и извлекают винты с покрытием.

Пример 2 аналогичен примеру 1, но покрытие наносят в течение 45 минут непрерывного осаждения.

Пример 3 аналогичен примеру 1, но покрытие наносят в течение 30 минут непрерывного осаждения.

Пример 4.

Для сравнения винты из наноструктурированного титана ВТ1-0 подвергались термическому оксидированию в вакууме (рабочее давление Р=1,33×10^-2 Па) при нагреве в диапазоне температур от 700 до 800°C в течении 5 часов. После оксидирования поверхностный слой приобретает структуру твердого раствора кислорода в титане, поверх которого формируются оксидная пленка со структурой рутила толщиной 5 мкм.

Толщину полученного защитного покрытия измеряли оптическим методом согласно ГОСТ 9.302-88 «Единая система защиты от коррозии и старения».

Исследования биологической совместимости имплантатов проводили на крупных животных (собаках) с имплантацией в костную ткань по общепринятым методикам. Имплантация проводилась следующим образом: в бедренной кости предварительно просверливается отверстие и завинчивается в отверстие кортикальный винт. После 35 суток оценивалось состояние животного и части кости с имплантатом, определялись поведенческие реакции, масса, делались анализы крови. Результаты приведены в таблице.

Из приведенных в таблице результатов испытаний видно, что только имплантаты с покрытием (Ti,Hf)N толщиной 4-6 мкм обеспечивают высокую биологическую совместимость и стойкость к большим усилиям при имплантации, без отслоений покрытия. При толщине покрытия менее 4 мкм нет биологической совместимости, а увеличение толщины выше 6 мкм экономически не целесообразно.

Таким образом, медицинское имплантируемое изделие с покрытием из нитридов гафния и титана в отличие от прототипа биологически совместим с тканями живого организма и обладает высокой поверхностной твердостью.

Таблица
Результаты испытаний винтов для остеосинтеза по реакции отторжения (потере полезных свойств) у собак на сроках 35 дней
№	Наименование костного имплантата и основные характеристики	Характеристики поверхностного слоя имплантата	Описание реакции живого организма на имплантат	Реакция отторжения, биологическая совместимость с живым организмом	Дефекты поверхности имплантата после извлечения из организма
1	1	2	3	4	5
1	Винт кортикальный, диаметром 2,7 мм и длиной 8 мм материал - ВТ6,, покрытие - (Ti,Hf)N	Толщина - 7 мкм, Микротвердость - 28÷31 ГПа	Отсутствие капсулы, поведенческие реакции в норме, болевые ощущения не замечены	Биологическая совместимость имплантата с живым организмом	Дефектов поверхности, следов подложки не обнаружено
2	То же	Толщина - 5 мкм, Микротвердость - 26÷31 ГПа	То же	То же	То же
3	То же	Толщина - 3 мкм, Микротвердость - 22÷24 ГПа	Легкое воспаление капсулы, болевые ощущения	Биологическая несовместимость, потеря у имплантата полезных свойств	Потертость поверхностного слоя на резьбе винта, обнажение металла
4	Винт кортикальный, диаметром 2,7 мм и длиной 8 мм материал - BT6, без покрытия	Микротвердость - 3,2÷3,5 ГПа	Воспаленная капсула, движения затруднены, болевые ощущения	Плохая биологическая совместимость.	Дефекты поверхностного слоя на шлице винта
прототип	Винт кортикальный, диаметром 2,7 мм и длиной 8 мм материал - наноструктурированный ВТ1-0, покрытие - TiO2	Толщина - 5 мкм, Микротвердость - 4,8÷5,2 ГПа	Легкое воспаление капсулы, болевые ощущения	Биологическая несовместимость, потеря иплантатом полезных свойств	Разрушение слоя оксида титана, обнажение металла на резьбе

Claims (1)

1. Имплантируемое медицинское устройство из титанового сплава, в котором поверхностные части материала покрыты биосовместимым покрытием, отличающееся тем, что биосовместимое покрытие получают ионно-плазменным способом, а покрытие толщиной 4-6 мкм содержит в составе смесь нитридов титана и гафния, в соотношении по массе нитрида гафния 40-60%, нитрида титана - остальное.