RU2781272C1 - Method for creating an osteoinductive hydroxyapatite-containing coating on a highly porous open-cell carbon material - Google Patents
Method for creating an osteoinductive hydroxyapatite-containing coating on a highly porous open-cell carbon material Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781272C1 RU2781272C1 RU2021126341A RU2021126341A RU2781272C1 RU 2781272 C1 RU2781272 C1 RU 2781272C1 RU 2021126341 A RU2021126341 A RU 2021126341A RU 2021126341 A RU2021126341 A RU 2021126341A RU 2781272 C1 RU2781272 C1 RU 2781272C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- carbon material
- highly porous
- electrodeposition
- osteoinductive
- porous open
- Prior art date
Links
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 46
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 230000002138 osteoinductive Effects 0.000 title claims abstract description 32
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 title claims abstract description 30
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 22
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 claims abstract description 29
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 9
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 claims abstract description 8
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 claims abstract description 8
- 238000009835 boiling Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims abstract description 6
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 13
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 claims description 11
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 3
- 238000007792 addition Methods 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 17
- 210000000988 Bone and Bones Anatomy 0.000 abstract description 12
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 abstract description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 6
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 208000003432 Bone Disease Diseases 0.000 abstract description 2
- 238000011099 tissue engineering Methods 0.000 abstract description 2
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract 2
- 230000001476 alcoholic Effects 0.000 abstract 1
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 abstract 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 15
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 13
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 11
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 9
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 9
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 6
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 5
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 5
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 description 4
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 4
- 230000037182 bone density Effects 0.000 description 3
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 3
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 3
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 3
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 208000006386 Bone Resorption Diseases 0.000 description 2
- 238000001069 Raman spectroscopy Methods 0.000 description 2
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H Tricalcium phosphate Chemical group [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 2
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000024279 bone resorption Effects 0.000 description 2
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 2
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 2
- -1 calcium phosphate ions Chemical class 0.000 description 2
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 2
- 239000012535 impurity Substances 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 2
- 238000002203 pretreatment Methods 0.000 description 2
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 2
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 2
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 2
- 108010018389 Calcium-42 Proteins 0.000 description 1
- 238000004566 IR spectroscopy Methods 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- 231100000614 Poison Toxicity 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000010306 acid treatment Methods 0.000 description 1
- 150000007513 acids Chemical class 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000000844 anti-bacterial Effects 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 1
- 230000000975 bioactive Effects 0.000 description 1
- OYPRJOBELJOOCE-NJFSPNSNSA-N calcium-42 Chemical compound [42Ca] OYPRJOBELJOOCE-NJFSPNSNSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052729 chemical element Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 238000011109 contamination Methods 0.000 description 1
- 231100000078 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 231100001010 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 230000018109 developmental process Effects 0.000 description 1
- 235000019700 dicalcium phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 description 1
- 229910021397 glassy carbon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003102 growth factor Substances 0.000 description 1
- 238000002329 infrared spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000011068 load Methods 0.000 description 1
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000278 osteoconductive Effects 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N oxygen Chemical compound O=O MYMOFIZGZYHOMD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 1
- 230000000737 periodic Effects 0.000 description 1
- 125000002467 phosphate group Chemical group [H]OP(=O)(O[H])O[*] 0.000 description 1
- 150000003014 phosphoric acid esters Chemical class 0.000 description 1
- 230000037081 physical activity Effects 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 238000007750 plasma spraying Methods 0.000 description 1
- 230000002980 postoperative Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 1
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 238000007634 remodeling Methods 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 239000003440 toxic substance Substances 0.000 description 1
- 238000009827 uniform distribution Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к получению остеоиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, методом электроосаждения на поверхность высокопористого открытоячеистого углеродного материала. Данный материал может быть использован в качестве остеопластического материала при замещении дефектов костной ткани, возникающих в следствии хирургического вмешательства и дегенеративно-дистрофических заболеваний кости, в составе имплантированного материала или в качестве скаффолда при создании тканево-инженерных конструкций. Существующие металлические имплантаты, использующиеся для остеозамещения, имеют большую прочность и малую эластичность, что приводит к резорбции собственной кости в следствие стресс-шилдинг эффекта, то есть снижения плотности костной ткани в результате снятия напряжения с кости на имплантат. Перераспределение физической нагрузки происходит по закону Вольффа [1] и наблюдается у человека и животных. С уменьшением нагрузки на кость последняя становится менее плотной и прочной, за отсутствием стимула для продолжения ремоделирования, необходимого для поддержания костной массы. Керамические имплантаты, в отличие от металлических, более хрупкие, что также ограничивает возможности их применения. Для улучшения остеоиндуктивных и остеокондуктивных свойств имплантаты зачастую покрывают материалами из группы кальцийфосфатов, в частности гидроксиапатитом, являющимися основными компонентами костной ткани. Среди методов нанесения остеоиндуктивных покрытий наиболее распространенными являются: плазменное напыление, золь-гель метод, электрофоретическое и электрохимическое осаждение. Последний способ является наиболее коммерчески доступным и простым по аппаратурному оформлению. Кроме того, электрохимическое осаждение негативно не сказывается на свойства и характеристики биоактивных веществ, в том числе ростовых белковых факторов, которые потенциально возможны к включению в состав покрытий с целью повышения остеоиндуктивности. The invention relates to the production of an osteoinductive coating containing hydroxyapatite by electrodeposition on the surface of a highly porous open-cell carbon material. This material can be used as an osteoplastic material when replacing bone defects resulting from surgery and degenerative-dystrophic bone diseases, as part of an implanted material, or as a scaffold when creating tissue engineering structures. Existing metal implants used for osteoreplacement have high strength and low elasticity, which leads to resorption of one's own bone due to the stress shielding effect, that is, a decrease in bone density as a result of stress relief from the bone to the implant. The redistribution of physical activity occurs according to the Wolff law [1] and is observed in humans and animals. As the load on the bone decreases, the latter becomes less dense and strong, in the absence of an incentive to continue the remodeling necessary to maintain bone mass. Ceramic implants, in contrast to metal ones, are more fragile, which also limits the possibilities of their application. To improve osteoinductive and osteoconductive properties, implants are often coated with materials from the calcium phosphate group, in particular hydroxyapatite, which are the main components of bone tissue. Among the methods for applying osteoinductive coatings, the most common are: plasma spraying, sol-gel method, electrophoretic and electrochemical deposition. The latter method is the most commercially available and simple in terms of hardware design. In addition, electrochemical deposition does not adversely affect the properties and characteristics of bioactive substances, including protein growth factors, which can potentially be included in coatings to increase osteoinductance.
Известен способ получения гидроксиапатитового покрытия на титановых пластинах и керамических поверхностях [2] (US5759376 A) с предварительным использованием золь-гель метода. Золь-гель нанесение представляет собой взаимное приближение химического состава субстрата и слоя гидроксиапатита, поскольку раствор, используемый для золь-гелевого покрытия, имеет элементы химического состава субстрата и/или слоя покрытия. Подложки предварительно обрабатывают золь-гелевым покрытием с использованием алкоксидов, содержащих элементы 3-5 и 13-15 групп периодической системы химических элементов, или смесей таких алкоксидов, которые содержат ионы фосфата кальция и/или ионы гидрофосфата кальция или сложные эфиры фосфорной кислоты в качестве дополнительных. В результате использования раствора для золь-гелевого покрытия, включающего элементы подложки и/или покрытия из гидроксиапатита, наблюдается значительное увеличение адгезии покрытия на основе гидроксиапатита. После проведения золь-гель осаждения электрохимическим методом с помощью импульсного источника тока наносится покрытие на основе гидроксиапатита. Частота импульсов составляет от 1 до 300 Гц, потенциал осаждения - от 2 до 10 В, время процесса - от 5 до 15 минут, температура проведения процесса - от 20°С до 40°С. По окончанию процесса электрохимического осаждения пластины с покрытием отмываются в воде и сушатся в потоке воздуха до постоянной массы. Толщина образующегося покрытия составляет от 5 до 25 мкм, плотность от 1 до 3 мг/см2.A known method of obtaining hydroxyapatite coating on titanium plates and ceramic surfaces [2] (US5759376 A) with the prior use of the sol-gel method. The sol-gel application is a mutual approximation of the chemical composition of the substrate and the hydroxyapatite layer, since the solution used for the sol-gel coating has elements of the chemical composition of the substrate and/or the coating layer. The substrates are pre-treated with a sol-gel coating using alkoxides containing elements of groups 3-5 and 13-15 of the periodic system of chemical elements, or mixtures of such alkoxides that contain calcium phosphate ions and/or calcium hydrogen phosphate ions or phosphoric acid esters as additional . As a result of using a sol-gel coating solution comprising substrate and/or hydroxyapatite coating elements, a significant increase in adhesion of the hydroxyapatite coating is observed. After the sol-gel deposition by the electrochemical method, a coating based on hydroxyapatite is applied using a pulsed current source. The pulse frequency is from 1 to 300 Hz, the deposition potential is from 2 to 10 V, the process time is from 5 to 15 minutes, the process temperature is from 20°C to 40°C. At the end of the electrochemical deposition process, the coated wafers are washed in water and dried in an air stream to constant weight. The thickness of the resulting coating is from 5 to 25 microns, the density is from 1 to 3 mg/cm 2 .
Недостатком данного метода является использование дополнительной подготовки поверхности перед процессом электролиза, что увеличивает время и сложность проведения процесса. Работа импульсного тока, в сравнении с током постоянным, имеет меньший коэффициент полезного действия. Титан в качестве материала для имплантата имеет существенные минусы, так как титан обладает большей, чем костная ткань прочностью, что может вызывать резорбцию кости, кроме того, использование титановых имплантатов в короткий срок (до 6 месяцев) вызывает стресс-шилдинг эффект.The disadvantage of this method is the use of additional surface preparation before the electrolysis process, which increases the time and complexity of the process. The operation of pulsed current, in comparison with direct current, has a lower efficiency. Titanium as an implant material has significant drawbacks, since titanium has a greater strength than bone tissue, which can cause bone resorption, in addition, the use of titanium implants in a short time (up to 6 months) causes a stress-shielding effect.
Известен способ осаждения гидроксиапатита на титановые подложки с помощью импульсного электроосаждения [3] (WO2010055231 A2). Данный метод позволяет наносить гидроксиапатит на искусственные костные имплантаты, варьируя толщину покрытия и пористость, так же имея возможность замещения кальция другими ионами (Sr, Mg), что дает покрытию дополнительные остеоиндуктивные и антибактериальные свойства. Для электролиза используется Са(NO)3)2×4H2O и (NH4)H2PO4. Концентрация фосфора в растворе 25 ммоль/л, кальция - 42 ммоль/л. Соотношение ионов Са/Р=1,67. Плотность тока при электроосаждении - от 0,01 мА/см2 до 10 А/см2, напряжение - от 0,01 до 10 В, температура проведения электроосаждения - от 15°С до 95°С, рН электролита - от 1 до 6. После проведения процесса образцы с осажденным покрытием подвергаются термической обработке при температуре не ниже 650°С для улучшения адгезии покрытия с металлической подложкой.A known method of deposition of hydroxyapatite on titanium substrates using pulsed electrodeposition [3] (WO2010055231 A2). This method makes it possible to apply hydroxyapatite to artificial bone implants by varying the coating thickness and porosity, as well as being able to replace calcium with other ions (Sr, Mg), which gives the coating additional osteoinductive and antibacterial properties. For electrolysis, Ca(NO) 3 ) 2 ×4H 2 O and (NH 4 )H 2 PO 4 are used. The concentration of phosphorus in the solution is 25 mmol/l, calcium - 42 mmol/l. The ratio of Ca/P ions = 1.67. Current density during electrodeposition - from 0.01 mA / cm 2 to 10 A / cm 2 , voltage - from 0.01 to 10 V, electrodeposition temperature - from 15 ° C to 95 ° C, electrolyte pH - from 1 to 6 After the process, the samples with the deposited coating are subjected to heat treatment at a temperature not lower than 650°C to improve the adhesion of the coating to the metal substrate.
Недостатком данного метода является использование металлической подложки, а также импульсное электроосаждение, которое имеет меньший коэффициент полезного действия. Высокая температура обработки покрытия после его нанесения требует специализированного оборудования и дополнительных экономических затрат. Использование титана в качестве материала для подложки имеет уже упомянутые недостатки в виде снижения плотности костной ткани и ее резорбции в месте крепления имплантата.The disadvantage of this method is the use of a metal substrate, as well as pulsed electrodeposition, which has a lower efficiency. The high temperature treatment of the coating after its application requires specialized equipment and additional economic costs. The use of titanium as a substrate material has the already mentioned disadvantages in the form of a decrease in bone density and its resorption at the site of implant attachment.
Наиболее близким техническим решением является осаждение остеоиндуктивного покрытия на поверхность титана или титанового сплава с использованием раствора электролита, содержащего ионы Са2+ и Н2РО4 3-, при постоянном токе [4] (CN103014801 А). Титановая подложка механически полируется, удаляются загрязнения, промывается, вытравливается, снова промывается и обрабатывается кислотой для оксидирования поверхности. Только после предварительной подготовки титановая подложка помещается в раствор электролита. Соотношение Са/Р - 1,67-2, рН раствора составляет 4,2-5,0. Плотность тока - 1-50 мА/см2, потенциал осаждения - от 1 до 10 В, температура проведения процесса 40-80°С.The closest technical solution is the deposition of an osteoinductive coating on the surface of titanium or a titanium alloy using an electrolyte solution containing Ca 2+ and H 2 PO 4 3- ions at direct current [4] (CN103014801 A). The titanium substrate is mechanically polished, impurities are removed, washed, etched, washed again and treated with acid to oxidize the surface. Only after preliminary preparation is the titanium substrate placed in the electrolyte solution. The Ca/P ratio is 1.67-2, the pH of the solution is 4.2-5.0. The current density is 1-50 mA/cm 2 , the deposition potential is from 1 to 10 V, the process temperature is 40-80°C.
Главными недостатками прототипа является: использование металлической подложки, уменьшающей плотность костной ткани; проведение предварительной обработки металла для удаления следов загрязнения, проходящей с использованием агрессивных сред, а также кислотную обработку. Использование подобных реагентов на всех стадиях нежелательно и может иметь негативное воздействие на организм при имплантировании материала.The main disadvantages of the prototype are: the use of a metal substrate that reduces bone density; carrying out pre-treatment of metal to remove traces of contamination, which takes place using aggressive media, as well as acid treatment. The use of such reagents at all stages is undesirable and may have a negative effect on the body during implantation of the material.
Обозначенные проблемы решаются следующим способом. Использование высокопористого открытоячеистого углеродного материала в качестве подложки для электролитического осаждения, вместо металлических пластин, вызывающих резорбцию костной ткани. Углеродный материал не нуждается в специфической предварительной обработке с использованием агрессивных реагентов. В предложенном методе используется источник постоянного, а не импульсного тока, что увеличивает эффективность электроосаждения. Использование водно-спиртового, вместо водного раствора электролита увеличивает смачиваемость поверхности, повышает диффузию электролита в объем материала и, соответственно, способствует осаждения остеоиндуктивного покрытия во всем объеме высокопористого открытоячеистого углеродного материала.The identified problems are solved in the following way. The use of highly porous open-cell carbon material as a substrate for electrolytic deposition, instead of metal plates that cause bone resorption. Carbon material does not require specific pre-treatment using aggressive reagents. The proposed method uses a constant rather than pulsed current source, which increases the efficiency of electrodeposition. The use of a water-alcohol electrolyte instead of an aqueous solution increases the wettability of the surface, increases the diffusion of the electrolyte into the volume of the material and, accordingly, contributes to the deposition of an osteoinductive coating throughout the volume of the highly porous open-cell carbon material.
По сравнению с уже существующими аналогами, данное изобретение имеет ряд преимуществ:Compared with already existing analogues, this invention has a number of advantages:
(1) Ни в процессе подготовки высокопористого открытоячеистого углеродного материала к электроосаждению, ни во время самого процесса не используются токсичные вещества и агрессивные кислоты.(1) Neither the process of preparing the highly porous open-cell carbon material for electrodeposition nor the process itself uses toxic substances and corrosive acids.
(2) Высокопористый открытоячеистый углеродный материал, на котором проводится электроосаждение, является безопасным и инертным в биологических средах материалом. Его модуль упругости сопоставима с модулем костной ткани (прочность при сжатии при этом сопоставима с прочностью трабекулярной костной ткани 2-12 МПа [5]) и не вызывает ее резорбцию, из-за чего снижается необходимость послеоперационных вмешательств и увеличивается срок использования имплантата;(2) The highly porous open-cell carbon material on which electrodeposition is carried out is a safe and biologically inert material. Its modulus of elasticity is comparable to that of bone tissue (the compressive strength is comparable to the strength of
(3) Метод получения остеоиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, изложенный в данном патенте, существенно проще и имеет более низкую стоимость. Использование постоянного тока обеспечивает больший коэффициент полезного действия, чем переменный ток. В отличие от других разработок изобретение не требует постоянного поддержания рН с помощью дополнительных реагентов.(3) The method for producing an osteoinductive coating containing hydroxyapatite as set forth in this patent is much simpler and has a lower cost. The use of direct current provides a greater efficiency than alternating current. Unlike other developments, the invention does not require constant maintenance of pH with the help of additional reagents.
Задачей предлагаемого изобретения является получение остеиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, на поверхности высокопористого открытоячеистого углеродного материала с помощью электрохимического осаждения с минимальными экономическими затратами и модификациями процесса электроосаждения.The objective of the present invention is to obtain an osteoinductive coating containing hydroxyapatite on the surface of a highly porous open-cell carbon material using electrochemical deposition with minimal economic costs and modifications to the electrodeposition process.
Поставленная задача достигается с помощью использования водно-спиртового электролита, способствующего увеличению смачиваемости поверхности, в сравнении с водным раствором электролита. Добавление пероксида водорода ингибирует образование водорода в процессе проведения электрохимического осаждения, что позволяет достигать более однородной поверхности. Перемешивание от 200 до 400 оборотов в минуту увеличивает миграцию вещества в объем материала, что, совместно со смачиваемостью, приводит к образованию остеоиндуктивного покрытия во всем объеме материала.The task is achieved by using a water-alcohol electrolyte, which increases the wettability of the surface, in comparison with an aqueous electrolyte solution. The addition of hydrogen peroxide inhibits the formation of hydrogen during electrochemical deposition, which allows a more uniform surface to be achieved. Agitation from 200 to 400 rpm increases the migration of the substance into the volume of the material, which, together with wettability, leads to the formation of an osteoinductive coating throughout the volume of the material.
В качестве подложки для электроосаждения используется высокопористый открытоячеистый углеродный материал, полученный по способу, указанному в заявке на патент RU №2020129066 от 02.09.2020 [6], который имеет пористость 85-97%, прочность на сжатие 3,5-4 МПа, геометрические размеры - диаметр - 2,5 см, не более, высота - 5 см, не более.As a substrate for electrodeposition, a highly porous open-cell carbon material is used, obtained by the method specified in the application for patent RU No. 2020129066 dated 02.09. dimensions - diameter - 2.5 cm, no more, height - 5 cm, no more.
Предварительно высокопористый открытоячеистый углеродный материал проходит кипячение в этиловом спирте в течение 30 минут для с целью обезжиривания, удаления механических примесей и повышения адгезии остеиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, к поверхности. Дальнейшее промывание в деионизированной воде до нейтрального рН позволяет удалить оставшийся после кипячения растворитель. Затем проводится сушка до постоянной массы от комнатной температуры с плавным подъемом до 80°С. Такой температурный режим позволяет воде испариться равномерно, не деформируя структуру высокопористого открытоячеистого углеродного материала и не разрушая остеоиндуктивное покрытие.The pre-highly porous open-cell carbon material is boiled in ethyl alcohol for 30 minutes to degrease, remove mechanical impurities and increase the adhesion of the osteoinductive coating containing hydroxyapatite to the surface. Further washing in deionized water until neutral pH removes the solvent remaining after boiling. Then drying is carried out to constant weight from room temperature with a gradual rise to 80°C. Such a temperature regime allows water to evaporate evenly without deforming the structure of the highly porous open-cell carbon material and without destroying the osteoinductive coating.
Для проведения процесса электролиза готовится раствор электролита, содержащий в себе ионы Са2+ и РО4 3-, растворенные в 50% водно-спиртовой смеси. Применение спирта в растворе повышает смачиваемость поверхности высокопористого открытоячеистого углеродного материала на основе стеклоуглерода и способствует нанесению остеоиндуктивного покрытия в объеме материала (фиг. 1 - Снимки СЭМ поверхности высокопористого открытоячеистого углеродного материала с остеоиндуктивным покрытием, содержащим гидроксиапатит: а, 6 - внешняя сторона, в - центр катода). В качестве источника ионов Са2+ выступает Са(NO3)2×4H2O в концентрации 64 ммоль/л. Источник РО4 3- - (NH4)3PO4, в концентрации 49 ммоль/л. Данные концентрации дают соотношение Са/Р - 1,67, что соответствует соотношению ионов в гидроксиапате костной ткани. На основе анализа литературных данных эти концентрации были выбраны как оптимальные [7]. Раствор электролита перемешивается до полного растворения солей на магнитной мешалке с подогревом при постоянном перемешивании 300-400 оборотов в минуту и температуре 40°С, обеспечивающие лучшую растворимость веществ. рН получаемого раствора электролита 2,4-2,7.To carry out the electrolysis process, an electrolyte solution is prepared containing Ca 2+ and PO 4 3- ions dissolved in a 50% water-alcohol mixture. The use of alcohol in solution increases the wettability of the surface of a highly porous open-cell carbon material based on glassy carbon and promotes the deposition of an osteoinductive coating in the bulk of the material (Fig. 1 - SEM images of the surface of a highly porous open-cell carbon material with an osteoinductive coating containing hydroxyapatite: a, 6 - outer side, c - cathode center). The source of Ca 2+ ions is Ca(NO 3 ) 2 ×4H 2 O at a concentration of 64 mmol/l. Source RO 4 3- - (NH 4 ) 3 PO 4 , at a concentration of 49 mmol/l. These concentrations give a Ca/P ratio of 1.67, which corresponds to the ratio of ions in the hydroxyapate of bone tissue. Based on the analysis of literature data, these concentrations were chosen as optimal [7]. The electrolyte solution is stirred until complete dissolution of salts on a heated magnetic stirrer with constant stirring at 300-400 rpm and a temperature of 40°C, providing better solubility of substances. The pH of the resulting electrolyte solution is 2.4-2.7.
После приготовления раствор помещается в электролитическую ячейку со спиральным платиновым электродом, выступающим в качестве анода. Высокопористый открытоячеистый углеродный материал, за счет высокой электропроводности пироуглерода, содержащегося на поверхности материала, используется в качестве катода. Высокопористый открытоячеистый углеродный материал помещается в центр платиновой спирали для обеспечения равномерного осаждения. Раствор перемешивается с помощью магнитной мешалки с режимом не менее 200 оборотов в минуту с целью перемешивания электролита и обеспечения диффузии внутрь пор катода, а так же для препятствия выпадения осадка, состоящего из компонентов электролита. В процессе перемешивания к раствору электролита добавляется перекись водорода в концентрации от 1 до 10 мл/л. Перекись водорода способствует уменьшению образования водорода и увеличению адгезии остеоиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, на поверхность катода [8]. Увеличение температуры среды вызывает пропорциональный рост скорости осаждения покрытия. Анализ литературных данных показывает, что наиболее используемый диапазон температур для электроосаждения - от 30° до 85°С [9, 10]. Элекроосаждение проходит и без дополнительного нагрева, экспериментальным образом была установлена оптимальная температура - от 25 до 35°С: при рекомендуемом режиме остеоиндуктивное покрытие не перекрывает поры высокопористого открытоячеистого углеродного материала.After preparation, the solution is placed in an electrolytic cell with a spiral platinum electrode acting as an anode. A highly porous open-cell carbon material, due to the high electrical conductivity of the pyrocarbon contained on the surface of the material, is used as a cathode. A highly porous open cell carbon material is placed in the center of the platinum helix to ensure uniform deposition. The solution is stirred using a magnetic stirrer with a mode of at least 200 rpm in order to mix the electrolyte and ensure diffusion into the cathode pores, as well as to prevent the precipitation of a precipitate consisting of electrolyte components. In the process of mixing, hydrogen peroxide is added to the electrolyte solution at a concentration of 1 to 10 ml/l. Hydrogen peroxide helps to reduce the formation of hydrogen and increase the adhesion of an osteoinductive coating containing hydroxyapatite to the cathode surface [8]. An increase in the temperature of the medium causes a proportional increase in the deposition rate of the coating. An analysis of the literature data shows that the most used temperature range for electrodeposition is from 30° to 85°C [9, 10]. Electrodeposition takes place without additional heating, the optimum temperature was experimentally established - from 25 to 35°C: in the recommended mode, the osteoinductive coating does not block the pores of the highly porous open-cell carbon material.
Режим тока электролитического осаждения варьировался от 100 мА до 300 мА. Увеличение силы тока увеличивает скорость образования остеоиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, на поверхности высокопористого открытоячеистого углеродного материала, что приводит к закупориванию наружных пор и нарушению диффузии раствора внутрь. Было установлено, что при силе тока от 100 до 200 мА остеоиндуктивное покрытие проникает в объем высокопористого открытоячеистого углеродного материала, что увеличивает биологическую активность итогового имплантата. Время электроосаждения варьируется от 5 до 40 минут в зависимости от необходимой плотности покрытия: время воздействия прямо пропорционально плотности остеоиндуктивного покрытия (фиг. 2 - Снимки СЭМ остеоиндуктивного покрытия, полученного при проведении электроосаждения в течение: а) 5 минут, б) 40 минут).The electrolytic deposition current mode varied from 100 mA to 300 mA. Increasing the current strength increases the rate of formation of an osteoinductive coating containing hydroxyapatite on the surface of a highly porous open-cell carbon material, which leads to clogging of the outer pores and disruption of the diffusion of the solution inside. It was found that at a current strength of 100 to 200 mA, the osteoinductive coating penetrates into the volume of a highly porous open-cell carbon material, which increases the biological activity of the final implant. The electrodeposition time varies from 5 to 40 minutes depending on the required coating density: the exposure time is directly proportional to the density of the osteoinductive coating (Fig. 2 - SEM images of the osteoinductive coating obtained during electrodeposition for: a) 5 minutes, b) 40 minutes).
Процесс электроосаждения проводится при непрерывном перемешивании на магнитной мешалке для достижения равномерного распределения ионов электролита в растворе и в пористой структуре катода.The electrodeposition process is carried out with continuous stirring on a magnetic stirrer to achieve a uniform distribution of electrolyte ions in the solution and in the porous structure of the cathode.
По окончанию процесса высокопористый открытоячеистый углеродный материал с покрытием высушивается на воздухе для увеличения адгезии остеоиндуктивного покрытия, содержащего гидроксиапатит, к поверхности и когезии между нанесенными слоями. После сушки на воздухе при комнатной температуре следует промывание материала в дистиллированной воде для удаления остатков электролита, во избежание их проникновения во внутреннюю среду при имплантировании. Очистка от остатков электролита проводится до достижения нейтрального рН среды, после чего следует этап финальной сушки, направленной на удалении молекул воды из остеоиндуктивного покрытия. Сушка проводится при 140°С в течение 10-16 часов (в зависимости от толщины покрытия), что позволяет удалить связанную воду.At the end of the process, the highly porous, open-cell, coated carbon material is air-dried to increase adhesion of the hydroxyapatite-containing osteoinductive coating to the surface and cohesion between the applied layers. After drying in air at room temperature, the material should be washed in distilled water to remove electrolyte residues, in order to prevent their penetration into the internal environment during implantation. Cleaning of electrolyte residues is carried out until a neutral pH is reached, followed by a final drying stage aimed at removing water molecules from the osteoinductive coating. Drying is carried out at 140°C for 10-16 hours (depending on the thickness of the coating), which makes it possible to remove bound water.
Синтезированное и высушенное остеоиндуктивное покрытие идентифицировалось методами ИК спектроскопии (фиг. 3 - ИК-спектр полученного по настоящему изобретению остеоиндуктивного покрытия), микроскопия с ЭДС (фиг. 4 - Суммарный спектр карты ЭДС высокопористого открытоячеистого углеродного материала с остеоиндуктивным покрытием), рентгеноструктурного анализа (фиг. 5 - Рентгенограмма высокопористого открытоячеистого углеродного материала, с остеоиндуктивным покрытием) и рамановской спектроскопии (фиг. 6).The synthesized and dried osteoinductive coating was identified by IR spectroscopy (Fig. 3 - IR spectrum of the osteoinductive coating obtained according to the present invention), microscopy with EMF (Fig. 4 - Total spectrum of the EMF map of a highly porous open-cell carbon material with an osteoinductive coating), X-ray diffraction analysis (Fig. Fig. 5 - X-ray pattern of a highly porous open-cell carbon material, with an osteoinductive coating) and Raman spectroscopy (Fig. 6).
В соответствии с применяемыми методами исследования было установлено, что материал покрытия является кальцийфосфатом, содержащим гидроксиапатит.Так, пики поглощения (фиг. 3) в области 1379 и 3418 см-1 соответствуют колебаниям гидроксильной группы, а пики на 1044 и 654 см-1 относятся к валентным и деформационным колебаниям фосфатной группы, содержание кислорода, фосфора и кальция (фиг. 4) составляют 72, 11, 18 атом. % соответственно, пики (фиг. 6 - Рамановская спектроскопия порошка остеоиндуктивного покрытия) при 835 и 949 см-1 соответствуют гидроксиапатиту.In accordance with the applied research methods, it was found that the coating material is calcium phosphate containing hydroxyapatite . to the stretching and bending vibrations of the phosphate group, the content of oxygen, phosphorus and calcium (Fig. 4) is 72, 11, 18 atom. %, respectively, peaks (Fig. 6 - Raman spectroscopy of powder osteoinductive coating) at 835 and 949 cm -1 correspond to hydroxyapatite.
Пример конкретного исполнения.An example of a specific implementation.
Образец открытоячеистого высокопористого углеродного материала, полученного по способу, описанному в заявке на патент RU №2020129066 от 02.09.2020 с высотой 20 мм и диаметром 10 мм, кипятится в 99,8% этиловом спирте при температуре 78°С в течение 30 минут. После кипячения образец промывается деионизированной водой до достижения нейтрального рН и сушится на воздухе при 25°С в течение 10 часов, а затем в сушильном шкафу при 80°С - 6 часов. Параллельно готовится раствор электролита. К смеси, состоящей из 489 г дистиллированной воды и 489 г этилового спирта, добавляется 15 г Са(NO)3)×4H2O и 7 г (NH4)3PO4, полученный раствор помещается в химически стойкий лабораторный стакан, который располагается на магнитной мешалке. Режим перемешивания - 300 оборотов в минуту, нагрев - 40°С. Перемешивание проводится до полного растворения солей, что составляет ориентировочно 3-4 часа. Затем 200 мл свежеприготовленного раствора электролита помещается в электролитическую ячейку. В эту же ячейку погружается спиральная платиновая проволока, являющаяся анодом в процессе электроосаждения. Платиновая проволока подключается к положительным клеммам источника постоянного тока. Подготовленный образец открытоячеистого высокопористого углеродного материала, являющийся катодом, с помощью держателя помещается в центр платиновой спирали на расстоянии не более 20 мм от проволоки и подключается к отрицательной клемме источника тока. В электролитическую ячейку помещается магнитный элемент, и ячейка помещается на перемешивающее устройство (магнитную мешалку), режим перемешивания - 100 оборотов в минуту, температура - 30°С. После достижения раствором электролита заданной температуры, включается источник тока. Сила тока выставляется 100 мА, напряжение составляет около 8 В. Время проведения электроосаждения - 20 минут. После проведения электролиза открытоячеистый высокопористый углеродный материал с остеоиндуктивным покрытием, содержащим гидроксиапатит, высушивается на воздухе при 25°С в течение 24 часов, после чего проходит отмывание в деионизированной воде от оставшегося электролита до достижения нейтрального рН среды. После отмывания проводится сушка в сушильном шкафу при 140°С в течение 10 часов или до постоянной массы образца для удаления воды.A sample of an open-cell highly porous carbon material obtained by the method described in patent application RU No. 2020129066 dated September 2, 2020 with a height of 20 mm and a diameter of 10 mm is boiled in 99.8% ethanol at a temperature of 78°C for 30 minutes. After boiling, the sample is washed with deionized water until neutral pH is reached and dried in air at 25°C for 10 hours, and then in an oven at 80°C for 6 hours. In parallel, an electrolyte solution is prepared. To a mixture consisting of 489 g of distilled water and 489 g of ethyl alcohol, 15 g of Ca (NO) 3 ) × 4H 2 O and 7 g of (NH 4 ) 3 PO 4 are added, the resulting solution is placed in a chemically on a magnetic stirrer. Mixing mode - 300 rpm, heating - 40°C. Stirring is carried out until the salts are completely dissolved, which is approximately 3-4 hours. Then 200 ml of the freshly prepared electrolyte solution is placed in the electrolytic cell. A spiral platinum wire, which is the anode in the electrodeposition process, is immersed in the same cell. The platinum wire is connected to the positive terminals of the DC source. The prepared sample of open-cell highly porous carbon material, which is the cathode, is placed in the center of the platinum spiral at a distance of no more than 20 mm from the wire using a holder and connected to the negative terminal of the current source. A magnetic element is placed in the electrolytic cell, and the cell is placed on a stirrer (magnetic stirrer), stirring mode - 100 rpm, temperature - 30°C. After the electrolyte solution reaches the set temperature, the current source is switched on. The current strength is set to 100 mA, the voltage is about 8 V. The electrodeposition time is 20 minutes. After electrolysis, the open-cell highly porous carbon material with an osteoinductive coating containing hydroxyapatite is dried in air at 25°C for 24 hours, after which it is washed in deionized water from the remaining electrolyte until a neutral pH of the medium is reached. After washing, drying is carried out in an oven at 140°C for 10 hours or to a constant weight of the sample to remove water.
Claims (2)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781272C1 true RU2781272C1 (en) | 2022-10-11 |
Family
ID=
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103014801A (en) * | 2011-09-20 | 2013-04-03 | 天津市玄真生物医药科技发展有限公司 | Electrodeposition preparation method for biomedical titanium base hydroxyapatite composite material |
| CN106758156A (en) * | 2016-12-08 | 2017-05-31 | 陕西环珂生物科技有限公司 | A kind of method of carbon fiber just face electro-deposition hydroxyapatite coating layer |
| RU2710597C1 (en) * | 2019-06-07 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of producing composite material for bioresorbable magnesium implant |
| RU2753654C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-08-19 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Method for producing high-porosity open-cell carbon material |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103014801A (en) * | 2011-09-20 | 2013-04-03 | 天津市玄真生物医药科技发展有限公司 | Electrodeposition preparation method for biomedical titanium base hydroxyapatite composite material |
| CN106758156A (en) * | 2016-12-08 | 2017-05-31 | 陕西环珂生物科技有限公司 | A kind of method of carbon fiber just face electro-deposition hydroxyapatite coating layer |
| RU2710597C1 (en) * | 2019-06-07 | 2019-12-30 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Method of producing composite material for bioresorbable magnesium implant |
| RU2753654C1 (en) * | 2020-09-02 | 2021-08-19 | Акционерное Общество "Наука И Инновации" | Method for producing high-porosity open-cell carbon material |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5723038A (en) | Process for producing a gradient coating made of calcium phosphate phases and metal oxide phase on metallic implants | |
| JPH06505052A (en) | Method for electrodepositing bioactive coatings onto conductive supports | |
| US5478237A (en) | Implant and method of making the same | |
| US5413693A (en) | Electrocrystallization of strongly adherent brushite coatings on prosthetic alloys | |
| Fazel et al. | Influence of hydrothermal treatment on the surface characteristics and electrochemical behavior of Ti-6Al-4V bio-functionalized through plasma electrolytic oxidation | |
| CN100423794C (en) | Active bio piezoelectric ceramic coating layer and method of preparing said coating layer on titanium base body surface | |
| CA2388903C (en) | Apatite-coated metallic material, process for its preparation, and its use | |
| He et al. | Effect of hydrothermal treatment temperature on the hydroxyapatite coatings deposited by electrochemical method | |
| CN110042392B (en) | Preparation method of composite coating with excellent biocompatibility and antibacterial property on surface of medical implant | |
| KR20110082658A (en) | Titanium implant surface treatment method and implant manufactured by the same | |
| Krasicka-Cydzik | Anodic layer formation on titanium and its alloys for biomedical applications | |
| CN104922727B (en) | A kind of bioactivity, porous titanium medical embedded material and preparation method thereof | |
| CN106544714B (en) | A kind of preparation method of medical magnesium alloy surface coating | |
| Michalska et al. | Plasma electrolytic oxidation of Zr-Ti-Nb alloy in phosphate-formate-EDTA electrolyte | |
| CN103343375A (en) | Method for improving biological activity of composite coating on surface of titanium through micro-arc oxidation and water vapour treatment | |
| CN107829123A (en) | A kind of aluminium alloy of surface duplex coating and its preparation method and application | |
| RU2781272C1 (en) | Method for creating an osteoinductive hydroxyapatite-containing coating on a highly porous open-cell carbon material | |
| CN104911674B (en) | A kind of bioactivity coatings on porous metal material surface and preparation method thereof | |
| Lv et al. | Study on bioactivity of SLMed variable gradient TC4 biomedical porous scaffolds with micro-arc oxidation treatment | |
| KR101219471B1 (en) | Method for treating surface of dental implant and dental implant treated by the same | |
| JPH0731627A (en) | Implant and manufacture thereof | |
| KR102056844B1 (en) | An electrolyte composition and a method for manufacturing an implant including a plasma electrolytic oxidation process using the composition | |
| RU2448741C1 (en) | Method of forming nanostructured biocompatible coating on implants | |
| KR20100003493A (en) | Titanium dioxide ceramics for implant and fabricating method thereof | |
| KR102150326B1 (en) | Method for surface treatment of biocompatible affinity metal material |