Медицина / 7.

к.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

Электрохимическое и газотермическое оксидирование в производстве изделий медицинской техники

Успешное развитие таких направлений современной медицины как травматология, ортопедия, стоматология и др. связано с использованием костных имплантатов – изделий из материалов небиологического происхождения, вживляемых в костные части организма для выполнения определенных медицинских функций (сращения переломов и исправления деформаций костей, размерной коррекции костных сегментов, восстановления утраченных либо замены поврежденных корней зубов). Материалами для изготовления основ костных имплантатов являются металлы и их сплавы, имеющие заданный комплекс физико-химических и механических свойств для необходимой адаптации имплантатов в окружающих биоструктурах без появления в них иммунных реакций. Данные свойства металлоимплантатов обусловливают их определенную биологическую совместимость с тканями и жидкостями организма, а также механическую совместимость с действующими нагрузками. Указанной биомеханической совместимостью обладает ограниченное число имплантационных металлов, в том числе нержавеющая хромоникелевая сталь, кобальтохромовые сплавы, а также титан, цирконий, тантал и их сплавы. Наиболее благоприятным сочетанием биомедицинских качеств и технико-экономических показателей обладают нержавеющие стали, титан и сплавы на его основе, чаще всего применяемые для изготовления костных имплантатов. При этом используемые металлические материалы характеризуются только биотолерантностью либо биоинертностью без проявления качеств биоактивности, что не позволяет обеспечить биоинтеграцию – биологически прочное соединение поверхности имплантата с окружающей костной тканью, которая определяет стабильность функционирования имплантата в организме. Качествами биоактивности обладают керамические материалы такие, как гидроксиапатит, фторгидроксиапатит, трикальцийфосфат, биостекло, углерод, оксиды биосовместимых металлов, поэтому данные материалы являются наиболее эффективными при их использовании в качестве функциональных биопокрытий имплантатов. Среди названных материалов особое место отводится металлооксидным покрытиям, в последние годы широко применяемым в производстве костных имплантатов различного назначения. Это связано, в первую очередь, с относительной технологической простотой получения поверхностных оксидных слоев на имплантатах, их высокой биомеханической совместимостью и проявлением свойств биоактивности, которые придают металлической поверхности способность к эффективному интеграционному взаимодействию с костными структурами.

Формирование указанных оксидных покрытий может осуществляться с использованием способов электрохимического и газотермического оксидирования путем применения различных электролитов и газовых сред соответственно [1,2]. Так, анодированием титановых имплантатов в сернокислых электролитах концентрацией 200 г/л Н₂SO₄ и 200 г/л Н₂SO₄ с добавлением 50 г/л CuSO₄ при определенных режимах обработки создаются оксидные покрытия с комплексом качеств биомеханической совместимости (фазовым составом из биоинертных титанооксидных соединений, необходимой толщиной h, высокой степенью шероховатости и открытой пористости П, положительным коррозионным потенциалом Е_с в физрастворе, высоким уровнем микротвердости Н_кв и адгезии σ_адг (табл.1) [3].

Применение способов газотермического оксидирования имплантатов, выполняемых из различных металлических материалов, также позволяет сформировать покрытия с высокими показателями физико-химических и механических характеристик, придающих поверхности имплантатов совместимость с окружающими биоструктурами (табл.2) [1,2,4,5].

Таблица 1

Характеристики анодно-оксидных покрытий титановых (ВТ1-00, ВТ16) имплантатов

Электролит, г/л	Режим анодирования			Характеристики покрытия
	i, А/дм^2	t, ^0С	τ, ч	фазовый состав	h, мкм	σадг, МПа	Нкв, ГПа	П, %	Ес, В (н.х.с.э)	Шероховатость, мкм
										Rа	Rmax	Sm
(200) H2SO4 и (50) CuSO4· 5Н2О	1-3	40-50	0,3	TiO, TiO2, Ti2O3, CuO	30-50	29	10	30-35	0,15	1,35	6,20	10
(200) H2SO4	2-5	50	1,0	TiO, TiO2, Ti2O3	20-30	24	9	25-30	0,17	1,15	5,8	9,4

Примечание. Перед оксидированием поверхность имплантатов подвергалась пескоструйной обработке корундовым абразивом и УЗ обезжириванию в моющем растворе 40 г/л Na₃РО₄.

Таблица 2

Характеристики термооксидных покрытий металлоимплантатов

Способ оксидирования	Материал имплантатов	Режим обработки			Характеристики покрытий
		рсреды, атм	t, ^0С	τ, ч	фазовый состав	h, мкм	σадг, МПа	Нкв, ГПа	П, %	Ес, В (н.х.с.э)	Шероховатость, мкм
											Rа	Rmax	Sm
Паротермическое	сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т	1,3-1,5	550	1,5-2	Fe3O4, FeNi, Ti3O5	35-55	-	5,2-5,4	31-34	-0,33	1,2-1,3	5,4-5,9	10-14
	титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановый сплав ВТ16		450-550	2-3	TiO2-х	14-45	34-40	6,8-6,9	33-45	0,06-0,24	0,9-1,2	4,4-5,6	10-12
Возду-шно-термическое	сталь 12Х18Н9Т, 12Х18Н10Т	норм.	400-500	0,5	Fe2O3, FeNi, Ti3O5	25-40	23-26	4,8-5,5	34-39	-0,38	1,1	5,6-5,8	~8
Аргонокислородное	титан ВТ1-0, ВТ1-00, титановый сплав ВТ16	1,2-1,3	600-1000	2-4	TiO2-х	16-40	-	-	12-42	0,16-0,35	1,1-1,3	4,1-6,4	10-15

Примечание. Перед оксидированием поверхность имплантатов подвергалась пескоструйной обработке корундовым абразивом и УЗ обезжириванию в моющем растворе 40 г/л Na₃РО₄.

Металлоимплантаты с разработанными анодно-оксидными и термооксидными покрытиями прошли клинические испытания на лабораторных животных (кролики породы «нидерландская красная» и «черный великан»), результаты которых показали высокий уровень приживляемости оксидированных имплантатов без возникновения в тканях нагноительных процессов. Кроме того, отсутствие существенных воспалительных осложнений у всех животных в ранний постоперационный период (7 суток), отсутствие микроподвижности имплантатов в отдаленный период (45 суток), необходимость применения ключа для вывертывания имплантатов из кости по окончании эксперимента могут служить клиническим свидетельством наличия у оксидных покрытий остеоинтеграционных качеств. Проведенная оценка влияния функциональных свойств анодно-оксидных и термооксидных покрытий на характер их взаимодействия с костными структурами, прочность закрепления и уровень приживления имплантатов в организме, указывает на высокую способность оксидных покрытий адаптироваться к окружающим костным и мягким тканям, а также жидким биосредам в различных имплантационных условиях.

Таким образом, эффективность применения металлоимплантатов с разработанными оксидными биосовместимыми покрытиями в медицинской практике подтверждена результатами проведенных лабораторных исследований и клинических испытаний, а оксидированные костные имплантаты зарекомендовали себя как высококачественную имплантационную систему.

Литература

1. Патент РФ на изобретение № 2322267. Способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Серянов Ю.В. Опубл. 20.04.2008.

2. Патент РФ на изобретение № 2332239. Способ получения биосовместимого покрытия на остеофиксаторах из титана / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Бейдик О.В., Ткачева А.В. Опубл. 27.08.2008.

3. Патент РФ на изобретение №2361623. Покрытие на имплантат из титана и его сплавов и способ его получения / Родионов И.В., Бутовский К.Г., Серянов Ю.В. Опубл. 20.07.2009.

4. Родионов И.В. Биоинтеграционная способность покрытий стальных ортопедических имплантатов, полученных высокотемпературной пассивацией на воздухе и в среде перегретого водяного пара / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Evropská vĕda XXI století – 2008». Praha, Czech Republic. Díl 14. S. 39-44.

5. Родионов И.В., Бутовский К.Г., Анников В.В., Хапрова Т.С., Фролова О.Н. Биоинтеграционные качества термооксидных покрытий чрескостных стержневых металлофиксаторов при клинических испытаниях // Наукоемкие технологии. №8. Т.9, 2008. С. 57-66.