СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТЫХ ПОКРЫТИЙ НА МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТАХ Российский патент 2013 года по МПК B22F7/04 B22F3/23 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получению пористых покрытий на металлических имплантатах в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), и может использоваться в медицине для изготовления поверхностно-пористых имплантатов из биосовместимых материалов. Предложен способ получения пористых покрытий на металлических имплантатах, включающий приготовление шихты из смеси порошков, приготовление шликера на основе водного раствора органического связующего, нанесение шликера на поверхность монолитной металлической подложки, сушку полученной заготовки, высокотемпературное спекание, припекание покрытия к металлической подложке в воздушной или инертной атмосфере, охлаждение и выгрузку готового изделия, причем шихту готовят из смеси порошков, образующих в режиме СВС биосовместимые тугоплавкие соединения металлов и инертных компонентов, имеющих более низкую температуру плавления, чем тугоплавкие продукты СВС, перед высокотемпературным спеканием проводят предварительный объемный нагрев, спекание осуществляют в режиме СВС, а припекание покрытия к подложке осуществляют путем ее нагрева до температуры 0,7-0,95 от температуры плавления материала подложки, причем предварительный нагрев заготовки при спекании и нагрев при припекании покрытия осуществляют джоуле-вьм теплом путем пропускания электрического тока через металлическую подложку.

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам получения в режиме СВС пористых покрытий на металлических имплантатах, которые используются в медицине для замещения тканей организма, имплантации и т.д.

Проницаемые пористые имплантаты по сравнению с монолитными имплантатами обеспечивают надежную фиксацию с тканями организма за счет врастания и роста тканей в порах имплантата. Однако объемно-пористые имплантаты имеют низкую механическую прочность. Высокой механической прочностью монолитных имплантатов и остеоинтеграцией пористых имплантатов обладают поверхностно-пористые имплантаты, состоящие из монолитного металлического основания и пористого покрытия.

Пористые биосовместимые материалы могут быть получены методом СВС. В основе СВС лежат реакции экзотермического взаимодействия химических элементов или соединений, протекающих в режиме горения. В отличие от технологий спекания порошков технология СВС характеризуется минимальным расходом электроэнергии. Порошкообразное состояние исходных реагентов наследуется продуктами СВС. При этом частицы продуктов синтеза, как правило, имеют неправильную форму с шероховатой и микропористой поверхностью, что положительно влияет на остеоинтеграцию. В горячих твердофазных продуктах СВС самопроизвольно происходит образование межчастичных связей и спекание. Часть тепла, выделяющегося в ходе экзотермических химических реакций, расходуется на нагрев исходной смеси реагентов и обеспечение самораспространения реакции. Другая часть тепла отводится во внешнюю среду. При уменьшении размеров образца доля потерь тепла в тепловом балансе увеличивается и при некотором минимальном размере наступает предел горения. Эта закономерность затрудняет получение методом СВС изделий малого поперечного сечения, в том числе и покрытий малой толщины. Для проведения СВС в малогабаритных образцах и слабоэкзотермических системах осуществляют предварительный объемный нагрев исходной шихты.

Известен способ осуществления СВС в слабоэкзотермических системах, включающий приготовление смеси исходных порошковых компонентов, прессование из смеси шихтовой заготовки, размещение ее в порошкообразной сильноэкзотермической смеси порошков и инертной атмосфере, воспламенение сильноэкзотермической смеси электрической спиралью, последующее охлаждение и разделение целевого продукта и продуктов горения сильноэкзотермической смеси (SU 556110, С01В 31/30, С01В 35/04, 30.04.1977).

Высококалорийная смесь, сгорая, отдает часть тепла на нагрев низкокалорийной смеси, стимулируя в ней химическую реакцию. Тем самым сильноэкзотермическая смесь выполняет роль «химической печки». Известный способ обеспечивает высокую скорость нагрева исходных реагентов, характеризуется минимальными затратами электроэнергии и позволяет получать объемно-пористые материалы.

Недостаток способа предварительного нагрева в «химической печке» заключается, во-первых, в кратковременности теплового воздействия. Во-вторых, из-за непрерывного теплообмена с окружающей средой и охлаждения нельзя осуществить выдержку при постоянной температуре для спекания целевого продукта. Кроме того, трудно регулировать температуру нагрева исходной смеси целевого продукта.

Известен способ осуществления СВС в слабоэкзотермических системах, включающий приготовление смеси исходных порошковых компонентов, прессование из смеси шихтовой заготовки, размещение ее в реакторе СВС, заполнение его аргоном, предварительном нагреве размещенных в реакторе образцов до заданной температуры, инициирование реакции СВС с помощью электрической спирали, последующее охлаждение и выгрузку синтезированного продукта (SU 662270, B22F 3/12, 15.05.1979). Для получения пористого материала в экзотермическую смесь исходных компонентов добавляют гозофицирующие добавки (RU 2310548, B22F 3/23; С22С 1/08, 20.11.2007). В указанных способах реактор СВС представляет собой электрическую печь сопротивления.

За счет подвода дополнительного тепла известные способы позволяют проводить СВС в слабоэкзотермических системах и малогабаритных образцах, осуществлять выдержку при постоянной температуре для спекания продуктов синтеза до заданной пористости и получать объемно-пористые материалы.

Недостаток способа предварительного нагрева в электрических печах заключается в низкой скорости нагрева шихтовых заготовок и больших затратах электроэнергии.

Наиболее близким к предложенному является способ получения пористых покрытий на металлических имплантах, включающий приготовление шихты из смеси порошков, приготовление шликера на основе водного раствора органического связующего, нанесение шликера на поверхность монолитной металлической подложки, сушку полученной заготовки, высокотемпературное спекание, припекание покрытия к металлической подложке в инертной или восстановительной атмосфере, охлаждение и выгрузку готового изделия. (USA 3855638, A61F 1/24, 24.12.1974).

Техническим результатом известного способа является получение на металлических имплантатах пористых покрытий, состоящих из гладких сферических частиц. Толщина покрытий находится в пределах 0,1-1 мм, пористость составляет 35-40%.

Недостаток указанного способа заключается в значительных затратах электроэнергии при проведении процесса спекания. Кроме того, пористое покрытие состоит из гладких сферических частиц. В случае гладких сферических частиц мягкие и костные ткани просто заполняют поровое пространство, удерживаясь в нем преимущественно за счет переплетения и заклинивания в гофрированных порах. Только в случае частиц с шероховатой и микропористой поверхностью живые ткани образуют тесную связь с металлической поверхностью.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение пористых покрытий на металлических имплантатах и упрощение способа их получения. Технический результат достигается тем, что способ получения пористых покрытий на металлических имплантатах включает приготовление шихты из смеси порошков, приготовление шликера на основе водного раствора органического связующего, нанесение шликера на поверхность монолитной металлической подложки, сушку полученной заготовки, высокотемпературное спекание, припекание покрытия к металлической подложке в воздушной или инертной атмосфере, охлаждение и выгрузку готового изделия, причем шихту готовят из смеси порошков, образующих в режиме СВС биосовместимые тугоплавкие соединения металлов и инертных компонентов, имеющих более низкую температуру плавления, чем тугоплавкие продукты СВС, перед высокотемпературным спеканием проводят предварительный объемный нагрев, спекание осуществляют в режиме СВС, а припекание покрытия к подложке осуществляют путем ее нагрева до температуры 0,7-0,95 от температуры плавления материала подложки, причем предварительный нагрев заготовки при спекании и нагрев при припекании покрытия осуществляют джоулевьм теплом путем пропускания электрического тока через металлическую подложку.

В отличие от известных способов для предварительного нагрева исходных реагентов используется джоулево тепло, выделяющееся при пропускании электрического тока через металлическую подложку. Способ обеспечивает высокую скорость нагрева металлической подложки и исходных реагентов до заданной температуры и выдержку при постоянной температуре для окончательного спекания продуктов синтеза и их припекания к металлической подложке.

Биосовместимые продукты СВС представляют собой тугоплавкие соединения металлов - карбиды, бориды и оксиды. Пористые материалы на основе только тугоплавких соединений имеют низкую механическую прочность. Кроме того, тугоплавкие продукты СВС при температуре синтеза находятся в твердом состоянии, и реализуется твердофазное спекание с низкой скоростью образования межчастичных связей. Для повышения прочности и активизации процесса спекания в смесь исходных реагентов вводят биоинертные компоненты с более низкой температурой плавления, чем у тугоплавких продуктов СВС. Находясь при температуре синтеза в расплавленном состоянии, легкоплавкие компоненты обеспечивают более активное жидкофазное спекание продуктов СВС и их припекание к металлической подложке. После охлаждения и кристаллизации легкоплавкие компоненты, которыми являются металлы или сплавы, связывают между собой тугоплавкие частицы и тем самым повышают прочность синтезированного материала. В качестве легкоплавких компонентов могут быть использованы порошки биоинертных аустенитных сталей, титан и титановые сплавы, сплавы кобальта. Для повышения пористости конечного продукта и покрытия в смесь исходных компонентов могут быть введены газифицирующие добавки.

Формирование пористых покрытий на металлических подложках методом СВС с использованием заявленных в формуле признаков позволяет получать поверхностно-пористые металлические имплантаты, имеющие высокую механическую прочность и остеоинтеграцию.

Структуру полученных образцов исследовали на металлографических шлифах на растровом электронном микроскопе Jeol JSM-6390A, рентгенофазовый анализ проводили на дифрактометре ARL X'TRA.

Сущность способа подтверждается примером.

Приготавливают экзотермическую смесь из порошков титана марки ПТС и бора аморфного коричневого в соотношении 93 части по весу титана и 7 частей по весу бора для получения продуктов СВС состава TiB - 60% (мас.) Ti. Затем смесь перемешивают в течение 4 часов в шаровой мельнице объемом 1 л при соотношении масс шаров и шихты 3:1. Из шихты приготавливают порошковый шликер, состоящий из 80 частей по весу шихты и 20 частей по весу 5%-го водного раствора карбоксиметилцеллюлозы. Шликер в виде оболочки толщиной 2 мм наносят на поверхность заготовки стоматологического имплантата из титана марки ВТ 1-00. Заготовка имеет форму ступенчатого стержня длиной 14 мм и состоит из верхней части диаметром 4 мм и нижней части внутрикостного основания диаметром 2 мм и длиной 7 мм. Шликер наносят на поверхность нижней части основания. Полученную заготовку помещают в сушильный шкаф при температуре не выше 90°С и сушат не более 30 минут. После сушки заготовку закрепляют с торцов между двумя электродами, помещают в герметичную камеру. Через титановую заготовку пропускают переменный электрический ток силой 30 А, шихтовую оболочку нагревают джоулевым теплом до температуры 500-550°С и инициируют в ней реакцию СВС от вольфрамовой спирали. Для предотвращения перегрева и расплавления титановой подложки после инициирования реакции СВС электрический ток отключают. Горячие продукты СВС состоят из твердых частиц моноборида титана TiB и расплава титана. Непосредственно после синтеза происходит предварительное спекание твердых частиц моноборида титана TiB и их припекание к поверхности титановой подложки. Присутствие титанового расплава в продуктах синтеза активизирует эти процессы. После окончания реакции СВС через металлическую подложку вновь пропускают электрический ток и нагревают ее до температуры 1200°С и осуществляют окончательное припекание покрытия и подложки в течение 10 минут. После этого заготовку охлаждают, извлекают из камеры, покрытие подвергают механической обработке и анализируют известными методами.

Пористость полученного покрытия составляет 40-45%, доля открытой пористости равна 90-95% от общей пористости. Поры размером 100-300 мкм имеют неопределенную форму с шероховатой губчатой поверхностью. Результаты рентгенофазового анализа показывают, что продукт синтеза двухфазный и состоит из биосовместимых моноборида титана TiB и титана.

Таким образом, использование заявленной совокупности признаков позволяет получать методом СВС пористые покрытия на металлических имплантатах.

Изобретение относится к порошковой металлургии и может быть использовано в медицине для изготовления поверхностно-пористых имплантатов из биосовместимых материалов. Способ включает приготовление экзотермической шихты из смеси порошков, образующих в режиме СВС биосовместимые тугоплавкие соединения металлов и инертных компонентов, имеющих более низкую температуру плавления, чем тугоплавкие продукты СВС, приготовление шликера из экзотермической шихты на основе водного раствора органического связующего, нанесение шликера на поверхность монолитной металлической подложки, сушку полученной заготовки, размещение ее в камере с воздушной или инертной атмосферой, предварительный объемный нагрев заготовки, спекание в режиме СВС, припекание покрытия к подложке путем ее нагрева до температуры 0,7-0,95 от температуры плавления материала подложки, при этом предварительный нагрев заготовки при спекании и нагрев при припекании покрытия осуществляют джоулевым теплом при пропускании электрического тока через металлическую подложку, последующее охлаждение и выгрузку готового изделия. Способ позволяет получать покрытия, состоящие из сферических частиц, на металлических имплантах толщиной 0,1-1 мм и пористостью 35-40%. 1 пр.

Способ получения пористых покрытий на металлических имплантатах, включающий приготовление шихты из смеси порошков, приготовление шликера на основе водного раствора органического связующего, нанесение шликера на поверхность монолитной металлической подложки, сушку полученной заготовки, высокотемпературное спекание, припекание покрытия к металлической подложке в воздушной или инертной атмосфере, охлаждение и выгрузку готового изделия, отличающийся тем, что шихту готовят из смеси порошков, образующих в режиме самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС) биосовместимые тугоплавкие соединения металлов, и инертных компонентов, имеющих более низкую температуру плавления, чем тугоплавкие продукты СВС, перед высокотемпературным спеканием проводят предварительный объемный нагрев, спекание осуществляют в режиме СВС, а припекание покрытия к металлической подложке осуществляют путем ее нагрева до температуры 0,7-0,95 от температуры плавления материала подложки, причем предварительный нагрев заготовки при спекании и нагрев при припекании покрытия осуществляют джоулевым теплом путем пропускания электрического тока через металлическую подложку.