Способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов Российский патент 2020 года по МПК A61C8/00 

Описание патента на изобретение RU2732959C2

Изобретение относится к области медицины и конкретно касается структурирования поверхности титановых дентальных имплантов (с целью формирования биоактивного, антибактериального и износостойкого покрытия), предназначенных для введения в костную ткань с целью устранения костных дефектов.

Известен способ изготовления стоматологического импланта с многослойным биоактивным покрытием (патент РФ №2146535, МПК A61L 27/00, дата приоритета 20.07.1998, дата публикации 20.03.2000). Данный способ включает предварительную пескоструйную обработку импланта с целью структурирования поверхности и последующее плазменное напыление, которое позволяет обеспечить адгезионную прочность.

Недостатком данного способа является отсутствие возможности формирования упорядоченной микро- и наноструктуры с заданными геометрическими параметрами - периодом и высотой, в результате чего не достигается нужный уровень остеоинтеграции импланта.

Известен способ нанесения покрытия на имплант из титана и его сплавов (патент РФ №2154463, МПК А61К 6/033, дата приоритета 07.07.1999, дата публикации 20.08.2000), заключающийся в анодировании титана и его сплавов. Сущность способа заключается в следующем: берется электролит (представляющий собой фосфорную кислоту), в него добавляется порошок гидроксиапатита, готовый к покрытию имплантат помещается в ванну с электролитом. Через электролит пропускается импульсный или постоянный ток напряжением до 80-150 В с частотой следования импульсов 0,5-10,0 Гц в течение 2-30 минут. Процесс ведется при постоянном перемешивании и температуре 20°С. Полученная толщина покрытия составляет 3-20 мкм.

Недостатком данного способа также является отсутствие возможности получить упорядоченную пористость покрытия с заданными значениями периода и высоты, что снижает его остеоинтеграционные свойства. Включения в состав покрытия оксидов меди, гидроксиаппатитов, фосфора и кальция нарушает сплошность оксидной пленки из TiO2 и может приводить к сколам, что также отрицательно влияет на остеоинтеграцию.

Известен способ создания наноструктурной пористой поверхности имплантов из титана и его сплавов (патент РФ №2469744, МПК A61L 31/08, дата приоритета 30.06.2011, дата публикации 20.12.2012). Данный способ включает пескоструйную обработку для придания поверхности титана шероховатости, с последующим травлением в кислотах для удаления примесей и получения на поверхности чистого титана и обжигом в печи для структурирования кристаллов и удаления связанной воды из пор поверхности.

Недостатком данного способа является низкая точность обработки имплантатов, использование последующих дополнительных этапов обработки, не экологичное использование кислот для удаления примесей, а также невозможность получения упорядоченной структуры, что также снижает остеоинтеграцию.

Недостатком всех вышеупомянутых методов является большое количество технологических этапов, что ведет к временным и экономическим потерям, а также к повышению вероятности возникновения брака на производстве. Кроме того, рассмотренные способы не позволяют локально формировать разномасштабные структуры: макро- (для замещения утраченной части кости), микро- (для клеток костной ткани) и наноразмеров (для белков) с заданным химическим составом.

Известен способ лазерного структурирования поверхности подложки, в том числе из титана, взятый за прототип (патент US №20050211680 А1, МПК В23K 26/0624, дата приоритета 23.05.2003, дата публикации 29.09.2005). Данный способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов заключается после предварительной очистки и стерилизации поверхности импланта в создании на поверхности импланта микроканавок с глубиной и шириной в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм ее обработкой воздействием излучения лазера с наносекундной длительностью импульсов его сканированием.

Несомненным преимуществом предложенного способа является то, что обработка поверхности происходит бесконтактным воздействием на материал и без использования химических добавок при формировании структуры.

Недостатком предложенного способа является формирование только одного типа структур - микроканавки, в то время как для приживаемости дентальных имплантов на раннем этапе остеоинтеграции необходима наношероховатость, а также необходимость ручного изменения положения импланта для его обработки со всех сторон.

Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение поверхности титанового дентального импланта, удовлетворяющей высокой степени остеоинтеграции импланта в организме человека.

Поставленная задача решается за счет достижения технического результата, заключающегося в формировании упорядоченной микроструктуры с наношероховатостью по всей поверхности импланта.

Указанный технический результат достигается путем лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов, включающей цилиндрические части в виде резьбы и шейки, а также плоские части. После предварительной очистки и стерилизации поверхности импланта, а также его закреплении в наклонно-поворотном устройстве, на поверхности импланта создаются микроканавки с глубиной и шириной в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм ее обработкой воздействием излучения лазера с наносекундной длительностью импульсов его сканированием при плотности мощности излучения 630 МВт/см2, ориентируя имплант с помощью наклонно-поворотного устройства для обеспечения падения излучения на обрабатываемую часть поверхности. При этом лазерное воздействие производят последовательно на боковые поверхности резьбы импланта, ее выступы и впадины, затем на шейку импланта с одновременным вращением импланта с линейной скоростью 5 мм/с, после чего осуществляют только сканирование лазерного излучения по плоским частям поверхности импланта с шагом 2 мкм, причем для создания каждой следующей микроканавки на всех частях поверхности импланта сканирование осуществляют с шагом 30 мкм.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

- на фиг. 1 показана схема и пример готового устройства, с помощью которого реализуется предлагаемый способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов, на выноске показан внешний вид дентального импланта до и после лазерного структурирования его поверхности;

- на фиг. 2 представлены СЭМ- снимки поверхностей дентального импланта: плоской части импланта (слева от фотографии импланта) и резьбы импланта (справа от фотографии импланта) после лазерного структурирования;

- на фиг. 3 показаны СЭМ и ПЭМ-снимки с разным увеличением поверхности дентального импланта после лазерного структурирования;

- на фиг. 4 продемонстрированы результаты проведенных исследований in vitro, которые показывают процесс дифференциации клеток на поверхности титана до и после лазерного воздействия.

Реализация предлагаемого способа происходит с помощью устройства для лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов, например, на базе твердотельного импульсного волоконного лазера 1 с диодной накачкой наносекундной длительности импульсов, в состав которого также входят устройство оптической транспортировки излучения 2 к обрабатываемому импланту 3, контроллер 4, сканаторы 5, фокусирующая система 6 и наклонно-поворотное устройство 7 (Фиг. 1). В управляющий персональный компьютер 8 заносится алгоритм получения заданных микроструктур. Имплант после предварительной очистки и стерилизации закрепляется в наклонно-поворотном устройстве 7, после этого вся поверхность изделия подвергается воздействию лазерного излучения, при этом лазерный пучок и имплант перемещаются в соответствии с программой по заданному алгоритму в соответствии с формой импланта: последовательно на боковые поверхности резьбы импланта, ее выступы и впадины, затем на шейку импланта.

Используемый режим лазерного воздействия позволяет нагреть поверхность титана выше температуры кипения металла и приводит к образованию упорядоченной микроструктуры по всей поверхности импланта в виде канавок с глубиной и шириной в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм (Фиг. 2). Полученные геометрические размеры канавок соответствуют размерам клеток костной ткани (например, размер ядра стволовых мезенхемальных клеток человека составляет порядка 20÷30 мкм, а продольный размер клетки при хорошей адгезии - 100÷150 мкм), что обеспечивает лучшую остеоинтеграцию импланта в организме человека. Одновременно с образованием микроструктуры на ее поверхности формируется наношероховатость (Фиг. 3), возникающая при конденсации испаренного металла с его одновременным окислением при обработке в воздушной среде. На Фиг. 3 показаны морфология и состав образовавшейся многослойной оксидной пленки. Характерный размер полученной наношероховатости соответствует размеру белков (в среднем 1÷100 нм), что играет важную роль на ранних этапах остеоинтеграции.

Импланта из диоксида титана обладают повышенной биосовместимостью (показано, например, в [De Nardo L, Raffaini G, Ganazzoli F, Chiesa R. Metal surface oxidation and surface interactions. In: Williams R, ed. Surface modification of biomaterials: methods, analysis and applications. Cambridge, UK: Woodhead Publishing; 2011: 102-142]), также они являются антибактериальными, губительными для широкого круга микроорганизмов, среди которых бактерии и эндоспоры [Foster НА, Ditta IB, Varghese S, Steele A. Photocatalytic disinfection using titanium dioxide: spectrum and mechanism of antimicrobial activity. Appl Microbiol Biotechnol. 2011; 90(6):1847-1868].

На Фиг. 4 показаны результаты проведенных исследований in vitro, которые показывают процесс дифференциации клеток на поверхности титана до и после лазерного воздействия. На образцах титана до и после лазерного структурирования было проведено культивирование стволовых мезенхимальных стромальных клеток (МСК) человека в течение 24 часов и 20 дней. Анализ пролиферации клеток с использованием красителя TurboFP635 был выполнен с помощью флуоресцентной микроскопии и показал, что после 24 часов высаженные клетки были найдены на всех типах образцов и показывали хорошую адгезию клеток к поверхности титана (как до, так и после лазерного структурирования). После 20 дней количество клеток на структурированных образцах значительно увеличилось, в то время как на образцах до лазерной обработки количество клеток даже уменьшилось. На структурированном титане клетки располагаются не только на поверхности, но и в порах, что поможет импланту надежнее зафиксироваться в формирующейся костной ткани.

Согласно отличительным признакам изобретения способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов, изложенный выше, позволяет улучшить остеоинтеграцию импланта в организме человека за счет микроструктурирования его поверхности канавками с глубиной и шириной в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм, покрытыми по всей поверхности нанорельефом, состоящем из оксидов титана, которые обеспечивают хорошие бактерицидные свойства и повышают коррозионную стойкость покрытия.

Вышеупомянутый технический результат доказывает, что способ лазерного структурирования поверхности дентальных имплантов является действующим и конкуреноспособным (за счет использования наклонно-поворотного устройства происходит обработка всей поверхности импланта при бесконтакном воздействии на материал и без использования химических добавок) для получения микроструктуры с наношероховатостью на поверхности импланта, обеспечивающей повышение биосовместимости, коррозионной стойкости и бактерицидных свойств импланта.

Похожие патенты RU2732959C2

название год авторы номер документа
Дентальный внутрикостный конусный имплантат из легированных сплавов титана с наноструктурированной поверхностью и способ его изготовления 2022
  • Долгалев Александр Александрович
  • Иванов Сергей Юрьевич
  • Мураев Александр Александрович
  • Бухалов Борис Владимирович
  • Сергеев Юрий Андреевич
RU2801029C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ МИКРО-НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО ПОРИСТОГО СЛОЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ 2018
  • Колганов Игорь Николаевич
  • Захарова Ирина Анатольевна
  • Захаров Максим Игоревич
  • Ревякин Александр Владимирович
RU2677271C1
Способ изготовления дентального имплантата из нанотитана с использованием лазерного структурирования поверхности и наноструктурированного композитного покрытия и имплатат 2019
  • Фадеев Иван Анатольевич
  • Гашков Алексей Георгиевич
  • Дюрягин Василий Сергеевич
  • Дюрягин Алексей Сергеевич
RU2724437C1
ДЕНТАЛЬНЫЙ ВНУТРИКОСТНЫЙ ИМПЛАНТАТ 2008
  • Шаркеев Юрий Петрович
  • Белявская Ольга Андреевна
  • Поленичкин Владимир Кузьмич
  • Климентенко Олег Павлович
  • Фортуна Сергей Валерьевич
  • Поленичкин Сергей Владимирович
RU2376955C1
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОСТРУКТУРИРОВАННОГО СЛОЯ НИТРИДА ТИТАНА 2013
  • Абрамов Дмитрий Владимирович
  • Кочуев Дмитрий Андреевич
  • Маков Степан Андреевич
  • Прокошев Валерий Григорьевич
  • Хорьков Кирилл Сергеевич
RU2522919C1
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СТОМАТОЛОГИЧЕСКОГО ОСТЕОИНТЕГРИРУЕМОГО ИМПЛАНТАТА 2019
  • Смирнов Геннадий Васильевич
RU2712642C1
СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ДЕНТАЛЬНОГО ИМПЛАНТАТА ПОГРУЖНОГО ТИПА ИЗ ТИТАНА ИЛИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА И ДЕНТАЛЬНЫЙ ИМПЛАНТАТ ИЗ ТИТАНА ИЛИ ТИТАНОВОГО СПЛАВА 2013
  • Юдин Дмитрий Константинович
  • Циклин Илья Леонидович
  • Климашина Елена Сергеевна
  • Путляев Валерий Иванович
RU2524764C1
Способ цветной маркировки поверхности металла или его сплава лазерным импульсным излучением 2015
  • Вейко Вадим Павлович
  • Одинцова Галина Викторовна
  • Карлагина Юлия Юрьевна
  • Агеев Эдуард Игоревич
  • Андреева Ярослава Михайловна
  • Горбунова Елена Васильевна
RU2616703C2
СПОСОБ СОЗДАНИЯ НАНОСТРУКТУРНОЙ БИОИНЕРТНОЙ ПОРИСТОЙ ПОВЕРХНОСТИ НА ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТАХ 2011
  • Абдуллаев Фикрет Мавлудинович
RU2469744C1
Способ маркировки поверхности контролируемыми периодическими структурами 2018
  • Москвин Михаил Константинович
  • Одинцова Галина Викторовна
  • Романов Валерий Витальевич
  • Щедрина Надежда Николаевна
  • Вейко Вадим Павлович
RU2696804C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 732 959 C2

Реферат патента 2020 года Способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов

Изобретение относится к способу лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов. Благодаря лазерному структурированию поверхности импланта, заключающемуся в последовательном воздействии лазерного излучения на все части поверхности импланта с плотностью мощности излучения 630 МВт/см2, при этом воздействие на цилиндрические части импланта производят с одновременным вращением импланта с линейной скоростью 5 мм/с, а на плоские части поверхности импланта с шагом 2 мкм, причем для создания каждой следующей микроканавки на всех частях поверхности импланта сканирование осуществляют с шагом 30 мкм, предлагаемый способ обеспечивает получение микроструктуры с наношероховатостью на поверхности импланта, обеспечивающей повышение биосовместимости, коррозионной стойкости и бактерицидных свойств импланта. 4 ил.

Формула изобретения RU 2 732 959 C2

Способ лазерного структурирования поверхности титановых дентальных имплантов, включающей цилиндрические части в виде резьбы и шейки, а также плоские части, заключающийся, после предварительной очистки и стерилизации поверхности импланта, в создании на поверхности импланта микроканавок с глубиной и шириной в диапазоне от 20 мкм до 30 мкм обработкой сканирующим импульсным лазером с наносекундной длительностью импульсов, отличающийся тем, что после очистки и стерилизации имплант закрепляют в наклонно-поворотном устройстве, воздействие лазерного излучения на все части поверхности импланта производят при плотности мощности излучения 630 МВт/см2, ориентируя имплант с помощью наклонно-поворотного устройства для обеспечения нормального падения излучения на обрабатываемую часть поверхности, при этом воздействие производят последовательно на боковые поверхности резьбы импланта, ее выступы и впадины, затем на шейку импланта с одновременным вращением импланта с линейной скоростью 5 мм/с, после чего осуществляют только сканирование лазерного излучения по плоским частям поверхности импланта с шагом 2 мкм, причем для создания каждой следующей микроканавки на всех частях поверхности импланта сканирование осуществляют с шагом 30 мкм.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2020 года RU2732959C2

US 8784104 B2, 22.07.2014
US 20170014169 A1, 29.01.2017
СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СТРУКТУРИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТВЕРДОГО ТЕЛА, ПОКРЫТОГО ТВЕРДЫМ МАТЕРИАЛОМ, С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА 2010
  • Боэгли, Шарль
  • Вайссмантель, Стеффен
  • Райсс, Гюнтер
  • Энгел, Энди
  • Боэттхер, Рен
  • Штеффен, Вернер
RU2567138C2
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ МИКРОРЕЛЬЕФА ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ 2003
  • Каргин Н.И.
  • Якушев В.М.
  • Якушев А.В.
RU2248266C2

RU 2 732 959 C2

Авторы

Одинцова Галина Викторовна

Вейко Вадим Павлович

Романов Валерий Витальевич

Яцук Роман Михайлович

Карлагина Юлия Юрьевна

Божко Валерия Игоревна

Черненко Геннадий Николаевич

Громов Евгений Павлович

Слабинский Роман Олегович

Даты

2020-09-25Публикация

2019-03-15Подача