Изобретение относится к способам нанесения антибактериальных кальцийфосфатных покрытий на ортопедические имплантаты, в частности интрамедуллярные фиксаторы и пины с целью повышения эффективности их использования в ортопедии, имплантологии, травматологии, реконструктивно-восстановительной хирургии.
Известен способ получения наноструктурированного кальцийфосфатного покрытия для медицинских имплантатов (патент RU 2523410, опубл. 20.07.2014) [1], заключающийся в распылении мишени из стехиометрического гидроксиапатита Ca10(PO4)6(OH)2 в плазме высокочастотного магнетронного разряда в атмосфере аргона при давлении 0,1-1 Па и плотностью мощности на мишени 0,1-1 Вт/см2 в течение 15-180 мин на расстоянии от мишени до подложки в интервале от 40 до 50 мм, где формирование наноструктуры производится после нанесения покрытия в ходе контролируемого термического отжига при температуре 700-750°C в течение 15-30 мин.
Недостатком способа является трудоемкость процесса за счет выполнения дополнительной операции термического отжига при температуре 700-750°C в течение 15-30 мин для формирования наноструктуры покрытия. Кроме того, способ реализуется только для одного кальцийфосфатного соединения – гидроксиапатита, не обеспечивает антибактериальных свойств.
Известен способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали из патента RU 2632706, опубл. 09.10.2017 [2], включающий нанесение покрытия на предварительно обработанную поверхность металлического имплантата, при этом поверхность металлических имплантатов из титана и нержавеющей стали подвергают очистке методом ионного травления в герметичной камере, которую предварительно вакуумируют до остаточного давления 9*10-5-1*10-6 Торр, с последующим заполнением камеры аргоном и вакуумированием камеры до остаточного давления 4*10-4-1*10-3 Торр, а ионное травление выполняют ионами аргона с энергией 0,7-3,0 кэВ в течение 4-8 мин, затем на поверхность ортопедических имплантатов из титана и из нержавеющей стали наносят дуальным распылением с двух магнетронных источников антиадгезивное антибактериальное покрытие в виде атомов серебра и углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C, причем используют магнетронный источник углеродной плазмы с мощностью 95-108 Вт, источник атомов серебра с мощностью 2-20 Вт и ионный источник стимулирования процесса нанесения покрытия ионами аргона с энергией ионов инертного газа аргона от 0,1 до 1,5 кэВ, а процесс нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия продолжают в заполненной аргоном и вакуумированной до остаточного давления 4*10-4- 1*10-3 Торр камере, при этом наносят на металлическую поверхность ортопедических имплантатов двухкомпонентное антиадгезивное антибактериальное биосовместимое нанопокрытие толщиной от 9 до 1180 нм, содержащее наногранулы шарообразной формы из высокочистого серебра не ниже 99,9% чистоты размером 4,5-9,5 нм со сформированным на их поверхности сплошным покрытием углерода в виде тетраэдрического алмаза типа ta-C толщиной 0,4-1,2 нм. При этом в качестве магнетронного источника атомов углерода при дуальном распылении с двух магнетронных источников используют графит марки МПГ-7, АРВ или ВЧ. Способ обеспечивает высокие антиадгезивные свойства и высокую биосовместимость в различных физиологических средах организма пациента.
Недостатком известного изобретения является сложность выполнения способа для обеспечения однородного состава на имплантатах с реально востребованными габаритами (использование дуального магнетрона, многокомпонентность покрытия).
Известен способ газотермического напыления покрытий на тела вращения и устройство для его осуществления из патента RU 2328352, опубл. 10.07.2008 [3].
Изобретение относится к технике напыления покрытий, в частности к газотермическому напылению покрытий на тела вращения. Задачей изобретения является повышение равномерности напыляемого покрытия при восстановлении деталей сферической формы, снижение энергоемкости процесса обработки, а также упрощение конструкции устройства для напыления и упрощение управления им. Задача достигается тем, что в способе, включающем перемещение распылителя вдоль образующей тела вращения и повороты распылителя в плоскости перемещения так, что продольная ось распылителя перпендикулярна к образующей тела вращения, а поворот распылителя осуществляют вокруг оси, проходящей через центр напыляемой сферической поверхности. В устройстве для газотермического напыления покрытий на тела вращения механизм возвратно-поступательного перемещения распылителя выполнен в виде двух рычагов, соединенных между собой стойкой. Конец одного рычага закреплен на конусе резцедержателя станка, а конец другого - на оси шарнира. Механизм азимутального перемещения распылителя выполнен в виде бруса с треугольной прорезью и шарнирно соединен с диском, на котором выполнены упоры, ограничивающие движение бруса. Механизм перемещения распылителя вдоль его продольной оси выполнен в виде пластины, один конец которой связан с распылителем, а другой конец выполнен загнутым и охватывает брус в поперечном сечении. Сама пластина зафиксирована на брусе с помощью винта, перемещающегося по треугольной прорези бруса. Кроме того, ось шарнира проходит через ось вращения шпинделя и центр сферической поверхности. Конструкция предлагаемого устройства для газотермического напыления покрытий на тела вращения позволяет упростить его изготовление и облегчить управление им. Предлагаемое устройство является простым и удобным в эксплуатации, но не подходит для нанесения покрытий на ортопедические имплантаты, в частности интрамедуллярные фиксаторы и пины, имеющие более сложную форму, чем сферическая.
Известны различные другие устройства для равномерного нанесения покрытия магнетронным методом, например, из патентов RU 2634833, опубл. 03.11.2017 [4] и RU 169200, опубл. 09.03.2017 [5]. Недостатком этих устройств является то, что они также не подходят для нанесения покрытий на ортопедические имплантаты, в частности интрамедуллярные фиксаторы и пины.
Известен способ получения кальцийфосфатного покрытия на образце из патента RU 2715055, опубл. 25.02.2020 [6]. Изобретение относится к способам нанесения кальцийфосфатных покрытий и может быть использовано в медицине при изготовлении имплантатов с биоактивным покрытием. Способ включает распыление мишени, содержащей, по крайней мере, одно кальцийфосфатное соединение, в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на образцы, размещенные на подложке, как в зоне эрозии мишени, так и вне области эрозии мишени. При этом, по крайней мере, один образец размещают на поворотном столе вакуумной камеры на расстоянии 70-90 мм от нижней плоскости мишени, причем, мишень выполнена из кальцийфосфатных соединений, выбранных из ряда: гидроксилапатит, и/или ионозамещенные гидроксиапатиты, и/или трикальцийфосфат, и/или ионозамещенный трикальцийфосфат, и/или тетракальцийфосфат, и/или биостекло. Покрытие формируют следующим образом: откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше 6,0*10-4 Па, заполняют затем аргоном и доводят до рабочего давления (5,0-12,0)*10-2 Па, проводят ионную очистку образца в течение 5-10 минут, разместив его в зоне ионного источника; - при рабочем давлении (1,3-4,0)*10-1 Па зажигают ВЧ магнетронный разряд на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 300 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; - проводят процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения (9,0-12,0)*10-2 Па, введением образца в зону магнетрона и выдержкой в этой позиции в течение 2-10 часов. Достигается повышение эффективности, а также – ускорение и упрощение процесса.
Недостатком известного изобретения является то, что в нем не раскрыта оснастка для обеспечения равномерного однородного нанесения на имплантат, имеющий форму тела вращения.
Технической задачей изобретения является разработка способа получения антибактериального кальцийфосфатного покрытия на ортопедическом имплантате, имеющем форму тела вращения с высокой адгезией покрытия, в частности, на интрамедуллярном фиксаторе, представляющем собой протяженную витую спираль из титановых сплавов или пине, представляющем собой стержень из резорбируемого магниевого сплава. Способ позволит расширить функциональные свойства указанных ортопедических имплантатов, в т.ч. обеспечить антибактериальность и/или повысить биосовместимость покрытия поверхности имплантатов. А предлагаемая оснастка обеспечивает равномерность нанесения указанного покрытия на ортопедические имплантаты, в частности фиксаторы или пины.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения антибактериального кальцийфосфатного покрытия на ортопедический имплантат, имеющий форму тела вращения, в частности интрамедуллярный фиксатор включает распыление мишени в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на, по крайней мере, один фиксатор, который размещают в оснастке для фиксатора, на поворотном столе вакуумной камеры, на расстоянии 70-95 мм от нижней плоскости мишени, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита, при этом покрытие формируют следующим образом:
- откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше (5±0,5)*10-6 Торр, заполняют аргоном и вакуумируют до рабочего давления (8±0,5)*10-4 Торр, проводят ионную очистку фиксатора в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника;
- зажигают ВЧ магнетронный разряд при рабочем давлении (2±1)*10-3 Торр на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым интервалом в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени;
- проводят процесс ВЧ магнетронного распыления доведением рабочего вакуума до значения (9±1)*10-4 Торр, введением фиксатора в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение 380±1 мин.
При этом фиксатор выполнен из нерезорбируемых титановых сплавов Ti-6Al-4V или Ti-6Al-7Nb.
Указанный технический результат также достигается тем, что оснастка для фиксатора для придания ему одновременно возвратно-поступательного и вращательного движений, состоит из двух приспособлений:
- приспособление для осуществления вращательного движения, включает: первый двигатель постоянного тока, планетарный редуктор, держатели, синхронизирующую ось, удерживающую опору, площадки, при этом амплитуда перемещения держателей с фиксатором составляет 25 мм;
- приспособление для осуществления возвратно-поступательного движения включает: второй двигатель постоянного тока, угловой редуктор, маховик, соединительную тягу, маятниковый рычаг, ось маятникового рычага, общую площадку, подложкодержатель, при этом амплитуда перемещения площадки с фиксатором составляет от 90 до 100 мм.
Приспособление для осуществления вращательного движения обеспечивает вращательные движения вокруг оси фиксатора и вокруг синхронизирующей оси.
Указанный технический результат также достигается тем, что способ получения антибактериального кальцийфосфатного покрытия на ортопедический имплантат, имеющий форму тела вращения, в частности пин, включает распыление мишени в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на, по крайней мере, один пин, который размещают в оснастке для пина на поворотном столе вакуумной камеры на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита, причем покрытие формируют следующим образом:
- откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше (5±0,5)*10-6 Торр, заполняют аргоном и вакуумируют до рабочего давления (8±0,5)*10-4 Торр, проводят ионную очистку пина в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника;
- при рабочем давлении (2±1)*10-3 Торр зажигают ВЧ магнетронный разряд на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени;
- проводят процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения (9±1)*10-4 Торр введением пина в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение 240±1 мин.
При этом пин выполнен из резорбируемого магниевого сплава состава MgCa (0,8-1,0).
При формировании антибактериального кальцийфосфатного покрытия на фиксаторах и пинах используют магнетронную распылительную систему планарного типа с частотой источника 13,56 МГц, мишень в форме плоского диска толщиной 3,5±0,5 мм с диаметром, совпадающим с диаметром катода, и закрепленную на катоде магнетрона, при этом состав гидроксиапатитовой мишени имеет ограничения по содержанию катионов цинка и меди в интервале 0,2–0,4 ат.%.
Указанный технический результат также достигается тем, что оснастка для пина для придания пину вращательного движения вокруг своей оси включает: кривошипно-шатунный механизм, маховик, тягу, рамку, валики, подложкодержатель, причем амплитуда возвратно-поступательного перемещения рамки составляет не менее 20 мм.
Раскрытие изобретения.
Предложены способ и оснастка для формирования биоактивного покрытия с функциональные свойствами на ортопедических имплантатах, в частности интрамедуллярных фиксаторах и пинах, заключающийся в распылении мишени заданного состава в плазме высокочастотного (ВЧ) магнетронного разряда в вакуумной камере в атмосфере аргона при давлении в камере, позволяющий с большой эффективностью использовать материал мишени, соединенной с катодом, и управлять режимами напыления. При этом в качестве материала для фиксатора используют сплавы на основе титана с содержанием алюминия и ниобия или на основе титана с содержанием алюминия и ванадия, а для пина - резорбируемый магниевый сплав состава MgCa (0,8-1,0). Мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита, а расстояние от мишени до поверхности имплантата выбрано экспериментально.
Способ получения кальцийфосфатного покрытия на ортопедических имплантатах включает распыление мишени, в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на, по крайней мере, один имплантат, при этом имплантат, представляющий собой интрамедуллярный фиксатор, размещают в оснастке для фиксатора, а имплантат представляющий собой пин, размещают в оснастке для пина на поворотном столе вакуумной камеры, причем для фиксатора на расстоянии 70-95 мм, а для пина на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита. Антибактериальное кальцийфосфатное покрытие формируют следующим образом: откачивают вакуумную камеру до заданного остаточного давления, заполняют аргоном и вакуумируют до заданного рабочего давления, проводят ионную очистку фиксатора или пина в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника;
- зажигают ВЧ магнетронный разряд при заданном рабочем давлении на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым интервалом в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени;
- проводят процесс ВЧ магнетронного распыления доведением рабочего вакуума до заданного значения, введением пина или фиксатора в соответствующей оснастке в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение соответственно 240 или 380 мин.
Для процесса ВЧ напыления используют магнетронную распылительную систему планарного типа с частотой источника 13,56 МГц, мишень в форме плоского диска толщиной 3,5±0,5 мм с диаметром, совпадающим с диаметром катода, и закрепленную на катоде магнетрона.
Экспериментальные исследования ВЧ магнетронного напыления проводились на интрамедуллярных фиксаторах, выполненных из титанового сплава состава Ti-6Al-4V или Ti-6Al-7Nb и пинах выполненных из резорбируемого магниевого сплава состава MgCa (0,8-1,0).
Пину, имеющему форму тела вращения, с помощью его оснастки, придают вращательное движение вокруг своей оси в процессе проведения ВЧ магнетронного напыления.
Интрамедуллярному фиксатору, имеющему форму тела вращения и габариты, превышающие зону эрозии мишени, с помощью его оснастки из двух приспособлений придают одновременно возвратно-поступательное и вращательное движения. Причем вращательные движения фиксатора включают вращательные движения вокруг своей оси и вокруг синхронизирующей оси.
Покрытие формируется толщиной 1,5±0,3 мкм, что достаточно для придания остеокондуктивных, остеоиндуктивных антибактериальных свойств биоинертной поверхности титанового сплава фиксатора и биорезорбируемой поверхности магниевого сплава пина. Тестовые анализы толщины покрытия проводились методом эллипсометрии на образцах-свидетелях монокристаллического кремния Si (100). Скорость нанесения покрытия составляет 3,9-5,6 нм/мин. Разброс по толщине покрытия составлял менее 5%.
Фазовый и химический состав покрытия, определенные методами РФА и ПЭМ, соответствует составу используемой мишени. Прочность сцепления покрытия с материалами интрамедуллярного фиксатора и пина определена с использованием метода склерометрии (скретч-теста) и характеризуется значениями 250–1500 МПа.
Выбранные диапазоны параметров процесса ВЧ-магнетронного распыления, выбранная последовательность технологических приемов обеспечивают стабильные и контролируемые физико-механические свойства формируемых кальцийфосфатных покрытий разного состава на поверхностях интрамедуллярных фиксаторов и пинов различной формы и размера.
Изобретение иллюстрируется фигурами 1 и 2, на которых приведены фотографии оснасток соответственно для фиксатора и пина.
Оснастка для фиксатора (фиг. 1) состоит из двух приспособлений:
- приспособление для осуществления вращательного движения, включает: первый двигатель постоянного тока (1а), планетарный редуктор (2), держатели (3), синхронизирующую ось (4), удерживающую опору (5), площадки (6);
- приспособление для осуществления возвратно-поступательного движения включает: второй двигатель постоянного тока (1б), угловой редуктор (7), маховик (8), соединительную тягу (9), маятниковый рычаг (10), ось маятникового рычага (11), общую площадку (12), подложкодержатель (13).
В основу первого приспособления для осуществления вращательного движения положено действие планетарного редуктора (2) с одной стороны, синхронизирующей оси (4) и удерживающей опоры (5) с другой стороны. Планетарный редуктор (2) концентрически устанавливается на двигатель постоянного тока (1а) с электрическим напряжением 24 В. Система двигатель-редуктор является самоцентрирующейся. Вращательное движение фиксаторов одновременно вокруг собственной оси и вокруг синхронизирующей оси осуществляется путем вращения трех выходных осей планетарного редуктора (2), на которые накручиваются специально разработанные держатели (3), предназначенные для размещения интрамедуллярных фиксаторов. Удерживающая опора (5) фиксаторов с осями зеркально повторяет выходные оси планетарного редуктора (1) и выполнена подвижной - на подшипнике. Синхронизирующая ось (4), соединяющая удерживающую опору (5) с планетарным редуктором (2), обеспечивает синхронность вращения передних и задних концов фиксаторов. Все элементы устройства смонтированы на площадке (6).
Второе приспособление для осуществления возвратно-поступательного движения используют для увеличения площади однородности осаждаемого покрытия посредством возвратно-поступательного движения площадки с интрамедуллярными фиксаторами под рабочей зоной магнетрона. Базовым элементом механического возвратно-поступательного движения послужил угловой редуктор (7). В качестве привода используется двигатель постоянного тока (1б) с электрическим напряжением 24 В. Редуктор (7) устанавливается на общей площадке (12), которая, крепится болтами на пьедестал поворотного стола рабочей камеры установки ВЧ магнетронного распыления. На выходной вал редуктора фиксировано крепится маховик (8), сопряженный соединительной тягой (9), которая передает движение на маятниковый рычаг (10). Ось маятникового рычага (11) совпадает с осью рабочей камеры. На конце маятникового рычага (11) крепится площадка (6) с интрамедуллярными фиксаторами в устройстве вращения, совпадающая с вертикальной осью магнетрона. Амплитуда возвратно-поступательного перемещения площадки (6) с фиксаторами составляет 90-100 мм. Площадка располагается так, что расстояние между мишенью и фиксатором в его верхнем положении составляет 70 мм, а в нижнем 95 мм. Для контроля качества сформированных покрытий были разработаны подложкодержатели (13) в виде лодочек, располагающиеся на площадке (6) на расстояниях 70 и 95 мм от поверхности мишени, в которые помещаются образцы-свидетели из соответствующего интрамедуллярному фиксатору сплава.
Оснастка для пина (фиг. 2) включает: кривошипно-шатунный механизм (15), маховик (16), тягу (17), рамку (18), валики (19), подложкодержатель (20).
Пины (21) располагаются между валиками (19). Движение на пины (21) передается от валиков (19), расположенных в рамке (18), представляющих собой полые трубки, надетые на металлические оси, зафиксированные на боковых гранях рамки (18). Рамка (18) через тягу (17) соединяется с кривошипно-шатунным механизмом (15), закрепленным эксцентрично на маховике (16). Привод осуществляется от двигателя постоянного тока с малым числом оборотов (на фиг. 2 не показан) с электрическим напряжением 24 В, на оси которого закреплен маховик (16). На двигатель постоянного тока с малым числом оборотов (на фиг. 2 не показан) оснастки для пинов (21) подают напряжение 6 В, тем самым приводя в движение маховик (16) с закрепленным на нем кривошипно-шатунным механизмом (15), который через тягу (17) передает движение на рамку (18) и валики (19), тем самым сообщая вращательные движения пинам (21). Период перемещения пина (21) составляет 8 секунд при подаче постоянного напряжения на двигатель постоянного тока с малым числом оборотов (на фиг.2 не показан) 6 В. Для контроля качества сформированных покрытий был разработан подложкодержатель (20), в который помещаются образцы-свидетели из сплава, соответствующего материалу пина (21).
Примеры реализации изобретения
Пример 1.
В качестве имплантата использовали фиксатор из титанового сплава состава Ti-6Al-4V длиной 167 мм и диаметром 8 мм.
Очистка поверхности фиксатора производилась в бензине-Калоша и этиловом спирте в ультразвуковой мойке Elmasonic 515 H. После очистки фиксатор (14) размещали в держателе (3) для осуществления вращательного движения; оснастку для фиксатора размещали на поворотном столе вакуумной камеры магнетронной распылительной системы планетарного типа с частотой источника 13,56 МГц на расстоянии 95 мм от нижней плоскости мишени диаметром 110 мм, толщиной 3,2 мм состава медьзамещенный гидроксиапатит со степенью замещения 0,2 ат.% (Са9,8Cu0,2(РO4)6(ОН)2), закрепленной на катоде. Рядом с фиксатором (14) в подложкодержателе (13) размещали образец-свидетель из монокристаллического кремния Si (100). Затем откачивали вакуумную камеру до остаточного давления не выше 5*10-6 Торр, заполняли аргоном и вакуумировали до рабочего давления 8 *10-4 Торр. На двигатели постоянного тока (1а, 1б) оснастки для фиксаторов подают напряжение 7 В, тем самым приводя в движение планетарный редуктор (2), придающий вращательное движение держателям (3) с фиксатором (14) одновременно вокруг собственной оси и вокруг синхронизирующей оси (4), при этом амплитуда перемещения держателей (3) с фиксатором (14) составляет 25 мм, а угловой редуктор (7), придает возвратно-поступательное движение, при этом амплитуда перемещения площадки (6) с фиксатором (14) составляет 90-100 мм. При рабочем давлении 8*10 -4 Торр проводили ионную очистку фиксатора (14), в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника. Затем при рабочем давлении 2*10-3 Торр зажигали ВЧ магнетронный разряд, на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; проводили процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения 9*10-4 Торр введением оснастки для фиксатора с фиксатором в зону магнетрона с приданием ему с помощью оснастки вращательного и возвратно-поступательного движений и выдержкой в этой позиции в течение 380 мин.
Толщина медьзамещенного гидроксиапатитового покрытия на фиксаторе (14), определенная на образце-свидетеле, составляла 1,2±0,05 мкм. Адгезия покрытия, исследованная методом склерометрии, составила 1050±50 МПа. Покрытие по примеру 1 обладает повышенной биосовместимостью и антибактериальными свойствами.
Пример 2.
В качестве имплантата использовали 3 фиксатора из титанового сплава состава Ti-6Al-7Nb длиной 169 мм и диаметром 10 мм.
Очистка поверхности фиксаторов производилась в бензине-Калоша и этиловом спирте в ультразвуковой мойке Elmasonic 515 H. После очистки фиксаторы размещали в держателе (3) для осуществления вращательного движения; оснастку для фиксаторов размещали на поворотном столе вакуумной камеры магнетронной распылительной системы планетарного типа с частотой источника 13,56 МГц на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени диаметром 110 мм, толщиной 3,2 мм состава цинкзамещенный гидроксиапатит со степенью замещения 0,4 ат.% (Са9,6Zn0,4(РO4)6(ОН)2),, закрепленной на катоде. Рядом с фиксаторами в подложкодержателе (13) размещали образец-свидетель из монокристаллического кремния Si (100). Затем откачивали вакуумную камеру до остаточного давления не выше 5*10-6 Торр, заполняли аргоном и вакуумировали до рабочего давления 8*10 -4 Торр. На двигатели постоянного тока (1а, 1б) оснастки для фиксаторов подают напряжение 7 В, тем самым приводя в движение планетарный редуктор (2), придающий вращательное движение держателям (3) с фиксаторами одновременно вокруг собственной оси и вокруг синхронизирующей оси (4), при этом амплитуда перемещения держателей (3) с фиксаторами составляет 25 мм, а угловой редуктор (7), придает возвратно-поступательное движение, при этом амплитуда перемещения площадки (6) с фиксаторами составляет 90-100 мм. При рабочем давлении 8*10 -4 Торр проводили ионную очистку фиксаторов, в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника. Затем при рабочем давлении 3*10-3 Торр зажигали ВЧ магнетронный разряд, на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; проводили процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения 10-3 Торр, введением оснастки для фиксатора с фиксаторами в зону магнетрона с приданием им с помощью оснастки вращательного и возвратно-поступательного движения и выдержкой в этой позиции в течение 380 мин.
Толщина цинкзамещенного гидроксиапатитового покрытия на фиксаторах, определенная по образцу-свидетелю, составляла 1,3±0,1 мкм. Адгезия покрытия, исследованная методом склерометрии, составила 1000±50 МПа. Покрытие по примеру 2 обладает повышенной биосовместимостью и антибактериальными свойствами.
Пример 3.
В качестве имплантатов одновременно использовали 3 пина длиной 40 мм и 3,5 мм в диаметре каждый из резорбируемого сплава на основе магния MgCa (0,8-1,0).
Очистка поверхности пинов производилась в бензине-Калоша и этиловом спирте в ультразвуковой мойке Elmasonic 515 H. После очистки пины (21) размещали в приспособлении на поворотном столе вакуумной камеры магнетронной распылительной системы планетарного типа с частотой источника 13,56 МГц на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени диаметром 110 мм, толщиной 3,2 мм состава цинкзамещенный гидроксиапатит со степенью замещения 0,4 ат.% Са9,6Zn0,4(РO4)6(ОН)2,, закрепленной на катоде. Рядом с пинами (21) в подложкодержателе (20) размещали образец-свидетель из монокристаллического кремния Si (100). Затем откачивали вакуумную камеру до остаточного давления не выше 5*10-6 Торр, заполняли аргоном и вакуумировали до рабочего давления 8*10 -4 Торр. На двигатель постоянного тока с малым числом оборотов (на фиг. 2 не показан) оснастки для пинов (21) подают напряжение 6 В, тем самым приводя в движение маховик (16) с закрепленным на нем кривошипно-шатунным механизмом (15), который через тягу (17) передает движение на рамку (18) и валики (19), тем самым сообщая вращательные движения пинам (21). При рабочем давлении 8*10-4 Торр проводили ионную очистку пинов (21), в течение 5 минут, разместив их в зоне ионного источника. Затем при рабочем давлении 10-3 Торр зажигали ВЧ магнетронный разряд, на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; проводили процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения 8*10-4 Торр введением оснастки для пина с пинами (21) в зону магнетрона с приданием им с помощью оснастки вращательного движения и выдержкой в этой позиции в течение 240 мин.
Толщина цинкзамещенного гидроксиапатитового покрытия на пинах, определенная на образце-свидетеле, составляла 1,4±0,1 мкм. Адгезия покрытия, исследованная методом склерометрии, составила 500±50 МПа. Покрытие по примеру 3 обладает повышенной биосовместимостью и антибактериальными свойствами.
Пример 4.
В качестве имплантата использовали пин длиной 40 мм и 3,5 мм в диаметре из резорбируемого сплава на основе магния MgCa (0,8-1,0).
Очистка поверхности пина производилась в бензине-Калоша и этиловом спирте в ультразвуковой мойке Elmasonic 515 H. После очистки пин размещали в приспособлении на поворотном столе вакуумной камеры магнетронной распылительной системы планетарного типа с частотой источника 13,56 МГц на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени диаметром 110 мм, толщиной 3,2 мм состава медьзамещенный гидроксиапатит со степенью замещения 0,2 ат.% (Са9,8Cu0,2(РO4)6(ОН)2),, закрепленной на катоде. Рядом с пином в подложкодержателе (20) размещали образец-свидетель из монокристаллического кремния Si (100). Затем откачивали вакуумную камеру до остаточного давления не выше 5*10-6 Торр, заполняли аргоном и вакуумировали до рабочего давления 8*10 -4 Торр. На двигатель постоянного тока с малым числом оборотов (на фиг. 2 не показан) оснастки для пинов подают напряжение 6 В, тем самым приводя в движение маховик (16) с закрепленным на нем кривошипно-шатунным механизмом (15), который через тягу (17) передает движение на рамку (18) и валики (19), тем самым сообщая вращательное движение пину. При рабочем давлении 8*10-4 Торр проводили ионную очистку пина, в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника. Затем при рабочем давлении 2*10-3 Торр зажигали ВЧ магнетронный разряд, на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; проводили процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения 9*10-4 Торр введением оснастки для пина с пином в зону магнетрона с приданием ему с помощью оснастки вращательного движения и выдержкой в этой позиции в течение 240 мин.
Толщина медьзамещенного гидроксиапатитового покрытия на пине, определенная на образце-свидетеле, составляла 1,5±0,06 мкм. Адгезия покрытия, исследованная методом склерометрии, составила 500±50 МПа. Покрытие по примеру 4 обладает повышенной биосовместимостью и антибактериальными свойствами.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| Способ получения кальцийфосфатного покрытия на образце | 2019 |
|
RU2715055C1 |
| Способ функционализации поверхности медицинского изделия путем наклонного осаждения структурированного антибактериального покрытия на основе фосфатов кальция | 2022 |
|
RU2806506C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛЬЦИЙФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ИМПЛАНТАТЕ ИЗ БИОИНЕРТНОГО МАТЕРИАЛА (ВАРИАНТЫ) | 2012 |
|
RU2476243C1 |
| Способ плазменного напыления биосовместимых покрытий на основе трикальцийфосфата с дополнительным легирующим элементом | 2020 |
|
RU2754129C1 |
| Способ нанесения антиадгезивного антибактериального покрытия на ортопедические имплантаты из титана и нержавеющей стали | 2016 |
|
RU2632706C1 |
| Способ создания микро- и нанорельефной биоинертной поверхности на имплантатах из титана и титановых сплавов | 2018 |
|
RU2679604C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НА ПОДЛОЖКЕ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ | 2008 |
|
RU2372101C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ НА ОБРАЗЦЕ | 2009 |
|
RU2400423C1 |
| СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА УСТРОЙСТВА И ИНСТРУМЕНТЫ ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗА, ОРТОПЕДИЧЕСКИЕ ИМПЛАНТАТЫ ИЗ МЕТАЛЛА | 2018 |
|
RU2697855C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ | 2013 |
|
RU2523410C1 |
Группа изобретений относится к области медицины, а именно к ортопедии и травматологии, и раскрывает способы нанесения антибактериальных кальцийфосфатных покрытий на ортопедические имплантаты, в частности интрамедуллярные фиксаторы и пины. Способ включает распыление мишени, в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на ортопедическом имплантате, размещенном в оснастке для фиксатора или пина, на поворотном столе вакуумной камеры, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита. Покрытие формируют следующим образом: - откачивают вакуумную камеру до остаточного давления (5±0,5)*10-6 Торр, заполняют аргоном и вакуумируют до рабочего давления (8±0,5)*10-4 Торр, проводят ионную очистку фиксатора или пина; зажигают ВЧ магнетронный разряд при рабочем давлении (2±1)*10-3 Торр на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым интервалом в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени; проводят процесс ВЧ магнетронного распыления доведением рабочего вакуума до значения (9±1)*10-4 Торр, введением пина или фиксатора в соответствующей оснастке в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение соответственно 240 или 380 мин. Заявленные способы позволяют улучшить антибактериальные свойства и/или повысить биосовместимость покрытия поверхности имплантатов, а также обеспечивают равномерность нанесения покрытия на ортопедические имплантаты, в частности фиксаторы или пины. 4 н. и 9 з.п. ф-лы, 4 пр., 2 ил.
1. Способ получения антибактериального кальцийфосфатного покрытия на ортопедическом имплантате, имеющем форму тела вращения, включающий распыление мишени в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на, по крайней мере, один имплантат, характеризующийся тем, что имплантат, представляющий собой интрамедуллярный фиксатор, размещают в оснастке для фиксатора, на поворотном столе вакуумной камеры, на расстоянии 70-95 мм от нижней плоскости мишени, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита, при этом покрытие формируют следующим образом:
- откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше (5±0,5)*10-6 Торр, заполняют аргоном и вакуумируют до рабочего давления (8±0,5)*10-4 Торр, проводят ионную очистку фиксатора в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника;
- зажигают ВЧ магнетронный разряд при рабочем давлении (2±1)*10-3 Торр на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым интервалом в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени;
- проводят процесс ВЧ магнетронного распыления доведением рабочего вакуума до значения (9±1)*10-4 Торр введением фиксатора в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение 380±1 мин.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фиксатор выполнен из нерезорбируемых титановых сплавов Ti-6Al-4V или Ti-6Al-7Nb.
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют магнетронную распылительную систему планарного типа с частотой источника 13,56 МГц.
4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что используют мишень в форме плоского диска толщиной 3,5±0,5 мм с диаметром, совпадающим с диаметром катода, и закрепленную на катоде магнетрона.
5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что состав гидроксиапатитовой мишени имеет ограничения по содержанию катионов цинка и меди в интервале 0,2–0,4 ат.%.
6. Оснастка для интрамедуллярного фиксатора для придания ему одновременно возвратно-поступательного и вращательного движений, использующаяся в способе по п. 1, характеризующаяся тем, что она состоит из двух приспособлений:
- приспособление для осуществления вращательного движения включает: первый двигатель постоянного тока (1а), планетарный редуктор (2), держатели (3), синхронизирующую ось (4), удерживающую опору (5), площадки (6), при этом амплитуда перемещения держателей (3) с фиксатором составляет 25 мм;
- приспособление для осуществления возвратно-поступательного движения включает: второй двигатель постоянного тока (1б), угловой редуктор (7), маховик (8), соединительную тягу (9), маятниковый рычаг (10), ось маятникового рычага (11), общую площадку (12), подложкодержатель (13), при этом амплитуда перемещения площадки (6) с фиксатором в горизонтальной плоскости составляет от 90 до 100 мм.
7. Оснастка для фиксатора по п. 6, отличающаяся тем, что приспособление для осуществления вращательного движения обеспечивает вращательные движения вокруг оси фиксатора (14) и вокруг синхронизирующей оси (4).
8. Способ получения антибактериального кальцийфосфатного покрытия на ортопедический имплантат, имеющий форму тела вращения, включающий распыление мишени в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере магнетронной распылительной системы, в атмосфере аргона на, по крайней мере, один имплантат, характеризующийся тем, что имплантат, представляющий собой пин, размещают в оснастке для пина на поворотном столе вакуумной камеры на расстоянии 70 мм от нижней плоскости мишени, причем мишень выполнена из цинкзамещенного гидроксиапатита или медьзамещенного гидроксиапатита, причем покрытие формируют следующим образом:
- откачивают вакуумную камеру до остаточного давления не выше (5±0,5)*10-6 Торр, заполняют аргоном и вакуумируют до рабочего давления (8±0,5)*10-4 Торр, проводят ионную очистку пина в течение 5 минут, разместив его в зоне ионного источника;
- при рабочем давлении (2±1)*10-3 Торр зажигают ВЧ магнетронный разряд на мощности 50 Вт с последующим ступенчатым через интервал в 50 Вт подъемом мощности до 250 Вт и выдержкой по 10 минут на каждой ступени;
- проводят процесс ВЧ магнетронного распыления покрытия из мишени доведением рабочего вакуума до значения (9±1)*10-4 Торр введением пина в зону магнетрона с выдержкой в этой позиции в течение 240±1 мин.
9. Способ по п. 8, отличающийся тем, что пин выполнен из резорбируемого магниевого сплава состава MgCa (0,8-1,0).
10. Способ по п. 8, отличающийся тем, что используют магнетронную распылительную систему планарного типа с частотой источника 13,56 МГц.
11. Способ по п. 8, отличающийся тем, что используют мишень в форме плоского диска толщиной 3,5±0,5 мм с диаметром, совпадающим с диаметром катода, и закрепленную на катоде магнетрона.
12. Способ по п. 8, отличающийся тем, что состав гидроксиапатитовой мишени имеет ограничения по содержанию катионов цинка и меди в интервале 0,2–0,4 ат.%.
13. Оснастка для имплантата, представляющего собой пин, для придания ему вращательного движения вокруг своей оси, использующаяся в способе по п. 8, характеризующаяся тем, что она включает: кривошипно-шатунный механизм (15), маховик (16), тягу (17), рамку (18), валики (19), подложкодержатель (20), причем амплитуда возвратно-поступательного перемещения рамки (18) составляет не менее 20 мм.
| Способ получения кальцийфосфатного покрытия на образце | 2019 |
|
RU2715055C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОГО КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ | 2013 |
|
RU2523410C1 |
| СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ МИКРО/НАНОСТРУКТУР НА ОБРАЗЦЕ | 2010 |
|
RU2421245C1 |
| Приспособление против угона рельсов | 1929 |
|
SU22035A1 |
| WO 2003003937 A1, 16.01.2003 | |||
| HIROMOTO S., et.al | |||
| Precipitation control of calcium phosphate on pure magnesium by anodization | |||
| Corrosion Science, 2008, 50(10), 2906-2913 | |||
| Печь-кухня, могущая работать, как самостоятельно, так и в комбинации с разного рода нагревательными приборами | 1921 |
|
SU10A1 |
| PICHUGIN, V | |||
| F., et.al | |||
| The preparation | |||
