Дентальный внутрикостный конусный имплантат из легированных сплавов титана с наноструктурированной поверхностью и способ его изготовления Российский патент 2023 года по МПК A61C8/00 A61L27/06 A61L27/30 C23C16/40 

Область техники

Изобретение относится к изделиям медицинского назначения, а именно к конструкции и способу изготовления внутрикостного имплантата конусной формы из высокопрочностных титановых сплавов с модификацией поверхности путем организации нано-рельефной поверхности методом плазмоактивированного атомно-слоевого осаждения (ALD) для стоматологических операций.

Уровень техники

В дентальной имплантологии принято дифференцировать типовые конструкции имплантатов в зависимости от формы на цилиндрическую, коническую или коническую лопастную резьбовую.

Для костных тканей высокой плотности (D1) предпочтительным является использования имплантатов цилиндрической резьбовой формы.

На сегодняшний день классическим коническим имплантатом является имплантат ЛИКО-М ЭВОЛЮШН (LIKO-M Evolution) компании ООО «Ликостом» (г. Москва). Имплантаты ЛИКО-М ЭВОЛЮШН обладают выраженной макрорезьбой. Из-за чего их активно применяют в костной ткани типа D4, для достижения первичной стабильности. Однако в костной ткани типа D2-D3, предпочтительным является применение имплантатов с конической резьбовой поверхностью, но без выраженной макрорезьбы (лопастных элементов) на поверхности имплантата.

При этом существование имплантата такой формы среди отечественных производителей имплантационной продукции не отмечается.

Существующие методы модификации поверхностей имплантатов, изготовленных из титана и его сплавов, такие как, травление в кислотах, лазерная обработка, пескоструйная обработка и пр. не используются для реализации модификаций поверхности на нано-размерном уровне.

Нано-рельефная поверхность обладает повышенной способностью взаимодействовать с биологическими средами, в частности с компонентами клеток, кровью, соединительной тканью, нитями коллагена (Brett P.M. et al., 2004). Имплантаты с нано-рельефной структурой оказывают большее влияние на процессы остеоинтеграции (Назаров Д.В. и др. 2018) [1].

Существует исследование в котором на поверхность имплантата методом ALD наносили наноразмерный оксида олова (SnO)₂) с использованием метода осаждения атомного слоя (Hsu, S. H. . et al., 2022) [3].

Еще одно исследование было направлено на получение наноструктурированной поверхности путем нанесения аморфного циркония с помощью реактора атомно-слоевого осаждения на титановые диски. (Jo, Y. et al., 2021) [2].

Известен дентальный имплантат с вершиной в форме усеченного конуса выполнен из титана и состоящего из внутрикостной части (патент РФ на полезную модель №186260, опубл. 15.01.2019). Имплантат выполнен из сплава титана Ti Grade 5 с пределом прочности 895 МПа и пределом текучести 828 Мпа, поверх которого нанесено углеродное биоинертное покрытие. Биоинертное покрытие состоит из оксидов титана, при этом биоактивное покрытие, состоит из многослойного наноструктурированого углеродосодержащего покрытия общим количеством слоев 15-20 и толщиной 50 нм каждого слоя с адгезионной прочностью к поверхности имплантата не менее 80 Гпа.

Недостатком данного имплантата является относительно невысокая прочность конструкции, обусловленная наличием усечения на конусе, а также недостаточная биосовместимость нанесенного углеродосодержащего покрытия.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ изготовления эндопротезов (суставных имплантатов), заключающийся в нанесении пленки покрытия, в которой металлосодержащее соединение представляет собой соединение титана (Ti), выбранное из нитридатитана (TiN) и оксинитридатитана (TiOxNy.) методом ALD (патентный документ EP 3714911 A1, опубл. 30.09.2020).

Краткое описание чертежей

На фиг. 1 показана компьютерная модель предлагаемого имплантата конической формы.

На фиг. 2 показано формирование модели импланта.

На фиг. 3-4 показана конструкция дентального имплантата марки ЛИКО-М 4х10 и предлагаемого дентального имплантата 4x10 соответственно.

На фиг. 5-6 показана конечно-элементная сетка имплантата марки ЛИКО-М 4х10 и предлагаемого имплантата марки 4x10 соответственно.

На фиг. 7 показан внешний вид образцов пленок диоксида титана на поверхности титановых имплантатов, полученных с различной толщиной.

На фиг. 8 показаны зависимости показателя преломления и средней квадратичной шероховатости поверхности пленок TiO₂/Si.

На фиг. 9 показана конструкция предлагаемого дентального имплантата.

На фиг. 10 показаны микрофотографии поверхности образцов при увеличении 256k×:а - чистый, б - TiO₂ (10 нм), в - TiO₂ (15 нм), г - TiO₂ (20 нм), д - TiO₂ (25 нм), е - TiO₂ (30 нм).

На фигурах приняты следующие обозначения: 1 - блок костной ткани; 2 - тело имплантата; 3 - винт; 4 - абатмент; 5 - шейка; 6 - ADL покрытие.

Раскрытие изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является изготовление внутрикостного стоматологического имплантата конусной формы, изготовленного из сплавов титана с нано-рельефным покрытием на основе диоксида титана (TiO₂).

Поставленная задача решается следующей совокупностью существенных признаков.

При помощи современных пакетов автоматизированного инженерного анализа осуществлялся эффективный расчетный метод оценки прочности и надежности уникальных изделий медицинского приборостроения.

На базе программы SolidWorks были сгенерированы компьютерные модели конусного имплантата (фиг. 1). За основу была взята геометрия импланта ЛИКО-М 4x10 с сохранением шага, высоты и угла профиля резьбы.

Для моделирования основы импланта был создан эскиз сечения и создание на его основе тела вращения (фиг. 2).

В верхней части имплантата резьба имеет три захода с шагом 0,8 мм. Первый заход сформирован путем вытягивания сечения резьбы по спирали. Формирование второго и третьего захода резьбы сформировано за счет кругового массива. Резьба в нижней части также имеет шаг 0,8 мм, имеет один заход и сформирована путем вытягивания эскиза сечения по спирали (фиг. 2).

Для осуществления нагрузочных тестов к цилиндрической поверхности абатмента на 3/4 его высоты прилагалась нагрузка и была направлена вниз под углом 30°. Вектор силы имеет компоненты (10, 10, -100) Н.

При моделировании вектора нагрузки проводились сравнительные нагрузочные тесты, так моделью сравнения был дентальный имплантат марки ЛИКО-М 4x10.

В результате чего, удалось установить, что изменение формы влияет на прочностные характеристики имплантата, в связи с чем данный имплантат изготавливали из легированного сплава титана ВТ6, а для повышения биосовместимости нанесли на поверхность данного материала биопротекторный вид покрытия (наноструктурирование титановой поверхности диоксидом титана).

Для подтверждения данного утверждения, используя нагрузочные тесты, сравнивали ЛИКО-М 4x10 и предлагаемый имплантат 4x10, они имеют различия в конструкции тела имплантата (фиг. 3 и 4) и материала, из которого они изготовлены. У имплантата марки ЛИКО-М 4x10 тело имплантата изготовлено из титанового сплава ВТ1-0, у предлагаемого имплантата 4x10 - из титанового сплава ВТ6. Моделирование нагрузки проводилось в сгенерированных блоках костной ткани, закрепленных по боковым и нижней поверхностям (таблица 1).

Таблица 1 - Материалы частей рассматриваемых систем № п/п Наименование детали Вариант конструкции ЛИКО-М 4x10 ЛИКО-М ДГ 4x10 1 Блок костной ткани (Bone) Кортикальная кость Кортикальная кость 2 Тело имплантата (Implant) ВТ1-0 BT6 3 Винт (Screw) ВТ6 ВТ6 4 Абатмент (Abutment) ВТ6 ВТ6

Оба имплантата одинаковым образом были размещены в блоках костной ткани, размеры которых составляли 6×15×34 мм. Блоки костной ткани закреплены по боковым и нижней поверхностям.

Между блоком костной ткани, телом имплантата, абатментом и винтом имеется четыре контакта:

- между блоком костной ткани и телом имплантата - граничный контакт, предполагающий полное кинематическое связывание точек, лежащих на сопрягаемых поверхностях;

- между телом имплантата и абатментом - фрикционный контакт;

- между абатментом и винтом - фрикционный контакт;

- между телом имплантата и винтом - фрикционный контакт.

Характеристики упругих свойств перечисленных материалов приведены в таблице 2.

Таблица 2 - Характеристики упругих свойств материалов № п/п Наименование материала Наименование характеристики Модуль Юнга, ГПа Коэффициент
Пуассона 1 Кортикальная кость 24 0,3 2 Титановый сплав Grade 4 110 0,38 3 Титановый сплав Grade 5 112 0,38 4 Титан ВТ1-0 110 0,38 5 Титановый сплав ВТ6 112 0,38

Компьютерное моделирование процесса статического нагружения выполнено с использованием конечно-элементных сеток, используемые при расчете напряженно-деформированного состояния имплантатов марок ЛИКО-М 4×10 и ЛИКО-М ДГ 4×10, показаны на фиг. 5 и 6.

Всего выполнено четыре расчета напряженно-деформированного состояния имплантатов:

- упругий расчет дентального имплантата марки ЛИКО-М 4×10;

- упругопластический расчет дентального имплантата марки
ЛИКО-М 4×10;

- упругий расчет дентального имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4×10;

- упругопластический расчет дентального имплантата марки ЛИКО-М ДГ 4×10.

Результаты расчета представлены для двух моментов времени:

- для момента времени, при котором завершается предварительная затяжка винта (time = 1 c);

- для момента времени, при котором завершается процесс нагружения (time = 2 c).

Оценка прочности имплантата осуществлялась по коэффициенту запаса прочности, который вычисляется по зависимости предела текучести материала; к приведенным по Мизесу напряжениям., и по относительному приведенному напряжению.

Полученное в результате расчета напряженно-деформированного состояния значение коэффициента запаса прочности тела предлагаемого имплантата составляет 0,782 и превышает значение коэффициента запаса прочности тела имплантата марки ЛИКО-М 4×10 0,287, что свидетельствует о том, что предлагаемый имплантат обладает большей статической прочностью, чем имплантат марки ЛИКО-М 4×10.

Коэффициент запаса прочности разрабатываемого дентального имплантата марки из материала BT6 равен 3,9 и является достаточным.

Однако существенным недостатком сплавов ВТ6 и ВТ20 является их низкая биологическая совместимость и низкий уровень остеоинтеграции. В связи с чем было принято решение реализации биосовместимого покрытия путем наноструктурирования титановой поверхности.

Для нанесения покрытий первоначально были изготовлены заготовки из высокопрочных сплавов с требуемыми геометрическими размерами и формой, для последующего атомно-слоевого осаждения. В качестве контроля было изготовлено 10 образцов с толщинами пленки порядка ~10 нм, 15 нм, 20 нм, 25 нм и 30 нм (по 2 шт. образца с каждой толщиной) (фиг. 7).

С увеличением толщины пленки менялся цвет титановых заготовок (фиг. 8.)

Увеличение толщины покрытия приводило к повышению оптической плотности материала пленок.

Нанесение покрытие происходило на установке TFS 200 (Beneq, Финляндия) с источником емкостно-связанной плазмы. Полученные покрытия исследовали с помощью микроскопов и спектрометров

Техническим результатом данного изобретения является получение в едином технологическом процессе (т.е. без извлечения имплантата из камеры) биосовместимого (биоинертного) наноструктурированного покрытия осажденного на чистый титан или его сплавы, что способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с клеточными элементами и биологическими жидкостями, что играет особую роль в процессах остеоинтеграции.

Указанный технический результат достигается тем, что дентальный внутрикостный конусный имплантат из легированных сплавов титана с наноструктурированной поверхностью содержит внутрикостную конусовидную часть, и внекостную часть в виде конуса, имеющую отверстие для винта-заглушки, и расположенную между ними шейку, причем наружная поверхность импланта, контактирующая с костью, представляет собой наноструктурированное покрытие, полученное с помощью технологии атомно-слоевого осаждения (ALD).

В качестве сплавов титана могут быть использованы сплавы ВТ6 или ВТ20.

Указанный технический результат достигается тем, что способ изготовления дентального внутрикостного конусного имплантата из легированных сплавов титана с наноструктурированной поверхностью заключается в нанесении на металлическую титановую основу имплантата пленки из диоксида титана, толщиной до 30 нм, причем атомарное осаждение TiO2 производят с применением плазменной активации.

Для производства стоматологического имплантата используется пруток из титанового сплава марки ВТ6 и ВТ20 диаметром 6 мм. Каждое изделие проходит обязательную проверку на координатно-измерительной машине (КИМ) по всем сопрягаемым размерам.

Осуществление изобретения

Предлагаемый дентальный внутрикостный конусный имплантат был изготовлен следующим образом.

ООО «ЛИКОСТОМ» были предоставлены заготовки из титанового сплава марки ВТ6, в количестве 100 шт.

Из полученных заготовок методом фрезерования были изготовлены экспериментальные прототипы имплантатов в количестве 30 шт.

Заготовки после очистки устанавливались на подложкодержатель. В соответствии с заданной программой процесса осаждения были загружены в камеру реактора, с последующим алгоритмом действий:

- Запуск вакуумного насоса для создания необходимого давления в камере/реакторе (~10 mbar/1mbar);

- Запуск процесса синтеза пленок TiO₂ на поверхности имплантатов;

- Выгрузка подложкодержателя с изделиями;

- Контроль качества методом микроскопии;

- Контроль микротвердости полученного покрытия методом наноиндентации.

Результаты исследования микрорельефа и элементного состава исходных подложек показали, что прототипы титановых имплантатов обладают крайне неоднородной поверхностью с высокой шероховатостью. При этом отчетливо видны следы механической резки или обработки в виде круглых рисок (с размером до нескольких микрон), проходящих вдоль всей длины окружности диска, а также сколов и наплывов металла.

Необходимое оборудование:

- Установка для атомно-слоевого осаждения TFS-200;

- Растровый электронный микроскоп MIRA3 LMH;

- Сканирующий нанотвердомер НАНОСКАН 3D.

Конусные имплантаты из титана и его сплавов с наноструктурированны покрытием, полученным описанным способом, прошли токсикологические испытания на биосовместимость и биоинертность.

Для проведения исследований на биологическую совместимость прототипов внутрикостных имплантатов из сплавов высокой прочности с наноструктурированными поверхностями проводились гетеротопическая имплантация малым лабораторным животным, ортотопическая имплантация прототипы внутрикостных имплантатов на овцах.

Для определения цитотоксичности использовали первичные культуры МСК (мезенхимальные стволовые клетки) жировой ткани крысы, которые культивировали в питательной среде при 37°С и 5% CO₂. Клетки подсчитывали с помощью автоматического счетчика клеток Luna-FL.

Образцы титановых имплантатов помещали в 24-луночный планшет. В каждую лунку планшета с образцами вносили суспензию МСК (0,8 мл, содержащих 2⋅10⁴ клеток). Клетки в лунке с образцом ВТ6 использовали как отрицательные контрольные. Планшет инкубировали в течение 7 суток при 37°С и 5% CO₂.

Так, увеличение пролиферативной активности отмечалось у клеток, культивированных на образцах TiO2 ALD 25 нм (158,33%±7,292%, t=3,824, p<0,05).

Таким образом:

1. Конусная форма является наиболее эффективной в костной ткани типа D2-D3, а также идеально подходит под геометрию фрез, используемых для формирования костного ложе под имплантат, что тоже позволяет обеспечить снижение поверхностных напряжений.

2. Макроструктура имплантата имеет особенности, так, на поверхности губчатой части имеется неагресивная макрорезьба. Именно такое свойство резьбы позволяет избежать сильного точечного напряжения в кости, прилегающей к поверхностям ниток резьбы.

3. Использование высокопрочных легированных сплавов титана (ВТ6, ВТ20) позволяет усилить прочностные характеристики имплантата из-за изменения геометрии его формы ( с цилиндрической на конусную).

4. Наноструктурированное покрытие, полученное с помощью технологии атомно-слоевого осаждения (ALD), позволяет повысить биосовместимость высокопрочностных сплавов титана.

5. Атомарное осаждение TiO2 с применением плазменной активации также позволяет существенно снизить температуру процесса (низкотемпературный синтез T<300°С), и обуславливает низкие экономические затраты и время, требуемые на нагрев-охлаждение реактора, по сравнению с классическими способами выращивания (CVD, MS, MBE).

Сопоставительный анализ заявляемого изобретения показал, что совокупность существенных признаков заявленного дентального имплантата и способа его изготовления, не известна из уровня техники и значит, соответствует условию патентоспособности «Новизна».

В уровне техники не было выявлено признаков, совпадающих с отличительными признаками заявленного изобретения и влияющих на достижение заявленного технического результата, поэтому заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «Изобретательский уровень».

Приведенные сведения подтверждают возможность применения заявленного способа в области медицины для создания биоинертной поверхности имплантатов из титана и титановых сплавов, которые используются при проведении травматолого-ортопедических и стоматологических операций, и поэтому соответствует условию патентоспособности «Промышленная применимость».

Источники информации:

1. Nazarov, Denis & Smirnov, V. & Zemtsova, Elena & Yudintceva, Natalia & Shevtsov, Maxim & Valiev, Ruslan. (2018). Enhanced osseointegrative properties of the ultrafine-grained titanium implants modified by the chemical etching and atomic layer deposition.. ACS Biomaterials Science & Engineering. 4. 10.1021/acsbiomaterials.8b00342.

2. Jo, Y., Kim, Y. T., Cho, H., Ji, M. K., Heo, J., & Lim, H. P. (2021). Atomic Layer Deposition of ZrO on Titanium Inhibits Bacterial Adhesion and Enhances Osteoblast Viability. International journal of nanomedicine, 16, 1509-1523. https://doi.org/10.2147/IJN.S2984492

3. Hsu, S. H., Liao, H. T., Chen, R. S., Chiu, S. C., Tsai, F. Y., Lee, M. S., Hu, C. Y., & Tseng, W. Y. (2022). The influence on surface characteristic and biocompatibility of nano-SnO2-modified titanium implant material using atomic layer deposition technique. Journal of the Formosan Medical Association = Taiwan yi zhi, S0929-6646(22)00395-3. Advance online publication. https://doi.org/10.1016/j.jfma.2022.10.011

Изобретение относится к области медицины, а именно к конструкции дентального имплантата и способу его изготовления. Дентальный внутрикостный конусный имплантат из легированных сплавов титана с наноструктурированным покрытием содержит внутрикостную конусовидную часть и внекостную часть в виде конуса, имеющую отверстие для винта-заглушки, и расположенную между ними шейку, причем наружная поверхность импланта, контактирующая с костью, представляет собой наноструктурированное покрытие, полученное с помощью технологии атомно-слоевого осаждения. В качестве сплавов титана используют сплавы ВТ6 или ВТ20. Способ изготовления дентального внутрикостного конусного имплантата из легированных сплавов титана с наноструктурированной поверхностью заключается в нанесении на металлическую титановую основу имплантата пленки из диоксида титана толщиной до 30 нм, причем атомарное осаждение TiO₂ производят с применением плазменной активации. Достигается получение в едином технологическом процессе без извлечения имплантата из камеры биоинертного наноструктурированного покрытия, что способствует более эффективному взаимодействию поверхности имплантата с клеточными элементами и биологическими жидкостями и улучшает остеоинтеграцию, повышение прочностных характеристик имплантата, уменьшение температуры и времени процесса нанесения покрытия. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 10 ил., 2 табл.

1. Дентальный внутрикостный конусный имплантат из легированных сплавов титана с наноструктурированным покрытием, содержащий внутрикостную конусовидную часть и внекостную часть в виде конуса, имеющую отверстие для винта-заглушки, и расположенную между ними шейку, причем наружная поверхность имплантата, контактирующая с костью, представляет собой наноструктурированное покрытие, полученное с помощью технологии атомно-слоевого осаждения с применением плазменной активации с источником емкостно-связанной плазмы и температурой синтеза менее 300°С, в верхней части имплантата выполнена резьба, которая имеет три захода с шагом 0,8 мм, резьба в нижней части имплантата имеет шаг 0,8 мм и один заход, имплантат изготовлен методом фрезерования из прутка титанового сплава диаметром 6 мм, при этом значение коэффициента запаса прочности дентального имплантата равно 3,9.

2. Имплантат по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сплавов титана используют сплавы ВТ6 или ВТ20.

3. Способ изготовления дентального внутрикостного конусного имплантата из легированных сплавов титана с наноструктурированным покрытием по п. 1, заключающийся в нанесении на металлическую титановую основу имплантата пленки из диоксида титана толщиной до 30 нм, причем атомарное осаждение TiO₂ производят с применением плазменной активации с источником емкостно-связанной плазмы и температурой синтеза менее 300°С, заготовки имплантатов, выполненные методом фрезерования из прутка титанового сплава диаметром 6 мм, после очистки устанавливают на подложкодержатель и загружают в камеру реактора с последующим алгоритмом действий:

- запускают вакуумный насос для создания давления в камере 10 миллибар;

- запускают процесс синтеза пленок TiO₂ на поверхности имплантатов;

- выгружают подложкодержатель с изделиями;

- производят контроль методом микроскопии;

- производят контроль микротвердости полученного покрытия методом наноиндентирования.