Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава Российский патент 2023 года по МПК A61L27/04 A61L27/30 C25D11/30 C22F3/00 

Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющим формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, в частности, для повышения коррозионной стойкости и адгезионной прочности биорезорбируемых магниевых имплантатов, снижения скорости растворения, улучшения их биологической совместимости с живым организмом, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии.

Известен способ получения покрытия на сплаве Mg0,8Ca, сформированного с помощью плазменного электролитического оксидирования в силикатном электролите (A. Santos-Coquillat, M. Esteban-Lucia, E. Martinez-Campos, M. Mohedano, R. Arrabal, C. Blawert, M.L. Zheludkevich, E. Matykina, PEO coatings design for Mg-Ca alloy for cardiovascular stent and bone regeneration applications // Materials Science & Engineering C 105 (2019) 110026, https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110026) [1]. Для формирования покрытия использовали электролит, содержащий 9 г/л Na₂SiO₃·5H₂O, 1 г/л КОН и 10 г/л Na₃PO₄·12H₂O, 2,9 г/л CaO.

Недостатком известного способа является невысокое содержание в составе электролита силиката натрия, что может быть причиной недостаточной толщины и шероховатости покрытия, равных, соответственно 12,7±1,3 мкм и 0,84±0,01 мкм.

Известен способ получения покрытий с частицами β-ТКФ на поверхности сплава Mg0.8Ca методом микродугового оксидирования (M.B. Sedelnikova, K.V. Ivanov, A.V. Ugodchikova, A.D. Kashin, P.V. Uvarkin, YuP. Sharkeev, T.V. Tolkacheva, A.I. Tolmachev, J. Schmidt, V.S. Egorkin, A.S. Gnedenkov, The effect of pulsed electron irradiation on the structure, phase composition, adhesion and corrosion properties of calcium phosphate coating on Mg0.8Ca alloy // Materials Chemistry and Physics 294 (2023) 126996, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126996) [2]. Покрытия были модифицированы методом импульсного электронного облучения с плотностью энергии электронного пучка, равной 5 и 10 Дж/см². Покрытия обладают следующими электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е_к от -1,43 В до -1,56 В, плотность тока коррозии j_к от 1,1×10^-5 до 4,6×10^-6 А · см^-2, сопротивление коррозии от 1,8×10³ до 3,8×10³ Ом · см². Адгезионная прочность покрытий определялась методом скретч-теста. Критическая нагрузка варьировалась в пределах 4,0-8,6 Н.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является покрытие из диатомита, сформированное методом микродугового оксидирования в силикатном электролите - суспензии (A.D. Kashin, M.B. Sedelnikova, V.V. Chebodaeva, P.V. Uvarkin, N.A. Luginin, E.S. Dvilis, O.V. Kazmina, Yu.P. Sharkeev, I.A. Khlusov, A.A. Miller, O.V. Bakina, Diatomite-based ceramic biocoating for magnesium implants // Ceramics International 48 (2022) 28059-28071, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.111) [3]. Для формирования покрытия использовали электролит, содержащий NaOH 10 г/л, Na₂SiO₃ 15 г/л, NaF 3 г/л и диатомит 10 г/л. Полученные покрытия на 2-3 порядка повышают коррозионную стойкость по сравнению с чистым магниевым сплавом. Покрытия, нанесенные при напряжении процесса 350-500 В, обладают следующими электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е_к от -0,13 В до -1,58, плотность тока коррозии j_к от 8,7×10^-7 до 7,6×10^-8 А см^-2, сопротивление коррозии от 2,1×10⁴ до 6,8×10⁵ Ом см². Адгезионная прочность покрытий определялась методом скретч-теста. Критическая нагрузка варьировалась в пределах 6-10 ± 1 Н.

Недостатком известного способа является тот факт, что частицы диатомита (в основном, остатки панцирей диатомовых водорослей), осажденные из электролита на поверхность покрытия, могут быть причиной недостаточно высокой коррозионной стойкости и адгезионной прочности покрытия.

Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение на основе диатомита микродугового биопокрытия, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава на счет чего улучшается однородность покрытия, повышается его адгезионная прочность, коррозионная стойкость, снижается скорость биорезорбции магниевого имплантата, улучшаются остеогенные свойства.

Указанный технический результат достигается тем, что способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование (МДО) имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, при этом модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения (ИЭО) проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с^-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5- 7,5 Дж/см².

Микродуговое оксидирование проводят в щелочном электролите, следующего состава, г/л: диатомит 10; гидроксида натрия (NaOH) 10; силиката натрия (Na₂SiO₃) 15; фторид натрия (NaF) 3, в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 5 минут. При этом используют природный диатомит, представляющий собой порошкообразный аморфный кремнезем SiO₂ с размерами частиц 1-20 мкм.

Модифицирование микродуговых покрытий методом ИЭО проводят на установке РИТМ-ИЗ (ИСПМС СО РАН, Томск, Россия), при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с^-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значения плотности энергии электронного пучка варьировали в диапазоне 2,5- 7,5 Дж/см².

Раскрытие сущности изобретения.

Биоразлагаемые магниевые сплавы активно используются в биомедицинских приложениях. Кроме способности растворяться в организме человека, не вызывая воспалительных процессов, для них характерны такие свойства, как низкая плотность, близкая к плотности человеческой кости, и низкий модуль упругости. Для замедления скорости биорезорбции магниевых имплантатов применяют модификацию их поверхности путем нанесения защитных биосовместимых покрытий. Покрытие временно защищает имплантат от растворяющего воздействия физиологической среды и одновременно позволяет процессу остеосинтеза протекать с той же скоростью, что и растворение имплантата. Из всех различных методов нанесения покрытий метод МДО является одним из наиболее перспективных и экономичных способов создания покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов. Отличительной особенностью покрытий, формируемых методом МДО, является наличие большого количества пор разного типа: открытых, закрытых, каналов и т. д. Наличие пор разного типа и размера приводит к формированию пористой структуры и снижает способность микродуговых покрытий обеспечивать механическую стабильность магниевых имплантатов в период растворения. Решением этой проблемы может стать модификация поверхности микродуговых покрытий методом ИЭО, который позволяет изменять структуру и фазовый состав как металлов и сплавов, так и покрытий за счет сверхбыстрого нагрева и плавления поверхностного слоя.

Для получения микродугового покрытия используется природный диатомит, который представляет собой рыхлую землистую или слабосцементированную, пористую и легкую осадочную горную породу, образованную в основном кремнистыми обломками раковин (скелетов) диатомовых водорослей и радиолярий, состоящих из аморфного кремнезема SiO₂ с частицами размером 1-20 мкм.

Микродуговое покрытие на имплантате из магниевого сплава состоит из оксида магния и силиката магния, которые образуются в процессе МДО. Для формирования микродугового покрытия из диатомита на магниевой подложке электролит содержит следующие компоненты, г/л: диатомит 10, а также гидроксид натрия NaOH 10, силикат натрия Na₂SiO₃ 15 и фторид натрия NaF 3. Такой состав электролита обеспечивает биосовместимость микродугового покрытия с живым организмом, так как компонентами электролита являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями.

Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность нанесения 10 минут. Магниевая подложка состоит из магниевого сплава марки МА2-1пч, содержащего, мас. %: 94,12 Mg; 4,05 Al; 1,1 Zn; 0,6 Mn; 0,01 Si; 0,01 Cu; 0,005 Fe; 0,002 Be; 0,001 Ni.

Модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения (ИЭО) проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с^-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5 - 7,5 Дж/см². Параметры процесса ИЭО были определены экспериментально. Уменьшение величины плотности энергии электронного луча менее 2,5 Дж/см² и увеличение плотности энергии выше 7,5 Дж/см² не позволило обеспечить заявленный технический результат. Также экспериментальным путем было подобраны: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, а также оптимальное количество импульсов, равное 5.

Модификация микродугового покрытия методом ИЭО позволяет получить покрытия с улучшенными прочностными и антикорррозионными свойствами (повышенным значением потенциала коррозии, пониженными значениями тока коррозии и более высоким сопротивлением коррозии по сравнению с прототипом) и повысить их остеогенную активность.

Биоактивность модифицированного микродугового биопокрытия на поверхности магниевого имплантата достигается за счет использования диатомита - природного материала биогенного происхождения и формирования на поверхности керамического покрытия, содержащего оксид магния и силикат магния, с равномерной, развитой структурой поверхности.

Коррозионная стойкость модифицированного микродугового биопокрытия на поверхности магниевого имплантата достигается снижением скорости биорезорбции магниевого сплава за счет формирования на поверхности однородного, равномерно-пористого керамического покрытия, содержащего оксид магния и силикат магния.

Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет толщину 20-40 мкм

Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет общую пористость 4-7 % со средним размером пор 1-7 мкм.

Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет шероховатость 5,0-7,5 мкм

Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет адгезионную прочность при царапании (склерометрическим методом) 8,8-13,3 Н.

Модифицированное микродуговое биопокрытие характеризуется электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е_к от -0,16 В до -0,51 В, плотность тока коррозии j_к от 7,3×10^-8 до 4,6×10^-10 А см^-2, сопротивление коррозии от 1,1×10⁶ до 1,4×10⁸ Ом см².

Модифицированное микродуговое биопокрытие содержит количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами покрытия составляло 90,6-91,3 %.

Модифицированное микродуговое биопокрытие содержит кристаллические соединения, такие как форстерит (Mg₂SiO₄), и оксид магния (MgO).

Приборы и методы с помощью которых проводят измерения свойств.

Исследование морфологии, структуры и элементного состава покрытий проводили на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия) Для расчета пористости покрытий по РЭМ-изображениям применялся стандартный метод «секущей». Общая пористость оценивалась металлографическим методом, который основан на определении просвета пористого материала по микрофотографиям.

Исследования микроструктуры покрытий проводились на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 JEOL.

Элементный анализ покрытий осуществляли на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия), оснащенном приставкой для энергодисперсионного микроанализа (INCA Energy-250, Oxford Instruments).

Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник) с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Co-Kα излучении (λ = 0.17902 нм) в диапазоне углов 2θ = 10-90° с шагом сканирования 0,02.

Шероховатость поверхности покрытий определяли на Профилометре-296 (Россия) по параметру Ra (ГОСТ 2789-73).

Толщину покрытий измеряли с помощью микрометра МК-25, а также по микрофотографиям поперечных сечений покрытий.

Коррозионные свойства покрытий исследовали электрохимическим методом с помощью прибора потенциостат-гальваностат «П-40Х» («Electrochemical Instruments», г. Черноголовка, Россия). Опыты проводились в двухэлектродной ячейке в 0,9% растворе NaCl. Кривые потенциодинамической поляризации были получены при скорости 2 мВ/с в диапазоне электродного потенциала ±1,9 В.

Адгезионную прочность покрытий к подложке оценивали скретч-методом на макроскретч-тестере Revetest RST (CSM Instruments, США). Радиус индентора составлял 200 мкм, максимальная нагрузка при вдавливании 30 Н, длина царапины 5 мм.

Биосовместимость покрытий оценивали in vitro методом МТТ-анализа, с помощью которого определяли влияние покрытий на жизнеспособность клеточных линий мышиных фибробластов NIH/3Т3 (Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР», Новосибирск, Россия).

Пролиферативную активность клеточных линий определяли методом непосредственного подсчета количества клеток после контакта с образцами при помощи оптического микроскопа.

Изобретение иллюстрируется фигурой, на которой представлены РЭМ-изображения исходного микродугового покрытия на магниевом сплаве МА2-1пч из диатомита (а), а также микродуговых биопокрытий, модифицированных методом ИЭО с плотностью энергии электронного луча 2,5 Дж/см² (б), 5,0 Дж/см² (в) и 7,5 Дж/см² (г).

На фотографиях (б), (в) и (г) видна однородность полученных модифицированных микродуговых биопокрытий.

Изобретение осуществляется следующим образом.

Пример 1

Берут образец имплантата в виде металлической пластины размером 10⋅10⋅1 мм, выполненный из магниевого сплава МА2-1пч. Пластину подвергают шлифовке до достижения шероховатсти Ra=0,6 мкм, затем проводят ультразвуковую очистку сначала в дистиллированной воде, а затем в спирте в течение 10 минут. Микродуговое оксидирование имплантата проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 5 минут.

Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Берут компоненты электролита: силикат натрия (Na₂SiO₃) 15 г, гидроксид натрия (NaOH) 10 г, фторид натрия (NaF) 3 г растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды. Для получения электролита-суспензии в раствор добавляют диатомит в виде порошка в количестве 10 г и доводят объем смеси до метки 1000 мл путем добавления дистиллированной воды.

Модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с^-1, соответственно, количество импульсов 5, при этом значение плотности энергии электронного пучка равно 2,5 Дж/см².

Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 40°мкм, шероховатость Ra биопокрытия 5,0 мкм, пористость 7 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 8,8 Н, потенциал коррозии Е_к -0,16 В, плотность тока коррозии j_к 7,3×10^-8 А·см^-2, сопротивление коррозии 1,1×10⁶ Ом·см², количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 90,6 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (60,0 ат. %), Al (1,5 ат. %), Si (14,5 ат. %), Mg (23,6 ат. %), Ca (0,2 ат. %).

Пример 2.

Порядок подготовки образца имплантата из магниевого сплава, процесс нанесения микродугового покрытия и состав электролита аналогичны примеру 1.

Отличие заключается в том, что модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с^-1, соответственно, количество импульсов 5, при этом значение плотности энергии электронного пучка равно 5,0 Дж/см².

Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 30 мкм, шероховатость Ra биопокрытия 6,0 мкм, пористость 6 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 11,6 Н, потенциал коррозии Е_к -0,29 В, плотность тока коррозии j_к 2,8×10^-8 А·см^-2, сопротивление коррозии 1,8×10⁶ Ом·см², количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 91,3 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (59,5 ат. %), Al (1,5 ат. %), Si (13,8 ат. %), Mg (26,2 ат. %), Ca (0,1 ат. %).

Пример 3.

Порядок подготовки образца имплантата из магниевого сплава, процесс нанесения микродугового покрытия и состав электролита аналогичны примеру 1.

Отличие заключается в том, что модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с^-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значение плотности энергии электронного пучка равно 7,5 Дж/см².

Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 20 мкм, шероховатость Ra биопокрытия 7,5 мкм, пористость 4 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 13,3 Н, потенциал коррозии Е_к -0,51 В, плотность тока коррозии j_к 4,6×10^-10 А·см^-2, сопротивление коррозии 1,4×10⁸ Ом·см², количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 91,0 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (55,4 ат. %), Al (1,0 ат. %), Si (15,5 ат. %), Mg (27,1 ат. %), Ca (0,1 ат. %).

Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющим формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии. Предлагаемый способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, при этом модифицирование микродугового покрытия проводят методом импульсного электронного облучения при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с^-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5-7,5 Дж/см². Проведение указанной выше модификации покрытия обеспечивает улучшение однородности покрытия, повышение его адгезионной прочности, коррозионной стойкости, снижение скорости биорезорбции магниевого имплантата, улучшение остеогенных свойств. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 ил.

1. Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава, включающий микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, отличающийся тем, что модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с^-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5-7,5 Дж/см².

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в щелочном электролите следующего состава, г/л:

диатомит 10 гидроксид натрия (NaOH) 10 силикат натрия (Na₂SiO₃) 15 фторид натрия (NaF) 3,

в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 5 минут.

3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что используют природный диатомит, представляющий собой порошкообразный аморфный кремнезем SiO₂ с размерами частиц 1-20 мкм.