Автореферат и диссертация по медицине (14.00.21) на тему:Экспериментальное изучение биосовместимого покрытия для дентальных имплантатов, полученного методом воздушно-плазменного напыления

од

I 1 г'1»1/||. ьъл

На правах рукописи

НОВИКОВ СЕРГЕЙ ВИКТОРОВИЧ

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИЗУЧЕНИЕ БИОСОВМЕСТИМОГО ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛДНТАТОВ. ПОЛУЧЕННОГО МЕТОДОМ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ.

14.00.21 - енпттоло! ня

А В Т О Р Н Ф I; Р А Т диссертации на соискание ученой степени кандидата медицинских паук

Сапкг-[1е1срГ)ур| 1997

Работа выполнена в Санкт-Петербургской медицинской последипломного образования.

академии

Научный руководитель - доктор медицинских наук A.B. Цимбалистов

Официальные оппоненты:

доктор медицинских наук, профессор A.A. Лимберг доктор медицинских наук, профессор М.М. Соловьев

Ведущее учреждение - Санкт-Петербургская Военно-Медицинская Академия.

Защита состоится "_"_1997 г. в _ часов на заседании

Диссертационного Совета Д 074.16.05 при Санкт-Петербургской медицинской академии последипломного образования по адресу: 193015, Санкт-Петербург, ул. Салтыкова-Щедрина,41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке СПб МАПО (ул. Салтыкова-Щедрина,41).

Автореферат разослан "_"_1997 г.

Ученый секретарь Диссертационного Совета, кандидат медицинских наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

AKiyajibiiucib исследования. В ортопедическом стомаюлогмп все большее распространение получают методы имплантации. Протезирование с опорой на нмплан I а 1 ы обеспечивает высокие функциональные и эстетические резулыаты чечення. позволяет избежать недостатков, присущих съемным нрО)езам (Олесова В.И., I9Ü6, Миргазгпов M.J.. 1988, Соловьев М.М., 1992, Суров О.Н., 1993, Сухарев М.Ф., 1996, Hobo S., et. at., 1980, Veron C„ et. at., 1995, Chaj I., 1995).

Потребность в орюпедическом лечении с использованием метода имплантации чрезвычайно высока, если исходиib из характера дефектов, являющихся прямым показанием к имплантации. Среди обращающихся за помощью значительную часть представляют пациенты в возрасте 35-40 лет, для коюрых использование съемных протезов неприемлемо по эстетическим и психологическим соображениям. Успех лечения в значительной степени зависит от системы имплантации и материалов, используемых для ее построения.

В последнее десятилетие доказана высокая клиническая эффективность пчнлан кшионных систем, с использованием естественного минерального компонента косшои ткани - г идроксилапашта (ГА). Такие имплашапы

ооладакл свойством "механо-химичсско| о" сцепления с костной тканью. Механическое - uojiniKaei за счет iiiueiрации косшои 1кани, химическое -oöpaiyercH вследствие возникновения химической связи между костью и iiMiuiaiiiaioM (Yukna RA, 1991, Tacarada 11., Kincbuchi Г., 1993, Fillag М.1., et. al , 1 993).

Как показывает анализ специальной литературы, основными проблемами

Гшосовмесшмост композиционных покрыти является прочность их прикрепления к титану и биологическая усюйчнвоси,, определяемая сложные химическим взаимодействием естествен!!ых и искусственных апатитов (Лясннков В.И. с соавт., 1990, Cross V., et. al., 1987, Morimo К.., et. al., 1987, Kent

J N . et al.. 1990. 1995. Bauer T.W., et. al., 1991. Misch C.M., et. al., 1993, Szabo G , et at.. 1995).

Наиболее перспективный метод получения биосовмесгпмых покрытий необходимой прочности - газотермическое наныление. Он a priori предполагает

воздействие высоких темперагур на соединения с довольно низкой температурной устойчивостью и сложным химическим составом. Возникающие при получении покрьпия продукты термохимической десфукцип MOiyi отрицательно сказываться на его биоустончивости. Остаются неясными такие характеристики покрьпия как толщина, пространственная организация. iiJioiHocib. xapaKiep ишерфеиса титан - ГА. Эш параметры сказывают влияние на биосовместимость, биоустойчивость и механическую прочность покрытия -важнейшие качества, обеспечивающие успех имплантации (Cook S.D., Dalton i.li., 1992, Denissen H.W., et. al.. 1996). Без решения этих проблем невозможно построение имплантационной системы, основанной на биоактивных свойствах шдроксилапати та.

Создание отечественной системы имплантации с бносовместимыми свойствами поверхности, включающей синтез гидроксмлапатита и технологию нанесения покрытий, позволит существенно снизить стоимость имилантацнп. Принципиально новый характер закрепления в косной ткани, значительная прочность интерфейса кость-имплантат позволяет расширить клинические показания метода, основанного на биосовмсстимых свойствах поверхности имплантатов.

Покрьпия па основе ГА могут использоваться на внутрикостных частях )пдонро1С1ов суставов, где необходимо прочное закрепление искусственных конструкций в костной ткани.

Все изложенное позволяет рассчитывать на более дпительнЪе время функционирования имплантатов с покры тями из ГА определяет актуальность и служит основанием для проведения данного исследования.

Цель исследования. Целью настоящего исследования является разработка, токсикологическая и экспериментально-морфологическая оценка гидроксилапатитсодержащего биосовместимого покрытия для дентальных имплантатов, получаемого методом плазменного напыления в воздушной среде.

В соответствии с целью исследования поставлены следующие задачи: I. Разработать рецептуру и технологию получения механически устойчивого, биосовместимого покрытия дентальных имплантатов с максимальным содержанием гплроксиламати га.

2 .___Изучить________физико-химические-----и----механические свойства

i идроксилапатитсодержащего покрытия и доказать их соответствие фсбованиям, предъявляемым к дентальным имплантатам.

3. Экспериментальными исследованиями in vitTO в культуре клеток и опытах на животных изучить токсикологическую и морфологическую реакцию тканей на «падение имнлантатп с биосовместимым покрытием, полученным методом плазменного напыления на титан в воздушной среде.

Научная новизна. В результате проведенных исследований впервые усыновлено, что методом воздушно-плазменного напыления ГА и окиси алюминия на титановые имплангаты возможно получение биосовместимых покрытий. Эю подтверждено в экспериментах in vitro и имплантацией полученных образцов животным. Проведено комплексное физико-химическое исследование состава и структуры покрытия методами рентгенофазового, микрорентгеноспектрального анализа и сканирующей электронной микроскопии. Определены оптимальные технологические параметры нанесения покрытия, обеспечивающие прочность, голшину, развитую поверхность и компактность при максимальном содержании гидроксилапатита.

Практическая значимость работы. Проведенные исследования указывают на большие возможности метода воздушно-плазменного напыления для создания биосовместимых покрытий на основе ГА. Разработана технология получения бносовместимого гидроксилапатитсодержащего покрытия, адапшропано технологическое оборудование для плазменного напыления и получены экспериментальные образцы нмилантатов, предназначенных для применения в стоматологии. Процесс получения покрытий основан на использовании отечественных ресурсов - начиная от ГА и титана, заканчивая техникой для нанесения покрытий и методов, необходимых для оценки биосовместимости и физико-химических параметров состава. Это позволит отказаться от приобретения импортных систем имплантации, что существенно увеличит доступность протезирования на имплантатах и повысит уровень функциональной и эстетической реабилитации больных.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту.

1. Методом воздушно-плазменного напыления гидроксилапатита и окиси алюминия на пиан возможно получение покрытий, обладающих биосовместимыми свойствами.

2. По совокупности биологических свойств - отсутствию циготоксичности, реакции костной ткани на имплантацию, физико-химическим характеристикам -прочности прикрепления к титану, толщине, компактности строения, имплантаты с покрытием ГА могут использоваться в стоматологии.

3. Использование цмплантатов с покрытием целесообразно в двухэтапной методике имплантации с отсроченной на 3-6 месяцев функциональной нагрузкой.

4. Полученное покрытие может использоваться для улучшения фиксации ждопротезов в клинике хирургической ортопедии и травматологии.

Диссертация является результатом самостоятельных исследований, проведенных на базе Санкт-Петербургской ассоциации "Полиплазма", лаборатории химических канцерогенных агентов НИИ онкологии Минздрава РФ и кафедры ортопедической стоматологии Санкт-Петербургской Медицинской Академии последипломного образования. Материалы исследовании публиковались в виде журнальных статей и тезисов.

Публикации. По теме диссертации опубликованы 2 печатные работы и получено авторское свидетельство на изобретение № 1837620 от 13.09.1992 г.

Апробации работы. Результаты работы сообщены на пленарном заседании научного общества стоматологов Ленинграда н области (1990 г.), международном семинаре "Газотермическое напыление в промышленности СССР и за рубежом" (Ленинград, 1991 г.), конференции врачей-стоматологов Саратовской области "Современные методы протезирования зубов" (Саратов, 1996 г.).

Обьсм н структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и практических рекомендаций, изложена на 140 страницах машинописного текста, включает 7 таблиц и 25 рисунков. Указатель литературы содержит 189 работ отечественных и зарубежных авторов.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ____________________________________Материалы и методики исследования._________________________________

Для плазменного напыления покрытии на основе Iидроксилапатиза использовали установку УПН "Полиплазма". Генератором плазменной струи служит, плазмотрон ПНВ-23, плазмообразуюишм н цэанспортарующим газом -воздух. Схема работы установки представлена на р'нс. I.

Рис. 2.1. 11рипципиальная схема установки плазменного напыления, использованной для получения (¡несовместимых покрытий.

]. 1 еиератор плазменного потока (плазмотрон)

2. Шнхтопровод с дозатором

3. Блок управлении

4. 11лазменный поток

5. Осаждение часгиц на титановую подложку (имплантат)

6. Камера напыления

Смесь гидроксилапатита и оксида алюминия подается вибрационным дозатором в обесточенную часть плазмы, где происходит мгновенное оплавление частиц с последующим осаждением на подложку (титан ВТ-1-00, ГОСТ 19.807-91) и формирование покрытия. Использовали три режима подачи порошка в плазмотрон (75° ± 15°; 90° ± 15°; 105° ± 15°) и различные весовые соотношения ГА и Л12СЬ (50:50, 80:20) в порошке.

Основные параметры напыления:

• дистанция наныления, мм - 40-50

• расход плазмообразующего газа (воздух), г/с - 1,5

• скорость линейного перемещения имплантата, см/с - 3

• расход порошка, кг/час - 0,3

• время напыления, с - 2,3

• толщина покрытия, мкм - 50-70

• гок дуги плазмотрона, А - 100-140

Исходные материалы для напыления - гидроксилапатит и химически чистый оксид алюминия. Синтез гидроксилапатита проводили методом Тнчелиуса. Метод модифицировали для получения кристаллического гидроксилапатита. Для получения смеси использовали ротационный смеситель. Время перемешивания - 4 часа, после чего порошок просеивали через сито с ячейкой 100 мкм. Полученный порошок хранили в герметичной таре. Содержание гидроксилапатита определяли методом титрования по Фольгарду (Шарло Р., 1969). Содержание оксида алюминия в покрытии определяли весовым методом (Колытофф И.М., Стендер В.А., 1952).

Для исследования цитотоксических и биоадгезивных свойств покрытия на основе ГА и ALjOj, использовали клетки минимально трансформированной линии фибробластов мыши 10TI/2CjH. Основное свойство этих клеток -способность хорошо распластываться на субстрате, легкость выращивания в культуре, высокая чувствительность к действию токсических соединений (Freshev R.J., 1979). Всего исследовались 10 образцов с материалом на основе А1203 и гидроксилапатита, нанесенных методом плазменного напыления. В качестве

кошроля использовали ипановую пластину, покрытую оксидом алюминия.

______Принцип ме■ ода основан на -селективной окраске мертвых"клеток "красителей"

ipnnanoBMM сипим. Мониторинг клеток в культуре проводили иод ппвершроианнмм микроскопом. Для исследования адгезии покрытия к пиану на поверхность матрицы с покрытием, служащей аиалотом имплантант, наносили слои эпоксидной смолы с отвердителем. Сверху приклеивали коп трпбра îch. Черет 24 часа измерялось усилие (МПа), необходимое для отслаивания покрытия or титановой ма1рицы. Полученная величина характеризует устойчивость нмплантата к i оризонтальному вектору сил. С целью исследования прочности соединения с титаном на срез, покрытие наносили на цилиндр, служащий пуансоном. Котпробразец плотно прилегал к пуансону. Сила, необходимая для смещения пуансона и разрушения покрытия, характеризует вертикальный вектор сил, действующих на имплантат. Оценка механической прочности покрытая основывается на анализе вертикальной и i орнзон талыюй составляющих силы, необходимой для разрушения покрытия

(Тушинский Л И , Плоков A.B., 1986). ......

Ренпенострук'турные исследования и качественный фазовый анализ осуществлялся па рентгеновском диафрангометре ДРОН-2.0 с использованием монохроматическою К-излучения железа с длиной волны Ка= 1,93597 А (19,3597 Нч). Полученные решгено1раммы расшифровываются по общепринятой методике с использованием данных картотеки ASTM, где приводятся характеристические излучения соединений, способных оказать влияние на бноеовместнмость покрытия, а также составляющих фазы покрытия (Тушинский Л.И., Плоков A.B., 1986).

Микрорентгеноспек тральные и рентгенографические исследования производились на установке "Cam Scan", Великобритания.

Рен тт еноспекгральиым и рентгеноструктурным исследованиям подвергались образцы с максимальным содержанием ГА и имевшие оптимальные механические характеристики (адгезия к титану 25-30 МПа, сопро тивление на срез 35-40 МПа).

Экспернменталыто-морфолот ическтте исследования проводили на 10 кроликах весом 2,5 - 3 кг. Имплантаты инкорпорировались в эпифиз бедренной

кист. Чешре жшюшых составили контрольную группу, им установлены нмпланзаты из титана. Шести животным опытной группы инкорпорированы нмпланзаты покрытые ГА. Использованная методика, способна адекватно оценить биосовмесшмость материала с костной тканью (Gottlancier М. et. al., 1992, Cook S.D., et. al., 1992, Jansen J.A., et. al., 1993). Оперативное вмешательство осуществляли в условиях эфирного наркоза и премедикации Sol. Analgini 50% -2.0 и Sol. Droperidoli 0,25% - 1,0 внутримышечно. С помощью низкооборотной бормашины формировали ложе нмплангаза глубиной 5 мм, диаметром 3 мм., промывали его физиологическим раствором и вводили имплаитат (0 3,0 мм, 1.=5 мм). Рану зашивали послойно. Спустя 3 месяца кролики были выведены из жеперимен та, конечности с имплантатами ампутированы, произведена их фиксация в 10% нейтральном формалине. После декальцинации приготовлены I нсгологические препараты с окраской но Ван-Гизону и гематоксилин-эозином. Сииистическая обработка полученных данных произведена с использованием меюдон вариационной статстнкн но программе "Stadia" на компьютере IBM PC Д'Г 486DX4-I00.

Результаты исследовании и их обсуждение.

В лтерагуре практически не освещены технологические аспекты получения биоактивных покрытий. Известно, что процесс газотермическою напыления проводится в среде инертных газов, при высоких температурах - до ЗОООВ'С (Denissen H.W., Kalk W., 1990. Kashmir-Raven A.M.. et. al., 1995). Воздушно-плазменное напыление происходит при более низких TCMiiepaiypax (6000°-8000'С), что является преимуществом метода в силу низкой температурной устойчивости ГА (Клубпикнн B.C. с соавт., 1990). Полученные образцы содержали = 70% ГА. Остальная фаза в покрытии представлена A120.i. При соотношении ГА и AbOj = 70:30, можно рассчитывать на не только на биосовместимые но и на биоактивные свойства покрытия (Li J., et. al., 1995).

В процессе исследований использовали зри технологических режима рабон.1 плазмотрона при весовом соотношении гидроксиланатита и Л1203 50:50 и 80:20. Результаты экспериментов представлены в таблице I.

Таблица 1

Содержание ГЛ и Л1:Ол в нокрмнш при ра]личны\ режимах pafioibi илазмофона 1IIIB-23.

№ Vi ол ввода Содержание Содержание оксида

iидрокенланап!та, вес. % алюминия, вес. %

образца порошка, в исходном в покры [ИИ в исходном в покрытии

1 рад. порошке порошке

1 75 50 20±5 50 80±5

2 90 50 26±5 50 74+5

105 50 2415 50 76±5

4 75 80 50.5 20 50±5

5 90 80 68+5 20 32+5

6 105 80 58+5 20 42+5

Из анализа габл. I следует, что оптимальным углом подачи порошка в нлазмофои, при сиошошснип ГА и ЛЬОз 80:20 являе1ся режим 90° и 105°. Наибольшее содержание ГА доспи аегся при вводе порошка в плазму под yi лом

Ч()\ ! 1ри ном око н) 70% массы покрышя составляет ГА.

ГЧм>лыап,1 исследования цн m токсических и биоад! езивных спойсмв покрышя iijin раиичпых режимах рабопи плазмотрона ПНВ-23, нредс1авленм в (лбчнце Л.

Процесс напылеппи осущеовляли при leMiiepaiype воздуха ябОООС". Мы не исключали пошижиосп, термохимической деструкции анодно-катодпото узла njiaiMoipoiia и переноса на поверхность имплаптата токсических иродукюв: меди, никеля, тлфиня и др. С целыо адаптации технологического оборудования для медицинских целей полученные образцы покрытий нсньмынали на ЮКСНЧНОСТЬ. нснользуя быСфЫС ТСС1Ы II) vitro

Количественным маркером цитотоксичносгн в экспериментах с (|шброблас|ами линии 10Т1/2СзН, служи I содержание мертвых клеток и ирису и: I ним опмшых (пиан с покрытием) и конфольных обращен. Мирфоло! нчески, в присутствии повреждающих агентов, выявляется изменение характера расплас i ыиания клеюк. их формы, структуры цитоплазмы, сохранения способносш к размножению.

Таблица 2

Цитотоксические и биоадгезнвные свойства покрьиия на основе гидроксиланатита и оксида алюминия при различных режимах напыления образцов (8 образца =3см2).

Количество клеток, прикрепившихся к поверхности пластика чашек Петри и % мертвых клеток в 1 мл. Количест во клеток, прикрепившихся к поверхности материала на основе АЬОз и пщроксилапатита.

№ образка, соотношение ннградиентов, угол подачи смеси Количество прикрепившихся клеток в 1 мл. % мертвых клеток по отношению к общему числу JS» образца Количество прикрепившихся клеток в 1 мл. "/«мертвых клеток по отношению к общему числу

№1 КОН1 роль 530000 9.3 №1 - -

№2 50:50 ; 75°' 500500 8.7 №2 41800 7.8

№3 50:50 ; 90° 429000 6.4 №3 46700 10.2

№4 50:50; 105° 434500 2.5 №4 39400 14.2

№5 AhOj; 75° 198000 5.4 №5 23500 12.3

№6 /VIÍOj ; 90° 346500 7.9 №6 29700 4.3

№7 AhOv; 105° 198000 19.4 №7 44700 2.4

№8 20:80; 75° 341000 3.2 №8 39400 6.9

№9 20:80; 90° 370000 5.8 №9 46300 2.6

№10 20:80; 105° 363000 2.8 №10 44600 5.3

* - Угол подачи порошка в плазмотрон.

Образование больших количеств дебрпса - фрагментов клеточных мембран, творит о выраженной токсичности тестируемого материала. Напротив, субстратзависимый рост клеток 10Т1/2СэН на поверхности образцов дает гарантию того, что конструкция не отторгается при имплантации (РгевЬеу Ю., е1 а]., 1974). Визуально, после инкубации в течение 4 суток в большей части испытуемых образцов наблюдали цитологическую картину, вид которой

соответствовал нормальным клегкам культуры (|)нбробластоп лнннн ЮТ1/2С1Н. Проведенный н течение 4-х суюк мониторинг с помощью инвертированно! о микроскопа не выявил каких-либо цитологических отличий между кошрольной н опытом сериями. КлС1ки имели несколько вытянутую веретенообразную форму и сохраняли способность к рашпожению. Сохранение способности к росту, структура клеточного слоя фибробласшв, содержание мертвых клеток в опыте 11 кон фоле, позволяет сделан, вывод об отсутствии цито токсических снойс1в у образцов, полученных методом плазменного напыления в активной среде воздуха. при соотношении ГА и Л1;03 80:20 (по весу) и утле подачи порошка в плазмотрон 90° .

При изучении ии готоксичносщ образцов покрытия, полученных при работе плазмотрона более 8 часов (при ресурсе сопла 10 часов), обнаружен выраженный цитотоксический эффект. Более 98% клеток окрашивались фипановым синим.

Ориентируясь на результаты, полученные в опытных и конфольной группах, можно сделать заключение, но при работе плазмотрона в течение 3-4 часов возможно получение покрытий, не обладающих ннюгокснческпмн сиойсщами. Эю косвенно свидетельствует о высокой биосовмесптмости материала на основе 1 пдрокенланатита.

Оптимизации парамефов напыления позволила получить обрашы нокрыши со следующими механическими характеристиками: о сопро Iивленис на срез - 35 - 40 МПа

• адгезия к титану - 25-ЗОМПа

• содержание ГА - 68 ±5'!,,

Напыление производилось при различных технологических режимах, весовых соотношениях ГА и Л120), размерах частиц, а также в среде инертных тазов. Результаты исследований представлены в табл. 3.

И) авали т данных габл. 3 следуем что достаточные величины сопротивления на срез, получены в большинстве используемых технологических режимах напыления (и. 1-й. 11. 8-9, п. 12-17, п.19). Очевидно, что требуемые механические свойства и бпосовместимосгь будут достигнуты при минимальных

изменениях химическою cociana ГА, максимальном контакте расплавленных части AliOi.

Таблица 3

'JaniiciiMucib coiipoi пиления на срез и ад| езин иокрышн к поверхности iHiana 01 основных параметров процесса напыления.

Л» Ма1срнал Диаметр Листан- I Ijujmo- Угол Сопро- Адгезия

■III гл. AljOi, сопла ии» обрачу- ввода тивление ЛШа

мкм. мкм. плазмо- напыле- юншн порош- на срез,

вес % вес, % трона, мм ния, мм. газ ка, град. МПа

1 3-5/80 0.1-5/20 7 42 возду* 90 39.4Ю.9 24+0.6

2 3-5/80 0.1-5/20 7 49 воздух 90 40±1.5 24.3±1.2

3 3-5/80 0.1-5/20 7 35 воздух 90 34±0.9 20.3±1.2

4 3-5/80 0.1-5/20 7 28 воздух 90 9.67±1.45 4.17+0.4

5 3-5/80 0.1-5/20 7 56 воздух 90 34±0.6 20.7±0.9

6 >5/80 0.1-5/20 7 42 воздух 90 9.67+0.88 5+0.6

7 <3/80 0.11-5/20 7 42 воздух 90 38.4+1.2 26.2+0.4

8 3-5/80 0.1/20 7 42 воздух 90 4+0.6 4.93±0.56

9 3-5/80 5-20/20 7 42 воздух 90 35.7±1.2 25.1+0.09

10 3-5/80 0.1-5/20 7 42 аргон 90 12+1.2 8.27±0.09

11 3-5/80 0.1-5/20 7 42 ч 8.2Й И а | 90 12.3+0.9 8.11 ±0.06

12 3-5/80 0.1-5/20 9 51 воздух 90 39.7+0.4 35.2+0.4

13 3-5/80 0.1-5/20 9 45 воздух 90 36.7+0.3 30.4±0.3

14 3-5/80 0.1-5/20 9 63 воздух 90 30.3+1.3 10.4+0.3

15 3-5/80 0.1-5/20 9 72 воздух 90 34.3+0.3 30.5±0.4

16 3-5/80 0.1-5/20 9 36 воздух 90 11.7±0.3 7.9+0.05

17 3-5/60 0.1-5/40 7 62 воздух 90 40.7±0.7 35.2±0.2

18 3-5/90 0.1-5/10 7 42 воздух 90 30.7+0.7 29.7+0.3

19 3-5/55 0.1-5/45 7 42 воздух 90 40.7±0.7 35Ю.06

20 3-5195 0.1-5/5 7 42 воздух 90 9.33±1.2 7.93+0.07

При увеличении содержания AI1O1 в порошке для напыления прочность

покрытия приемлема, но количество ГА недостаточно для реализации биолошческих свойств.

Покрыто обладает достаточными механическими свойствами сонрошвлення на срез 40 МПа, адгезия 35 МПа (п. 17-19). При увеличении содержания ГА в-составе для напыления, прочность покрытия составляет® 10 и

~ X МГ1;1 соотекчвенно. колпчесша А1:(), исднсино'шо для формирования прочною каркаса (и.и. 20). Увеличение дискищин напыления иршюдш к нро.толжиюи.ному времени нахождения чаешц ГА и плазме с темпера1уром около 6000°С п иракшчески полной десчрукшш соединения (п. 14,15). В случае уменьшения дискишии (п.4), не происходи! достаточного пронлавления частиц А1;0.1 и мокры ше обладает низкими механическими свойствами (п.4). Менее шмешое снижение механических свойсш наблюдается при дистанции 35 мм, но прочность покрышя уже находи 1ся на пределе допустимого: яг 35 и к 20 МПа, п.З.

Замена воздуха па аргон, смесь аргона и водорода (п.п. 10,11) предполагает высокие темпера гуры напыления (до 15000°) и приводит к разрушению ГА. Механические свойства покрытий резко снижены. Если размер части ГА менее 3 мкм, происходит рассеивание частиц и, увеличение содержания А1;Оз в покрытии (п.7). Оптимальные характеристики покрытия достигаются при дистанции напыления 40-50 мм, размере частиц ГА 3-5 мкм, чаепщ АЬОз 0,1-5 мкм (и.п. 1. 2, 9, 12, 13). При этом сопротивление покрытия на ере) колеблемся в пределах 35-40 МПа, адгезия к пггапу равна 25-30 МПа., содержание ГА ь иокрыши 68 ± 5%. Указанные величины сопротивления на срез п ал1ен|и к пиану, свидетельсгеуют о формировании прочной матрицы из би0\С10йчив0й алюмооксидной керамики, в пространстве которой распределен I А.

Проведенный микроренпенофазоный анализ показывает, что основной фа юн в иокрыши является ГА и оксиапатит. образующийся при термическом разложении ГА п а-. (3-трикальцийфосфат. Продукты взаимодействия между ГА и Л1:От не определяю гея. В образце покрышя, обладающего ци го токсическими скойсшами. обнаружены никель, медь, хром.

В избранном 1ехноло| ическом режиме - соотношение ГА и АЬ:Оз 80:20, подаче порошка в плазмотрон иод углом 90°, дистанции напыления 5-7 калибров (40-50 мм), не происходит выраженной термохимической деструкции ГА. Кальции и фосфор находятся в связанном состоянии, на что указывает совпадение молей Са и Р. Идентичное!!, распределения говорит о иешачщелыюй (в пределах 5-10%) термохимической деструкции ГА, что

подтверждается распределением AI в пространстве покрытия. Наложения пиков Ca и Р па соответствующие сигналы AI не происходит. Сигналы Ca, Р, Л! контурируются раздельно. Следовательно, доказательства образования устойчивых соединении в системе Ca - Р - AI. отсутствуют. Данные химическою анализа исследованного образна, содержащего максимальный уровень ГА, подтверждаются повышенным процентным соотношением полей распределения Ca. Р, AI. AhCb , служащий армирующей связкой, равномерно распределен в пространстве покрытия, и не вступает во взаимодействие с CA и Р, содержащимися в ГА. По данным электронной микроскопии покрытие имеет толщину 50-70 мкм, плотно прилегает к титану, компактно, обладает развитой поверхностью, микротрещины в его массе и на поверхности отсутствуют.

Морфологически изучено 6 фрагментов костном ткани с имплантатами, покрытыми ГА и АЬОз. Два образца с имплаптагамп из чистого титана служили контролем. Импланзаты с покрытием имели цилиндрическую форму, исключающую обрастание костной тканыо. Однако сила, необходимая для извлечения имплантатов с покрытием, была сравнима с прочностью костной ткани. Титановые имплантаты аналогичной конфигурации, служившие контролем, с незначительным усилием извлекались из реципиентного ложа. Мы не измеряли усилие, необходимое для извлечения имнлан гатов, поскольку в этом случае мы не имели бы необходимого материала для гистологической обработки тт последующего морфологического изучения. Поэтому акцент сделан на морфологические критерии оценки биосовместимости. Импланзаты граничили с компактной костью, имеющей плотное строение, большая часть имплантата была погружена в эрабекулярную кость. Контуры имплантата определяли по наличию частиц АЬОэ. расположенным по периферии ложа, либо проникающим на различную глубину в прилежащую кость. Костная ткань, окружающая имплантаты с покрытием, состоит из двух форм - зрелой костной ткани и I рубоволокнисгон незрелой костной ткани, постепенно заполняющей полости резорбции. Ткань состоит из грубых волокон коллагена, имеющих различную ориентацию. Формирующаяся позднее зрелая кость окружает незрелую костную ткань. Для ¡релой костной ткани типично равномерное бледное окрашивание матрнкса, и правильная архитектоника микроструктуры.

В контроле , имплантаты окружены фиброзной капсулой. Толщина--------

капсулы 100 - 200 мкм., она рыхло прилегает к костной ткани, имеет компактное строение.

При имплантации ГА содержащего материала должен определяться прямой контакт костной ткани и покрытия на основе ГА. Рост пластиночной кости вокруг имплатпата с биосовместимым покрытием, погруженного в трабекулярпую кость, свидетельствует о биоактивных свойствах (Denissen H.W. et. al.. 1996). Во всех исследованных случаях определялся прямой контакт частиц А1;Оз с кост ной ткаиыо. При увеличении х 150, частицы имею г темную окраску и находятся на границе кость - покрытие и проникают на незначительную глубину в прилежащую кость. Фиброза вокруг имплантатов с покрытием не отмечено. По периферии имплантатов, погруженных в трабекулярную кость, отмечен рост тонковолокнистой ткани, толщиной 75-100 мкм.

Таким образом, о биосовмесззшых свойствах имплантатов с покрытием, полученным методом воздушно-плазменного напыления на титан, свидетельствуют следующие морфолот ическис изменения:

1. Прямой кон такт частиц покрытия с окружающей костной ткаиыо.

2. В грабекулярной косгп пмплантаты с гюкрышем окружены ламеллярной костной тканыо, что позволяет сделать вывод об остеогенных свойствах нокрышя.

3. Конфольнме имплашаш были окружены фиброзной капсулой, характерной для пмплатмации биоинертного материала.

Позитивным фактом является прочность фиксации имплантатов с покрытием, сравнимая с прочностью костной ткани. Контрольные имплангагы извлекаются с незначительным усилием, что обусловлено образованием фиброзной капсулы.

Наблюдаемая морфологическая картина и прочность фиксации имплантатов с покрытием, возможно свидетельствуют о биоактивных свойствах полученного нами материала. Аналогичные результаты были получены H.W. Denissen с соавт., проводившими эксперименты по имплантации биоактивных композиционных материалов на основе ГА (Denissen H.W., et. al., 1996).

Комплексное исследование физико-химических свойств покрытия и ретулыам.т экспериментов in vitro, в культуре клеток, данные морфологических

исследований при имплантации животным, позволяют сделать вывод о перспективности использования имплантатов в клинике ортопедической стоматологии, других областях медицины - ортопедии и травматологии, где также актуальна проблема фиксации эндопротезов в костной ткани.

Рационально использование следующего состава и режимов напыления покрытий:

1. Соотношение ГА и АЬОз в составе для напыления - 80:20

2. Угол подачи порошка в плазмотрон - 90»

3. Дистанция напыления, мм - 40-50

4. Расход транспортирующего газа (воздух), г/с - 0,2

5. Скорость линейного перемещения имплантата, см/с - 3

6. Производительность подачи порошка, кг/ч - 0,3

7. Время напыления, с - 2-3

8. Ток дуги, А - 90-140

Напыление производится на установке плазменного напыления УПН-1, с использованием плазмотрона ПНВ-23 конструкции Санкт-Петербургской ассоциации "Полиплазма".

Характеристики покрытия:

1. Содержание ГА - 68 ± 5 %

2. Толщина - 50-70 мкм

3. Адгезия к титану, не ниже - 25-30 МПа

4. Сопротивление на срез, не ниже - 35 - 40 МПа Технологический процесс получения биосовместимых покрытий, состоит

из 4 этапов:

1. Подготовка имплантатов к напылению

2. Подг отовка шихты (смеси ГА и АЬОэ).

3. Напыление имплантатов.

4. Контроль качества полученного изделия.

В связи с возможным износом узлов плазмотрона, рационально выборочное испытание покрытий в краткосрочных (7-10 дней) тестах на цитоток си чность.

Принципиальная схема технологического процесса приведена на рис. 2.

Подготовка имплантатов к напылению Подгоювка шихты (смеси ■ ндроксиланатша и окиси алюминия)

). Кошроль размеров 1. Сишез гидроксилапатита

2. Пескоструйная обработка тела нмплан1a i а 2. Контроль чистоты препаратов

3. Электрополировка шейки нмпланuna 3. Смешивание в ротационном смеси I еле

4. Очистка поверхности имплаптата в улыразвуковой ванне

5. Контроль качества

I

_Напыление_

1. Подготовка установки_

2. Осмотр плазмотрона_

3. Очистка камеры для напыления

4. Контроль работы дозатора_

5. Напыление_

6. Полировка поверхности имплаптата

Контроль качества полученного _покрытии_

1. Удаление водорастворимых соединении кипячением в бнднешлнротпиши воде_

2. Стерилизация__

3. Выборочное исследование имплантагоп в тестах на цитотоксичность in vitro

4. Упаковка в транспортные

кощейнеры

Рис. 4.2. Принципиальная схема технологического процесса

производства нмплантатов с биоактивным покрытием.

20

ВЫВОДЫ.

1. Разработанная технология нанесения на дентальные имплататы I идроксиланатита и . окиси алюминия позволяет получить устойчивое бносовмесчимое покрытие, обладающее высокими физико-механическими качествами : 25-30 МПа при воздействии на отрыв, 35-40 МПа при воздействии на сдвиг. —.

2. По совокупности биологических свойств - отсутствию цитогоксичности, адгезии фибробластов к поверхности покрытия, биосовместимым свойствам покрытия имплантатов, физико-химическим характеристикам - прочности прикрепления к титану, толщине, компактности строения, имплантаты с покрытием могут применяться в стоматологии.

3. Разработанная технология получения биосовместимого покрытия, базируется на адаптированном оборудовании для плазменного напыления, что позволяет получить экспериментальные образцы имплантатов, предназначенных для человека.

4. Полученное покрытие может использоваться для улучшения фиксации шдопротезов в клинике хирургической ортопедии и травматологии.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Рекомендуемый температурный режим плазменного напыления в воздушной среде позволяет снизить количество' продуктов распада гидроксилапатита в покрытии до приемлемой величины, что обеспечивает отсутствие их токсического действия,

2. Введение АЬОз в состав напыляемой смеси обеспечивает получение пористой керамики, включающей активную фазу - гидроксилапатит с сохранением достаточных физико-механических характеристик.

3. Рекомендуемая толщина наносимого покрытия равна 100 мкм с учетом последующего удаления поверхностного слоя во время обязательной полировки.

4. Предлагаемая технология позволяет получать биосовмсстамые покрытия на пмплаикиах любой формы.

5;Результаты чорфологичсских'исследовашШ показываю?. чю импланiaiы с

iipc.uiai iii'MWM покрытом можно шпружап. сумракопсip>книеи через 3-4 месяца после ус гаповки

6. В свяп! с В01М0ЖПЫМ износом учлои млазмогрона следуе! регулярно проводим, выборочные испытания покрышп па un го токсичность.

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАЬОТ, ОИУЬЛИКОИАПИЫХ ПО ТЕМ Ii ДИССЕРТАЦИИ

1. Плазменное напыление биоактивных покрытии на имплантаты //Сб. работ Международною семинара "Газотермическое напыление в промышленности СССР и за рубежом". - Ленинград, 1991.- С. 63-65 (в соавт. Карасевым М.В.. Клубникииым B.C., Федоровым С.Ю., Фроловым А.Г., Цимбалистовым A.B.).

2. Способ плазменного напыления биоактивных покрытий. Авторское свидетельство № 1837620 от 13 октября 1992 г.

3. Эксперимем lajibHoe и (учение 1каневон совмесшмосш 'ппановых пчп.тан ia юв, покрытых i идроксиланашюм и окисью алюминия нулем il ли SMCIHIOI о напыления // Сгомаюло! пи. - 1995,- №3,- С. 9-11 (в соав! Фроловым А.Г.. Федоровым С.Ю., Цимбалиеюиым A.B.).

"¡.¿шография Изд-ва СПбГУ. 19903-1. Санкт-Петербург, Университетская наб., 7/9.

Усл. tief, J. <ftïO. Ja ff.