ОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ГИДРОКСИАПАТИТОВЫХ ПОКРЫТИЙ

В настоящее время в имплантологии возрастает интерес к применению керамического электроплазменного покрытия из гидроксиапатита (ГА) Ca10(PO4)6(OH)2. ГА является основным неорганическим компонентом костной и зубной ткани человека и животных, чем обусловлена возможность его применения в репаративной медицине [7].

Основным недостатком покрытий из ГА является низкая механическая прочность. Решением этой проблемы может стать наноструктурирование покрытия из ГА, путем введения в него наночастиц гидроксида алюминия, бемита AlO(OH). Известно, что введение нанокристаллического бемита (5 – 30 %) в порошки корунда и глинозема приводит к снижению скорости роста зерен керамики, повышению трещиностойкости материала до 25 % и прочности при изгибе [6]. Кроме того, широко применяются гидроксиды алюминия в триботехнике, для создания абразивных, шлифовальных материалов и антисептических зубных паст, адсорбции вредных веществ из стоков сельскохозяйственных производств, создания покрытий [5]. Нанокристаллический бемит используется также в повязках «ЛОКУС», применяемых при лечении воспалительных процессов, возникающих при ожогах, ранениях, появлении пролежней, трофических язв и т.д. Введение бемита позволяет сокращать сроки лечения в среднем с 28 до 16 дней [9]. Механизм антибактеральных свойств бемита заключается в наличии большого числа гидроксильных групп, которые в водных растворах заряжаются положительно и активно сорбируют отрицательно заряженные бактерии и вирусы [4].

Таки образом, применение бемита представляется особенно актуальным в имплантологии, ввиду возможности не только повышения  прочностных характеристик покрытий, но и возможности придания  им антибактериальных свойств.

В связи с этим было бы интересно исследовать возможность применения наноструктурого бемита для повышения комплекса физико-технических характеристик электроплазменных керамических покрытий. Ранее введение наноструктурного бемита в электроплазменные покрытия не производилось.

Плазмонапыленные керамические покрытия имплантатов должны обладать развитой морфологией поверхности и открытой пористостью (при общей пористости 35-50 %) с обязательным наличием взаимосвязанных пор размером 100-200 μm [3,10]. Когда размер пор керамики превышает 100 μm, костная ткань прорастает через взаимосвязанные поровые каналы покрытия [11].

Известно, что размер пор пористой структуры Дп, в соответствии с формулой Козени, связан с размерами частиц Дч, из которых он состоит, и пористостью каркаса П:

Для получения необходимой пористой структуры используется порошок ГА с размером частиц 40 – 100 μm [2]. Такие крупные частицы ГА, согласно [8], содержат поры и поровые каналы. Использование капиллярных явлений взаимосвязанных пор как между частицами покрытий, так и внутри частиц ГА, позволяет производить их наноструктурирование путем импрегнирования суспензиями на основе наноструктурных материалов. Нами разработано два способа введения нанокристаллического порошка бемита в плазмонапыленные покрытия из ГА. В одном из них частицы AlO(OH) вводятся методом импрегнирования непосредственно в плазмонапыленное покрытие, в другом – в частицы ГА перед напылением.

В качестве подложки для электроплазменного напыления покрытий использовали титан марки ВТ1-0.

Первый метод заключается в импрегнировании сформированных ГА покрытий погружением в суспензии на основе бемита и дистиллированной воды (образец 1.1), бемита и 5 % раствора ПЭГ-400 (образцы 1.2, 1.3). Образец 1.3 подвергали УЗ обработке в течение 2 минут.

Во втором  способе полученные суспензии добавляли  в порошок ГА перед напылением и тщательно перемешивали (образцы 2.1, 2.2). Образец 2.2 подвергали ультразвуковой обработке в течение 2 минут. Полученные две суспензии на основе порошка ГА сушили на воздухе в течение суток, после чего в муфельной печи при температуре 200 °С в течение 1 часа. Полученные порошки использовали для формирования электроплазменных покрытий.

Был выполнен лазерный микроспектральный анализ с поверхности покрытий, импрегнированных двумя способами (Рисунок 1).

Характер распределения линий отражения идентичен. В спектрах обнаружены линии Al, что свидетельствует о наличии бемита. При этом в покрытиях, импрегнированных с использованием УЗ и ПЭГ присутствуют линии Ti от подложки из титанового порошка, которые наиболее интенсивны при воздействии УЗ (Рисунок 1). Это может быть связано с более равномерным распределением частиц бемита в покрытии и появлением открытых поровых каналов, наличие которых необходимо в биосовместимом покрытии.

Распределение бемита по толщине покрытия, согласно результатам лазерного микроспектрального анализа, приведенного в работе [2], более равномерно при электроплазменном напылении покрытия из предварительно импрегнированных частиц порошка ГА (второй метод).

В Табл.1 показано, что модифицирование структуры покрытия наночастицами бемита приводит к повышению адгезии.

Таблица 1 Адгезия плазмонапыленных ГА покрытий из порошков ГА, модифицированных AlО(ОН) перед напылением

Показано, что использование капиллярных явлений взаимосвязанных пор частиц ГА и сформированных электроплазменных покрытий позволяет производить их наноструктурирование путем импрегнирования суспензиями на основе наноструктурных материалов. Процесс импрегнирования целесообразно проводить с использованием ПАВ ПЭГ-400 и ультразвуковой обработки.

Установлено, что введение в поры и поровые каналы порошка ГА наноструктурного бемита в виде суспензий на его основе с добавками ПАВ и УЗ-обработкой способствует наилучшему наноструктурированию плазмонапыленных керамических покрытий с увеличением адгезии более чем в 2 раза.

Список литературы

1.     LeGeros R. Z. Properties of Osteoconductive Biomaterials: Calcium Phosphates // Clinical Orthopaedics and Related Research.– 2002.– V.395.–P.81-98.

2.     Melnikova I. P., Lyasnikova A. V., Lyasnikov V. N. Physical Bases of Formation of Nanostructured Biocompatible Coatings on Medical Implants // Russian Physics Journal. 2014. Vol. 56. №10. P. 1190-1197.

3.     Muralithran G., Ramesh S. The effects of sintering temperature on the properties of hydroxyapatite // Ceramics Int.– 2000.– V.26.– P.221-230.

4.     Андриевский Р.А. Наноструктурные материалы: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Р.А. Андриевский, А.В. Рагуля. – М.: Издательский центр «Академия», 2005. – 192с.

5.     Галиновский А.Л., Муляр С.Г., Судник Л.В. // Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 2013. – №11(644). С. 64-69.

6.     Карпов А. В. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики / А. В. Карпов, В. П. Шахов. Томск: СТГ, 2001, 480 с.

7.     Лясникова А.В. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство и клиническое применение / А.В. Лясникова, А.В. Лепилин, Н.В. Бекренев, Д.С. Дмитриенко. Саратов: СГТУ, 2006. – 254 с.

8.     Лясникова А. В. Теоретические исследования физико-химических процессов формирования и функционирования серебросодержащих наноструктурированных покрытий / А. В. Лясникова // Вестник СГТУ, 2009. № 2 (38). С. 80-86.

9. Пат. RU 2424825 С2 от 10.01.2011г.

10. Пат. RU 2424825 С2 Гелеобразное покрытие из эластичного пенополиуретана для закрытия ран различной этиологии / Литинский М. А.,Куранов А. А., Мальков А. В., Афонин А. В., заявл. 02.07.2009г., опубл. 10.01.2011г.

11. Ходоренко В.Н. Биосовместимые пористые проницаемые материалы / В.Н. Ходоренко, Ю.Ф. Ясенчук, В.Э. Гюнтер // Биосовместимые материалы и имплантаты с памятью формы. – Томск, 2001. – С. 9.