Введение к работе
Актуальность темы. Развитие современной техники невозможно без создания новых материалов и технологий изготовления изделий, обеспечивающих наряду с достижением высоких эксплуатационных характеристик требования энерго- и ресурсосбережения, экологической чистоты и эргономичности. Наиболее полно эти требования могут быть реализованы при использовании композиционной структуры изделия, когда основа, обеспечивающая требуемую форму и конструктивную прочность, изготовлена из недефицитного легкообрабатываемого материала, а основную функциональную нагрузку несёт другой материал, покрывающий поверхность изделия.
В настоящее время наиболее эффективным процессом получения покрытий с заданным комплексом свойств является электроплазменное напыление. Основные закономерности этого процесса, устанавливающие корреляцию свойств покрытий с режимами напыления, изучены Н.Н. Рыкалиным, В.В. Кудиновым, Ю.В. Харламовым, В.Н. Лясниковым и их школой.
Работы ВЛ. Лясникова позволили применить основные результаты исследования электроплазменного напыления для создания композиционньж покрытий, содержащих биоматериалы при изготовлении внутрикостных имплантатов. Созданы научные основы формирования механических, физико-химических и медико-биологических свойств покрытий.
Однако вследствие того, что на формирование покрытий влияет более 100 факторов различной природы, разработка оптимальных технологий напыления биопокрытий остается затруднительной.
В частности, недостаточно изучено влияние пористости покрытия на его адгезионную прочность. К тому же при оптимизации адгезионньж свойств покрытий не учитывались условия установки имплантата и его функционирования в костном ложе, а также свойства костной ткани во взаимосвязи с режимами напыления, что снижает качество имплантатов из-за неполного соответствия параметров костной ткани и покрытия.
Установлено, что остеоинтеграция имплантата зависит от плотности контакта или натяга, который определяется точностью размеров отверстия костного ложа и имплантата. Для получения заданного натяга размерная обработка биопокрытий обычными методами невозможна ввиду требований «чистоты» напыляемой поверхности имплантата. Методы размерной обработки пористых материалов в ультразвуковом поле без контакта с режущим инструментом в настоящее время мало изучены.
Также следует отметить, что выполненные ранее исследования касались электроплазменного напыления гидроксиапатита и клинических испытаний имплантатов с покрытием из него. В то же время существуют другие материалы, применение которых в имплантологии дает весьма хорошие результаты, в частности фторапатит," Однако закономерности
Ї РОС НАЦИОНАЛЬНА» і
і КИМИОТЄКА )
получения плазмонапыленных покрытий из этого материала не изучены, что не позволяет объективно оценить область применения фторапатитовых или гидроксиапатитовых покрытий, а также их преимущества и недостатки.
С учётом изложенного, а также высокой потребности населения в качественном устранении дефектов зубных рядов посредством установки имплантатов (свыше 30% взрослого населения), тема диссертационной работы является актуальной.
Часть исследований по данной работе выполнялась автором в СГТУ в рамках проекта Евросоюза "Kopernikus-П" (2000-2003 гг.), финансируемой Министерством образования и науки РФ программы «Развитие информационных ресурсов и технологий. Индустрия образования» (2004 г.) и «Областной адресной инвестиционной программы на 2004 г.».
Цель работы состоит в повышении качества биопокрытий заключающемся в улучшении остеоинтегративных и функциональных свойств на стоматологических имплантатах на основе использования в качестве покрытия фторапатита, исследования закономерностей и разработки технологий его электроплазменного напыления и финишной кавитационной размерной обработки в ультразвуковом поле.
Методы и средства исследований. Теоретические исследования проведены с использованием положений теории прочности и усталостного разрушения, теплопередачи, электроплазменного напыления. В исходных выражениях применены базовые уравнения математической физики. При проведении экспериментальных исследований использованы методы математического планирования многофакторных экспериментов и регрессионного анализа. Использованы специальные программы компьютерной обработки, микрофотографий и экспериментальных значений.
Результаты получены с применением методов металлографии, электронной микроскопии, ИК-спектрометрии и рентгенографии, использована современная аналитическая аппаратура, включая рентгеновский дифрактометр ДРОН-1М, электронный микроанализатор МАР-2, профилограф с микропроцессорной системой 170111, аналитические весы ДЦВ-200, оптические микроскопы МБС и МИМ-8. Для обработки результатов использовали, персональный компьютер Pentium-З с оргтехникой и анализатор изображений микроструктур АГПМ-6М.
Научная новизна работы состоит в следующем:
получены зависимости, устанавливающие корреляцию адгезии и прочности покрытий с технологическими режимами электроплазменного напыления, размерами имплантата и костного ложа, а также прочностью структуры его костной ткани;
получена модель кавитационного размерного разрушения пористой структуры фторапатитового покрытия в ультразвуковом поле;
экспериментально определены параметры структуры фторапатитового покрытия, влияние на них режимов и других условий электроплазменного напыления, а также их взаимосвязь с адгезией. На этой
основе установлены режимы электроплазменного напыления, обеспечивающие заданное соотношение пористости и адгезии;
- экспериментально установлена принципиальная возможность
размерной кавитационной обработки фторапатитового покрытия в
ультразвуковом поле и установлена связь параметров рельефа и точности
покрытия с акустическими режимами обработки.
Практическая ценность работы заключается в:
разработке методики инженерного расчёта размеров и допусков изготовления имплантатов, исходя из достижимой адгезии покрытия и прочности костной ткани;
разработке методики определения минимальной пористости покрытия на имплантатах в зависимости от их размеров и получении зависимостей для расчета режимов электроплазменного напыления;
разработке технологии электроплазменного напыления титан-фторапатитовых покрытий с заданными по характеристикам костной ткани челюсти свойствами и кавитационной ультразвуковой размерной обработке;
разработке технических предложений по созданию специального оборудования.
Результаты работы внедрены в НПА «Плазма Поволжья» при изготовлении внутрикостных стоматологических имплантатов с биопокрытиями, полученными электроплазменным напылением.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
зависимость адгезии покрытия от технологических режимов напыления, прочности костной ткани челюсти и натяга, позволяющая по прогнозируемым особенностям строения костного ложа подбирать имплантаты оптимального размера и с необходимой прочностью покрытия, обеспечиваемой режимами электроплазменного напыления;
зависимость пористости покрытия от величины жевательной нагрузки, прочности костной ткани и технологических режимов напыления, позволяющая минимизировать её величину и соответственно сохранять оптимальное значение адгезии;
модель кавитационной размерной обработки покрытий в ультразвуковом поле;
- результаты экспериментальных исследований процессов
электроплазменного напыления титан-фторапатитовых покрытий и их
обработки в ультразвуковом поле;
технология получения заданных свойств покрытий, включая их электроплазменное напыление и финишную ультразвуковую обработку, позволяющая обеспечивать пористость покрытия при адгезии 20-25 МПа, в диапазоне 34-50% с размерностью пор не более 20%, а также неравномерность рельефа не более 0,7% и размерную точность 5-Ю мкм;
результаты внедрения.
Апробация. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на 5-й, 6-й и 7-й Международных конференциях «Современные проблемы имплантологии» (Саратов 2000, 2002, 2004), Международной
научно-технической конференции «Шлифабразив-2000» (Саратов, 2000), 8-й и 10-й научно-технических конференциях с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника», 6-й Международной конференции «Плёнки и покрытия 2001» (Санкт-Петербург, 2001), Международной конференции «Композит - 2001» (Саратов, 2001), (Гурзуф, 2001, 2003), 9-й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии» (Томск, 2003).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 14 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованной литературы и изложена на 151 страницах машинописного текста. Содержит 34 рисунка, 11 таблиц и 170 литературных источников.
