Содержание к диссертации
стр.
Введение 4
1. Литературный обзор 12
1.1. Синтез, физико-механические и биомедицинские свойства
гидроксиапатита
1.2. Суперионики и протонпроводящие твердые электролиты 33
2. Теоретические исследования 41
2.1. Твердофазный протонно-диффузионный механизм и кинетика
химического растворения гидроксиапатита в слабокислых элект
ролитах
2.2. Возможности ультразвукового управления компромиссным каче
ством плазмонапыленных титан/гидроксиапатитовых покрытий 47
3. Экспериментальные исследования 68
Методика эксперимента
Физико-химические свойства порошкового и плазмонапыл енного гидроксиапатита 74
3.3 Механизм и кинетика химического растворения порошкового и
плазмонапыленного гидроксиапатита в изотонических электроли
тах, моделирующих условия биорезорбции in vitro 95
Коррозионно-электрохимическое поведение плазмонапылеи-ных биоактивных покрытий титан/гидроксиапатит в модельных изотонических электролитах 107
Результаты лабораторных и клинических испытаний титановых имплантатов с плазмонапыленными гидроксиапатитовыми покрытиями in vivo 142
Выводы 151
Литература 157
Приложения 185
Введение к работе
Актуальность работы
Важной и перспективной проблемой современной стоматологии является замещение дефектов зубных рядов посредствам дентальных имплантатов, т.е. «вечных» безкариесных искусственных зубных корней, служащих опорами для несъемных протезов. Действительно, по данным отечественных стоматологов (Масленников Н.В., Почтарев А.А., Кузнецова В.Н., И.М. Тульбович и др.) потребность в зубном протезировании варьируется, в среднем, от 31,5% у людей в возрасте 17-20 лет до 88,7% - в пожилом возрасте 56-60 лет и до 100% - свыше 60 лет,
Среди пока еще немногочисленных практикующих имплантологов Поволжского региона и Центральной России из-за своей относительно низкой цены (50 долл. США) весьма популярны титановые имплантаты, выпускаемые НПА «Плазма Поволжья» (г. Саратов). История титановых имплантатов началась в 1964 г., когда американский профессор Л. Л инков впервые предложил цилиндрическую конструкцию со штифтом, боковой винтовой нарезкой и оконечником, имеющим сквозное прямоугольное отверстие (имплантаты системы «Линков-вент-плант» и пластинчатую конструкцию с двумя штифтами и фигурными вырезами (имплантаты системы «Бладевент»). С тех пор разработано несколько сотен конструкций титановых имплантатов, имеющих своими прототипами конструкции Л.Линкова и к настоящему времени становится ясным, что биомеханические резервы подобных технических решений можно считать практически исчерпанными.
Основным недостатком титановых имплантатов следует считать высокий процент отторжения (до 10%), обусловленный медленным механизмом остеоинтеграции с предварительной стадией фиброзной инкапсуляции инородного тела в операционной лунке, что резко повышает вероятность микробной атаки периймплантной области и статистическую частоту воспали-
тельных постоперационных осложнений (до 20-40%). Кроме того, фиброзная капсула лишь очень постепенно прорастает костной тканью, и имплантат долгое время остается слишком подвижным, вызывая резорбцию и дистрофию периимплантных костей. Несмотря на высокую коррозионную стойкость титана в слабокислых и нейтральных водных средах (кроме фторид-ных) нельзя исключить возможность его локальной щелевой и питтинговой хлоридной коррозии, особенно в местах концентрации знакопеременных механических напряжений окклюзии, а так же биокоррозии под действием патологичных микроорганизмов и макрофагов.
Многочисленными исследованиями in vivo (проф. Ярхо 1977, проф. Де Грут 1980, проф. Китсуги 1987, проф. Джанике 1989, проф. Дамьен 1991 г. и др.), показано, что имплантаты из гидроксиапатита - Саю(Р04)б(ОН)2, идентичного основному минеральному компоненту костной ткани, при плотном контакте с костью не вызывают реакцию чужеродного тела и сравнительно быстро остеоинтегрируются без фиброзной инкапсуляции, что привело к их использованию для замещения костных дефектов в челюстно-лицевоЙ и косметической хирургии. Однако, из-за низкой механической прочности гидро-ксиапатитовые керамики непригодны для дентальной имплантации и получило распространение техническое решение (проф. Лясников Н. В. и сотр., 1990 г.), согласно которому тело имплантата той или иной конструкции изготавливается из механически прочного титана, на который плазменным напылением через промежуточный КТР - согласующий подслой наносится гидро-ксиапатитовое покрытие. Эта технология оказалась достаточно удачной и позволила снизить частоту отторжений титановых дентальных имплантатов в 2-3 раза, что дало основание для ее внедрения в мелкосерийное производство имплантатов в НПА «Плазма Поволжья». Был предложен так же способ плазменного напыления порошков титана и гидроксиапатита при наложении на подложку ультразвука (проф. Лясников В. Н. и проф. Бекренев Н. В., 1995 г.), перспективной Для удовлетворения взаимно-противоречивых требований
высокой пористости и адгезии в сочетании с равномерностью напыления.
Однако, к моменту начала нашей работы (1998 г.), вопросы оптимизации ультразвукового управления компромиссным качеством биоактивных покрытий не были проработаны теоретически и экспериментально. Совершенно отсутствовали, также, весьма важные для оценки биоактивности и определяющих прочность и фиксацию контакта кость/имплантат клеточно-молекулярных особенностей ювенильного остеосинтеза сведения о механизме и кинетике химического растворения плазмонапыленных ти-тан/гидроксиапатитовых покрытий и их коррозионной устойчивости в различных физиологических средах.
Цель работы состояла в выяснении влияния комплекса физико-химических свойств и электрического состояния межфазных границ на механизм и кинетику химического растворения, и коррозионно-электрохимическое поведение плазмонапыленных с наложением ультразвука покрытий титаи/гидроксиапатит в хлоридно-натриевых изотонических электролитах, моделирующих различные физиологические среды с выдачей основанных на результатах лабораторно-клинических испытаний практических рекомендаций по многопараметрической оптимизации технологии изготовления дентальных имплантатов и электрохимическому контролю их качества. Научная новизна:
1. Впервые проведено теоретическое и экспериментальное исследование механизма и кинетики реакции химического растворения порошков ГА и плазмонапыленных покрытий из них в изотонических растворах 0,9% NaCl, рНЗ
- 7,4 при 30-41С, моделирующих естественные физиологические процессы и
среды in vitro и установлено:
— механизм реакции базируется на замедленной диффузии протонов к каль
циевым вакансиям кристаллической решетки ГА и обоснован обнаружением
методом ВИМС промежуточных интермедиатов растворения (СаОН ,НР04")
на межзеренных границах, а так же измерением концентрации кальциевых и
гидроксидных вакансий ГА по спектрам диффузного отражения и фотолю
минесценции;
кинетика реакции отвечает теоретическому уравнению миграционной
твердофазной диффузии протонов вагнеровского типа с экспериментально
обнаруженным первым порядком по жидкофазной концентрации протонов,
энергией активации:31-35 кДж/моль, удельной электропроводностью 9,98-10"
- 1,11-10" См/см, коэффициентом твердофазной диффузии протонов
1-5 10.!
1,82-10" -2,03-10" ;См/с, числом переноса 0,99 и ГА следует считать высо-коомным протоником;
— стационарные скорости растворения имеют порядок 10"9г/(см2*мес.) и они
настолько малы, что синтетический ГА является полностью нерезорбируемой
биокерамикой с исключительно остеокондуктивной функцией и способен к
блокировочному ингибированию коррозии.
2. Впервые исследовано коррозионно-электрохимическое поведение плазмо-напыленных покрытий Ті/ГА в изотонических растворах 0,9% NaCl, рН 3-7,4 при 30-41С, моделирующих естественные физиологические процессы и среды in vitro и установлено:
кинетические параметры анодных и катодных ветвей ВАХ и ПДК, поляризационные проводимости, потенциалы, плотности токов, коэффициенты ингибирования коррозии, данные рентгеновской дифрактометрии и РЭМ -статистики отвечают сопряженным полупроводниковым реакциям окисления широкозонного р-ТіО до Ті3+ дырками валентной зоны и протонного восстановления р-ТЮ до Ті с выделением дырок в валентной зоне, протекающим на дне пор блокирующего электрохимически индифферентного ГА-покрытия, занимающих примерно 14% площади поверхности Ti/ГА-электродов;
блокировочное и оксидно-полупроводниковое ингибирование коррозии Ті синергичны с преобладанием фактора ГА блокировки у плазмонапыленного Ті/ГА без УЗ (Кинг1363 =10,5) и фактора р-ТЮ - пассивации у плазмонапыленного с УЗ Ti/ГА-пркрытия (Кинг^^Ш), что объясняется примерно двукратным повышение^ степени окисленности и дислокационной дефектности при плазменном напылением Ті-подслоя под влиянием ультразвука;
массовые и линейные jL скорости коррозии коррелируют с ростом рН и
і !
коррозионного потенциала Ес, причем в физиологических средах наиболее устойчивы плазмонапыленные с УЗ Ti/ГА-покрытия при ЕС=0,15-1,ЗВ и jL= 0,009-0,15 мм/год и значительно менее устойчивы плазмонапыленные без УЗ Ti/ГА-покрытия при Ес= - 0,4...- 0,23 В и jL= 0,076-0,41 мм/год, что при неблагоприятных физиологических условиях (рН 3-4,5) может привести к опасным локальным разрушением имплантатов.
3. Впервые проведейы лабораторные (на крысах) и клинические испытания титановых имплантатов с УЗ плазмонапыленными покрытиями in vivo и установлено:
по РЭМ-фотографиям сколов контактов кость/имплантат из-за резорбтив-ной инертности ГА и вышеупомянутых протонпоглощающих сопряженных реакций в начале преобладает остеобластная активность и на контакте с им-плантатом образуется растущая по механизму остеокондукции фиксирующая плотная костная прослойка (15 суток остеоинтеграции), далее из-за появления активности остеокластов по механизму остеоиндукции формируется ювенильная (30 суток) и зрелая (60 суток) губчатая костная ткань, демпфирующая сосудистую инвазию в периимплантной зоне;
по микрофотографиям и лазерному микроанализу отторженных имплантатов основной причиной операционных неудач является неравномерность плазменного напыления биоактивного покрытия: при его полном отсутствии статистическая частота потерь имплататов - 9,5%, при неравномерном плазменном напылении Ті/ГА без УЗ — 2,4-3,9%, при равномерном плазменном напылении Ті/ГА с УЗ — 1,6%.
Практическая ценность и реализация работы состоит:
— в определении коррозионной устойчивости плазмонапыленных ТІ/ГА-
покрытий в изотонических растворах 0,9% NaCl при 36,7С, моделирующих
различные коррозионные ситуации физиологии функционирования денталь
ных имплантатов, такие как метаболически подкисленная слюна полости рта
(рН 3), подклеточноф пространство остеокластов (рН 4,5), метаболит десно-
вой жидкости (рН 6) и плазма крови (рН 7,4), что позволяет прогнозировать коррозионные потери металла и уменьшение линейных размеров импланта-тов за время их остеоинтеграции;
в достаточно четком выяснении роли наложения УЗ-колебаний на Ti-подложки как низкоэнергетического фактора управления ростом пористости, адгезии, равномерности и коррозионной стойкости при многопараметрической оптимизации технологии плазменного напыления биоактивных Ті/ГА-покрытий;
в предлагаемом способе оценки равномерности группового плазменного напыления Ti/ГА-покрытий и отбраковки негодных имплантатов по результатам измерения коррозионного потенциала Ес и его относительного отклонения ДЕС/ЕС от эталона в модельном изотоническом растворе плазмы крови. Результаты исследований внедрены в мелкосерийное производство дентальных имплантатов в НПА «Плазма Поволжья» и используются при чтении спецкурса «Внутрикостные имплантаты и их применение в медицинской практике» студентам БМА-51 кафедры МВПО СГТУ.
Степень обоснованности результатов и апробации работы Теоретические исследования выполнены с привлечением современных представлений о механизмах протонной проводимости твердых электролитов и коррозии вентильных металлов, кавитационных явлений, плазменного напыления порошков и многопараметрической оптимизации технологических процессов.
Экспериментальные исследования производили с помощью комплекса современных физических и электрохимических методов: рентгеновской ди-фрактометрии и топографии, ИКС на пропускание и отражение, деривато-графии, оптической и растровой электронной микроскопии, ВИМС, спектров диффузного отражения и люминесценции, Hg-порометрии и ТДА, лазерного микроанализа, фотоколориметрического химического анализа, потенциоста-тического, потенциодинамического и импедансометрического.
Обработка и оформление результатов осуществлялась на ПК типа Pentium. Они докладывались и обсуждались на:
III Всероссийской конференции молодых ученых «Современные проблемы теоретической и экспериментальной химии» - Саратов, 1999; VI Международной конференции «Современные проблемы имплантологии» - Саратов, 2002;
V Международной конференции «Фундаментальные проблемы электрохимической энергетики» - Саратов, 2002;
II Всероссийской конференции «Современные электрохимические технологии» - Энгельс, 2002.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, из них 2 опубликование в центральной печати.
На защиту выносятся следующие основные положения; механизм и кинетики химического растворения ГА;
физико-химические свойства плазмонапыленных Ti/ГА-покрытий;
многопараметрическая оптимизация УЗ плазменного напыления Ті/ГА-
покрытий;
результаты экспериментального исследования химического растворения порошков ГА и плазмонапыленных покрытий из них в модельных NaCl изотонических электролитах;
результаты экспериментального исследования коррозионно-электрохимического поведения плазмонапыленнх Ті/ГА- покрытий в модельных NaCl изотонических электролитах и предполагаемые механизмы пасси-вационно-омического контроля;
блокировочно-окислительный синергизм ингибирования модельной
коррозии плазмонапыленных Ti/ГА-покрытий;
зависимости потенциалов и скоростей коррозии плазмонапыленных Ti/ГА-покрытий от рН и температуры модельных NaCl изотонических электролитов;
обобщенные резорбтивно-коррозионные характеристики плазмонапыленных Ti/ГА-покрытий в модельных NaCl изотонических электролитах.
