Введение к работе
Актуальность темы. Внутрикостный дентальный имплантат представляет собой искусственный зубной корень, выполненный из биосовместимых материалов и установленный в специально сформированное костное ложе. Для повышения процента приживляемости дентальных имплантатов на их поверхность наносят специальные биоактивные покрытия на основе кальцийфосфатных керамик.
Многочисленными исследованиями установлено, что наиболее эффективным на сегодня методом нанесения таких биоактивных покрытий является процесс электроплазменного напыления (В.Н. Лясников, А.В. Корчагин, О.А. Коромыслова и др).
Проведенные ранее работы по изучению процесса плазменного напыления биоактивных покрытий, выполненные под руководством профессора В.Н. Лясникова (г. Саратов), позволили определить основные направления получения покрытий с заданными свойствами. Данные исследования касались напыления таких материалов как титан (Ті), гидроксиапатит (ГА) и фторгидроксиапатит (ФГАП).
Работами практиков и ученых выявлено, что дентальные имплантаты с биоактивным покрытием на основе ГА или без покрытия не обладают достаточной остеоинтегративной потенцией в костной ткани больных остеопорозом (Г.А. Воложин, 2006, Москва). При этом показано, что более перспективным в этих случаях может быть применение трикальцийфосфата (ТКФ), однако методы надежного формирования покрытий с заданными характеристиками из этого материала не достаточно отработаны.
Не менее актуальной проблемой современной дентальной имплантологии является борьба с отторжением имплантатов, вызванным периимплантитом. Основная причина периимплантита - это миграция бактерий полости рта в периимплантную область. Эффективным методом борьбы с этим, на наш взгляд, может быть использование лантана в составе покрытия, который обладает антимикробными и антитромбоцитными свойствами. Однако введение его в состав напыляемого покрытия экономически нецелесообразно по причине значительного расхода и проблематичности введения его во внутренние структуры покрытия имплантата. Возможным вариантом может быть электрохимическое внедрение, но методы осуществления этого процесса применительно к титан-гидроксиапатитовым (Ті/ГА) покрытиям практически не изучены.
С учетом изложенного, а также в связи с высокой потребностью населения в качественном устранении дефектов зубных рядов посредством установки имплантатов, тема диссертационной работы является весьма актуальной.
Часть исследований по данной работе выполнялась автором в СГТУ в рамках проекта СТАРТ (2007 г.) и У.М.Н.И.К. (2008 г.), финансируемых
Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Цель работы: разработка комбинированной технологии электрохимического и электроплазменного нанесения биоактивных композиционных материалов на основе кальцийфосфатных керамик и лантана, обеспечивающих улучшение остеоинтегративных характеристик дентальных имплантатов.
Поставленная цель достигалась путем решения следующих задач:
выяснение закономерностей катодного внедрения лантана из раствора 0,03 М диметоксибензоата лантана ((СНзОС6Н4СОО)зЬа) в диметилформамиде в плазмонапыленные Ti/ГА-покрытия титановых дентальных имплантатов с помощью методов нестационарной потенциостатической хроноамперометрии, гальваностатической хронопотенциометрии и потенциодинамической хроновольтамперометрии, а также установления параметров микротвердости покрытий;
разработка предложений по конструкции специализированной электрохимической ванны, блок-схемы пилотной установки и технологии катодного внедрения лантана в Ti/ГА-плазмонапыленные покрытия титановых дентальных имплантатов;
изучение закономерностей влияния режимов напыления на особенности морфологии внешних слоев плазмонапыленных покрытий Ті/ГА, ТіЯКФ, а также смесей: Ті/(Ті+ГА) и Ті/(Ті+ТКФ), напыленных как с наложением ультразвуковых колебаний (УЗК) на основу, так и без наложения;
определение зависимости пористости, шероховатости, структуры переходной зоны, установление параметров микротвердости и рентгенофазового состава Ti/ТКФ-плазмонапыленных покрытий от схемы и режимов напыления для выявления структур субмикронных размеров, повышающих «биологичность» контакта покрытия с естественными тканями и в связи с этим разработка технологических рекомендаций по электроплазменному напылению Ti/ТКФ-покрытий на современные дентальные имплантаты.
Методы исследования и средства измерений. Исследования
морфологии, пористости и структуры переходной зоны «титан-покрытие»
плазмонапыленных покрытий Ті/ТКФ, Ті/ГА, их композиций, а также
лантансодержащих покрытий проводились с помощью методов
металлографии и микроскопии с использованием компьютерного
анализатора изображений микроструктур АГПМ-6М и
многофункционального аналитико-измерительного комплекса зондовой микроскопии. Исследование шероховатости проводили на компьютеризированном профилографе-профилометре модели «Калибр 170623». Рентгенофазовый анализ покрытий проводился с использованием компьютеризированной установки ДРОН-4. Выявление относительного
содержания лантана в порах покрытия проводили с помощью лазерного эмиссионного спектрального анализа на компьютеризированной установке «Спектр-2000». Обработка данных вышеупомянутых методов электрохимических исследований осуществлялась на базе известных уравнений Камбара-Тачи и Геришера-Фильштиха, Нернста-Планка и Нернста-Эйнштейна, Ю.М. Вольфковича.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Впервые исследован процесс катодного внедрения лантана в плазмонапыленное Ti/ГА-покрытие из раствора 0,03 М диметоксибензоата лантана ((СНзОСбН(СОО)зЬа) в диметилформамиде с помощью электрохимических методов, который устраняет проблему микробо- и тромбообразования вокруг имплантата, тем самым сведя риск отторжения последнего к минимуму.
-
Впервые предложена электрохимическая модель катодного внедрения лантана в плазмонапыленные Ti/ГА-покрытия на базе известных уравнений Камбара-Тачи и Геришера-Фильштиха, Нернста-Планка и Нернста-Эйнштейна, Ю.М. Вольфковича и подтверждена независимыми данными лазерного микроспектрального анализа, ренттенофазового анализа, профилометрии и компьютерной микрофотографической статистики пор.
-
Предложена и отработана технология получения биокомпозиционных трикальцийфосфатных покрытий дентальных имплантатов электроплазменным способом, обеспечивающая повышенную шероховатость покрытия по сравнению со стандартной технологией напыления и установлена полная термохимическая конверсия ТКФ в плазменной струе в биоактивную фазу Са40(Р04)2=Саз(Р04)2'СаО, которая благоприятно влияет на остеоинтеграцию дентального имплантата, также предложен механизм реализации установленной фазы.
-
Исследовано влияние УЗК на процессы электроплазменного напыления Ті/ТКФ и Ті/(Ті+ТКФ)-покрьітий и определены средние размеры частиц и пор этих плазмонапыленных покрытий, минимальные и модальные размеры частиц, свидетельствующие о большей относительной шероховатости по сравнению с ГА-покрытиями при сходной адгезии, тем самым показана возможность напыления ТКФ-покрытий и замены ГА в случае лечения больных остеопорозом.
-
Выявлено, по данным измерений параметров шероховатости поверхности (Ra, Rz, Rmax, Sm) плазмонапыленных Ti/ТКФ-покрытий в отличие от Ti/ГА-покрытий менее значительное влияние ультразвука на изменение указанных параметров. Тем не менее, с учетом большей относительной шероховатости и пористости ТКФ-покрытий, а также существенного снижения дисперсии указанных параметров, применение УЗК в процессе напыления ТКФ также целесообразно. Таким образом, установлено, что напыление Ti/ТКФ-покрытий на дентальные имплантаты
более эффективно, чем напыление Ti/ГА-покрытий как с точки зрения повышения относительной шероховатости, так и по соображениям ускорения остеоинтеграции.
Практическая ценность и реализация результатов работы:
в результате проведенных исследований выявлены два новых, перспективных направления повышения остеоинтегративной способности титановых дентальных имплантатов, одно из которых заключается в замене плазменного напыления Ti/ГА-покрытий на плазменное напыление Ті/ТКФ, а другое предусматривает дополнительную операцию катодного внедрения лантана в плазмонапыленное Ti/ГА-покрытие, приводящего к появлению антитромбоцитных и антимикробных свойств;
первое направление может быть реализовано на уже существующем оборудовании и оснастке (только с конкретизацией режимов электроплазменного напыления), а второе позволит повысить необходимые антитромбоцитные и антимикробные свойства дентальных имплантатов;
предложена технологическая схема получения биокомпозиционных трикальцийфосфатньгх покрытий дентальных имплантатов электроплазменным способом;
предложена конструкция специализированной электрохимической ванны для катодного внедрения лантана в плазмонапыленные Ті/ГА-покрытия титановых дентальных имплантатов, отличительной особенностью которой является применение двойного цилиндрического кольцевого титанового анода и размещение катодов-имплантатов в зазоре между анодными цилиндрическими кольцами;
разработана блок-схема пилотной установки и технологический маршрут катодного внедрения лантана в плазмонапыленные Ті/ГА-покрытия дентальных имплантатов.
Разработанные технологические процессы внедрены в научно-промышленной ассоциации «Плазма Поволжья» и обществе с ограниченной ответственностью «Плазмабиомед» для изготовления дентальных имплантатов, используемых в клинической практике ряда стоматологических учреждений России.
Научные положения и результаты работы, выносимые на защиту:
Электрохимические модели на базе уравнений Камбара-Тачи и Геришера-Фильштиха, Нернста-Планка, Вольфковича адекватно описывающие процесс катодного внедрения лантана в Ti/ГА-покрытие.
Результаты электрохимических исследований Ti/ГА-покрытий с катодно внедренным лантаном.
Результаты экспериментальных исследований влияния УЗК на процессы электроплазменного напыления Ті/ТКФ и Ті/(Ті+ТКФ)-покрьітий,
а также на морфологию, шероховатость и пористость этих плазмонапыленных покрытий, которые свидетельствуют о большей относительной шероховатости по сравнению с Ti/ГА-покрытиями при одинаковой адгезии, тем самым дающие основание напыления ТКФ взамен ГА.
Результаты исследования методами эмиссионного лазерного микроспектрального анализа, рентгенофазового анализа, профилометрии и компьютерной микрофотографической статистики пор, а также относительной шероховатости лантансодержащих покрытий.
Конструкция специализированной электрохимической ванны для катодного внедрения лантана а покрытие, блок-схема пилотной установки и технологический маршрут формирования электроплазменных Ті/ГА-покрытий с внедренным лантаном, обладающим антитромбоцитными и антимикробными свойствами.
Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на : I Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии» (Плес, 2008), 6-й, 7-й и 8-й Международных конференциях «Новые технологии в стоматологии и имплантологии» (Саратов, 2002, 2004, 2006), 1-й и 4-й Международных конференциях «Перспективные полимерные композиционные материалы. Альтернативные технологии. Переработка. Применение, Экология» (Композит - 2001, Композит-2007 (Энгельс, 2001, 2007), 5-й и 7-й региональной научно-технической конференции «Современная электротехнология в промышленности центра России» (Тула, 2004, 2007, 2008), 11-й Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Современная техника и технологии» (Томск, 2005), 6-й Международной конференции «Актуальные проблемы современной науки» (Самара, 2005), 2-й Международной научно-практической конференции «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (Санкт-Петербург, 2006), 26-й Российской школе по проблемам науки и технологий (Екатеринбург, 2006), 8-й Международной конференции «Пленки и Покрытия -2007» (Санкт-Петербург, 2007), Всероссийской научно-технической конференции с участием зарубежных специалистов «Вакуумная наука и техника» (МИЭМ (технический ун-т), Москва, 2007, 2008), конференции «Молодые ученые - производству» (Саратов, 2007), 3-й Всероссийской конференции «Актуальные проблемы электрохимической технологии» (Саратов, 2008), на VIII Международной научной конференции «Химия твердого тела и современные микро- и нанотехнологии» (Ставрополь, 2008).
Публикации. Основные положения исследования по теме диссертации отражены в 21 работе (из 28), в том числе 2 в центральной печати.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 3 глав, заключения, списка использованной литературы из 249 наименований и изложена на 206 страницах машинописного текста, содержит 78 рисунков, 50 таблиц.
Похожие диссертации на Разработка комбинированной технологии электрохимического и электроплазменного формирования биоактивных композиционных покрытий
