Содержание к диссертации
В МЕДИЦИНЕ 10
1.1. Керамические биоматериалы 10
1.1.1. Гидроксилапатит 11
1Л.2. р-трикальцийфосфат 19
-
Керамика на основе фосфатов кальция 21
-
Биологические свойства керамических биоматериалов 22
1.2.Металлы и их сплавы, используемые в медицине 24
-
Титан как материал для изготовления ортопедических имплантатов__26
-
Титановые сплавы 29
-
Ультрамелкозернистый титан 30
-
Методы создания ультрамелкозернистой структуры в титане 32
-
Биологические свойства титана 40
1.3. Композиционные материалы 44
-
Классификация композиционных материалов 45
-
Композиционные материалы «титан - кальций-фосфатное покрытие». Структура и свойства 51
-
Методы формирования кальций - фосфатных покрытий на поверхности титана и титановых сплавов 55
-
Модификация структуры и свойств композиционных материалов «титан - кальций-фосфатное покрытие» методами термообработки 61
-
Биологические свойства композиционных материалов «титан - кальций-фосфатное покрытие» 64
Заключение 67
ГЛАВА 2. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ. ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ И МЕ
ТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЯ 69
-
Постановка задач исследования 69
-
Материалы и подготовка образцов 70
-
Нанесение и термообработка кальций-фосфатных покрытий 71
-
Формирование УМЗ состояния в титане ВТ 1-0 73
2.3. Методы исследований 74
-
Фазовый и элементный составы 74
-
Исследование морфологии поверхности кальций - фосфатных покрыта й 7 7
-
Изучение механических свойств 77
-
Биологическое тестирование 80
ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОСТАВОВ ЭЛЕКТРОЛИТОВ ДЛЯ НАНЕ
СЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ С ПОВЫШЕННЫМ СО
ДЕРЖАНИЕМ КАЛЬЦИЯ НА ТИТАНОВУЮ ПОДЛОЖКУ МИКРОДУГО
ВЫМ МЕТОДОМ 83
-
Модификация состава электролитов 83
-
Формирование микродуговых покрытий в электролитах на основе три-натрийфосфата 87
3.3. Формирование микродуговых покрытий в электролитах на основе
Н3Р04^ 89
-
Влияние соотношения концентраций элементов электролитов на формирование микродуговых покрытий 95
-
Формирование микродуговых кальций-фосфатных покрытий на УМЗ титане в электролитах на основе Н3РО4 100
Заключение 101
ГЛАВА 4. МОРФОЛОГИЯ, ФАЗОВЫЙ И ЭЛЕМЕНТНЫЙ СОСТАВЫ
МИКРОДУГОВЫХ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ 102
-
Кальций-фосфатные покрытия, сформированные в исходном электролите^ 102
-
Кальций-фосфатные покрытия, сформированные в модифицированном электролите 108
4.3. Кальций-фосфатные покрытия, сформированные на поверхности УМЗ
титана в исходном и модифицированном электролитах 113
-
Кальций-фосфатные покрытия, сформированные в исходном электролите 115
-
Кальций-фосфатные покрытия, сформированные в модифицированном
электролите 117
4.4. Сравнительный анализ исследуемых кальций-фосфатных покрытий_120
Заключение 125
ГЛАВА 5. МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА БИОМАТЕРИАЛОВ «ТИТАН ВТ 1-0 - КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОЕ ПОКРЫТИЕ» И «УМЗ ТИТАН -
КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНОЕ ПОКРЫТИЕ» 126
5.1.Поведение биоматериалов при растяжении 126
-
Поведение биоматериалов при циклических нагрузках 134
-
Микротвердость кальций-фосфатных покрытий, нанесенных на поверхность титана 145
-
Адгезионная прочность кальций-фосфатных покрытий, нанесенных на
поверхность титана 150
Заключение 151
ГЛАВА 6. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ТЕСТИРОВАНИЕ БИОМАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ ТИТАНА С КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫМИ ПОКРЫТИЯМИ 154
6.1 .Тестирование «in vitro» 154
6.2.Тестирование «in vivo» 156
Заключение 160
Выводы 161
Литература 163
Приложение 1 183
Введение к работе
Несмотря на огромный успех в области внешней фиксации переломов, существует проблема расшатывания элементов аппаратов внешней фиксации, связанная с ухудшением границы кость / имплантат. В связи с этим, появились металлические имплантаты с покрытием из фосфатов кальция, которое имитирует поверхность костной ткани. Благодаря пористой структуре кальций-фосфатных покрытий (Са-Р), кость врастает в поверхность имплантата и фиксирует его. Формирование на поверхности имплантата Са-Р керамического покрытия придает имплантатам биоактивные свойства, что способствует долговечному соединению имплантата с костью. Фазовый состав Са-Р покрытий должен быть аналогичен минеральному составу костной ткани. На сегодняшний день существуют разнообразные способы формирования Са-Р покрытий на поверхности металлов. Наиболее технологичным и все чаще применяемым является микродуговой метод формирования покрытий в водных растворах электролитов, который позволяет наносить покрытия на объекты сложной формы. Формирование покрытий в микродуговом разряде обусловлено протеканием высокотемпературных химических реакций в зоне локальных микроплазменных разрядов. Имплантаты с микродуговыми Са-Р покрытиями используются в ЦОММ СО РАМН. Работы по созданию биоматериалов с микродуговыми Са-Р покрытиями ведутся в ИФПМ СО РАН. Несмотря на всю привлекательность Са-Р покрытий, их использование связано с рядом технологических сложностей их формирования на поверхности металлической матрицы с заданными составом и свойствами. Фазовый состав и структура таких Са-Р покрытий хорошо исследованы и обладают удовлетворительным комплексом необходимых свойств (химических и биологических). Основными недостатками этих покрытий являются: присутствие свободного титана в покрытии при нанесении его на титановую подложку и чрезвычайно низкое соотношение [Са]2+/[РО4]3"-0,1 -0,3, что может отрицательно сказываться на биологических свойствах имплан-татов. Поэтому усовершенствование старых и разработка новых методов формирования Са-Р покрытий с фазовым и элементным составом, близким к мине-
6 ральному составу костной ткани до сих пор являются актуальными и важными проблемами, имеющими практическое и фундаментальное значение. Цель работы:
Создание Са-Р покрытий с фазовым и элементным составом, близким к минеральному составу костной ткани, и изучение физико-механических и биологических свойств материала «титан - кальций-фосфатное покрытие». Для достижения заданной цели были поставлены следующие задачи:
1. модификация состава электролитов для микродугового формирова ния покрытий на поверхности титановых имплантатов с повышенным содержа нием кальция и с фазовым составом, близким к минеральному составу костной ткани;
2. исследование морфологии, фазового и элементного состава кальций- фосфатных покрытий; исследование влияния термообработки на морфологию, фазовый и элементный составы кальций-фосфатных покрытий; исследование механических свойств биоматериалов «титан — Са-Р покрытие»; биологическая аттестация биоматериала «титан - кальций-фосфатное покрытие».
Научная новизна работы:
Установлено, что содержание кальция в кальций-фосфатных покрытиях, сформированных микродуговым методом, зависит от концентрации ионов кальция в дисперсионной среде используемого электролита.
Показано, что введение в электролит на основе Н3РО4 и Саю(Р04)б(ОН)2 дополнительно карбоната кальция СаСОз обеспечивает повышение концентрации ионов кальция в электролите и повышение содержания кальция в покрытии, формирование в Са-Р покрытиях р-Саз(РО,і), который входит в состав костной ткани и титаната кальция СаТЮз, при этом соотношение [СаІ/ГРОЛ увеличивается более чем в 3 раза.
Установлено, что перевод крупнокристаллического титана в ультрамелкозернистое состояние методами интенсивной пластической деформации приводит к повышению прочностных свойств — предела прочности при растяжении, усталостной прочности - биокомпозита «титан - кальций-фосфатное покрытие».
Установлено, что присутствие в кальций-фосфатном покрытии, нанесенном на поверхность титана микродуговым методом, /?-трикальцийфосфата /*-Саз(РО,)) и титаната кальция СаТЮз обеспечивает зарождение и рост костной ткани на поверхности биокомпозита «титан - кальций-фосфатное покрытие». Практическая ценность
Предложен состав электролита на основе Н3РО4 и Саю(Р04)б(ОН)2 с добавлением СаС03 для нанесения Са-Р покрытий на поверхность титановых им-плантатов с повышенным содержанием кальция, в состав которых входит ^трикальцийфосфат.
Биоматериал «ультрамелкозернистый титан - Са-Р покрытие» обладает требуемым уровнем механических свойств, которые на порядок превышают механические свойства костной ткани.
Биоматериал на основе ультрамелкозернистого титана и микродугового Са-Р покрытия рекомендован к использованию в медицинской практике (Акт внедрения, выданный ЦОММ СО РАМН, г. Томск).
Положения, выносимые на защиту:
Состав электролита на основе фосфорной кислоты Н3РО4 и гидрокси-лапатита Саю(Р04)б(ОН)2 с добавлением карбоната кальция СаСОз для микродугового нанесения кальций-фосфатных покрытий на титановую подложку, обеспечивающий молярное соотношение [Са] / [Р04] "= 0,7.
Совокупность экспериментальных данных по влиянию структурного состояния титановой подложки и состава электролита для микродугового нанесения Са-Р покрытий на фазовый, элементный состав и морфологические особенности кальций-фосфатных покрытий.
3. Результаты механических испытаний, подтверждающих требуемый уровень прочностных свойств биоматериала на основе ультрамелкозернистого титана и кальций-фосфатного покрытия с высоким содержанием кальция для использования в ортопедии и травматологии.
Данная работа носит прикладной характер. Результатом данной работы является разработка Са-Р покрытия с высоким содержанием кальция и полная аттестация биоматериала «титан — Са-Р покрытие», которая показала, что данный материал может быть использован в травматологии и ортопедии при лечении различных травм и при остеосинтезе. Апробация работы:
По результатам исследований были сделаны доклады на следующих конференциях: European Medical and Biological Engineering and Computing Congress EMBEC'99, - Vienna, Austria, 1999; The European Bioceramics Conference, - Bologna, Italy, 2000; Sixth World Biomaterials Congress, - Hawaii, USA, 2000r.; VII Российская научная студенческая конференция, - Томск, ТГУ, Россия, 2000г.; I Международная студенческая конференция, - Томск, ТПУ, Россия, 2001г.; Международная конференция физико-химия ультрадисперсных (нано) систем, -Томск, Россия, 2001г.; Межведомственный семинар «Новые технологии в медицине», - Новосибирск, Россия, 2001 г.; VII International conference CADAMT'2003r., - Tomsk, Russia; Научная конференция по итогам работы в 2003г. в рамках Программы «Фундаментальные науки - медицине», - Москва, Россия, 2003г.; Всероссийская молодежная научная конференция «Материаловедение, технологии и экология в III тысячелетии», - Томск, Россия, 2003г.; X Юбилейная международная научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Современные техника и технологии», - Томск, ТПУ, Россия, 2004г.; 8~ Korea - Russia International symposium on science and technology KORUS'2004, - Tomsk, Russia; Ш Международная конференция «Фазовые превращения и прочность кристаллов», - Черноголовка, Россия, 2004г.; XLIII Международная конференция «Актуальные проблемы прочности», - Витебск, Беларусь, 2004г.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 23 печатных работы, из них 8 статей в центральных российских и зарубежных журналах и 8 статей в сборниках трудов российских и международных конференций,
Работа выполнена в рамках комплексного проекта ИФПМ СО РАН «Исследование роли диффузионно-контролируемых процессов в формировании структуры и упруго-пластических свойств многоуровневых наноструктурных композитов с металлической матрицей. Разработка на их основе перспективных материалов»; при финансовой поддержке следующих программ и грантов: проект № 11.1 по Программе Президиума РАН «Фундаментальные науки — медицине», РФФИ-БРФФИ, грант № 04-02-81038 Ве12004а, РФФИ грант № 05-03-32617, РФФИ грант № 05-02-08179_офи_а. Объем и структура работы
Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, выводов, списка использованной литературы (196 наименований) и приложения. Диссертация изложена на 184 страницах машинописного текста, содержит 21 таблицу и 51 рисунок.
