автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Исследование процесса плазменного напыления многослойных биокомпозиционных покрытий на дентальные имплантаты

/

}

г

саратовский государственный технический университет

на правах рукописи

;сертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

ятециальность: 05.09.10 - "Электротехнолошя'

Научный оуково дитель: доктор технических наук, профессор В.Н. Лясников

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент К..1. ьутовскнн

САРАТОВ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

Введение............................................................................................^

1. Аналитический обзор литературы............................................ -9

1.1. Материалы, используемые для изготовления современных дентальных имплантатов.....................................................................9

1.2. Методы изготовления современных дентальных имплантатов...........................................................................................^

1.3. Плазменное напыление порошковых материалов на имплантаты..........................................................................................

1.4. Биомеханические критерии оценки качества дентальных имплантатов................................ ..........................гз

Выводы....................................................................................................37

2. Постановка цели, задачи и общая методика исследования.................................. .......................................... 33

3. Теоретические предпосылки к закономерностям формирования многослойных биокомпозиционных плазменных покрытий................................................................ ^

3.1. Математическая модель термонапряженного состояния плазменных покрытий........................................................................

3.2. Принцип выбора основных технологических параметров

режимов напыления............................................................................

Выводы................................. .............................................................. &Г

4 Исследование влияния режимов плазменного напыления на биомеханические свойства напылённых биокомпозиционных покрытий.........................................................

4.1. Исследование структуры плазмонапыленных покрытий из титана и ГА........................................................................................

4.1.1. Методика исследования................................................... 36

4.1.2. Результаты исследования и их анализ............................. $0

4.2. Исследование физико -механических свойств плазмонапыленных биокомпозиционных многослойных покрытий..........................................................................................

4.2.1. Методика исследования............................................-//6

4.2.2. Результаты исследования и их анализ....................... ^^

Выводы..................................... ........................................................ /38

5. Разработка технологии плазменного напыления многослойных биокомпозиционных покрытий на дентальные имплантаты.......................................................

5.1. Конструктивные особенности промышленного образца имплантата..................................................................................... ^^

5.2. Оптимизация технологических режимов напыления биокерамических покрытий...........................................................

5.3. Технология многослойного плазменного напыления биокомпозиционного покрытия на металлическую основу имплантата........................................................................................

Выводы.......................................................................................

6. Функциональная оценка эффективности дентальных имплантатов с плазменным многослойным

биокомпозиционным покрытием........................................... ^^

6.1. Методика контроля качества покрытий, его результаты и их анализ............................................................................................... /£9"

6.2. Медико-биологическая оценка эффективности плазменного напыления биокомпозиционного покрытия на титановом имплантате......................................................................................... /62

6.3. Медико-техническое и экономическое обоснование эффективности применения имплантатов с плазмоиапыленным

биопокрытием при дентальной имплантации................................. ^^

Выводы.................................

............................................................. 7^4-

Общие выводы...........................................................................

Литература..................................................................................

Приложение...............................................................................

ВВЕДЕНИЕ

Важной и перспективной проблемой современной стоматологии является исправление дефектов зубных рядов посредством имплантатов. Возросшие возможности медицинской науки и достижения современной техники и технологии позволили в последнее время на качественно новом уровне подойти к проблеме разработки и создания искусственных зубов с применением внутрикостных имплантатов. Современное развитие стоматологической имплантологии базируется на широком применении новейших достижений в области материаловедения, физикохимии, биомеханики, плазменной техники и технологии напыления биоинертных и биоактивных материалов, а также на результатах детального изучения сложных закономерностей взаимодействия имплантатов с окружающей живой тканью \90\

В настоящее время в мировой практике применяются имплантаты, преимущественно на основе титана или нержавеющих сталей. Но одна из существенных проблем состоит в том, что в ряде случаев происходит отторжение им-

плантата живой тканью и нарушение границы контакта костная ткань-имплантат #

ввиду металлоза или межкристаллитнои коррозии, что ведет к потере искусственного зуба в целом.

Результаты лечения дефектов зубных рядов методами, дентальной имплантации" , как известно должны соответствовать критерию эффективности, принятой Гарвардской конференцией (1978 г.), когда доля отличных и хороших данных о наблюдениях в течение 5 лет должна составлять не менее 85 %. Достижение такого высокого уровня возможно только путем комплексного научного решения многих проблем \i7\-

Радикальным способом решения этой проблемы является придание поверхности имплантата биоактивных свойств в сочетании с максимальным соответствием биомеханических характеристик его конструкции естественной ден-

тальной системе. Однако такие имплантаты до настоящего времени не нашли широкого применения в медицинской практике. Это связано с низкой механической прочностью покрытия, причиной которой является несовершенство технологии и состава покрытия вследствие недостаточной теоретической и экспериментальной проработки вопросов, связанных с плазменным напылением биокомпозиций. Таким образом, успех в использовании биокерамических покрытий в значительной степени определяется возможностью формирования системы покрытий с высокими адгезионно-когезионными свойствами и определенной пористой структурой.

В связи с этим актуальными являются исследования процесса плазменного напыления биокерамических материалов, в частности, режимов напыления, обеспечивающих получение биоактивных остеоинтегрируемых покрытий с повышенными физико-механическими свойствами, максимально приближенными к естественной костной ткани.

В связи с этим актуальными являются исследования процесса плазменного напыления биокерамических материалов, в частности, режимов напыления, обеспечивающих получение биоактивных остеоинтегрируемых покрытий с повышенными физико-механическими свойствами, максимально близкими естественной костной ткани.

В соответствии с поставленной задачей в работе были впервые получены теоретические и экспериментальные результаты исследований, которые в совокупности открывают широкие возможности использования плазменной технологии получения биокерамических покрытий на металлической основе. В связи с этим научная новизна работы заключается в следующем:

- теоретически обоснована и экспериментально показана возможность получения многослойных биоактивных покрытий с высокой адгезионной прочно-

* - объяснения медицинских терминов приводятся в словаре (Приложение!)

стью методом плазменного многослойного напыления на воздухе в струе аргона;

- установлены закономерности влияния режимов напыления на пористую структуру и физико-механические свойства биокерамических покрытий, позволяющие управлять их качеством;

- разработана оригинальная методика определения адгезии между слоями в плазменном многослойном биокомпозиционном покрытии;

- использован метод центробежной порометрии для детального исследования пористой структуры плазменных.биопокрытий;

- разработана слоистая структура покрытия с заданным изменением свойств при переходе от компактной основы к высокопористому биоактивному слою;

- показана высокоэффективная остеоинтеграция костной ткани и гидро-ксиапатитового слоя, создающая прочную биомеханическую систему "кость-имплантат".

Практическая значимость работы:

-разработанная слоистая биокомпозиционная структура с использованием ГА позволяет получить высококачественное многослойное плазменное покрытие на дентальных имплантатах (патент РФ № 207 467 4 );

-разработанная технология плазменного многослойного напыления, обеспечивает достижение высокой адгезионно-когезионной прочности биокомпозиционных покрытий;

-разработанная конструкция промышленного образца дентального имплан-тата, уменьшает время имплантации, увеличивает прочность его фиксации, снижает травматичность (патент РФ № 42751);

- использование в клинической практике дентальных имплантатов с многослойным биокомпозиционным покрытием способствует снижению послеоперационных осложнений на 30%;

-7- использование материалов диссертационной работы в содержании спецкурсов, читаемых студентам специальностей "Биотехнические и медицинские аппараты и системы"(БМА) и "Машины и технология высокоэффективных процессов обработки" (В'МТ) кафедры "Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки" Саратовского государственного технического университета, улучшает восприятие и освоение студентами изучаемых дисциплин.

Внедрение результатов работы. В настоящее время НПА " Плазма Поволжья " имеет разрешение Минздравмедпрома РФ на серийное производство дентальных имплантатов с многослойным биокомпозиционным покрытием № 29/13-900-96, ТУ- 9398 - 001-2069195-97, а также сертификат соответствия № РОСС 1ш ИМ 05. Н00086 и международный сертификат соответствия № БЗАО.004.1.3.000329. Выпускаемые имплантаты с плазменным многослойным биокомпозиционным покрытием поставляются по договорам в клиники Саратова, Москвы, Самары, Ростова, Воронежа, Волгограда, Орла, при этом оценка клинических результатов, полученных в течение последних 4 лет, позволяют считать их эффективными и надежными, обладающими высокими остеоинте-грационными свойствами

Основные положения выносимые на защиту:

1 .Многослойное строение плазмонапыленного биокомпозиционного покрытия;

2.Математическая модель влияния термонапряженного состояния на физико-механические свойства плазмонапыленных покрытий, позволяющая установить пути повышения их адгезионной прочности;

3.Зависимости характеристик пористой структуры и физико-механических свойств покрытий от режимов напыления;

4.Технология многослойного плазменного напыления, обеспечивающая достижение высокой адгезионно-когезионной прочности биопокрытий на титановом имплантате.

Апробация. Материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технической конференции "Трансферные технологии, комплексы и оборудование в машиностроении" (Саратов, СГТУ, 1994г.), 1-ой и 2-ой Международных научно-технических конференциях "Новое в технологии, производстве и применении имплантатов" (Саратов, 1993-1994гг.), 4-ой Международной конференции "Современные проблемы имплантологии" (Саратов, 1998г.).Материалы разработок представлялись на Российско-китайском симпозиуме "Современные материалы и процессы"! 1996г.).

Разработанные имплантаты с многослойным биопокрытием демонстрировались на выставках: "Новые материалы и технологии"(Москва, 1994-1995гг.), 46-ой Всемирной выставке инноваций , исследований и новых технологий "Брюссель Эврика'97"(Бельгия, 1997г.), где стоматологический имплантат с многослойным биокомпозиционным покрытием в составе комплекта КИСВТ-СГТУ-01 отмечены дипломом и серебряной медалью.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 16 печатных работ, в том числе 3 статьи, 2 патента и 11 тезисов докладов международных, всесоюзных и отраслевых конференций и симпозиумов.

Настоящая работа обосновывает необходимость возникновения и развития данного научного направления, которое позволит значительно расширить область применения плазменных многослойных биокерамических покрытий в результате разработки новых технологий и внедрения их в широкомасштабное серийное производство.

Автор выражает большую благодарность за научное руководство, помощь и поддержку при подготовке диссертации научному руководителю доктору технических наук, профессору Лясникову Владимиру Николаевичу и научному консультанту кандидату технических наук, доценту Бутовскому Константину Георгиевичу.

ГЛАВА 1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

Развитие стоматологии во второй половине текущего столетия ознаменовано значительными успехами в области имплантологии. Этому в немалой степени способствовало внедрение в медицинскую науку и практику научно-технических достижений. Дальнейшее развитие дентальной имплантологии ставит перед исследователями ряд проблем, связанных с разработкой биологически активных материалов, а также методов их получения и обработки; с созданием оптимальных биомеханических'конструкций.

1.1 МАТЕРИАЛЫ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СОВРЕМЕННЫХ ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТОВ

Успех имплантации во многом определяется свойствами материала, биомеханикой конструкции имплантата и биологическими факторами. Фактор совместимости материала с тканями в этом случае играет ведущую роль [ZZ]■

К материалам имплантатов предъявляются следующие требования [15,107-103]:

• клинико-биологические, определяемые особенностями взаимодействия живых тканей с материалом имплантатов;

• биологические, связанные с токсикологическими, канцерогенными, коррозионными свойствами;

• технологические, определяемые способностью к обработке (штамповке, резанию, сверлению, сварке, напылению и т.д.);

• конструктивные, физико-механические, позволяющие создавать эффективные, удобные для использования изделия имплантатов;

• экономические, определяемые стоимостью материала и затратами на изготовление имплантатов.

Важными требованиями, предъявляемые к материалам имплантатов, является стойкость к истиранию, хорошая стерилизуем ость, рентгеноконтрастность,

высокие электроизоляционные свойства и низкая теплопроводимость. Эластичность материала имплантата, по современным представлениям, в основном должна совпадать с эластичностью костной ткани, одновременно обеспечивая жесткость закрепления им пл антата[53,5^].

При подборе биомедицинских материалов важное значение имеет биологическая совместимость, то есть влияние биологической среды на материал имплантата, воздействие материала на окружающие ткани и протекания в них иммунных реакций. Биосовместимость зависит от свойств материала, конструкция имплантата, функциональной нагрузки и состояния иммунной системы реципиента В,93/102].

Изложенным требованием в наибольшей степени удовлетворяют сплавы с "памятью формы" на основе интерметаллического соединения никелида титана.

Изделие можно согнуть, скрутить, но при нагреве до определенной температуры, при которой им была придана первоначальная форма, они вновь восстанавливают ее. Эффект "памяти" проявляется в интервале температур от -150 до +100°С, что делает возможным его использование при температуре человеческого тела. Это открывает широкие возможности при вживлении имплантатов. Применение никелида титана для внутрикостной имплантации было обосновано в работах В.Н. Олесовой и М.З. Миргазизова с соавторами [15",18,22,

Появление в клинической практике новых металлических материалов-сплавов с эффектом "памяти формы" связано, в первую очередь, с успехами физики металлов и медицины, достигнутыми за последние два десятиления в России, США, ФРГ, Японии. Несмотря на обилие всевозможных металлических материалов с "памятью формы", в медицине используются их пока единицы. Это связано с тем, что, в целом, проблема разработки и поиск специальных металлических материалов с "памятью формы", функционирующих в условиях контакта с биологическими средствами, практически находится в стадии зарождения. Это направление требует не только решения вопроса о совместимости

материала с тканями живого организма, но и оценки возможности функционирования в организме имплантата, изменяющего свою форму в соответствии с заданной программой [22,23, 96 ]•

Материалы, используемые в имплантологии, по группам можно разделить на металлические и неметаллические. К металлическим материалам относятся: нержавеющие стали; кобальт-хром-молибденовые сплавы; тантал; титан и др. Неметаллические материалы включают: полимеры, керамику, стеклокерамику, биологическое стекло; синтетические углеродные материалы, керамика на основе фосфата кальция и гидроксиапатита [87,95,115^50, А53, ].

Металлы и сплавы В настоящее время наиболее широкое применение в качестве материала для изготовле�