автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.10, диссертация на тему:Повышение качества и оптимизация технологии плазменного напыления биопокрытий из титана и гидроксиапатита на имплантаты

и

V ч- ъ 2 - а

Саратовский государственный технический университет

На правах рукописи

Корчагин Алексей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ БИОПОКРЫТИЙ ИЗ ТИТАНА И ГИДРОКСИАПАТИТА НА ИМПЛАНТАТЫ

Специальность: 05.09.10 - Электротехнология

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор Лясников В.Н.

САРАТОВ - 1999

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................................................................4

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ БИОПОКРЫТИЙ НА ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТАХ....................................................................................................................................................И

1.1. Проблемы применения стоматологических импл.антатов.........................................................11

1.2. Процесс создания внутрикостных стоматологических имплантатов....................................14

1.3. Постановка целей и задач исследований.....................................................................................40

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ БИОПОКРЫТИЙ...................................................................................................................................................42

2.1. Физическая сущность процесса плазменного напыления и анализ подходов физико-математического описания плазменного напыления..................................................................................42

2.2. Подготовка поверхности подложки для плазменного напыления биопокрытий....................50

2.3. Оптимизация свойств плазмонапыленных биопокрытий путем формирования регулярной порис той структуры с помощью ультразвуковых колебаний......................................................................54

Выводы по главе 2..................................................•..............................................................................66

3. ОБЩАЯ МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЯ ТИТАНОВЫХ И ГИДРОКСИАПАТИТОВЫХ ПЛАЗМЕННЫХ БИОПОКРЫТИЙ..................................................................68

3.1. Методика проведения экспериментов...........................................................................................71

3.2. Планирование эксперимента........................................................................................;.................79

3.2.1. Обоснование выбора экспериментально-статистического метода построения математической модели процесса плазменного напылении порошковых биопокрытий...........................80

3.2.2. Выбор параметров оптимизации и факторов.........................................................................83

3.2.3. Алгоритм проведения регрессионного моделирования.............................................................85

4. АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ СВОЙСТВ ПЛАЗМОНАПЫЛЕННЫХ БИОПОКРЫТИЙ ИЗ ТИТАНА И ГИДРОКСИАПАТИТА.............................92

4.1. Влияние технологии плазменного напыления на структурные характеристики напыленных биопокрытий.......................................................................................................................................................92

4. 1. I. Исследование шероховатости плазменных биопокрытий......................................................93

4.1.2. Исследование морфологии плазменных порошковых покрытий...........................................106

4.1.3. Исследование удельной поверхности и пористости плазменных биопокрытий..................119

4.2. Исследование влияния ультразвука на процесс плазменного напыления............................126

4.3. Исследования остеоинтеграции имплантатов с плазмонапыленными биопокрытиями .... 134 Выводы по главе 4...-..,........................................................................................................................142

5. РАЗРАБОТКА ОПТИМИЗИРОВАННОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАЗМЕННОГО НАПЫЛЕНИЯ

ВЫСОКОЭФФЕКТИВНЫХ БИОПОКРЫТИЙ НА ДЕНТАЛЬНЫХ ИМПЛАНТАТАХ..........................144

5.1. Технология плазменного напыления биопокрытий в производстве имплантатов...............144

5.2. Технико-экономический анализ эффективности результатов работы....................................149

Выводы по главе 5..............................:..................................................................:............................158

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ...........................................................................................................159

БИБЛИОГРАФИЯ.....................................................................................................................................161

ПРИЛОЖЕНИЯ.........................................................................................................................................182

Приложение 1. Сравнительные характеристики различных процессов газотермического

напыления.................................................:..................................................................;....................................183

Приложение 2. Сравнительные данные для некоторых материалов...............................................184

Приложение 3. Журнал планирования и проведения эксперимента...............................................185

Приложение 4. Перечень условных обозначений, принятых в работе............................................18,7

Приложение 5. Сведения о токсикологических и технических испытаниях изготовленных

имплантатов....................................................................................................................................................488

Приложение 6. Акты внедрения результатов работы........................................;................................190

Приложение 7. Экономическая оценка эффективности внедрения оптимизированной технологии.......................................................................................................................................................195?

ВВЕДЕНИЕ

Проблема повышения качества напыленных покрытий имеет приоритетное значение во многих областях плазменной технологии, включая применение этих покрытий в медицине в качестве биопокрытий на внутрикостных стоматологических имплантатах.

В последние годы наметился явный интерес к симбиозу биологических и синтетических структур для создания тех или иных искусственных органов [1-12].

Важной и перспективной проблемой современной стоматологии является исправление дефектов зубных рядов с помощью имплантатов. Имплантат выполняет роль опоры зуба для последующего несъемного протезирования. Через определенное время (3-5 месяцев) на него устанавливается коронка или мосто-видный протез требуемой конструкции. При этом исключается травмирование соседних зубов.

Потребность в протезировании с помощью имплантатов достаточно велика (например, ежегодная потребность в стоматологических протезах в США составляет около 20 тысяч штук [1, 2]), и следует ожидать тенденцию к увеличению потребности в "вечных" зубных корнях. По данным Всемирной Организации Здравоохранения, частичная адентия, наряду с кариесом и болезнями паро-донта становится наиболее частой патологией зубочелюстной системы. Аденти-ей страдает 75% населения земного шара. Анализ состояния стоматологической помощи по данным отечественных авторов [13], показывает, что частичная адентия составляет в нашей стране от 40 до 75%. Совершенно очевидно, что адентия, неадекватно компенсированная съемным протезом, может привести не

только к нарушению функции жевания, деятельности пищеварительной системы, атрофии челюстей, но и к нарушению психоэмоционального состояния. В тоже время результаты, полученные зарубежными авторами [3,4,14-16], убедительно доказывают, что проведение ортопедического метода лечения с использованием имплантатов у больных с частичной или полной адентией, а также с концевыми дефектами зубных рядов позволяет избежать съемных конструкций протезов, которые в большинстве случаев не удовлетворяют пациентов.

Несмотря на большие мировые достижения в области дентальной имплантологии, существуют проблемы, связанные, в основном, с биосовместимостью материала имплантата и живого организма, а так же с созданием функциональной системы, адекватной зубному корню. Проблемы разработки адекватных искусственных зубных корней требует использования новейших методов в области моделирования, синтеза и анализа соответствующих материалов. Эти материалы должны сочетать в себе некоторые свойства живой и неживой ткани таким образом, чтобы при необходимости полностью или частично заменить функции тех или иных утраченных естественных органов [13, 17-21].

Современная дентальная имплантация успешно решает многие проблемы реабилитации больных с дефектами зубных рядов. Однако, несмотря на ряд преимуществ, имплантация для пациента представляет в определенной степени риск, так как конечный результат зависит от сложного комплекса взаимодействующих и взаимозависимых факторов: медико-биологических, физических, механических и др.

Так как внутрикостные имплантаты вступают в сложное взаимодействие с окружающей костной тканью и из-за чрезвычайно неравномерного распределения напряжений, возникающих при жевательных нагрузках, существует серьезная проблема нарушение границы контакта между живой тканью и поверхностью имплантата, и как следствие, отторжения имплантата костной тканью. При этом именно поверхность несет на себе основную нагрузку по функционирова-

нию имплантата. Поэтому становится невозможным выполнение имплантатом своих функций. Эта задача может быть решена с помощью создания необходимой поверхностной структуры имплантата.

Радикальным способом решения указанной проблемы является формирование на поверхности имплантата с помощью плазменной технологии такого слоя, с определенной пористой структурой, морфологией поверхности, адгезионно-когезионными и другими свойствами, который максимально приближал бы данную конструкцию по функциональным качествам к натуральному корню зуба [13,27]. Поэтому проблема формирования с помощью технологии плазменного напыления высокоэффективных биопокрытий с необходимыми биомеханическими и физико-химическими характеристиками является весьма актуальной.

Современное развитие стоматологической имплантологии должно базироваться на широком применении новейших достижений в области материаловедения, физикохимии, биомеханики, плазменной техники и технологии нанесения биоинертных и биоактивных пористых материалов, а так же на результатах детального изучения сложных закономерностей взаимодействия имплантатов с окружающей живой тканью [22-26]. Это вызывает необходимость постоянного совершенствования имплантатов.

По мере разработки новых концепций в технологии, производстве и применении имплантатов для стоматологии значительно возросли требования к функциональным, прочностным и эстетическим параметрам ортопедических конструкций. Совершенствование их достигается комплексным решением конструк-торско-технологических и материаловедческих проблем с поиском и оптимизацией методов лечения [7-12].

В настоящее время наряду с автоматизацией и широким внедрением компьютерной техники в технологию и производство важным фактором становится применение новых конструкционных материалов, обладающих комплексом разнообразных физико-химических и механических свойств. Перспективными с

точки зрения экономии дорогостоящих материалов являются технологии формирования на ответственных поверхностях специальных покрытий с заданными эксплуатационными характеристиками. При этом основа изготавливается из обычных, легко получаемых и обрабатываемых материалов, а основную функциональную нагрузку несет покрытие, толщина которого колеблется от долей и нескольких микрон до сотен микрометров и более.

Анализ научно-технической и производственной информации позволяет сделать вывод, что среди разнообразных способов нанесения покрытий наиболее эффективными для внутрикостных стоматологических имплантатов является плазменное напыление. Более подробно различные методы нанесения покрытий, их преимущества и недостатки при решении данной задачи рассмотрены в п. 1.2. В работе также рассматриваются вопросы оптимизации данного процесса с целью создания структуры покрытия, которое будет повышать эффективность остеоинтегративных процессов на границе имплантат - костная ткань.

Получение высококачественных плазмонапыленных покрытий с заранее заданными свойствами требует решения ряда проблем, к числу которых можно отнести комплексное исследование физико-химических и механических свойств покрытий во взаимосвязи их эксплуатационных характеристик с технологией изготовления на основе математического моделирования процесса, устанавливающего четкую корреляцию между значениями технологических режимов напыления и свойствами покрытий, при учете конструктивных особенностей оборудования и общих закономерностей формирования покрытий, а также разработку и внедрение в производство высокоэффективных технологий плазменного напыления.

Основным направлением совершенствования технологии плазменного напыления биопокрытий должно стать широкое применение последних достижений материаловедения и исследований влияния технологических параметров на свойства получаемых покрытий, а также создание методов оптимизации пара-

метров покрытий в зависимости от конкретных условий напыления и изучение влияния введения в процесс дополнительных энергетических воздействий, с помощью которых можно управлять свойствами покрытий непосредственно во время их создания.

Об актуальности проблемы создания биопокрытий также свидетельствуют регулярно проводимые в СГТУ Международные конференции по проблемам производства и применения имплантатов (1993,1994,1996, 1998гг.). Часть работы выполнялась в рамках государственной научно-исследовательской программы "Университеты России".

Объектом исследования в работе является технология плазменного напыления биопокрытий из титана и гидроксиапатита на дентальные имплантаты.

Целью работы является создание высокоэффективных дентальных имплантатов с определенными поверхностными и структурными свойствами на основе экспериментальных исследований и оптимизации технологии.

На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований и внедрения результатов в производство решена актуальная научная задача создания качественных высокоэффективных внутрикостных стоматологических имплантатов с функциональными биопокрытиями из титана и гидроксиапатита, включающая следующую научную новизну:

- установлено влияние основных технологических параметров плазменного напыления порошков титана и гидроксиапатита (дистанции напыления и дисперсности порошка) на шероховатость, морфологию и структуру биопокрытий;

- построены математические модели для шероховатости и параметров качества плазмонапыленных биопокрытий из титана и гидроксиапатита, позволяющие получать заданные свойства биопокрытий;

- теоретически и на физической модели установлена возможность управления структурой плазменных покрытий с помощью воздействия на основу при напылении ультразвуковых колебаний (УЗК);

- изучена степень влияния метода обработки поверхности имплантатов и технологических параметров напыления на остеоинтеграцию полученных биопокрытий;

- оптимизированы технологические параметры плазменного порошкового напыления биопокрытий из титана и гидроксиапатита на внутрикостные дентальные имплантаты.

Практическая значимость результатов работы заключается в том, что установленная возможность управления структурой плазмонапыленных покрытий с помощью УЗК открывает перспективы для нового направления теоретических и экспериментальных исследований по оптимизации технологии и управления свойствами покрытий.

Теоретически обоснована, экспериментально подтверждена и внедрена в производство оптимизированная технология плазменного напыления биопокрытий на дентальные имплантаты. В результате выполненных исследований спроектированы, изготовлены и внедрены в производство новые конструкции внут-рикостных стоматологических имплантатов. Разработана техническая документация комплекта КИСВТ-СГТУ-01, разрешенного Министерством здравоохранения и медицинской промышленности РФ к серийному производству и применению в медицинской практике, постановление 29/13-900-96 от 27.06.96 г., ТУ-9398-001 -2069195-97, сертификат соответствия № БЗАО 004.1.3.00329 от 2.04.98.

Проведена технико-экономическая оценка эффективности оптимизированной технологии плазменного напыления биопокрытий на дентальные имплантаты в количественном и стоимостном выражении.

Имплантаты, изготавливаемые по оптимизированной технологии применяются в клинической практике при восстановлении дефектов зубных рядов в стоматологических поликлиниках г.Саратова и г.Воронежа.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных исследований морфологии, шероховатости и структуры биопокрытий из титана и гидроксиапатита;

- результаты физического моделирования и теоретического исследования возможности управления структурой биопокрытий с помощью воздействия ультразвуковых колебаний на основу при плазменном напылении;

- математические модели влияния дистанции напыления и дисперсности порошка на шероховатость и показатели качества биопокрытий, и модель влияния ультразвуковых колебаний на геометрические характеристики напыляемых частиц;

- результаты изучения степени остеоинтеграции полученных биопокрытий на основе клинических исследований;

- оптимизированные режимы плазменного напыления биопокрытий из титана и гидроксиапатита на дентальные имплантаты.

1. ОБЗОР СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕН�