CZ308151B6 - Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy - Google Patents
Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy Download PDFInfo
- Publication number
- CZ308151B6 CZ308151B6 CZ2015-116A CZ2015116A CZ308151B6 CZ 308151 B6 CZ308151 B6 CZ 308151B6 CZ 2015116 A CZ2015116 A CZ 2015116A CZ 308151 B6 CZ308151 B6 CZ 308151B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- layer
- titanium
- calcium
- porous
- nanostructured
- Prior art date
Links
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 80
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 title claims abstract description 30
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 title abstract description 10
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 73
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims abstract description 63
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 62
- 239000011575 calcium Substances 0.000 claims abstract description 52
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 44
- 229910052791 calcium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 33
- OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N Calcium Chemical compound [Ca] OYPRJOBELJOOCE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 31
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 31
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 claims abstract description 22
- 238000009736 wetting Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims abstract description 14
- 230000000278 osteoconductive effect Effects 0.000 claims abstract description 10
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 52
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 39
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 35
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 31
- 230000002308 calcification Effects 0.000 claims description 25
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 claims description 23
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 23
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 claims description 23
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 claims description 23
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 16
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 16
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 239000000017 hydrogel Substances 0.000 claims description 15
- 239000000499 gel Substances 0.000 claims description 13
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 12
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 11
- 238000005406 washing Methods 0.000 claims description 10
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 8
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims description 8
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 7
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 7
- 238000005554 pickling Methods 0.000 claims description 7
- UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L Calcium chloride Chemical compound [Cl-].[Cl-].[Ca+2] UXVMQQNJUSDDNG-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 6
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 claims description 6
- 239000010431 corundum Substances 0.000 claims description 5
- 229910052593 corundum Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 5
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N Sulfuric acid Chemical compound OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 claims description 4
- 229910001424 calcium ion Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims description 4
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims description 4
- 150000007522 mineralic acids Chemical class 0.000 claims description 4
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 238000005488 sandblasting Methods 0.000 claims description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N Magnesium ion Chemical compound [Mg+2] JLVVSXFLKOJNIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N Zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052735 hafnium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N hafnium atom Chemical compound [Hf] VBJZVLUMGGDVMO-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910001425 magnesium ion Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910000403 monosodium phosphate Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 235000019799 monosodium phosphate Nutrition 0.000 claims description 2
- 229910052758 niobium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010955 niobium Substances 0.000 claims description 2
- GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N niobium atom Chemical compound [Nb] GUCVJGMIXFAOAE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 238000007788 roughening Methods 0.000 claims description 2
- AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M sodium dihydrogen phosphate Chemical compound [Na+].OP(O)([O-])=O AJPJDKMHJJGVTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 229910052720 vanadium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N vanadium atom Chemical compound [V] LEONUFNNVUYDNQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 claims 1
- NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N titanium Chemical compound [Ti].[Ti] NMJKIRUDPFBRHW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 20
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 150
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 32
- 239000012890 simulated body fluid Substances 0.000 description 24
- 229960005069 calcium Drugs 0.000 description 21
- 229960001714 calcium phosphate Drugs 0.000 description 21
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 21
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 20
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 19
- 238000011282 treatment Methods 0.000 description 19
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 18
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 description 16
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 15
- 238000004833 X-ray photoelectron spectroscopy Methods 0.000 description 14
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 12
- 238000002149 energy-dispersive X-ray emission spectroscopy Methods 0.000 description 11
- 229910052698 phosphorus Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000001336 glow discharge atomic emission spectroscopy Methods 0.000 description 9
- VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;fluoride;triphosphate Chemical compound [F-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O VSIIXMUUUJUKCM-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 9
- 229910052586 apatite Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 8
- 238000000151 deposition Methods 0.000 description 8
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 7
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 230000008021 deposition Effects 0.000 description 7
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 235000011007 phosphoric acid Nutrition 0.000 description 7
- 239000011574 phosphorus Substances 0.000 description 7
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 6
- RBLGLDWTCZMLRW-UHFFFAOYSA-K dicalcium;phosphate;dihydrate Chemical compound O.O.[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O RBLGLDWTCZMLRW-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 6
- 238000002513 implantation Methods 0.000 description 6
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 5
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000012300 argon atmosphere Substances 0.000 description 4
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 4
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 4
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 4
- BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N Calcium cation Chemical compound [Ca+2] BHPQYMZQTOCNFJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 241000282472 Canis lupus familiaris Species 0.000 description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 3
- -1 HCO3 ions Chemical class 0.000 description 3
- 239000012981 Hank's balanced salt solution Substances 0.000 description 3
- 238000010171 animal model Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 3
- 230000003592 biomimetic effect Effects 0.000 description 3
- 239000001110 calcium chloride Substances 0.000 description 3
- 229910001628 calcium chloride Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000011148 calcium chloride Nutrition 0.000 description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 3
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 3
- 230000002349 favourable effect Effects 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 3
- 239000002244 precipitate Substances 0.000 description 3
- 238000005211 surface analysis Methods 0.000 description 3
- 210000002303 tibia Anatomy 0.000 description 3
- 206010061218 Inflammation Diseases 0.000 description 2
- 101150080315 SCS2 gene Proteins 0.000 description 2
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910003089 Ti–OH Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 2
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 2
- 238000001479 atomic absorption spectroscopy Methods 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 239000002775 capsule Substances 0.000 description 2
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 2
- 238000005336 cracking Methods 0.000 description 2
- 231100000263 cytotoxicity test Toxicity 0.000 description 2
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000001962 electrophoresis Methods 0.000 description 2
- 230000035876 healing Effects 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000003301 hydrolyzing effect Effects 0.000 description 2
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 2
- 238000001727 in vivo Methods 0.000 description 2
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 2
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 2
- 230000004660 morphological change Effects 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 230000006911 nucleation Effects 0.000 description 2
- 238000010899 nucleation Methods 0.000 description 2
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 2
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 2
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 2
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 2
- 239000011295 pitch Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 238000004445 quantitative analysis Methods 0.000 description 2
- 238000011158 quantitative evaluation Methods 0.000 description 2
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 2
- 238000003980 solgel method Methods 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 description 2
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 2
- 108091003079 Bovine Serum Albumin Proteins 0.000 description 1
- 102000005701 Calcium-Binding Proteins Human genes 0.000 description 1
- 108010045403 Calcium-Binding Proteins Proteins 0.000 description 1
- 241000283707 Capra Species 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 241001465754 Metazoa Species 0.000 description 1
- KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N Na2O Inorganic materials [O-2].[Na+].[Na+] KKCBUQHMOMHUOY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 101100256290 Saccharomyces cerevisiae (strain ATCC 204508 / S288c) SCS3 gene Proteins 0.000 description 1
- 101100256289 Schizosaccharomyces pombe (strain 972 / ATCC 24843) fit1 gene Proteins 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 1
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 1
- 229910001854 alkali hydroxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 238000004873 anchoring Methods 0.000 description 1
- 238000007664 blowing Methods 0.000 description 1
- 239000000316 bone substitute Substances 0.000 description 1
- 229940098773 bovine serum albumin Drugs 0.000 description 1
- XAAHAAMILDNBPS-UHFFFAOYSA-L calcium hydrogenphosphate dihydrate Chemical compound O.O.[Ca+2].OP([O-])([O-])=O XAAHAAMILDNBPS-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 239000004068 calcium phosphate ceramic Substances 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 239000003054 catalyst Substances 0.000 description 1
- 229910010293 ceramic material Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 238000005234 chemical deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012993 chemical processing Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000084 colloidal system Substances 0.000 description 1
- 239000002131 composite material Substances 0.000 description 1
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 1
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 1
- 210000002808 connective tissue Anatomy 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 1
- 231100000433 cytotoxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000001472 cytotoxic effect Effects 0.000 description 1
- 231100000135 cytotoxicity Toxicity 0.000 description 1
- 230000003013 cytotoxicity Effects 0.000 description 1
- 230000007812 deficiency Effects 0.000 description 1
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000032798 delamination Effects 0.000 description 1
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 1
- 238000010410 dusting Methods 0.000 description 1
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 description 1
- 238000001652 electrophoretic deposition Methods 0.000 description 1
- 230000009881 electrostatic interaction Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 230000002255 enzymatic effect Effects 0.000 description 1
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000000284 extract Substances 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 229910052587 fluorapatite Inorganic materials 0.000 description 1
- 229940077441 fluorapatite Drugs 0.000 description 1
- 238000013467 fragmentation Methods 0.000 description 1
- 238000006062 fragmentation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N heavy water Substances [2H]O[2H] XLYOFNOQVPJJNP-ZSJDYOACSA-N 0.000 description 1
- 238000000099 in vitro assay Methods 0.000 description 1
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 1
- 239000003112 inhibitor Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 210000003041 ligament Anatomy 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 1
- 239000007769 metal material Substances 0.000 description 1
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 1
- 230000017074 necrotic cell death Effects 0.000 description 1
- CVPJXKJISAFJDU-UHFFFAOYSA-A nonacalcium;magnesium;hydrogen phosphate;iron(2+);hexaphosphate Chemical compound [Mg+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Fe+2].OP([O-])([O-])=O.OP([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O CVPJXKJISAFJDU-UHFFFAOYSA-A 0.000 description 1
- 229910000392 octacalcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000399 optical microscopy Methods 0.000 description 1
- 230000008520 organization Effects 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 description 1
- 229940085991 phosphate ion Drugs 0.000 description 1
- 239000004033 plastic Substances 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 239000005368 silicate glass Substances 0.000 description 1
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 description 1
- 238000005245 sintering Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- HUAUNKAZQWMVFY-UHFFFAOYSA-M sodium;oxocalcium;hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+].[Ca]=O HUAUNKAZQWMVFY-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000002904 solvent Substances 0.000 description 1
- 238000000527 sonication Methods 0.000 description 1
- 238000004544 sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 230000000087 stabilizing effect Effects 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 description 1
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- YIGWVOWKHUSYER-UHFFFAOYSA-F tetracalcium;hydrogen phosphate;diphosphate Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].OP([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O YIGWVOWKHUSYER-UHFFFAOYSA-F 0.000 description 1
- 231100000331 toxic Toxicity 0.000 description 1
- 230000002588 toxic effect Effects 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- A—HUMAN NECESSITIES
- A61—MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
- A61C—DENTISTRY; APPARATUS OR METHODS FOR ORAL OR DENTAL HYGIENE
- A61C8/00—Means to be fixed to the jaw-bone for consolidating natural teeth or for fixing dental prostheses thereon; Dental implants; Implanting tools
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Oral & Maxillofacial Surgery (AREA)
- Epidemiology (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Orthopedic Medicine & Surgery (AREA)
- Dentistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Animal Behavior & Ethology (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Public Health (AREA)
- Veterinary Medicine (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Pro nitrokostní implantáty jsou nárokovány povrchové úpravy substrátu na bázi titanu, které jsou používány jako bioaktivní implantační materiály se zvýšenými osteokondukčními vlastnostmi. Nitrokostní implantát je připravitelný tak, že neporézní bioinertní substráty na bázi titanu jsou podrobeny mechanickým a chemickým povrchovým úpravám ve dvou krocích, nejprve pro získání alkalické výchozí vrstvy na titanovém substrátu, kde na 1 mmsubstrátu je vytvořena porézní nanostrukturovaná, výchozí vrstva s měrným povrchem nejméně 80 mma úhlem smáčení menším než 90°. Ve druhém kroku je tato výchozí vrstva exponována v roztocích obsahujících vápenaté a fosforečnanové ionty, což umožňuje do konečné vrstvy substrátu inkorporovat vápenaté a fosforečnanové ionty případně jejich krystalický a/nebo amorfní depozit. Tloušťka konečné vrstvy nepřesahuje tloušťku výchozí vrstvy.
Description
Oblast techniky
Vynález se týká nitrokostního implantátu s bioaktivní povrchovou úpravou substrátu na bázi titanu. Povrchová úprava představuje povrchovou bioaktivní vrstvu s osteokondukčními vlastnostmi.
Vynález se týká též postupu přípravy nitrokostního implantátu.
Dosavadní stav techniky
Pro náhradu kostní tkáně je známa řada materiálů, zejména ze skupiny kovových materiálů, plastických polymemích látek, keramických materiálů a jejich kompozitu. Použitelnost jednotlivých materiálů pro implantace do živého organismu záleží na jejich vlastnostech, zejména na tkáňové biokompatibilitě, enzymatické a hydrolytické stabilitě, chemických, fýzikálních, mechanických a dalších vlastnostech.
Biokompatibilita každého implantátu je určována především vzájemnou interakcí mezi tkání hostitele a implantátem. Organismus se snaží každé cizí těleso izolovat od okolní tkáně, vytváří kolem něj demarkační vazivový obal a snaží se jej z těla vyloučit. Tloušťka stěny pouzdra kolem implantátu indikuje snášenlivost implantátu s tkání. Tenká stěna pouzdra charakterizuje dobrou snášenlivost materiálu, silná signalizuje vysoký stupeň odmítavé reakce. Samozřejmým požadavkem na kompatibilní látky je, že nesmí působit toxicky, vyvolávat tkáňové nekrózy a zánětlivé reakce.
Vývoj materiálů pro kostní náhrady vede jednoznačně od materiálů biotolerantních (např., ocel) přes bioinertní (např., korund, titan) k materiálům bioaktivním (např., kalcium-fosfátová keramika, bioaktivní titan), které doznávají širokého uplatnění v klinické praxi. Tvorba více nebo méně silného vazivového pouzdra, které se vytváří mezi bioinertním povrchem implantátu a tkání přináší nemalé obtíže při fixaci implantátů v organizmu. Zejména při zatížení takto vhojeného implantátu může docházet ke vzniku nežádoucích lokálních napětí na rozhraní kosti a implantátu, což může vést až k jeho vyloučení. Bioaktivní materiály naproti tomu jsou schopny vytvářet s tkání pevnou vazbu bez intermediální vazivové vrstvy, což přispívá k rovnoměrnému rozložení napětí v kostním lůžku u zatíženého implantátu. Významnou charakteristikou bioaktivních materiálů je jejich schopnost vytvářet na svém povrchu tenké vrstvy obohacené o vápník a fosfor, které jsou výsledkem interakce mezi implantátem a tělní tekutinou. Tato vrstva, z počátku amorfní, se s časem mění na polykrystalickou vrstvu apatitových aglomerátů chemicky a krystalograficky totožných s kostním apatitem. Je předpokládáno, že takto vzniklá apatitová vrstva má klíčovou úlohu při vzniku vazby povrchu implantátu s živou kostní tkání [ 1].
Pro hodnocení bioaktivity implantačních materiálů se používají testy in vitro, kdy se sleduje schopnost materiálu indukovat precipitaci hydroxyapatitu na jeho povrchu při jeho expozici v roztoku modelujícím tělní tekutinu (SBF, Simulated Body Fluid). Test se provádí podle platné mezinárodní normy ISO 23317 [2],
Další často používaná metoda in vivo pro stanovení bioaktivity spočívá ve stanovení podílu přímého kontaktu nově vytvořené kostní tkáně k celkovému povrchu implantátu (BIC% Bone Implant Contact) při jeho implantaci na zvířecím modelu v závislosti na době [3],
Bioaktivita může být také vyjádřena jako bioaktivní index lb = 100/t(Bic = so %) [d_1], kde t je počet dní, kdy přímý kontakt nově vytvořené kostní tkáně dosáhne padesáti procent celkového povrchu implantátu.
- 1 CZ 308151 B6
Bioaktivita křemičitých skel, případně gelů, v závislosti na složení, může být také odhadnuta na základě zjednodušené strukturní představy polymemího charakteru těchto materiálů (O°+O = 20') [4] a pro první přiblížení pomocí Stevelsových strukturálních parametrů Y a X [5], které vyjadřují střední počet můstkových (O°) a nemůstkových (O') kyslíků najeden polyedr zesítěné struktury. Strukturní parametry Y(O°) =2Z-2R a X(O') = 2R-Z jsou určeny z molámího složení skla, kde Z je střední počet všech kyslíků na polyedr a R je poměr celkového počtu kyslíků k celkovému počtu síťotvořičů. Z kladné korelace mezi bioaktivitou (It>) a středním počtem nemůstkových kyslíků (O') pro sodnovápenatokřemičitá skla byly určeny hodnoty X(O') > 1,5 a Y(O°)<2,5, kdy skla začínají jevit bioaktivitu, která roste se snižujícím se poměrem SiO2/(CaO+Na2O) a rovnováha O°+O —> 20' je posunuta ve prospěch nemůstkových kyslíků (O')·
Titan, v současné době často používaný biomateriál s vynikajícími mechanickými vlastnostmi, se však na rozdíl od bioaktivních materiálů jeví v interakci s kostní tkání jako bioinertní materiál, který za běžných podmínek nevytváří přímou vazbu s kostí, jako je tomu u bioaktivních materiálů. Při nedokonalé kongruenci mezi kostním lůžkem a titanovým implantátem nebo při nízké primární stabilitě implantátu dochází k vmezeření vazivové tkáně v důsledku nízkých osteokondukčních vlastností, a tím k obtížnějšímu, méně kvalitnímu a déle trvajícímu vhojení implantátu.
Proto je povrch titanových implantátů upravován nanášením bioaktivních povlaků, nejčastěji vysokoteplotními postupy jako je nanášení hydroxyapatitu (HA, Caio(P04)e(OH)2), plazmou. Nevýhody tohoto postupu spočívají vtom, že takto vytvořená vrstva apatitu nevykazuje vždy dostatečnou stabilitu mechanickou či chemickou, je nehomogenní složením i morfblogicky a v tělním prostředí se často resorbuje, zejména v kyselém prostředí při zánětu tkáně, případně dochází k delaminaci povrchové vrstvy. Všechny tyto nedostatky zamezují zejména dlouhodobému, pevnému ukotvení implantátu v kosti [6], [7],[8], [9],
Dále jsou známy nízkoteplotní postupy nanášení bioaktivních vápenato-fosforečnanových povlaků jako jsou například postupy chemické depozice a biomimetické metody, metody sol-gel, nebo metody elektro-depozice. Tyto metody nanášení bioaktivních vápenato-fosforečnanových povlaků jsou však charakteristické tím, že vytvářejí diskrétní kalcium-fosfátovou vrstvu na povrchu titanového substrátu (aditivní metoda), což přináší obdobné nevýhody, jaké pozorujeme u povrchových vrstev, vytvářených plazmatickým nanášením z hlediska jejich nestability, limitované přilnavosti k titanovému substrátu, nejednotností povlaku a někdy i náročnosti a nákladnosti surovin a zařízení pro průmyslovou výrobu.
Biomimetické metody jsou relativně jednoduché procesy nevyžadující žádné speciální vybavení či vysokoteplotní zpracování. Pro přípravu povlaků lze použít roztok SBF (simulated body fluid), který je součástí normy ISO 23317:2012 [2] pro hodnocení bioaktivity materiálů in vitro [10], Případně je možné využít roztoky, u nichž je koncentrace SBF nebo některých jejích komponent upravena z důvodů urychlení depozice [11], [12], I přes zvyšování koncentrace iontů v roztoku SBF je depozice povlaků časově náročná. Je to dáno také tím, že roztok SBF obsahuje Mg2+ a HCO3“ ionty, které působí jako inhibitory krystalového růstu [12], [13], Nedostatečná rychlost tvorby vrstev v prostředí SBF je jednou z vážných nevýhod metody.
V patentu US 6 344 061 [14] byly k vytvoření vrstvy vápenato-fosforečnanové fáze použity kalcifikační roztoky, jako je Hanksův vyvážený solný roztok HBSS (Hanks' balanced salt solution) nebo rychlý kalcifikační roztok FCS (fast calcification solution), příp. FCS s přídavkem bovinního sérového albuminu. V prostředí roztoku HBSS se na povrchu broušených a leštěných titanových slitin během 16-denní expozice vytvořila amorfní vrstva apatitového typu, jejíž morfologie se měnila v závislosti na použitém materiálu i aplikované povrchové úpravě. Pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM) byla tloušťka vrstvy stanovena na 5 μηι, podle XPS (rentgenové fotoelektronové spektroskopie) 90 nm. Analýza povrchu pomocí elektronové
-2CZ 308151 B6 spektroskopie pro chemickou analýzu (ESCA, pnp. XPS) odhalila pozvolný přechod definované vápenato-fosforečnanové vrstvy v intermediámí vrstvu Ti02 na povrchu titanové slitiny.
Li et al. [15] použili k prekalcifikaci titanu přesycené kalcifikační roztoky SCS1-3 (Supersaturated calcification solution). Prekalcifikace byla prováděna ve třepačce pň teplotě 37 °C po dobu 24 hodin. V případě vzorků prekalcifikovaných v roztoku SCS3 se na substrátu během expozice vytvořila uniformní 30--40 μηι silná vrstva hydroxyapatitu. Vrstva vytvořená v SCSI obsahovala vedle hydroxyapatitu v menší míře i brushit DCPD (dikalcium fosfát dihydrát) CaHPC>4.2H2O. V případě roztoku SCS2 byl povrch pokryt jednotlivými globulemi hydroxyapatitu.
Rohanova et al. [16] exponovala v SCS2 titan, na kterém byla vytvořena gelová vrstva T1O2 leptáním v HC1 a následně v NaOH. V prvních hodinách se Ca2+ a PO?“ ionty inkorporovaly do gelové vrstvy, po šesti hodinách na povrchu byla patrná amorfní vrstva. Jeden den po expozici byl na povrchu nalezen oktakalcium fosfát (OCP, CaxjHPCEhlPCEEÁFEO) ve formě jehlicovitých krystalků orientovaných do růžic a několik velkých krystalů DCPD. Prekalcifikace vedla ke značnému zkrácení doby precipitace hydroxyapatitu v SBF, při následných testech však byla zjištěna lehká cytotoxicitapřipravených vrstev.
Dalším známým způsobem pro nanášení povlaků na titan je metoda sol-gel [17], [18], Sol je koloidní suspenze, vzniklá smícháním alkoxidů kovů s alkoholem a vodou v přítomnosti kyselého či bazického katalyzátoru. Po odpaření rozpouštědel a kondenzaci hydrolyzovaných molekul vzniká gel, který je následně sušen. Takto získaný povlak je značně porézní, často amorfní se slabou přilnavostí. Musí být proto podroben následné teplotní úpravě, čímž dochází ke zhutnění, krystalizaci a zlepšení adheze vrstvy, avšak tato tepelná úprava značně zvyšuje riziko vzniku trhlin. Některé vstupní suroviny (alkoxidy kovů) jsou nákladné. Tato metoda je časově poměrně náročná, a velmi citlivá na podmínky nanášení, neboť i malá změna může způsobit odchýlení od očekávaného výsledku.
Vápenato-fosforečnanové povlaky lze také nanášet elektrolytickou depozicí či elektroforézou. V prvním případě se jedná o proces, který představuje nanášení vápenato-fosforečnanových povlaků z roztoku elektrolytu s obsahem Ca2+ a (PO4)3“ iontů [19], [20], [21], v druhém případě je povlak nanášen ze suspenze (nejčastěji HA). Zásadním rozdílem, vyplývajícím ze způsobu přípravy, je tloušťka vytvořených povlaků. V případě elektroforézy se může jednat až o stovky mikrometrů [22], a takto silné vrstvy vyžadují následné slinování při vysokých teplotách, které zvyšuje riziko vzniku trhlin.
Je popsána úprava povrchu titanových implantátů [24], která se provádí tak, že opí skovaný nebo strojně opracovaný povrch se moří 20 až 150 minut při teplotě 30 až 60 °C v inertní atmosféře kyselinou chlorovodíkovou, s výhodou 35 až 37 % hmota., nebo sírovou, s výhodou 3 až 4 mol.l“ f Tento povrch se následně leptá 1 až 24 hodin při teplotě 40 až 70 °C ve vodném roztoku hydroxidu alkalického kovu, s výhodou 1 až 10 mol.l“1 hydroxidem sodným. Takto chemicky opracovaný povrch se poté louží pod ultrazvukem v deionizované vodě při teplotě 18 až 40 °C po dobu 2 až 40 minut. Výhodou tohoto řešení je dosažení texturovaného a hydratovaného submikroporézního povrchu titanových implantátů. Nevýhodou řešení může být, že inkorporace iontů Ca a P do nárokované povrchové struktury titanových implantátů probíhá až v tělním prostředí, v němž lze předpokládat, že dochází k adsorbci proteinů, která může zpomalit až utlumit transport a inkorporaci Ca a P iontů do této povrchové struktury, čímž může být zpomalen proces tvorby přímého spojení implantátu s kostí.
Podstata vynálezu
Uvedené nevýhody se odstraní nebo podstatně omezí nitrokostním implantátem podle tohoto vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že nitrokostní implantát je připravitelný po mechanickém
-3 CZ 308151 B6 opracování povrchu neporézního bioinertního substrátu na bázi titanu mořením v nejméně jedné anorganické kyselině v inertní atmosféře a následným leptáním ve vodném roztoku nejméně jednoho hydroxidu alkalického kovu pro získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, výchozí vrstvy, která je podrobena kalcifíkaci pro získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, bioaktivní konečné vrstvy s inkorporovanými vápenatými a fosforečnanovými ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním vápenato-fosforečnanovým depozitem. Tloušťka konečné vrstvy nepřesahuje tloušťku výchozí vrstvy. Výchozí i konečná vrstva vykazují velikost měrného povrchu minimálně 80 mm2/mm2 a úhel smáčení menší než 90°, s výhodou 45°.
Hlavní výhodou tohoto vynálezu je získání bioaktivního materiálu s mechanicky a chemicky upraveným bioaktivním povrchem substrátu na bázi titanu s vysokou velikostí měrného povrchu a příznivým úhlem smáčení konečné vrstvy. Nitrokostní implantát je chirurgicky implantovatelný do živé kostní tkáně. Vysoký měrný povrch konečné vrstvy zvyšuje plochu kontaktu mezi nitrokostním implantátem a okolní tkání, což napomáhá zajištění primární stability po implantaci a zvyšuje plochu pro interakci s tělními tekutinami a buňkami. Vysoká smáčivost konečné vrstvy umožňuje dobrý kontakt s tělními tekutinami. Měrný povrch konečné vrstvy může dosahovat i vyšší hodnoty než nárokované, např. i 200 mm2 na 1 mm2, případně se tato hodnota běžně pohybuje kolem 500 až 800 mm2/mm2 i výše. Čím vyšší je tato hodnota měrného povrchu konečné vrstvy, tím lze očekávat její vyšší mikroporozitu a tím i příznivější prorůstání tkáně při její aplikaci. Nitrokostní implantát s povrchovou úpravou vykazuje velmi příznivé bioaktivní a osteokondukční vlastnosti, což urychluje vhojení implantátu a zajišťuje vznik stabilního a fúnkčního rozhraní mezi povrchem implantátu a kostním lůžkem. Získání konečné vrstvy podle tohoto vynálezu je časově i finančně nenáročné a lze ho aplikovat i na složité tvary implantabilních prostředků, zejména v těch indikacích, kde dochází k vysokému mechanickému zatížení nebo aplikovaný klinický postup vyžaduje urychlené vhojení implantátu a jeho časnou fixaci v kostním loži.
Výchozí/ konečnou vrstvou v tomto vynálezu je myšlena, nikoliv pevná vrstva s jasným a daným rozhraním mezi povrchovou výchozí/konečnou vrstvou a substrátem. Výchozí/ konečnou vrstvou v tomto vynálezu je vrstva, která nemá ostré rozhraní na povrchu se substrátem, ale má pozvolný přechod mezi neporézním a nehydrofilním substrátem na bázi titanu, a mezi převážně hydrofilní, mikroporézní výchozí /konečnou vrstvu nanostrukturovaného charakteru. Výchozí/ konečná vrstva pozvolna přechází do substrátu a je v podstatě součástí jeho povrchu, což vyplývá i z povahy chemického zpracování substrátu. Výchozí/konečná vrstva je porézní, přičemž její porozita klesá směrem do hloubky až přechází k neporéznímu kovovému substrátu na bázi titanu. Tloušťka výchozí/konečné vrstvy je řádově přibližně v nanometrech či jednotkách mikronů.
Mechanickým opracováním se získá makrostrukturovaný povrch substrátu na bázi titanu, jímž se získá povrch o vhodném reliéfu a roztečích, jednotlivých nerovností, který je vhodný pro další chemické úpravy ve dvou základních technologických krocích. Prvním krokem chemické úpravy je získání nanostrukturované výchozí vrstvy ve formě titaničitanového gelu na substrátu na bázi titanu. Druhým krokem chemické úpravy je získání porézního hydrofilního a nanostrukturovaného konečného povrchu se zvýšenými bioaktivními vlastnostmi. Prvním krokem chemické úpravy je nejprve moření makrostrukturovaného povrchu substrátu na bázi titanu v nejméně jedné anorganické kyselině a následné leptání v hydroxidu alkalického kovu, čímž dochází ke vzniku výchozí vrstvy titaničitanového gelu, obsahující ionty alkalického kovu dle druhu užitého louhu alkalického kovu.
Jedním z principů tohoto vynálezu je, aby většina iontů alkalického kovu, jako jsou v tomto případě s výhodou sodné ionty, byla nahrazena ionty vápenatými. Ve druhém kroku chemické úpravy je získaný výchozí povrch podroben kalcifíkaci, při níž je získána konečná vrstva obsahující vápenaté a fosforečnanové ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním vápenato-fosforečnanovým depozitem. Získaný konečný povrch je bioaktivní, což je prokazováno nej častěji tvorbou uhličitanového apatitu, k jehož tvorbě dochází vlivem hydratovaných gelů TiO2 na povrchové konečné vrstvě při testech v prostředí simulované tělní
-4CZ 308151 B6 tekutiny. Ti-OH skupiny hydrátovaných titaničitých gelů u bioaktivního titanu, jsou považovány za nukleační centra pro precipitaci uhličitanového apatitu. Je předpokládáno, že zvýšení bioaktivity je dosahováno inkorporací vápenatých iontů do struktury zesítěných gelů T1O2 snížením stupně polymerace a růstem koncentrace nemůstkových kyslíků O', které generují nukleační centra pro precipitaci uhličitanového apatitu. Vápenaté a fosforečnanové ionty jsou v nanostrukturované, porézní povrchové konečné vrstvě chemicky vázány. A jelikož nevytváří diskrétní vápenato-fosforečnanovou vrstvu, nedochází k fragmentaci či lokální degradaci, jako je tomu u jiných metod depozice vápenato-fosforečnanových povlaků.
Podstata postupu pro přípravu nitrokostního implantátu s bioaktivní povrchovou úpravou substrátu na bázi titanu podle tohoto vynálezu spočívá v tom, že povrch substrátu připravený obráběním, broušením nebo strojním obráběním se mechanicky opracuje pískováním do neporézní makrostrukturované vrstvy. Tato makrostrukturovaná vrstva se moří v nejméně jedné kyselině v inertní atmosféře, následně se leptá ve vodném roztoku nejméně jednoho hydroxidu alkalického kovu, do získání povrchové, hydrofilní, porézní, nanostrukturované, výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu. Do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se kalcifíkací inkorporují vápenaté a fosforečnanové ionty, do získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, bioaktivní konečné vrstvy s inkorporovanými vápenatými a fosforečnanovými ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním vápenato-fosforečnanovým depozitem. Následně se tato konečná vrstva nejméně jednou omyje od přebytků chemikálií a poté se vysuší.
Substrát na bázi titanu se připraví z technicky čistého titanu nebo z jeho slitiny, která obsahuje alespoň jeden prvek ze skupiny, zahrnující hliník, vanad, zirkonium, niob, hafnium, cín, železo a tantal.
Je výhodné, když povrch substrátu na bázi titanu se mechanicky opracuje pískováním korundovým práškem o zrnitosti 50 až 250 pm při tlaku 500 až 750 kPa, čímž se získá neporézní makrostrukturovaná vrstva, vhodná pro další chemické úpravy.
Dále je výhodné, když se makrostrukturovaná vrstva moří v inertní atmosféře v kyselině chlorovodíkové 35 až 37 % hmota, nebo v kyselině sírové o koncentraci 3 až 4 mol.l-1, a následně se leptá ve vodném roztoku hydroxidu sodného o koncentraci 1 až 10 mol.l-1 hydroxidu sodného. Tím se získá povrchová, hydrofilní, nanostrukturované výchozí vrstva titaničitanového gelu.
Do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se postupnou kalcifíkací inkorporují vápenaté a fosforečnanové ionty, roztokem chloridu vápenatého o koncentraci 20 až 800 mmol.l-1 a poté zředěnou kyselinou fosforečnou o koncentraci 0,23 až 100 mmol.l-1 nebo vodným roztokem dihydrogenfosforečnanu sodného o koncentraci 1 až 100 mmol.l-1.
Do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se mohou kalcifíkací inkorporovat vápenaté a fosforečnanové ionty přesyceným kalcifikačním roztokem o iontovém složení: 3 až 5 mmol.l-1 Na+; 4 až 6 mmol.l-1 Ca2+; 9 až 11 mmol.l-1 Cl-; 1,5 až 3,5 mmol.l-1 H2PO4-; a 0,5 až 2,5 mmol.l-1 HCO3 -.
Konečná vrstva může obsahovat jeden nebo více kationtů ze skupiny zahrnující H+, Na+, K+, Mg2+ a jeden nebo více aniontů ze skupiny zahrnující OH-, Cl-, (CO3)2-, (SO4)2-, NO3-, které doprovází použité chemické suroviny, a které lze v podstatě považovat za technické ekvivalenty nárokovaných chemikálií.
Pokud se kalcifikace provádí v ultrazvukové lázni, probíhá intenzivněji.
Od přebytečných chemikálií se konečná vrstva oplachuje v ultrazvukové lázni, v deionizované vodě nebo v etanolu, nebo v deionizované vodě a poté v etanolu, nebo v etanolu a poté v deionizované vodě. Obvykle při teplotě okolí až 65 °C po dobu 2 až 80 minut.
-5 CZ 308151 B6
Konečná vrstva se po omytí suší volně nebo při teplotě okolí až 125 °C.
Objasnění výkresů
Lepší porozumění různým aspektům tohoto vynálezu se získá v následném podrobném popisu některých neomezujících konkrétních příkladů provedení, s odkazem na připojené obrázky 1 až 4.2.
Provedení vynálezu, popsaném v Příkladu 1, je blíže patrné z obr. 1 až 1.2, z nichž ukazuje obr. 1: vývoj koncentrace vápníku a fosforu po jednotlivých technologických operacích;
obr. 1.1: SEM (rastrovací elektronovou mikroskopii) povrchu vzorku exponovaného v roztoku CaCL a následně H3PO4; a obr. 1.2: precipitáty hydroxyapatitu, vzniklé po 7 - denní expozici v SBF (simulované tělní tekutině - simulated body fluid) na povrchu vzorku, exponovaného v roztoku CaCL a následně H3PO4.
Provedení vynálezu dle Příkladu 2 je osvětleno blíže na obr. 2.1 až 2.9, kde znázorňuje obr. 2.1: SEM povrch vzorku s výchozí vrstvou;
obr. 2.2: SEM konečné vrstvy vzorku exponovaného v přesyceném kalcifikačním roztoku;
obr. 2.3: EDX analýzu (energiově disperzní spektroskopie) exponované konečné vrstvy vzorku v přesyceném kalcifikačním roztoku;
obr. 2.4: GD-OES hloubkový profil prvků (optická emisní spektroskopie s doutnavým výbojem) vzorku s výchozím povrchem;
obr. 2.5: GD-OES hloubkový profil prvků konečné vrstvy vzorku, exponované v přesyceném kalcifikačním roztoku;
obr. 2.6 ESCA (elektronová spektroskopie pro chemickou analýzu) spektra s výchozí vrstvou na obrázku dole a s konečnou vrstvou vzorku exponovaného v přesyceném kalcifikačním roztoku na obrázku nahoře;
obr. 2.7: SEM konečné vrstvy vzorku exponovaného v přesyceném roztoku po 7 dnech v SBF;
obr. 2.8: vývoj koncentrace Ca2+ iontů v roztoku SBF během testu bioaktivity vzorku s výchozí vrstvou a vzorku s konečnou vrstvou, exponovaného v přesyceném kalcifikačním roztoku; a obr. 2.9: vývoj koncentrace PO?“ iontů v roztoku SBF během testu bioaktivity vzorku s výchozí vrstvou a vzorku s konečnou vrstvou exponovaného v přesyceném kalcifikačním roztoku.
Provedení vynálezu dle Příkladu 3 je patrné z obr. 3: schematicky znázorňujícím příčný svislý řez zkušebních implantátů ve tvaru válečků implantovaných do tibií zkušebních psů plemene bígl;
Provedení vynálezu dle Příkladu 4 odkazuje na obr. 4.1 až 4.2, z nichž ukazuje
-6CZ 308151 B6 obr. 4.1 SEM konečné vrstvy vzorku z titanové slitiny exponovaného v roztoku CaCb a následně H3PO4; a obr. 4.2: EDX analýzu (energiově disperzní spektroskopie) konečné vrstvy vzorku z titanové slitiny exponovaného v roztoku CaCb a následně H3PO4.
Příklady uskutečnění vynálezu
Příklad 1 (Obr. 1 až 1.2)
Pro výrobu zubního nitrokostního implantátu byly vyrobeny z technicky čistého titanu (Grade 4) vzorky substrátu ve tvaru disků o průměru 8 mm a tloušťce 0,5 mm. Tyto disky byly mechanicky upraveny zdrsněním povrchu pískováním práškem korundu o střední velikosti zrn 200 až 250 pm při tlaku 600 až 700 kPa, čímž se získá makrostrukturovaný neporézní povrch substrátu o tloušťce řádově v mikrometrech či nanometrech, a se středními roztečemi nerovností řádově v nanometrech či mikrometrech, v desítkách pm. Následná chemická úprava povrchu disků byla provedena mořením v 37% kyselině chlorovodíkové, v inertní atmosféře argonu při teplotě 40 °C po dobu 130 minut. Povrch disků byl potom očištěn od zbytků kyseliny mytím v ultrazvukové lázni v deionizované vodě, následně omyt v ethanolu a poté sušen při teplotě 105 °C. Povrch vzorků byl dále leptán ve vodném 5 mol.l-1 roztoku hydroxidu sodného při teplotě 60 °C po dobu čtyř hodin. Touto mechanickou a následnou chemickou úpravou povrchu u všech vzorků bylo dosaženo nanostrukturované, porézní, hydrofilní výchozí vrstvy vzorku s měrným povrchem 504 mm2/mm2 a úhlem smáčení 27,2°.
Vzorky s výchozí vrstvou gelovité struktury byly po vyjmutí z NaOH ihned ponořeny do roztoku 0,45 mol.l-1 chloridu vápenatého při teplotě 60 °C po dobu 4 hodin, a následně myty dvakrát v deionizované vodě po dobu 4 minut v ultrazvukové lázni. Takto získané vzorky byly dále exponovány ve zředěné kyselině fosforečné 0,06 mol.l-1 při pokojové teplotě po dobu 1 minuty. Poté byly myty v ultrazvuku dvakrát v deionizované vodě po dobu 4 minut a poté 2 minuty v ethanolu a následně sušeny při teplotě 105 °C. Úpravou podle vynálezu byla získána konečná vrstva na substrátu z čistého titanu, u níž byl naměřen měrný povrch 420 mm2/mm2 a úhel smáčení 31°.
Výchozí/ konečnou vrstvou se rozumí vrstva bez ostrého rozhraní na povrchu se substrátem, která pozvolna přechází do substrátu a je v podstatě součástí jeho povrchu. Výchozí i konečná vrstva jsou porézní, jejich porozita klesá směrem do hloubky až přechází k neporéznímu kovovému substrátu na bázi titanu. Tloušťka výchozí/konečné vrstvy je řádově přibližně v nanometrech či mikrometrech.
U výchozí vrstvy i konečné vrstvy substrátu byl měřen jejich měrný povrch a úhel smáčení.
Měrný povrch, vyjádřený v mm2 a vztažený na Imm2 plochy, byl měřen metodou BET (BraunEmmett-Teller) na přístroji ASAP 2020 (Micromeritics). Metoda měření BET je založena na fyzikální adsorpci molekul plynu (Kr).
Úhel smáčení (neboli kontaktní úhel) je úhel, který svírá tečna k povrchu kapky (destilované vody), vedená v bodě styku kapky s rozhraním a vyjadřuje smáčivost materiálu. V případě, že je úhel smáčení <90°, lze povrch označit za hydrofilní (smáčivý).
Konečná vrstva pro nitrokostní implantát dle vynálezu byla analyzována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM, Vega II LSU, Tescan) s analyzátorem energiově disperzní spektroskopie (EDX, Bruker). Kvantitativní vyhodnocení EDX analýzy provedené v jednotlivých technologických krocích přípravy konečné vrstvy vzorků podle tohoto vynálezu dokumentuje
-7CZ 308151 B6 inkorporaci Ca a P v povrchové nanostrukturované vrstvě a jejich hydrolytickou stabilitu během mytí, jak je znázorněno na obr. 1. Na obr. 1.1 je znázorněna SEM konečné vrstvy vzorku dle vynálezu. Morfologie této konečné vrstvy a přítomnost vápníku a fosforu, zaznamenaná pomocí EDX analyzátoru indikuje, že Ca2+ a (P04)3- ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním depozitem, jsou inkorporovány do výchozí nanostrukturované vrstvy, přičemž konečná vrstva nepřesahuje tloušťku nanostrukturované výchozí vrstvy. To znamená, že konečná vrstva představuje nanostrukturovanou výchozí vrstvu titaničitanového hydrogelu, v podstatě bez iontů, nebo s minimem iontů alkalického kovu (Na+) a obohacenou o vápenaté a fosforečnanové ionty, případně s jejich depozitem. Bioaktivita konečné vrstvy vzorku dle vynálezu byla testována v roztoku SBF dle ISO 23317. Na obr. 1.2 je pomocí SEM znázorněna konečná vrstva dle vynálezu po 7 dnech expozice roztoku SBF. Během této doby se na povrchu vytvořila celistvá vrstva biologického hydroxyapatitu, indikující žádoucí bioaktivitu konečné vrstvy.
Přitom pro srovnání, apatit na vzorku s výchozí vrstvou nebyl po 7 denní expozici v roztoku SBF prokázán.
Příklad 2 (Obr. 2.1 až 2.9)
Pro získání nitrokostního implantátu, vhodného jakožto zubní implantát nebo spinální implantát, byly vyrobeny z technicky čistého titanu (ISO 5832-2) vzorky ve tvaru disků o průměru 16 mm a výšce 1 mm. Vzorky byly mechanicky upraveny pískováním práškem korundu o střední velikosti zrn 180 až 250 pm při tlaku 600 až 650 kPa. Následně byl povrch vzorků chemicky upraven mořením v 35%ní kyselině chlorovodíkové, v inertní atmosféře argonu při teplotě 45 °C po dobu 100 minut. Povrch disků byl potom očištěn od zbytků kyseliny mytím v ultrazvukové lázni v deionizované vodě a poté v ethanolu. Následně byly vzorky sušeny při teplotě 105 °C po dobu 15 minut. Povrch vzorků byl dále leptán ve vodném 4 mol.l-1 roztoku hydroxidu sodného při teplotě 60 °C po dobu čtyř hodin, a potom očištěn od zbytků NaOH mytím v deionizované vodě a etanolu v ultrazvukové lázni. Mechanickou a následnou chemickou úpravou povrchu u všech vzorků bylo dosaženo nanostrukturované, porézní, hydrofílní výchozí vrstvy na substrátu z čistého titanu s měrným povrchem 412 mm2/mm2a úhlem smáčení 25°.
Titanové disky s gelovitou výchozí vrstvou titaničitanového hydrogelu byly dále exponovány v roztoku, přesyceném vůči vápenatým a fosforečnanovým iontům, o iontovém složení: 4 mmol.l-1 Na+; 5 mmol.l-1 Ca2+; 10 mmol.l-1 Cl-; 2,5 mmol.l-1 H2PO4-; a 1,5 mmol.l-1 HCO3- [15] po dobu jedné hodiny v ultrazvukové lázni. Po ukončení expozice v tomto roztoku byly vzorky vyjmuty a omyty absolutním etanolem v ultrazvukové lázni po dobu osmi minut a sušeny při 60 °C. Touto úpravou dle vynálezu byla získána na titanovém substrátu konečná vrstva pro nitrokostní implantát, u níž byl naměřen měrný povrch 297 mm2/mm2 a úhel smáčení 40°.
Tato konečná vrstva vzorku může obsahovat v minimálním množství jakožto doprovodné prvky použitých chemikálií kationty, jako jsou např. H+, Na+, K+ a Mg2+ a anionty, jako jsou např. OH Cl-, (CO3)2-, (SO4)2-, NO3-. Tyto doprovodné kationty či anionty v podstatě většinou splňují stejnou nebo obdobnou chemickou fúnkci a chemickou vazbu v konečné vrstvě jako použité chemikálie.
Vzorky s konečnou vrstvou dle vynálezu byly charakterizovány metodami povrchové analýzy, SEM (Vega II LSU, Tescan) s EDX analyzátorem (Bruker), optickou emisní spektroskopií s doutnavým výbojem (GD-OES, GD-Profiler 2, HORIBA Jobin Yvon) a elektronovou spektroskopií pro chemickou analýzu (ESCA, ESCA Probe P, Omicron NanoTechnology). Bioaktivita byla testována v roztoku SBF dle ISO 23317 po dobu 7 dnů při teplotě 37 °C. Po testu bioaktivity byla konečná vrstva vzorků pozorována pomocí SEM. Za účelem sledování vývoje koncentrací vápenatých a fosforečnanových iontů byly v průběhu testu prováděny odběry roztoku SBF. Koncentrace vápníku byla stanovována metodou atomové absorpční spektrometrie (AAS, SpectrAA 330, Varian). Koncentrace fosforečnanů byla měřena UV spektrofotometru
- 8 CZ 308151 B6 (UV-1201, SHIMADZU). Jako reference byly vždy použity disky s výchozí vrstvou. Na této konečné vrstvě dle vynálezu byl rovněž proveden test cytotoxicity formou extraktu. Testování bylo provedeno dle platné normy ČSN EN ISO 10993 (2009) a ČSN EN ISO 7405 (2009).
Na obr. 2.1 je zobrazena SEM analýza výchozí vrstvy. Na obr. 2.2 je znázorněna SEM analýza konečné vrstvy vzorku dle vynálezu. Ze srovnání je patrné, že expozicí v přesyceném kalcifíkačním roztoku nedošlo k morfologickým změnám či k vytvoření silné vrstvy vápenatofosforečnanové fáze na porézním povrchu. Přestože precipitáty vápenato-fosforečnanové fáze nebyly pozorovány, přítomnost vápníku a fosforu byla zaznamenána pomocí EDX analyzátoru, jak je znázorněno na obr. 2.3.
Ze srovnání hloubkových profilů GD-OES, a to konečné vrstvy vzorku dle vynálezu, jak je znázorněno na obr. 2.5, a výchozí vrstvy vzorku dle obr. 2.4, je zřejmé, že při expozici v přesyceném kalcifíkačním roztoku došlo k výměně Na+ iontů, vázaných ve výchozí vrstvě ve formě titaničitanu, za Ca2+ ionty z kalcifikačního roztoku.
Obr. 2.5 ukazuje metodou GD-OES měřený hloubkový profil prvků konečné vrstvy vzorku, exponovaného v přesyceném kalcifíkačním roztoku. Vysoká intenzita signálu vápníku a fosforu v počátku odprašování a jejich plynulý pokles naznačují, že Ca2+ a (PO4)3“ ionty byly inkorporovány do nanostruktury titaničitanového hydrogelu výchozí vrstvy. Dokládá to i profil titanu s podobným průběhem jako v případě výchozí vrstvy, jak je znázorněno na obr. 2.4.
Inkorporace iontů do porésní struktury byla podpořena použitím ultrazvukové lázně pro úpravu konečné vrstvy dle vynálezu. Jako oplachové médium byl zvolen etanol, který nevymývá Ca2+ a (PO4)3“ ionty z povrchu, a zabraňuje vzniku krystalických vápenato-fosforečnanových precipitátů a stabilizuje amorfní vápenato-fosforečnanovou fázi [23], Povrch byl charakterizován metodou ESCA, znázorněným na obr. 2.6. Měřena byla spektra z povrchu konečné vrstvy z hloubky 2 až 5 nm a po pěti minutách odprášení do hloubky 10 nm, z hloubky 12 až 15 nm. Na obou vzorcích byl detekován titan v oxidačním stavu IV+ již na povrchu. Vazebná energie vápníku na vzorku dle vynálezu odpovídala vápníku v oxidačním stavu 11+ vázanému na kyslík. Rovněž byla potvrzena přítomnost fosforečnanových aniontů. Na rozdíl od výchozí vrstvy nebyl na konečné vrstvě vzorku dle vynálezu detekován sodík. Během úpravy dle vynálezu totiž došlo k výměně sodných iontů za vápenaté, což dokládá i analýza povrchů metodou GD-OES, jak je znázorněno na obr. 2.4.
Kvantitativní analýza jednotlivých prvků v atomových % metodou ESCA, provedená na povrchu a po odprášení povrchu, cca do hloubky 10 nm, z hloubky 12 až 15 nm pro výchozí povrch a pro konečný povrch nanostruktury vzorkuje přehledně znázorněna v následující Tabulce 1.
Tabulka 1 - Kvantitativní analýza prvků metodou ESCA provedená na povrchu a z hloubky 12 - 15 nm
Γ At %
| Vzorek Ϊ C | O | i Ti | Ϊ Na | 0*3 | Tp |
| Výchozí vrstva z hloubky 2 - 5 nm | 32.2 | 48.1 | ί 18,2 | i 0.7 | 0,8 | |
| Výchozí vrstva z hloubky 12-15 nm | 14,6 | 59,0 | 25,2 | 0,6 | 0,9 | ί - |
| Konečná vrstva z hloubky 2 - 5 nm ΐ 24,5 | 49,9 | 4.0 | í | 12,6 | 1 9,0 |
| | Konečná vrstva z hloubky12 15 nm | 5,0 | 58,9 | 12,8 | i - | 15,6 | i 7,7 |
Z kvantitativního vyhodnocení dat z ESCA je patrné, že po odprášení vrstvy asi 10 nm povrchu, z hloubky 12 až 15 nm, se zvýšil obsah titanu a mírně narostlo zastoupení vápníku, zatímco
-9CZ 308151 B6 množství fosforu kleslo. Během úpravy dle vynálezu nejdříve došlo k uvolnění sodných iontů z nanostrukturované alkalické výchozí vrstvy do kalcifikačního roztoku a vytvoření velkého množství negativně nabitých Ti-OH skupin. Následně byly z kalcifikačního roztoku navázány kladné vápenaté ionty a po převládnutí pozitivního náboje na povrchové vrstvě došlo k navázání záporných fosforečnanových iontů. Výsledkem těchto elektrostatických interakcí byl vznik chemické vazby iontové povahy v této povrchové konečné vrstvě.
Bioaktivita konečné vrstvy vzorku dle vynálezu byla testována v roztoku SBF dle ISO 23317. Na obr. 2.7 je znázorněna SEM konečné vrstvy vzorku dle vynálezu po 7 dnech v SBF, a během této doby se na povrchu vytvořila celistvá vrstva hydroxyapatitu. Na obr. 2.8 je zobrazen vývoj koncentrací Ca2+ a (PO4)3“ iontů v roztoku simulované tělní tekutiny SBF. V roztoku SBF, ve kterém byl exponován vzorek s konečnou vrstvou dle vynálezu, došlo k poklesu koncentrace iontů spojenému s precipitaci hydroxyapatitu. V případě vzorku s výchozí vrstvou koncentrace stanovovaných iontů v roztoku SBF oscilovala okolo výchozích hodnot.
Provedený test cytotoxicity potvrdil, že konečná vrstva vzorku dle vynálezu nevykazuje cytotoxické chování v celém rozsahu testovaných koncentrací.
Uvedený příklad ilustruje inkorporaci Ca2+ a (PO4)3“ iontů do amorfní struktury titaničitanového hydrogelu expozicí v přesyceném kalcifikačním roztoku v ultrazvukové lázni. Ca2+ a (PO4)3“ ionty jsou v konečné vrstvě vázány chemickou vazbou s iontovým charakterem, což bylo dokázáno pomocí ESCA a GD-OES. Morfologie titaničitanového hydrogelu zůstala po úpravě dle vynálezu zachována, a Ca2+ a (PO4)3“ ionty jsou vázány uvnitř, a přitom nevytvářejí navíc diskrétní vápenato-fosforečnanovou vrstvu na titaničitanové vrstvě hydrogelu.
Příklad 3 (Obr. 3)
Pro nitrokostní implantát podle tohoto vynálezu, vhodný zejména pro dentální či spinální aplikace, byl vyroben substrát, a to z technicky čistého titanu (ISO 5832-2). Bylo vyrobeno 32 kusů zkušebních nitrokostních implantátů ve tvaru válečků o průměru 3,1 mm a výšce 6 mm, se dvěma drážkami po jejich obvodu o hloubce 0,6 mm a šířce 1 mm, jak je znázorněno na obr. 3. Zkušební implantáty byly mechanicky upraveny pískováním práškem korundu o střední velikosti zrn 100 až 250 pm při tlaku 600 až 700 kPa. Následná chemická úprava povrchu zkušebních implantátů byla provedena mořením v 37% kyselině chlorovodíkové, v inertní atmosféře argonu při teplotě 40 °C po dobu 90 minut. Povrch zkušebních implantátů byl potom 15 očištěn od zbytků kyseliny mytím v ultrazvukové lázni napřed v deionizované vodě, poté v ethanolu a následně sušen při teplotě 120,°C. Zkušební implantáty byly dále leptány ve vodném 6 mol.l“1 roztoku hydroxidu sodného při teplotě 65 °C po dobu čtyř hodin, potom v ultrazvuku očištěny od zbytků NaOH mytím v deionizované vodě a následným oplachem v etanolu. Mechanickou a následnou chemickou úpravou všech 32 zkušebních implantátů bylo dosaženo nanostrukturované, porézní, hydrofilní výchozí vrstvy, která vykazovala měrný povrch 137,8 mm2/mm2 a úhel smáčení 28°.
kusů zkušebních implantátů se získanou výchozí vrstvou gelovité struktury bylo dále exponováno v přesyceném kalcifikačním roztoku vápenatých a fosforečnanových iontů, a to o iontovém složení: 4 mmol.l“1 Na+; 5 mmol.l“1 Ca2+; 10 mmol.l“1 Cl“; 2,5 mmol.l“1; H2PO4“; a
1,5 mmol.l“1 HCO3“ [15] po dobu jedné hodiny v ultrazvukové lázni. Po ukončení expozice v tomto kalcifikačním roztoku byly zkušební implantáty vyjmuty, poté v ultrazvukové lázni omyty absolutním etanolem po dobu 10 minut a vysušeny v sušárně při 65 °C. Touto úpravou bylo dosaženo konečné vrstvy s měrným povrchem 114 mm2/mm2 a úhlem smáčení 30°.
Zbývajících 16 kusů zkušebních implantátů s výchozí vrstvou bylo použito jako referenční vzorky při hodnocení bioaktivity a osteokondukčních vlastností na zvířecím modelu.
- 10 CZ 308151 B6 kusů zkušebních implantátů s konečnou vrstvou dle vynálezu a 16 kusů referenčních zkušebních implantátů s výchozí vrstvou bylo zaimplantováno do tibií psů plemene bígl. Studie na zvířecím modelu byla povolena etickou komisí a Ústřední komisí na ochranu zvířat proti týrání při Ministerstvu průmyslu a obchodu České republiky. Obr. 3 schematicky znázorňuje příčný svislý řez zkušebními nitrokostními implantáty ve tvaru válečků o průměru 3,1 mm s vyznačením drážek čárkovanou čárou o hloubce 0,6 mm a šířce 1 mm. V drážkách, vyznačených čárkovaně na obr. 3, byl vyhodnocován kontakt nově vytvořené tkáně s povrchem implantátu (BIC% kontakt mezi implantátem a kostí (bone-implant contact) v tibiích zkušebních psů plemene bígl.
Osteokondukční vlastnosti povrchů implantátů byly hodnoceny histomorfometrickým stanovením přímého kontaktu nově vytvořené kosti v drážce implantátů dle obr. 3, po 2 a 8 týdnech od implantace pomocí optické mikroskopie. Přímý kontakt nově vytvořené kosti na povrchu implantátu (BIC% - bone implant contact) byl vytvořen na třiceti čtyřech procentech povrchu implantátů s konečnou vrstvou (BIC% = 34,4 ± 15,3) a na dvaceti sedmi procentech povrchu implantátů s referenční výchozí vrstvou (BIC% = 27,7 ± 14,7), v obou případech po dvou týdnech od implantace. Po osmi týdnech od implantace přímý kontakt nově vytvořené kosti s povrchem implantátů s konečnou vrstvou a referenčních implantátů s výchozí vrstvou nevykázal statisticky významný rozdíl. Pro implantáty s konečnou vrstvou byl zjištěn BIC% =
51,5 ± 25,8 a pro referenční implantáty s výchozí vrstvou BIC% = 47,8 ± 20. Výsledky dokumentují zvýšenou bioaktivitu a osteokondukční schopnost titanových implantátů s konečnou vrstvou, ve srovnání s referenčními implantáty s výchozí vrstvou, uplatňující se zejména v počátcích vhojování 25 nitrokostního implantátu.
Příklad 4 (Obr. 4.1 až 4.3)
Pro nitrokostní implantát byly vyrobeny vzorky z titanové slitiny TÍ6A14V, a to 30 disky o průměru 15 mm a výšce 1 mm. Tyto vzorky byly mechanicky upraveny pískováním práškem korundu o střední velikosti zrn 250 pm při tlaku 600 kPa. Následně byl povrch vzorků chemicky upraven mořením v 37% kyselině chlorovodíkové, v inertní atmosféře argonu při teplotě 40 °C po dobu 130 minut. Disky byly potom očištěny od zbytků kyseliny mytím v ultrazvukové lázni v deionizované vodě, poté v ethanolu a následně sušeny při teplotě 105 °C. Disky byly dále leptány ve vodném 5 mol.l“1 roztoku hydroxidu sodného při teplotě 60 °C po dobu čtyř hodin. Touto mechanickou a následnou chemickou úpravou všech disků bylo u nich dosaženo gelovité, hydrofilní, nanostrukturované, porézní výchozí vrstvy s měrným 5 povrchem 439 mm2/mm2 a úhlem smáčení 33°.
Vzorky s výchozí vrstvou byly po vyjmutí z NaOH ihned ponořeny do roztoku 0,45 M chloridu vápenatého a ponechány při 60 °C po dobu 60 minut, a poté lehce opláchnuty destilovanou vodou. Následně byly vzorky exponovány v ultrazvukové lázni ve zředěné kyselině fosforečné 0,38 mmol.l“1 po dobu 2 minut. Potom byly vzorky myty v ultrazvuku, a to dvakrát v deionizované vodě po dobu 4 minut a následně 2 minut v ethanolu, a po vyjmutí byly vysušeny při teplotě 105 °C. Touto úpravou dle vynálezu byla získána na substrátu z titanové slitiny konečná vrstva s měrným povrchem 416 mm2/mm2 a úhlem smáčení 35°.
Získaná konečná vrstva byla analyzována pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM, Vega II LSU, Tescan) s EDX analyzátorem (Bruker). Morfologie konečné vrstvy je znázorněná na obr. 4.1. Přítomnost vápníku a fosforu byla zaznamenána pomocí EDX analyzátoru, jak je znázorněno na obr. 4.2, z něhož je zřejmé, že Ca2+ a (PO4)3“ ionty jsou inkorporovány do nanostrukturovaného titaničitanového hydrogelu a nedošlo k morfblogickým změnám či k vytvoření silné vrstvy vápenato-fosforečnanové fáze.
Tento příklad ilustruje inkorporaci Ca2+ a (PO4)3“ iontů do výchozí vrstvy, kdy materiálem použitým pro zhotovení substrátu pro implantabilní prostředek je titanová slitina TÍ6A14V.
- 11 CZ 308151 B6
Předchozí popis se nutně netýká jen výhodných výsledků, kterých je možno dosáhnout nebo kterých je třeba dosáhnout použitím mechanického a chemického opracování povrchu substrátu pro nitrokostní implantáty podle popisu vynálezu, ale pouze ilustruje příkladné výhody, které mohou být možné v určitých konkrétních aplikacích.
Uvedená příkladná provedení nitrokostních implantátů, konkrétní popsané 30 mechanické a chemické postupy, konkrétní chemikálie ve zvolených rozmezích, jsou pouze ilustrativní a nejsou omezující pro další možné alternativní příklady nitrokostních implantátů podle tohoto vynálezu, zde neuvedené, které je možno aplikovat v rozsahu patentových nároků tohoto vynálezu.
Průmyslová využitelnost
Nitrokostní implantáty s povrchovou úpravou podle vynálezu vykazují zvýšené bioaktivní a osteokondukční vlastnosti a jsou určeny pro výrobu dentálních, ortopedických, spinálních a jiných kostních implantátů.
Citované dokumenty literární a patentové:
[1] Hench, L.U., Bioactive Glasses and Glass Ceramics: A Perspective, Handbook of Bioactive Ceramics, vol. I., T. Yamamuro, L.L. Hench, and J. Wilson, eds., pp. 7-22, CRC Press, Boča Raton (1990).
[2] ISO 23317. Implants for surgery - In vitro evaluation for apatite-forming ability of implant materials. Zeneva: International Organization for Standardization, 2012. 13 p.
[3] Kokubo, T: Bioceramics and their clinical applications: Osteoconduction and its evaluation, p.183, Woodhead Publishing Limited (2008).
[4] Koga N. et. al.: Thermodynamics of non-bridging oxygen in silica bio-compatible glassceramics, Mimetic materiál for the bone tissue substitution; J. of Thermal Analysis and Calorimetry, Vol. 71, 2003, pp. 927-937.
[5] Strnad Z.: Role of the glass phase in bioactive glass-ceramics; Biomaterials 1992, 13(5), 317-321.
[6] Le Geros et.al.: Calcium phosphates in plasma sprayed HA rating; Ceramic Trans 48:173189,1995.
[7] Piatelli, A. et.al.: Light and confocal laser scanning microscopic evaluation of hydroxyapatite resorption patterns in medulary and cortical bone. Int. J.Oral Maxillofacial Implants 1993,8,309315.
[8] Xue, W.; Liu, X.; Zheng, X.; Ding, Z.: Effect of hydroxyapatite coating crystallinity on dissolution and osseointegration in vivo. J. Biomed. Mater. Res. 2005, 74 (4), 553-561.
[9] Dhert, W. J. A.; Klein, C. P. A. T.; Wolke, J. G. C; van der Velde, E. A.; de Groot, K.; Rozing, P. M. A mechanical investigation of fluorapatite, magnesiumwhitlockite, and hydroxylapatite plasma-sprayed coatings in goats. J. Biomed. Mater. Res. 1991, 25, 1183-1200.
[10] Kokubo, T.; Takadama, H. How useful is SBF in predicting in vivo bone bioactivity? Biomaterials 2006, 27, 2907-2915.
[11] Barrěre, F.; van Blitterswijk, C. A.; de Groot, K.; Layrolle, P. Influence of ionic strength and carbonate on the Ca-P coating formation from SBFx5 solution. Biomaterials 2002, 23, 1921— 1930.
[12] Habibovic, P.; Barrere, F.; van Blitterswijk, C; de Groot, K.; Layrolle, P. Biomimetic hydroxyapatite coating on metal implants. J. Am. Ceram. Soc. 2002, 85(3), 517-522).
[13] Wang, J.; Layrolle, P.; Stigter, M.; de Groot, K. Biomimetic and electrolytic calcium phosphate coatings on titanium alloy: physicochemical characteristics and cell attachment. Biomaterials 2004, 25, 583-592.
[14] Leitao et al. Device For Incorporation and Release of Biologically Active Agents, patent US 6,344,061 Bl, Feb 05, 2002.
- 12 CZ 308151 B6 [15] Li, F.; Feng, Q. L.; Cui, F. Z.; Li, H. D.; Schubert, H. A simple biomimetic method for calcium phosphate coating. Surf. Coat. Technol.2002, 154, 88-93.
[16] Rohanová, D.; Helebrant, A.; Haufová, P.; Brázda, L.; Bezdička, P. A resorbable Surface Formed on Ti Alloy Materiál. Key Eng. Mater. 2008, 361-363, 701-704.
[17] Kim H. W.; Kim, Η. E.; Knowles J. O Fluor-hydroxyapatite sol-gel coating on titanium substráte for hard tissues implants. Biomaterials 2004, 25, 3351-3358.
[18] Xu, W.; Hu, W.; Li, M.; wen, C. Sol-gel derived hydroxyapatite/titania biocoatings on titanium substráte. Mater. Lett. 2006, 60 (13-14), 1575-1578.
[19] Kumar, M.; Dasarathy, H.; Riley, C. Electrodeposition of brushite coatings and their io transformation to hydroxyapatite in aqueous solutions. J. Biomed. Mater. Res. 1999, 45 (4), 302-
310.
[20] Han, Y.; Fu, T.; Lu, J.; Xu, K. Characterization and stability of hydroxyapatite coatings prepared by an electrodeposition and alkaline-treatment process. J. Biomed. Mater. Res. 2000, 54 (1), 96-101.
is [21] Róssler, S.; Sewing, A.; Stólzel, M.; Bom, R.; Schamweber, D.; Dard, M.; Worch, H. Electrochemically assisted deposition of thin calcium phosphate coatings at near-physiological pH and temperature. J. Biomed. Mater. Res. 2003, 64 (4), 655-663.) [22] Ma, J.; Liang, C. H.; Kong, L. B.; Wang, C. Colloidal characterization and electrophoretic deposition of hydroxyapatite on titanium substráte. J. Mater. Sci. Mater. Med. 2003, 14, 797-801. 20 [23] Tung, M. S.; O'Farrell, T. J. Effect of ethanol on the formation of calcium phosphates.
Colloids Surf., A 1996, 110, 191-198.
[24] Strnad J., Strnad Z.: Způsob úpravy povrchu titanových implantátů, patent CZ291 685 B6, publ. 12.12.2001.
Claims (5)
1,5 až 3,5 mmol.l-1 H2PO4; a
0,5 až 2,5 mmol.l-1 HCO3.
7. Způsob přípravy podle nároku 5 nebo 6, vyznačující se tím, že kalcifikace se provádí v ultrazvukové lázni.
8. Způsob přípravy podle některého z nároků 2 až 7, vyznačující se tím, že konečná vrstva se oplachuje v ultrazvukové lázni,
- v deionizované vodě nebo
- v etanolu, nebo
- v deionizované vodě a poté v etanolu, nebo
- v etanolu a poté v deionizované vodě, při teplotě okolí až 65 °C po dobu 2 až 80 minut, a po omytí se konečná vrstva suší volně nebo při teplotě okolí až 125 °C.
- 14 CZ 308151 B6
9. Způsob přípravy podle některého z nároků 2 až 8, vyznačující se tím, že substrátem na bázi titanu je technicky čistý titan nebo jeho slitina, která obsahuje alespoň jeden prvek ze skupiny, zahrnující hliník, vanad, zirkonium, niob, hafnium, cín, železo atantal.
1. Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou substrátu na bázi titanu 30 s bioaktivním nanostrukturovaným povrchem mající osteokondukční vlastnosti a obsahující vápenaté a fosforečnanové ionty, je pripravitelný po mechanickém zdrsnění povrchu neporézního bioinertního substrátu mořením v nejméně jedné anorganické kyselině v inertní atmosféře a následným leptáním ve vodném roztoku nejméně jednoho alkalického kovu pro získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, výchozí vrstvy na bázi titanu, která je podrobena 35 kalcifikaci pro získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, bioaktivní konečné vrstvy na bázi titanu s inkorporovanými vápenatými a fosforečnanovými ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním vápenato-fosforečnanovým depozitem, přičemž
- tloušťka hydrofilní, porézní nanostrukturované konečné vrstvy na bázi titanu 40 s inkorporovanými vápenatými a hořečnatými ionty nepřesahuje tloušťku hydrofilní, porézní nanostrukturované výchozí vrstvy na bázi titanu a
- výchozí i konečná vrstva vykazují velikost měrného povrchu minimálně 80 mm2/mm2, úhel smáčení menší než 90°, s výhodou 45°.
45
2. Způsob přípravy nitrokostního implantátu s bioaktivní povrchovou úpravou substrátu na bázi titanu s bioaktivním nanostrukturovaným povrchem mající osteokondukční vlastnosti a obsahující vápenaté a fosforečnanové ionty, uvedeném v nároku 1, vyznačující se tím, že
a) povrch neporézního bioinertního substrátu na bázi titanu se mechanicky zdrsní s výhodou 50 pískováním do neporézní makrostrukturované vrstvy,
b) tato makrostrukturovaná vrstva se moři v nejméně jedné anorganické kyselině v inertní atmosféře, následně se leptá ve vodném roztoku hydroxidu nejméně jednoho alkalického kovu, do získání povrchové, hydrofilní, porézní, nanostrukturované, výchozí vrstvy titaničitanového
55 hydrogelu,
- 13 CZ 308151 B6
c) do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se kalcifíkaci inkorporují vápenaté a fosforečnanové ionty, do získání hydrofilní, porézní, nanostrukturované, bioaktivní konečné vrstvy s inkorporovanými vápenatými a fosforečnanovými ionty, případně s jejich krystalickým a/nebo amorfním vápenato-fosforečnanovým depozitem,
d) následně se tato konečná vrstva nejméně jednou omyje od přebytků chemikálií a
e) poté se vysuší.
3 až 5 mmol.l-1 Na+;
3. Způsob přípravy podle nároku 2, vyznačující se tím, že povrch neporézního bioinertního substrátu na bázi titanu se mechanicky zdrsní pískováním korundovým práškem o zrnitostí 50 až 250 pm při tlaku 500 až 750 kPa do neporézní makrostrukturované vrstvy.
4 až 6 mmol.l-1 Ca2+;
9 až 11 mmol.l-1 Cl-;
4. Způsob přípravy podle nároku 2, vyznačující se tím, že makrostrukturovaná vrstva
- se moří v inertní atmosféře v kyselině chlorovodíkové 35 až 37 % hmota, nebo v kyselině sírové o koncentraci 3 až 4 mol.l- a následně se
- leptá ve vodném roztoku hydroxidu sodného o koncentraci 1 až 10 mol.l-1 pro získání povrchové, hydrofilní, nanostrukturované výchozí vrstvy titaničitanového gelu.
5. Způsob přípravy podle nároku 2, vyznačující se tím, že do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se kalcifíkaci inkorporují vápenaté a fosforečnanové ionty,
- roztokem chloridu vápenatého o koncentraci 20 až 800 mmol.l-1 a poté
- zředěnou kyselinou fosforečnou o koncentraci 0,23 až 100 mmol.l-1 nebo vodným roztokem dihydrogenfosforečnanu sodného o koncentraci 1 až 100 .mmol.l-1.
6. Způsob přípravy podle nároku 2, vyznačující se tím, že do výchozí vrstvy titaničitanového hydrogelu se kalcifíkaci inkorporují vápenaté a fosforečnanové ionty přesyceným kalcifikačním roztokem o iontovém složení:
5 10. Způsob přípravy podle některého z nároků 2 až 9, vyznačující se tím, že konečná vrstva obsahuje jeden nebo více kationtů ze skupiny zahrnující H+ Na+, K+, Mg2+ a aniontů ze skupiny zahrnující OH“, Cl, (CCh)2, (SO4)2 - NO3.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-116A CZ308151B6 (cs) | 2015-02-20 | 2015-02-20 | Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2015-116A CZ308151B6 (cs) | 2015-02-20 | 2015-02-20 | Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2015116A3 CZ2015116A3 (cs) | 2016-08-31 |
| CZ308151B6 true CZ308151B6 (cs) | 2020-01-22 |
Family
ID=56885611
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2015-116A CZ308151B6 (cs) | 2015-02-20 | 2015-02-20 | Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ308151B6 (cs) |
Families Citing this family (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106498397B (zh) * | 2016-11-16 | 2019-04-09 | 中国科学院深圳先进技术研究院 | 一种基于盐蚀的在钛基种植体表面原位构建多级纳米拓扑结构的方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6136369A (en) * | 1996-05-10 | 2000-10-24 | Isotis B.V. | Device for incorporation and release of biologically active agents |
| CZ20022557A3 (cs) * | 2000-09-19 | 2003-01-15 | Aldecoa Eduardo Anitua | Způsob povrchového oąetřování implantátů nebo protéz z titanu a jiných materiálů |
| WO2004008983A1 (en) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Astra Tech Ab | An implant and a method for treating an implant surface |
| US20060161263A1 (en) * | 2004-03-04 | 2006-07-20 | Young-Taek Sul | Osseoinductive magnesium-titanate implant and method of manufacturing the same |
-
2015
- 2015-02-20 CZ CZ2015-116A patent/CZ308151B6/cs unknown
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6136369A (en) * | 1996-05-10 | 2000-10-24 | Isotis B.V. | Device for incorporation and release of biologically active agents |
| CZ20022557A3 (cs) * | 2000-09-19 | 2003-01-15 | Aldecoa Eduardo Anitua | Způsob povrchového oąetřování implantátů nebo protéz z titanu a jiných materiálů |
| WO2004008983A1 (en) * | 2002-07-19 | 2004-01-29 | Astra Tech Ab | An implant and a method for treating an implant surface |
| US20060161263A1 (en) * | 2004-03-04 | 2006-07-20 | Young-Taek Sul | Osseoinductive magnesium-titanate implant and method of manufacturing the same |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ2015116A3 (cs) | 2016-08-31 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim et al. | Preparation of bioactive Ti and its alloys via simple chemical surface treatment | |
| US11344387B2 (en) | Deposition of discrete nanoparticles on a nanostructured surface of an implant | |
| Narayanan et al. | Calcium phosphate‐based coatings on titanium and its alloys | |
| Pierre et al. | Calcium phosphate coatings elaborated by the soaking process on titanium dental implants: Surface preparation, processing and physical–chemical characterization | |
| JP2025004210A (ja) | 歯科インプラント、歯科用構成要素、歯科用インプラントシステム、インプラント可能な構成要素またはインプラントの構成要素の表面に保護層を形成するための方法、保護層を有するインプラント可能な構成要素またはインプラントの構成要素、及び保護層の使用 | |
| Nazir et al. | Biomimetic coating of modified titanium surfaces with hydroxyapatite using simulated body fluid | |
| JP7583848B2 (ja) | インプラント及び他の基材用のジルコニウム及びリン酸チタンコーティング | |
| Fouziya et al. | Surface modifications of titanium implants–The new, the old, and the never heard of options | |
| KR100922686B1 (ko) | 바이오재료 제조방법 및 이로 형성되는 바이오재료 | |
| Schickle et al. | Biomimetic in situ nucleation of calcium phosphates by protein immobilization on high strength ceramic materials | |
| KR20180077956A (ko) | 생체적합성세라믹스 코팅층, 그 코팅층을 포함하는 티타늄재구조체 및 그 구조체 제조방법 | |
| Ho et al. | Surface modification of a Ti–7.5 Mo alloy using NaOH treatment and Bioglass® coating | |
| CZ308151B6 (cs) | Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou a způsob jeho přípravy | |
| KR101460973B1 (ko) | 표면이 코팅되어 생체 친화성과 생체 적합성이 향상된 치과용 임플란트 및 이의 제조 방법 | |
| Melilli et al. | SURFACE TREATMENTS FOR TITANIUM IMPLANTS. | |
| US12121628B2 (en) | Method of surface treatment of titanium implant material using chloride and pulse power and titanium implant produced by the same | |
| KR101460974B1 (ko) | 표면이 코팅되어 생체 적합성이 향상된 치과용 임플란트 및 이의 제조 방법 | |
| KR100453289B1 (ko) | 임프란트 표면 처리용 전해질 용액 및 상기 전해질 용액을이용한 임프란트 표면 처리 방법 | |
| CZ28285U1 (cs) | Nitrokostní implantát s bioaktivní povrchovou úpravou | |
| CA2655389A1 (en) | Calcium phosphate coated implantable medical devices, and electrophoretic deposition processes for making same | |
| Mohammad Nezami et al. | Applying 58S Bioglass Coating on Titanium Substrate: Effect of Multiscale Roughness on Bioactivity, Corrosion Resistance and Coating Adhesion | |
| PL240205B1 (pl) | Sposób modyfikacji powierzchni implantów z tytanu lub stopów tytanu | |
| Ahmed et al. | Surface modifications of endosseous dental implants by incorporation of roughness and hydroxyapatite coatings | |
| Stefanic et al. | Surface modifications of load-bearing ceramics for improved osseointegration | |
| Duplak et al. | Identification of Technological Processes of Surface Treatments for Dental Implants. |