PL222163B1 - Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego - Google Patents

Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego

Info

Publication number
PL222163B1
PL222163B1 PL404578A PL40457813A PL222163B1 PL 222163 B1 PL222163 B1 PL 222163B1 PL 404578 A PL404578 A PL 404578A PL 40457813 A PL40457813 A PL 40457813A PL 222163 B1 PL222163 B1 PL 222163B1
Authority
PL
Poland
Prior art keywords
ati
tin
tio
layer
titanium
Prior art date
Application number
PL404578A
Other languages
English (en)
Other versions
PL404578A1 (pl
Inventor
Tadeusz Wierzchoń
Elżbieta Czarnowska
Michał Tarnowski
Original Assignee
Politechnika Warszawska
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Politechnika Warszawska filed Critical Politechnika Warszawska
Priority to PL404578A priority Critical patent/PL222163B1/pl
Publication of PL404578A1 publication Critical patent/PL404578A1/pl
Publication of PL222163B1 publication Critical patent/PL222163B1/pl

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)

Description

(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222163 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 404578 (51) Int.Cl.
A61L 27/06 (2006.01) C23C 8/24 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 05.07.2013
Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego (73) Uprawniony z patentu:
POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:
19.01.2015 BUP 02/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:
29.07.2016 WUP 07/16 (72) Twórca(y) wynalazku:
TADEUSZ WIERZCHOŃ, Warszawa, PL ELŻBIETA CZARNOWSKA, Warszawa, PL MICHAŁ TARNOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik:
rzecz. pat. Jerzy Woźnicki
PL 222 163 B1
Opis wynalazku
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu z dyfuzyjnymi warstwami powierzchniowymi tlenoazotowanymi i implant stawu biodrowego z tytanu i/lub stopu tytanu z dyfuzyjnymi warstwami powierzchniowymi tlenoazotowanymi, przeznaczony do długoterminowego użytkowania.
Implanty kostne wykonane z tytanu i jego stopów są powszechnie stosowane w medycynie. Ze względu na potrzebę opracowania implantów długookresowego użytkowania, a także konieczność eliminacji przechodzenia składników implantu tytanowego do otaczających tkanek w wyniku tak zwanego zjawiska metalozy, coraz większą rolę odgrywają obróbki powierzchniowe tytanu i jego stopów, takie jak azotowanie i tlenoazotowanie, oraz dobór materiałów na poszczególne elementy implantu pod kątem trwałości i biozgodności. Warstwy wytworzone w wyniku znanych sposobów obróbek powierzchniowych nie eliminują w pełni zjawiska metalozy. Ponadto dotychczasowy sposób tlenoazotowania, gwarantujący wytworzenie warstw tlenkowych na dyfuzyjnej warstwie azotowanej, przebiega w wysokiej temperaturze powyżej 850°C. Taka temperatura prowadzi do znacznych zmian mikrostruktury stopów tytanu, w szczególności rozrostu ziarna, co wpływa na obniżenie właściwości mechanicznych implantów, zwłaszcza wytrzymałości zmęczeniowej.
Z opisu patentowego nr US 6419708 znany jest implant z powierzchniową warstwą fosforanów wapnia. Z opisu patentowego nr US 5855612 znany jest implant z zewnętrzną warstwą żelu tytanowego. Z opisu patentowego PL 200599 znany jest implant tytanowy z kompozytową warstwą powierzchniową składającą się z dyfuzyjnej warstwy - TiN+Ti2N+aTi(N) lub Ti(CN)+Ti2N+aTi(N) z powierzchniową strefą hydroksyapatytu. Właściwości hydroksyapatytu, czy też innych fosforanów wapnia, a w szczególności jego niska odporność na kruche pękanie oraz przyczepność do podłoża są słabe, stąd też grubość powłoki fosforanowej jest w zakresie tylko od 1 do 4 μm.
Z opisu patentowego amerykańskiego US 5219363 znane jest zastosowanie w implantach ortopedycznych kompozytowego materiału polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, w szczególności na trzpień protezy stawu biodrowego, zawierającego włókna węglowe. Z europejskiego opisu patentowego EP 1992309 znane jest także zastosowanie w implantach kostnych wkładek z warstwą polieteroeteroketonu do obniżenia tarcia między elementami ruchomymi.
Celem wynalazku jest wytworzenie na tytanie i/lub stopach tytanu warstw powierzchniowych o podwyższonych właściwościach mechanicznych, biozgodności i trwałości, przeznaczonych do długoterminowego użytkowania.
Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi dyfuzyjnymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), w którym dyfuzyjną warstwę azotowaną TiN+Ti2N+aTi(N) i warstwę tlenkową wytwarza się w warunkach wyładowania jarzeniowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że proces azotowania i tlenoazotowania prowadzi się w jednym cyklu technologicznym w niskotemperaturowej plazmie wyładowania jarzeniowego w zakresie temperatur 500-800°C w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem i/lub wodorem i/lub powietrzem i/lub tlenem, przy ciśnieniu w komorze roboczej urządzenia do obróbki jarzeniowej w zakresie 1-5 mbar, przy czym warstwę tlenkową TiO2, tworzącą z warstwą azotowaną dyfuzyjną warstwę tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytwarza się w drugim etapie tego procesu z wykorzystaniem aktywnego ekranu na potencjale plazmy lub na potencjale katody.
Korzystnym jest, jeżeli proces azotowania prowadzi się w temperaturze 650-800°C w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 5% objętościowych wodoru, zaś proces utleniania prowadzi się w mieszaninie azotu z dodatkiem około 10% tlenu lub powietrza w temperaturze 500650°C w czasie od 10 do 30 minut, zwłaszcza na potencjale plazmy.
Implant stawu biodrowego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), złożony z trzpienia, główki i panewki, według wynalazku wyróżnia się tym, że pomiędzy panewką a główką jest umieszczona wkładka z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, zaś co najmniej na powierzchni trzpienia i zewnętrznej powierzchni panewki jest wytworzona dyfuzyjna warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) z zewnętrzną nanokrystaliczną warstwą tlenkową TiO2 wytworzoną na warstwie azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) w niskotemperaturowej plazmie w warunkach wyładowania jarzeniowego.
PL 222 163 B1
Korzystnym jest, jeżeli powierzchnia wkładki, pozostająca w kontakcie z główką, posiada powierzchniową warstwę amorficznego, uwodornionego, modyfikowanego azotem i wodorem węgla wytworzonego metodą RFCVD, o grubości w zakresie od 200 do 400 nm.
Korzystnym jest także, jeżeli panewka ma na powierzchni zarówno zewnętrznej jak i wewnętrznej, warstwę dyfuzyjną tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N).
Warstwy TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytworzone na implancie sposobem według wynalazku, zapewniają wysoką odporność korozyjną i dobre połączenie biologiczne z kością, eliminując przy tym całkowicie lub w znacznym stopniu zjawisko metalozy. Takie właściwości warstw powierzchniowych uzyskano dzięki połączeniu procesów azotowania jarzeniowego z procesem utleniania jarzeniowego w jednym cyklu technologicznym, w którym zmiana atmosfery gazowej następuje w trakcie realizacji procesu. Wytworzona warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) zapewnia wysoką biozgodność i aktywność biologiczną w kontakcie z osteoblastami, dobrą odpornością na zużycie przez tarcie i niski współczynnik tarcia. Zastosowanie wkładek z materiału polimerowego na bazie polieteroeteroketonu umożliwia zwiększenie odporności na ścieranie pomiędzy elementami ruchomymi implantów, w szczególności implantów stawu biodrowego. Powierzchniowa warstwa amorficznego uwodornionego węgla modyfikowanego azotem zapewnia dobrą przyczepność do materiału wkładki, biozgodność, niski współczynnik tarcia, oraz twardość powierzchniową wyższą niż materiał polimerowy.
Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok implantu stawu biodrowego, fig. 2 przedstawia szczegół A z fig. 1, a fig. 3 przedstawia schemat urządzenia do wytwarzania warstw azotowanych i tlenoazotowanych w niskotemperaturowej plazmie.
Implant stawu biodrowego przedstawiony na fig. 1 i 2, wykonany z tytanu i/lub stopu tytanu, składa się z trzpienia 4 zakończonego główką 3 i panewką 1. Pomiędzy panewką 1 a główką 3 jest umieszczona wkładka 2 z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, zaś co najmniej na powierzchni trzpienia 4 i zewnętrznej powierzchni panewki 1 jest wytworzona dyfuzyjna warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) z zewnętrzną nanokrystaliczną warstwą tlenkową - TiO2 - wytworzoną na warstwie azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) w niskotemperaturowej plazmie poprzez utlenianie w warunkach wyładowania jarzeniowego. Wkładka 2 jest wykonana z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, o nazwie handlowej PEEK T. Powierzchnia wkładki 2, pozostająca w kontakcie z główką 3, ma powierzchniową warstwę amorficznego, uwodornionego, modyfikowanego azotem i wodorem węgla (a-C:N:H), wytworzonego metodą RFCVD, o grubości w zakresie od 200 do 400 nm. Główka 3 ma powierzchniową warstwę dyfuzyjną azotowaną TiN+Ti2N+aTi(N) lub tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N).
W związku z tym, że kompozyt polimerowy na bazie polieteroeteroketonu charakteryzuje się dużą elastycznością, grubość powłoki a-C:N:H jest rzędu od 200 do 400 nm, co gwarantuje dobrą przyczepność do podłoża i eliminuje zjawisko wykruszania się powłoki w układzie tribologicznym z tytanem lub stopem tytanu z powierzchniową warstwą dyfuzyjną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N). Warstwa amorficznego uwodornionego węgla modyfikowanego azotem (a-C:N:H), jest wytwarzana w procesie RFCVD (RadioFrequency Chemical Vapour Deposition), przy zastosowaniu atmosfery gazowej składającej się z azotu, metanu oraz argonu w temperaturze do 60°C. Warstwa tlenkowa wytworzona na powierzchni warstwy azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) wskutek utleniania jarzeniowego ma nanokrystaliczną strukturę i grubość rzędu do 400 nm, co zapewnia jej dobrą odporność na zużycie przez tarcie, biozgodność w kontakcie z kością, a także dobre połączenie biologiczne oraz aktywność biologiczną w kontakcie z płynami fizjologicznymi, w tym tworzenie się fosforanów wapnia. Twardość tak wytworzonych warstw typu TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) jest rzędu 1000-1200 HV0,02.
W opisanym implancie stawu biodrowego stykają się ze sobą warstwy o dużej wytrzymałości na ściskanie i odporności na ścieranie, niskim współczynniku tarcia i dużej biozgodności. Dyfuzyjne warstwy TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) stykają się bezpośrednio z kością i zapewniają dobre połączenie biologiczne, eliminując zjawisko metalozy, co gwarantuje długotrwałe użytkowanie tak wykonanego implantu kostnego.
Jak przedstawiono na fig. 3, urządzenie do wytwarzania warstw azotowanych i tlenoazotowanych w niskotemperaturowej plazmie, składa się z komory roboczej 8, wewnątrz której znajduje się aktywny ekran 9, w obszarze którego jest umieszczony detal górny 11 obrabiany na potencjale plazmy. W przypadku obróbki na potencjale katody, detal dolny 12 może być umieszczony bezpośrednio na katodzie, bez zastosowania ekranu aktywnego. Między elektrodami znajduje się izolator ceramiczny 10. Komora ma kanał wlotowy 5 na gazy reaktywne i kanał wylotowy 6 połączony z pompą próż4
PL 222 163 B1 niową. Ścianki komory roboczej i katody są połączone z biegunami zasilacza 7. Urządzenie służy do wytwarzania na detalach implantów warstw azotowanych TiN+Ti2N+aTi(N) i warstw tlenoazotowanych TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) w warunkach wyładowania jarzeniowego. Urządzenie umożliwia wytworzenie warstwy tlenkowej na warstwie azotowanej w jednym cyklu technologicznym. Proces azotowania i tlenoazotowania prowadzi się w jednym cyklu technologicznym w niskotemperaturowej plazmie wyładowania jarzeniowego w zakresie 50-800°C w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem i/lub wodorem i/lub powietrzem i/lub tlenem, przy ciśnieniu w komorze roboczej 8 w zakresie 1-5 mbar, przy czym warstwę tlenkową TiO2, tworzącą z warstwą azotowaną dyfuzyjną warstwę tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytwarza się w drugim etapie tego procesu z wykorzystaniem aktywnego ekranu 9 na potencjale plazmy lub na potencjale katody. W pierwszym etapie proces azotowania prowadzi się w temperaturze 650-800°C w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 5% objętościowych wodoru. W drugim etapie proces tlenoazotowania prowadzi się w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 10% tlenu lub powietrza w temperaturze 500-650°C w czasie od 10 do 30 minut, zwłaszcza na potencjale plazmy. Sposób według wynalazku umożliwia obróbkę detali o złożonych kształtach i zapewnia jednorodność struktury warstw powierzchniowych o pożądanych właściwościach, w zależności od składu mieszaniny gazów procesowych i warunków prowadzenia procesu.

Claims (5)

  1. Zastrzeżenia patentowe
    1. Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi dyfuzyjnymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), w którym dyfuzyjną warstwę azotowaną TiN+Ti2N+aTi(N) i warstwę tlenkową wytwarza się w warunkach wyładowania jarzeniowego, znamienny tym, że proces azotowania i tlenoazotowania prowadzi się w jednym cyklu technologicznym w niskotemperaturowej plazmie wyładowania jarzeniowego w zakresie temperatur 500-800°C w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem i/lub wodorem i/lub powietrzem i/lub tlenem, przy ciśnieniu w komorze roboczej (8) urządzenia do obróbki jarzeniowej w zakresie 1-5 mbar, przy czym warstwę tlenkową TiO2, tworzącą z warstwą azotowaną dyfuzyjną warstwę tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytwarza się w drugim etapie tego procesu z wykorzystaniem aktywnego ekranu (9) na potencjale plazmy lub na potencjale katody.
  2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że proces azotowania prowadzi się w temperaturze 650-800°C w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 5% objętościowych wodoru, zaś proces utleniania prowadzi się w mieszaninie azotu z dodatkiem około 10% tlenu lub powietrza w temperaturze 500-650°C w czasie od 10 do 30 minut, zwłaszcza na potencjale plazmy.
  3. 3. Implant stawu biodrowego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), złożony z trzpienia, główki i panewki, znamienny tym, że pomiędzy panewką (1) a główką (3) jest umieszczona wkładka (2) z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, zaś co najmniej na powierzchni trzpienia (4) i zewnętrznej powierzchni panewki (1) jest wytworzona dyfuzyjna warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) z zewnętrzną nanokrystaliczną warstwą tlenkową TiO2 wytworzoną na warstwie azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) w niskotemperaturowej plazmie w warunkach wyładowania jarzeniowego.
  4. 4. Implant według zastrz. 3, znamienny tym, że powierzchnia wkładki (2), pozostająca w kontakcie z główką (3), posiada powierzchniową warstwę amorficznego, uwodornionego, modyfikowanego azotem i wodorem węgla wytworzonego metodą RFCVD, o grubości w zakresie od 200 do 400 nm.
  5. 5. Implant według zastrz. 3, znamienny tym, że panewka (1) ma na powierzchni zarówno zewnętrznej jak i wewnętrznej, warstwę dyfuzyjną tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N).
PL404578A 2013-07-05 2013-07-05 Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego PL222163B1 (pl)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL404578A PL222163B1 (pl) 2013-07-05 2013-07-05 Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
PL404578A PL222163B1 (pl) 2013-07-05 2013-07-05 Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego

Publications (2)

Publication Number Publication Date
PL404578A1 PL404578A1 (pl) 2015-01-19
PL222163B1 true PL222163B1 (pl) 2016-07-29

Family

ID=52305486

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PL404578A PL222163B1 (pl) 2013-07-05 2013-07-05 Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego

Country Status (1)

Country Link
PL (1) PL222163B1 (pl)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL441461A1 (pl) * 2022-06-13 2023-12-18 Politechnika Warszawska Sposób modyfikacji powierzchni azotowanego tytanu Grade 2 powłoką tlenkową domieszkowaną fosforanami wapnia przy wykorzystaniu metody plazmowego utleniania elektrochemicznego oraz powłoka tlenkowa na powierzchni azotowanego tytanu Grade 2 wytworzona tym sposobem

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
PL441461A1 (pl) * 2022-06-13 2023-12-18 Politechnika Warszawska Sposób modyfikacji powierzchni azotowanego tytanu Grade 2 powłoką tlenkową domieszkowaną fosforanami wapnia przy wykorzystaniu metody plazmowego utleniania elektrochemicznego oraz powłoka tlenkowa na powierzchni azotowanego tytanu Grade 2 wytworzona tym sposobem
PL247456B1 (pl) * 2022-06-13 2025-07-07 Politechnika Warszawska Sposób modyfikacji powierzchni azotowanego tytanu TiO2+TiN+Ti2N+αTi(N) powłoką tlenkową domieszkowaną fosforanami wapnia przy wykorzystaniu metody plazmowego utleniania elektrochemicznego oraz powłoka tlenkowa na powierzchni azotowanego tytanu TiO2(Ca,P)+Ti2N+αTi(N) wytworzona tym sposobem

Also Published As

Publication number Publication date
PL404578A1 (pl) 2015-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA2880824C (en) Thin film tantalum coating for medical implants
AU2012271616B2 (en) Micro-alloyed porous metal having optimized chemical composition and method of manufacturing the same
US11351031B2 (en) Applications of diffusion hardening techniques
EP1835946B1 (en) Surface treated shape memory materials and methods for making same
Cunha et al. Osseointegration of atmospheric plasma‐sprayed titanium implants: Influence of the native oxide layer
PL222163B1 (pl) Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego
Solanke et al. Crystallinity and cell viability in plasma-sprayed hydroxyapatite coatings
Güleryüz et al. Oxidized titanium
CN113563114A (zh) 一种多孔钽涂层碳纤维/碳复合材料及其制备方法
Ibrahim et al. Effect of hydroxyapatite coating on plasma nitrided surface of commercially pure titanium
RU2322267C1 (ru) Способ получения биосовместимого покрытия на имплантатах из титана и его сплавов
PL214767B1 (pl) Sposób wytwarzania odpornej immunologicznie powłoki ochronnej na implantach medycznych
EP2526976A2 (en) A medical implant and a method of formation of multi-phase surface layers on medical implant made from titanium and/or titanium alloys