RO128478A0 - Straturi subţiri biocompatibile pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral - Google Patents

Straturi subţiri biocompatibile pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral Download PDF

Info

Publication number
RO128478A0
RO128478A0 ROA201200477A RO201200477A RO128478A0 RO 128478 A0 RO128478 A0 RO 128478A0 RO A201200477 A ROA201200477 A RO A201200477A RO 201200477 A RO201200477 A RO 201200477A RO 128478 A0 RO128478 A0 RO 128478A0
Authority
RO
Romania
Prior art keywords
multilayer
multilayer materials
thin layers
metals
materials according
Prior art date
Application number
ROA201200477A
Other languages
English (en)
Other versions
RO128478B1 (ro
Inventor
Mariana Braic
Viorel Braic
Mihai Bălăceanu
Alina Vlădescu
Original Assignee
Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
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 Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000 filed Critical Institutul Naţional De Cercetare-Dezvoltare Pentru Optoelectronică - Inoe 2000
Priority to ROA201200477A priority Critical patent/RO128478B1/ro
Publication of RO128478A0 publication Critical patent/RO128478A0/ro
Publication of RO128478B1 publication Critical patent/RO128478B1/ro

Links

Landscapes

  • Materials For Medical Uses (AREA)
  • Prostheses (AREA)

Abstract

Prezenta invenţie se referă la materiale multistrat pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral. Materialul conform invenţiei constă din monostraturi individuale alternate, descrise de formula: (MeMeC/a:C-H), în care n este numărul de straturi subţiri cu valori în intervalul 5...400, MeMeC reprezintă carbura a două metale diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta şi Hf, şi a-C:H reprezintă stratul de carbon amorf hidrogenat.

Description

Invenția se referă la materiale din straturi subțiri biocompatibile, sub formă de multistraturi, biocompatibile, rezistente la coroziune, aderente la suportul pe care au fost depuse, cu coeficient de frecare și uzură reduse, folosite pentru acoperirea aliajelor metalice din care sunt realizate implanturile de disc intervertebral.
în momentul de față sunt cunoscute materiale din care sunt realizate implanturile de disc intervertebral: fie metalice - titan și aliajele sale, oțel inoxidabil austenitic și aliaje CoCr, fie cele ce includ pe lângă metale și polimeri de tip polietilenă [1], Majoritatea implanturilor existente au o medie de viață în organism de aproximativ 10-15 ani, care se dorește a fi extinsă până la 35 - 40 ani. Cele mai mari probleme legate de degradarea implanturilor medicale sunt datorate fenomenelor de coroziune, oboseală, uzare și de respingere de către organism ca urmare a reacțiilor cito-toxice [2]. în vederea creșterii timpului de viață a implanturilor s-au folosit diverse tehnologii de îmbunătățire a calității suprafețelor, fie prin prelucrări mecanice minuțioase (creșterea sau scăderea rugozității, funcție de mediul de implantare), fie prin tratamente termochimice sau depuneri de straturi subțiri, care modifică natura chimică a suprafețelor.
Problema tehnică pe care își propune să o rezolve invenția constă în creșterea timpului de viață a implanturilor metalice de disc vertebral acoperite, comparativ cu cele neacoperite, prin creșterea rezistenței la coroziune (cuantificată prin numărului de ioni metalici eliberați în țesuturile biologice învecinate implantului) și prin îmbunătățirea proprietăților de tribocoroziune - scăderea coeficientului de frecare și a ratei de uzare, într-o soluție care simulează fluidele biologice, de exemplu în soluție Ringer.
Proprietățile superioare ale materialelor multistrat biocompatibile, care fac obiectul invenției, sunt generate de rezistența acestora la acțiunea corozivă a fluidelor biologice, de utilizarea în compoziția materialului de acoperire a unor elemente care nu produc reacții adverse la eliberarea acestora în organismul uman, precum și de scăderea coeficientului de frecare și a ratei de uzare. Avantajul acoperirilor monostrat este generat de creșterea aderenței și a rezistenței la coroziune datorită reducerii tensiunilor mecanice dezvoltate în materialul de acoperire, prin alternarea straturilor individuale din structura multistratului.
în vederea creșterii rezistenței la tribocoroziune și a scăderii concentrației de metale eliberate din aliajele metalice utilizate pentru implanturile de disc intervertebral au fost pagina - 1 (\-2 Ο 1'2- ο 0 4+7- - ?
1 1 -os- 2fî I utilizate până în prezent diverse metode de îmbunătățire a calității suprafețelor prin trc tamente termochimice sau depuneri de straturi subțiri, astfel încât proprietățile mecanice ale aliajului de bază să nu fie afectate. Se cunosc diferite structuri metalice ale implanturilor discurilor intervertebrale [3 - 5], ale căror performanțe pot fi îmbunătățite prin acoperirea suprafețelor supuse frecării cu straturi subțiri în arhitectură multistrat. In prezent sunt cunoscute diferite straturi de acoperire utilizate, de exemplu nitrura de titan, nitrura de zirconiu, nitrura de titanaluminiu sau nitrura de aluminiu-titan, sau diferite straturi pe bază de carbon [6-9].
Cele mai utilizate straturi subțiri proiective biocompatibile sunt compuși de tip nitrură, carbură sau oxid, în care elementul metalic din compus aparține uneia din grupele IV-A, V-A și VI-A ale sistemului periodic [10], în cazul straturilor biocompatibile, elementele metalice pot fi: Ti, Zr, Hf, Nb sau Ta. Acoperirile dure protective utilizate în mod curent în aplicații biomedicale cuprind compuși binari sub formă de nitruri sau carburi ale metalelor de tranziție (TiN [7, 11, 12], ZrN [7, 13, 14], NbN [15, 16], HfN [16], TaN [17], TiC [18], TaC [18]). Compușii ternari de nitruri (TiAIN [12, 16 - 18], TiZrN [19 - 22], TiNbN [23, 24], TaZrN [25], NbZrN [26]) au fost introduși mai recent în aplicațiile biologice, fiind foarte puține studii in vivo realizate pe aceste tipuri de straturi. Studiile asupra utilizării în domeniul medical al carburilor metalelor de tranziție sunt de dată relativ recentă [27 - 30].
Materialele, conform invenției, rezolvă problema tehnică menționată prin aceea că prezintă proprietăți biocompatibile superioare, având totodată o bună aderență la substrat, tensiuni interne reduse și rezistență sporită la tribo-coroziune și uzură, fiind constituite din carburi ternare (MeiMeiC) și straturi de carbon amorf hidrogenat (a:C-H) sub formă de multistrat, unde Mei și Me2 sunt metale diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf. Performanțele superioare ale materialelor multistrat care fac obiectul invenției sunt determinate de structura cu straturi subțiri alternate, de formarea unor soluții solide în stare de echilibru în monostraturile de carbură, cu cristalite de dimensiune nanometrică. Aceste materiale multistrat sunt o noutate atât pe plan național cât și pe plan internațional.
Materialele multistrat, conform invenției, au o grosime totală cuprinsă între 1 și 4 μιη, fiind realizate din straturi subțiri individuale de Me]Me2C și a:C-H, alternate, descrise după formula (MeiMe2C/ a:C-H)n, unde n reprezintă numărul de perechi de straturi subțiri (MeiMe2C/ a:C-H) din compunerea multistratului, MeiMe2C reprezintă carbura a două metale de tranziție diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf, iar a-C:H reprezintă stratul de carbon amorf hidrogenat. Grosimile perechilor de straturi subțiri sunt cuprinse între 10 și 200 nm, având raportul grosimilor straturilor individuale de (MeiMe2C) / (a:C-H) cuprins între 0,25 și 4. Straturile subțiri de MeiMe2C prezintă un raport al concentrațiilor elementale ale metalelor Mei/Me2 cuprins între 0,1 și 9, un raport al concentrațiilor elementale ale nemetalelor și pagina - 2 ¢(-2 0 1 2 - 0 0 4^7-2 7 -06- 2012 metalelor C/(Mei + Me2) cuprins între 2 și 0,9. Materialele multistrat prezintă aderență ridicată la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 25 - 55 N. Materialele multistrat prezintă microdurități cuprinse între 25 și 50 GPa, coeficienți de frecare și rate de uzare în soluție Ringer în domeniul 0,08 - 0,20, respectiv IO-7 - IO’5 mm3/Nm. Cantitatea de ioni eliberată în soluție Ringer la 37°C este < 30 pg/cm2, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Materialele multistrat prezintă o viteză de coroziune <6x10^ mm/an și un factor de viabilitate celulară > 85% la testul de citotoxicitate.
Un exemplu de realizare a unui material multistrat, cu o grosime totală de 2,6 pm, este cel constituit din cate 65 de perechi de straturi (TiTaC/a:C-H) cu grosimea de 40 nm, având raportul grosimilor straturilor individuale TiTaC/a:C-H de 1,5, și rapoartele Ti/Ta = 0,85 și C/(Ti+Ta) = 1,2. Multistratul prezintă aderență ridicată la substrat, forța normală critică la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 44 N. Multistratul prezintă o microduritate de 42 GPa, un coeficient de frecare în soluție Ringer de 0,14 și o rată de uzare în soluție Ringer de 6 x IO'7 mm3/Nm. Multistratul prezintă viteze de coroziune la 37°C de aproximativ 4 x 104 mm/an în soluție Ringer, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Cantitatea de ioni eliberată în soluție Ringer este de aproximativ 20 pg/cm2. Materialul multistrat prezintă un factor de viabilitate celulară de 90% la testul de citotoxicitate.
Un alt exemplu de realizare a unui material multistrat, cu o grosime totală de 3,0 pm, este cel constituit din cate 250 de perechi de straturi (ZrNbC/a:C-H) cu grosimea de 12 nm, având raportul grosimilor straturilor individuale ZrNbC/a:C-H de 2,0, și rapoartele Zr/Nb = 1,2 și C/(Zr+Nb) = 1,8. Multistratul prezintă aderență ridicată la substrat, forța normală critică la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 50 N. Multistratul prezintă o microduritate de 46 GPa, un coeficient de frecare în soluție Ringer de 0,12 și o rată de uzare în soluție Ringer de 2.10' mm /Nm. Multistratul prezintă viteze de coroziune la 37°C de aproximativ 5x10^ mm/an în soluție Ringer, încadrându-se (conform ISO 8044) în clasa de rezistență “perfect stabil”. Cantitatea de ioni eliberată în soluție Ringer este de aproximativ 16 pg/cm2. Materialul multistrat prezintă un factor de viabilitate celulară de 88% la testul de citotoxicitate.
Materialele multistrat, conform invenției, sunt obținute printr-o metodă de tip depunere fizică din fază de vapori (pulverizare magnetron, arc catodic, placare ionică, evaporare activată) într-o plasmă reactivă ce conține metan sau acetilenă ca gaz reactiv. Materialele multistrat sunt obținute într-o plasmă reactivă care conține atomi și ioni a două metale de tranziție (din seria Ti, Zr, Nb, Ta, Hf), carbon și compuși hidrogenați ai acestuia pagina - 3 ® l Ο 1 2 ~ Ο Ο 4^ 7 - 2 7 -Οβ- 2012 proveniți din disocierea metanului sau acetilenei, la presiuni cuprinse între IO'3 și IO'1 Pa, la temperaturi ale aliajului metalic pe care se face depunerea cuprinse între 80° și 350° C, ceea ce nu determină modificări structurale ale acestuia, timpul de depunere fiind cuprins în intervalul dintre 60 și 240 min.
pagina - 4 Οςί O 1 2 - O 0 4^7 - 2 7 -06- 2012
STRATURI SUBȚIRI BIOCOMPATIBILE PENTRU ACOPERIREA IMPLANTURILOR METALICE DE DISC INTERVERTEBRAL

Claims (6)

1. Materialele multistrat caracterizate prin aceea că: sunt realizate din straturi subțiri individuale de Me]Me2C și a:C-H, alternate, descrise după formula (MeiMe2C/a:CH)n, unde n reprezintă numărul unei perechi de straturi subțiri (MeiMe2C/a:C-H) din compunerea multistratului și variind în domeniul 5 - 400, Me|Me2C reprezintă o carbură a două metale de tranziție diferite din seria Ti, Zr, Nb, Ta și Hf, iar a-C:H reprezintă stratul de carbon amorf hidrogenat;
2. Materiale multistrat conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că: au o grosime totală cuprinsă între 1 și 4 pm, au grosimile perechilor de straturi subțiri cuprinse între 10 și 200 nm, având raportul grosimilor straturilor individuale de (MeiMe2C)/(a:C-H) cuprins între 0,25 și 4;
3. Materiale multistrat conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că: straturile subțiri individuale de carbură MeiMe2C din componența multistratului prezintă un raport al concentrațiilor elementale ale metalelor Mei/Me2 cuprins între 0,1 și 9 și un raport al concentrațiilor elementale ale nemetalelor și metalelor C/(Mei + Me2) cuprins între 2 și 0,9;
4. Materiale multistrat conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că: prezintă aderență ridicată la substrat, forțele normale critice la testul de aderență prin zgâriere (“scratch test”) fiind de 25 - 55 N și au microdurități cuprinse între 25 și 50 GPa;
5. Materiale multistrat conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că: prezintă coeficienți de frecare în fluide biologice în domeniul 0,08 - 0,20 rate de uzare în fluide biologice în domeniul IO'7 - 10'5 mm3/Nm, viteze de coroziune și cantități de ioni eliberați în soluții Ringer sau SBF la 37°C, < 6 xlO'4 mm/an și respectiv < 30 pg/cm2.
6. Materiale multistrat conform revendicării 1, caracterizate prin aceea că: prezintă un factor de viabilitate celulară > 85% la testul de citotoxicitate.
ROA201200477A 2012-06-27 2012-06-27 Material multistrat biocompatibil pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral RO128478B1 (ro)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201200477A RO128478B1 (ro) 2012-06-27 2012-06-27 Material multistrat biocompatibil pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
ROA201200477A RO128478B1 (ro) 2012-06-27 2012-06-27 Material multistrat biocompatibil pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RO128478A0 true RO128478A0 (ro) 2013-06-28
RO128478B1 RO128478B1 (ro) 2015-04-30

Family

ID=48667341

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ROA201200477A RO128478B1 (ro) 2012-06-27 2012-06-27 Material multistrat biocompatibil pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral

Country Status (1)

Country Link
RO (1) RO128478B1 (ro)

Also Published As

Publication number Publication date
RO128478B1 (ro) 2015-04-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ul-Hamid Microstructure, properties and applications of Zr-carbide, Zr-nitride and Zr-carbonitride coatings: a review
Zhang et al. Mechanical properties and biocompatibility of Ti-doped diamond-like carbon films
Ananthakumar et al. Electrochemical corrosion and materials properties of reactively sputtered TiN/TiAlN multilayer coatings
Shahmohammadi et al. In vitro corrosion behavior of coated Ti6Al4V with TiO2, ZrO2, and TiO2/ZrO2 mixed nanofilms using atomic layer deposition for dental implants
JP2014088024A (ja) 四面体炭素層および軟質外層を備える層状構造によって被覆された基板
Ali et al. In-vitro corrosion and surface properties of PVD-coated β-type TNTZ alloys for potential usage as biomaterials: Investigating the hardness, adhesion, and antibacterial properties of TiN, ZrN, and CrN film
Cotrut et al. Corrosion resistance, mechanical properties and biocompatibility of Hf-containing ZrCN coatings
Srinivasan et al. Ion beam deposition of DLC and nitrogen doped DLC thin films for enhanced haemocompatibility on PTFE
Velasco et al. Structural and electrochemical characterization of Zr–C–N–Ag coatings deposited by DC dual magnetron sputtering
Zheng et al. Properties of TiN/TiCN multilayer films by direct current magnetron sputtering
Toyonaga et al. The property of adhesion and biocompatibility of silicon and fluorine doped diamond-like carbon films
EP2204198B1 (en) Designed surfaces for use in medical implants or instruments
Tsai et al. Surface properties of copper-incorporated diamond-like carbon films deposited by hybrid magnetron sputtering
Aslan et al. ZrN and ta-C coatings on titanium for biomedical applications: Improved adhesion, corrosion, antibacterial activity, and cytotoxicity properties
Vitu et al. Structure and tribology of biocompatible Ti–C: H coatings
Polcar et al. Effects of carbon content on the high temperature friction and wear of chromium carbonitride coatings
Zhang et al. Improve wear resistance of C/C composites as artificial bone using diamond-like carbon coatings
Sun et al. Synthesis of Nitrogen-Doped Diamond-Like Carbon Films Produced by Plasma-Enhanced Chemical Vapor Deposition and their Tribocorrosion Behavior in Hanks’ Solution
RO129460A2 (ro) Carburi ale aliajelor de înaltă entropie sub formă de straturi subţiri, pentru acoperirea endoprotezelor articulare
RO128478A0 (ro) Straturi subţiri biocompatibile pentru acoperirea implanturilor metalice de disc intervertebral
Cotrut et al. ZrNbCN thin films as protective layers in biomedical applications
RO130173A2 (ro) Materiale biocompatibile pe bază de carburi ale aliajelor cu înaltă entropie pentru acoperirea cuplurilor mobile ale endoprotezelor articulare şi instrumentarului medical
RO127022B1 (ro) Material din oxinitruri ale unui metal de tranziţie, pentru acoperirea implanturilor dentare
RO128641B1 (ro) Material de acoperire multistrat biocompatibil, pentru implanturi ortopedice
Aslan et al. Effects of ZrN and DLC coatings on morphostructural, corrosion, cell viability, and antibacterial properties of Ti6Al4V scaffolds