Физико-химические основы и технологии получения биосовместимых покрытий на титановых имплантатах и регулирование их биологических свойств

• Автор: Петровская, Татьяна Семеновна
• Шифр специальности: 05.17.11
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 326 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КИЛЬЦИОФОСФАТНЫХ МАТЕРИАЛОВ В ТРАВМАТОЛОГИИ И ОРТОПЕДИИ
1.1. Проблемы материаловедения в ортопедии и травматологии
1.2. Применение кальциофосфатных материалов в восстановительной медицине
1.2.1. Биомеханическая структура костной ткани
1.2.2. Система естественных кальциофосфатов в организме
1.2.3. Требования к искусственным материалам для восстановления кости
1.2.4. Имплантаты, применяемые в травматологии и ортопедии
1.3. Современные технологии формирования покрытий на титане
1.3.1. Титановые имплантаты и критерии выбора покрытий
1.3.2. Методы получения покрытий
1.3.3. Комбинирование методов получения покрытий
1.4. Механизмы интеграции имплантатов с костной тканью
1.5. Постановка научной проблемы и задач исследования
ГЛАВА 2. МЕТОДИКА ПОЛУЧЕНИЯ БИОМАТЕРИАЛОВ,
ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ И ИССЛЕДОВАНИЕ ИХ СВОЙСТВ
2.1. Объекты исследования и исходные материалы
2.2. Титан и титановые сплавы
2.2.1. Физико-химические свойства титана и сплавов для медицины
2.2.2. Влияние обработки на свойства титана
2.3. Получение и характеристика компонентов покрытия
2.3.1. Получение биологического гидроксилапатита
2.3.2. Синтез гидроксилапатита
2.3.3. Идентификация и оценка характеристик БГА и СГА
2.3.4. Методика варки силикофосфатных стекол
2.3.5. Методика изучения растворимости стекол
2.4. Методы формирования покрытий
2.4.1. Формирование покрытий электрохимическими методами
2.4.2. Плазменное напыление покрытий
2.4.3. Формирование шликерных покрытий
2.4.4. Получение и исследование золь-гель пленок
2.5. Методы исследования структуры и свойств материалов и покрытий
2.5.1. Изучение морфологии поверхности
2.5.2. Изучение микроструктуры поверхности
2.5.3. Определение фазового состава
2.5.4. Определение адгезии покрытий
2.5.5. Определение толщины покрытий и пленок
2.5.6. Определение кислотно-основных свойств
2.5.7. Изучение биологических свойств
2.6. Структурно-методологическая схема работы

ГЛАВА 3. ПОЛУЧЕНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ МАТЕРИАЛОВ
ДЛЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТАТОВ
3.1. Синтез и исследование свойств гидроксилапатита
3.1.1. Получение биологического гидроксилапатита
3.1.2. Получение синтетического гидроксилапатита
3.2. Получение стекол для покрытия
3.3. Получение композиций для покрытия
Выводы по Главе
ГЛАВА 4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПОЗИЦИОННЫХ БИОИМПЛАНТАТОВ
4.1. Подготовка титана к нанесению покрытия
4.2. Формирование покрытий электрохимическим методом
4.3. Улучшение механических свойств покрытия
4.4. Влияние режима оксидирования на биологические свойства
4.5. Получение покрытий керамическим (шликерным) методом
4.6. Получение покрытий методом плазменного напыления
Выводы по Главе
ГЛАВА 5. СИНТЕЗ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА
НАНОПРОДУКТОВ СИСТЕМЫ CaO- Si02-P205
5.1. Формирование тонких пленок в системе Si02
5.2. Исследование физико-химических процессов, протекающих
в ПОР на основе системы Si02-P20.s-Ca0
5.3. Формирование и исследование структуры тонкопленочных
оксидных систем Si02-P20j-Ca0
5.3.1. Формирование золь-гель пленок
5.3.2. Физико-химические процессы, протекающие при формировании
оксидной системы в пленках
5.3.3. Структура оксидных пленочных систем
5.4. Исследование функциональных свойств золь-гель пленок
Выводы по Главе
ГЛАВА 6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ
КОМПОЗИЦИОННЫХ БИОИМПЛАНТАТОВ
6.1. Формирование покрытия электрохимическим методом
6.2. Формирование покрытия шликерным методом
6.3. Формирование покрытия методом плазменного напыления
6.4. Формирование двухслойных покрытий комбинированным методом
с использованием золь-гель технологии
6.5. Оценка биосовместимости и биоактивности разработанных покрытий
6.6. Структурная модель покрытия и оценка эффективности методов
Выводы по Главе
ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
ПРИЛОЖЕНИЯ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
АСМ - атомно-силовая микроскопия АИ - анодно-искровой (режим)
АКФ - аморфный кальциофосфат
БАМ - биоактивные материалы
БА - биологическая активность
БГА - биологический гидроксилапатит
БД - биодеградация
БИМ - биоинертные материалы
БМ - биоматериалы
БС - биосовместимость
В - волластонит
ГА - гидроксилапатит
ДДКФ - дигидрат дикальцийфосфат
ДКФ - дикальцийфосфат
ДТА - дифференциально-термический анализ
ИК - инфракрасный
КИП - коэффициент использования порошка (плазменное напыление) КФ - кальциофосфаты МД - микродуговой (режим)
МСК - мезенхимальные стволовые клетки
ОИ - остеоиндукция
ОК - остеокондукция
ОКФ - октакальций фосфат
ОФК - ортофосфат кальция
ПР - произведение растворимости
ПОР - пленкообразующий раствор
РФА - рентгенофазовый анализ
РЭМ - растровый электронный микроскоп
СГА - синтетический гидроксилапатит
СЭМ - сканирующая электронная микроскопия
ТЭОС - тетроэтоксисилан
ТКФ - трикальций фосфат
ФА - фторапатит
ХА - хлорапатит
ЭХО - электрохимическое оксидирование.
Обозначение математических символов приведено по тексту
на его поверхности, покрытия, содержащие фосфаты кальция и, в частности, гидроксилапатит, обеспечивают биологическую фиксацию [89]. В первую очередь, речь идет о биокерамике, нанесенной на бесцементные эндопротезы, металлические пластины и стержни для остеосинтеза. Их назначение -быстро создать условия для прочной фиксации и вживления имплантатов. Такие КФ покрытия должны быть достаточно прочными и биоустойчивыми, чтобы плавно, по мере резорбции, создать тесную взаимосвязь между металлом и костной тканью. Иными словами, обеспечить биологическую фиксацию имплантата в структуре костной ткани [84].
Концепция биоактивности, разработанная для объемных имплантатов, применяется и для интерпретации функционирования покрытий по металлическим имплантатам. Предполагается, что срастание имплантата с костью происходит за счет растворения керамического слоя и последующего образования новых кристаллов гидроксиапатита, который интегрируется с коллагеном, обеспечивая образование полноценной кости [82, 83, 91]. В процессах интеграции имплантата с костью большую роль играют физиологические факторы и поверхностная активность имплантата [89].
Опыт исследований и применения титановых имплантатов с каль-циофосфатными покрытиями при остеосинтезе показывает, что «слабыми» звеньями в биомеханической конструкции являются граница металл-покрытие и собственно покрытие. Согласно [13], соотношение площадей разлома пластин с ГА покрытием по границам раздела кость-покрытие и покрытие-подложка в ряде случаев составило 70/30.
Капьциофосфатную керамику и титановые композиционные имплантаты с кальциофосфатными покрытиями получают из синтетических фосфатов кальция и естественных кальциофосфатов, выделенных, в частности, из натуральной кости [1,2,30,71,92,93].
Большое количество работ ориентировано на получение гидроксилапа-тита и трикальцийфосфата. Используются три основных метода синтеза фосфатов кальция: осаждение из растворов (мокрый метод), твердофазный синтез (сухой метод) и гидротермальный синтез. На практике преобладает синтез фосфатов кальция из водных растворов [48,94-99].
В зависимости от метода синтеза, может быть получен порошок с различной морфологией, удельной поверхностью, стехиометрией и степенью