CC BY
67
НОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ТЕХНОЛОГИИ
УДК 621.793.74:616-089.843; 534.29; 539.23; 616.31
А.В. Лясникова, А.М. Сакалла ФОРМИРОВАНИЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ БИОКОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫМ НАПЫЛЕНИЕМ В МОЩНОМ УЛЬТРАЗВУКОВОМ ПОЛЕ
Повышение эффективности остеоинтеграции костных имплантатов может быть достигнуто путем формирования структуры их поверхностных слоев из наноагломератов при электроплазменном напылении за счет воздействия ультразвукового поля на напыляемый материал. Снижение размеров частиц за счет ультразвукового диспергирования происходило в 5...15 раз, что также подтверждает возможность использования предлагаемого метода для формирования потока особо мелких частиц при использовании в процессе электроплазменного напыления исходных порошков мелких фракций дисперсностью 10.20 мкм.
A.V. Lyasnikova, A.M. Sakalla
ELECTROPLASMA SPRAYING NANOSTRUCTURED BIOCOMPOSITIONAL COATING IN POWERFUL ULTRASOUND FIELD
Bone implant Osseo integration efficiency improvement can be achieved by forming surface layer structure of nano agglomerates by means of plasma spray process because of ultrasound field on the processed material. Particle size decrease because of ultrasound dispersion was 5.15 times that also proves that suggested method can be applied for formation of a flow of very small particles in plasma spray processing of original small fraction powders with dispersion of 10.20 лm.
В настоящее время прогресс в имплантологии, в том числе дентальной, во многом обусловлен применением новых биокомпозиционных материалов с улучшенными характеристиками биосовместимости и механической прочности. Ярким тому примером является дентальный имплантат с биокомпозиционным покрытием на основе гидроксиапатита, трикальцийфосфата, фторгидроксиапатита и т.д. (рис. 1). Основа такого имплантата выполняется из биоинертного и механически прочного металла (Ti, Zr, Ta), на поверхность которого методом электроплазменного напыления наносится биокомпозиция, состоящая из нескольких слоев (титан + биоактивный материал). Помимо традиционного гидроксиапатита сейчас существует достаточно большой выбор биоактивных материалов,
что значительно расширяет возможности дентальной имплантации. Так, например, плазмонапыленные трикальцийфосфатные покрытия способствуют надежной остеоинтеграции и долговременному функционированию имплантатов у пациентов с системным остеопорозом, который совсем недавно являлся абсолютным противопоказанием к такого рода хирургическим вмешательствам. Ведутся исследования по применению фторгидроксиапатита, трикальцийфосфата, а также их композиций в качестве компонентов плазмонапыленных биоактивных покрытий, которые, согласно предварительным исследованиям, способны стимулировать приживление дентальных имплантатов у больных пародонтитом и сахарным диабетом [1, 2].
а) б)
Рис. 1. Схема строения и крепления в кости натурального зуба (а) и имплантата (б)
Биосовместимость имплантатов в настоящее время обеспечивается путем использования композиций биоактивных материалов, соответствующих по составу костной ткани, и создания покрытий с определенной пористой структурой, демпфирующей жевательные нагрузки и дающей возможность врастания в нее костных волокон (рис. 2) [3-5]. Следующим этапом на пути повышения качества дентальной имплантации может стать переход на молекулярный уровень взаимодействия напыляемых материалов и естественных тканей, что может быть реализовано путем формирования в объеме и на поверхности покрытий наноструктур, соответствующих по размерам и форме аналогичным образованиям утерянного корня зуба и костного ложа [6-9].
С учетом особенностей процесса формирования покрытий электроплазменным напылением, которое в настоящее время является наиболее универсальным и эффективным методом обеспечения их свойств, можно предположить, что создание наноструктур будет обеспечиваться за счет дробления исходных частиц на фрагменты непосредственно в струе плазмы. Применение исходных нанопорошков проблематично вследствие высокой вероятности их испарения.
Известно, что основной причиной дробления материалов является внешнее воздействие, интенсивность которого превышает предел прочности [10]. В случае электроплазменного напыления, когда частицы находятся в жидком или частично расплавленном состоянии, это могут быть скоростной напор газа (струи плазмы) и высокие напряжения, возникающие в еще не расплавившемся твердом ядре частицы из-за высоких градиентов температур между ядром и кипящей внешней оболочкой. При этом первый механизм, связанный с превышением внешнего давления над давлением Лапласа,
удерживающим частицу в сфероподобной форме силами поверхностного натяжения, характерен для полностью проплавленных металлических частиц, например титана. Второй механизм можно считать реальным для частиц из материалов, обладающих низкой теплопроводностью и высокой температуропроводностью, например биоактивной керамики. При этом тепло как бы аккумулируется в поверхностном слое частицы и будет наблюдаться чрезвычайно высокий температурный градиент от поверхности к ядру.
Рис. 2. Схема прорастания костной ткани в отверстия и поры дентального имплантата с плазмонапыленным биокомпозиционным покрытием
Однако эти факторы весьма стохастичны и инерционны, что затрудняет их использование в качестве технологических режимов формирования наноструктурированных покрытий.
Очевидно, что необходимо применить некоторые внешние дополнительные легко управляемые энергетические воздействия, способные вызвать аналогичные эффекты по дроблению частиц. Из научно-технической литературы известно эффективное использование ультразвукового поля для диспергирования жидкостей на микрокапли определенного размера [11, 12]. Задача состоит в определении уровня интенсивности поля, способного образовывать фрагменты напыляемых частиц с размерами, близкими к нанодиапазону.
Рассмотрена теоретическая возможность акустического фокусирующего воздействия на поток напыляемых частиц. В результате анализа выражений, описывающих акустическое давление, давление Лапласа и условия в плазменном потоке, получена зависимость минимального радиуса жидкой капли от основных технологических факторов:
6 а
г =----------------—, (1)
Ро(п /А) С0
где а - поверхностное натяжение; г - радиус капли; / - частота ультразвуковых колебаний; А - амплитуда ультразвуковых колебаний; р0 - плотность плазмы; с0 -скорость звука в плазменной струе.
По данному выражению можно определить минимальные размеры частиц-фрагментов, на которые исходные частицы диспергируются ультразвуковым полем в зависимости от плотности плазменного потока и скорости звука в ней. Видно, что эти
параметры значительно меньше влияют на размеры частиц, чем параметры ультразвука (частота и амплитуда), влияние которых носит квадратичный характер.
Поэтому при прочих равных условиях размеры диспергированных частиц будут определяться интенсивностью ультразвукового поля, а значит, амплитудой колебаний излучателя.
Преобразуя формулу (1), выразим амплитуду через параметры среды напыления и размер капли:
А =
6а
Ро • % • г-(л-/)
Подставляя в выражение (2) числовые значения а = 1,55 Нм, р0 = 2000 м/с, г = 107м, / = 44 кГц, получим А = 123 мкм. Такое значение амплитуды колебаний невозможно получить при помощи существующих колебательных систем обычной конструкции. Коэффициент усиления, обеспечивающий получение таких амплитуд, можно создать, только используя фокусирующие излучатели или рефлекторы ультразвука.
Расчетным путем по (1) получена зависимость размера микрочастиц в потоке от амплитуды и частоты ультразвука (рис. 3).
Минимальные размеры частиц обеспечиваются при амплитуде 110 мкм и частоте 60 кГц - 0,067 мкм, а также при амплитуде 80 мкм и частоте 40 кГц -
0,088 мкм. Таким образом, при использовании реально достижимых частот и амплитуд ультразвука возможно формировать поток напыляемых частиц из микрокапель нанодиапазона.
Рассмотрена возможность оценки степени совпадения параметров
искусственных и естественных наноструктур методом фрактального анализа. В нашем случае представляется, что можно описать при помощи фракталов микроструктуры, существующие в костной ткани и сформированные в плазмонапыленном покрытии [13, 14].
Рассмотрим микрофотографии поверхности срезов костной ткани челюсти человека (рис. 4) и поверхности плазмонапыленных биокомпозиционных покрытий (рис. 5).
а)
б)
в)
Рис. 4. Микрофотографии среза тканей костного ложа после обработки на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М: а - кортикальная кость, б, в - губчатая кость альвеолярного отростка
Видно, что костные структуры на рис. 4, а имеют образования, которые могут быть описаны фракталом Мандельброта. Подобные фракталы можно заметить в биокомпозиционных покрытиях на рис. 5, а, б. Костные структуры на рис. 4, б близки к фракталу «дракон» Хартера-Хейтуэя или Julia, структура на рис. 4, в напоминает «Ковер Серпинского». Покрытие (рис. 5, в) может быть описано фракталом «дракон» и Julia. Фракталы Julia в основном составляют структуру покрытия на рис. 5, г. Среди изображений покрытий не удалось выявить структур, напоминающих «Ковер Серпинского».
а) б) в) г)
Рис. 5. Микрофотографии поверхности плазмонапыленных покрытий после обработки на компьютерном анализаторе изображений микроструктур АГПМ-6М. Биоактивный материал дисперсностью 70-100 мкм, напыленный при токе дуги 450-500 А: а - на дистанции 70 мм, г - на дистанции 100 мм; дисперсностью 40-70 мкм при токе дуги 400-450 А; б - на дистанции 70 мм в - на дистанции 90 мм
в) г)
Рис. 6. Применение дентальных имплантатов с наноструктурированными плазмонапыленными биоактивными покрытиями в практике ортодонтического лечения: а - одиночный дефект после ортодонтического лечения; б - установлен гладкий цилиндрический имплантат; в - ортопантомограмма после операции; г - результат лечения
Поскольку кортикальная кость занимает весьма незначительную зону контакта с покрытием, по-видимому, следует стремиться к совпадению фрактальных структур губчатой кости и биоактивного материала. Уточненный анализ показал, что эти структуры должны отвечать фракталу вида Julia с параметрами: Xmm = -4, Xmax = 1,5, Ymin = - 3, Ymax =
1,5,
A = - 0,5, B = 0,4, C = 300. Эти параметры обеспечиваются при напылении покрытия порошком биоактивного материала дисперсностью 40-70 мкм на дистанции 90 мм и при токе дуги 400-450 А (рис. 5, в) [15].
Применяя биокомпозиционные покрытия, обладающие аналогичной костной ткани структурой, можно значительно ускорить остеоинтеграционные процессы и избежать таких распространенных осложнений дентальной имплантации, как разрастание эпителиальной ткани и образование костного кармана вокруг пришеечной части имплантата, что, в свою очередь обеспечит максимальную естественность взаимодействия имплантата с прилежащими тканями. Результаты клинического применения имплантатов, напыленных по вышеописанной технологии, доказывают ее состоятельность и перспективность, а также необходимость дальнейших экспериментальных и теоретических исследований в этой области (рис. 6).
Дальнейшие исследования необходимо направить на разработку новых биоактивных композиций, автоматизацию напылительного и ультразвукового оборудования, совершенствование существующих и разработку новых технологий получения наноструктурированных покрытий. Особое внимание следует уделить контролю качества наноструктурированных биокомпозиционных покрытий, который может представлять весьма сложную проблему, поскольку от этого во многом зависит успех имплантации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Стоматологические имплантаты. Исследование, разработка, производство и
клиническое применение / А.В. Лясникова, А.В. Лепилин, Н.В. Бекренев,
Д.С. Дмитриенко. Саратов: СГТУ, 2006. 254 с.
2. Воложин Г. А. Остеоинтегративные свойства дентальных имплантатов, покрытых трикальцийфосфатом / Г.А. Воложин // Биомедицинские технологии: материалы Х1 Всерос. науч. конф. М., 2005. Вып. 23. С. 28-33.
3. Биоактивные материалы и покрытия в дентальной имплантологии: учеб. пособие / А.В. Лясникова, А.В. Лепилин, В.Н. Лясников, К.Г. Бутовский. Саратов: СГТУ, 2004. 94 с.
4. Путляев В.И. Современные биокерамические материалы / В.И. Путляев // Соросовский образовательный журнал. 2004. Т. 8. № 1. С. 44-50.
5. Lyasnikova A.V. The application of plasma sprayed coatings in the manufacture of dental implants / A.V. Lyasnikova, N.V. Protasova // 22nd European Conference on Surface Science «ECOSS 22». Praha, Czech Republic, 2003. Р. 15-17.
6. Свидиненко Ю.А. Нанотехнологии сегодня / Ю.А. Свидиненко // inform@computerra.ru 2000 г.
7. Дубова М.А. Особенности клинического применения нанокомпозита 3МТМESPETMFiltekTMSupreme / М.А. Дубова, Ж.П. Хиора // Diskus Dental. 2003. С. 83-84.
8. Леденцов Н. Н. Наноструктуры: как это делает природа / Н. Н. Леденцов // Лекторий Научно-образовательного центра ФТИ им. А.Ф. Иоффе 13.10.2000 (Интернет-ресурс).
9. Андриевский Р. А. Наноструктурные материалы: учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Р. А. Андриевский, А.В. Рагуля. М.: Издат. центр «Академия», 2005. 192 с.
10. Протасова Н.В. Управление формообразованием и свойствами биокомпозиционных покрытий дентальных имплантатов при электроплазменном напылении: дис. ... канд. техн. наук / Н.В. Протасова. Саратов, 2000. 251 с.
11. Абрамов О.В. Ультразвуковая обработка материалов / О.В. Абрамов, И.Г. Хорбенко, Ш. Швегла; под ред. О.В.Абрамова. М.: Машиностроение, 1984. 325 с.
12. Мощные ультразвуковые поля / под ред. Л.Д. Розенберга. М.: Наука, 1968. 230
с.
13. Шабаршин А.А. Введение во фракталы / А.А. Шабаршин // shaos@mail.ru.
14. Федер Е. Фракталы / Е. Федер; пер. с англ. М.: Мир, 1991. 254 с. (Jens Feder, Plenum Press, NewYork, 1988).
15. Перспективы использования наноструктурированных биокомпозиционных покрытий в производстве дентальных имплантатов / А.В. Лясникова, Н.В. Бекренев, А.В. Лепилин, В.Н. Лясников // Сб. науч. трудов по материалам 8-й Всерос. конф. Саратов: СГТУ, 2006. С. 14-18.
Лясникова Александра Владимировна -
кандидат технических наук,
докторант кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Сакалла Ахмед Мохамед Фаиз -
соискатель кафедры «Материаловедение и высокоэффективные процессы обработки» Саратовского государственного технического университета
Статья поступила в редакцию 20.10.06, принята к опубликованию 21.11.06
