CC BY
85
Я. В. Ившин, Р. А. Кайдриков, А. И. Зильберг ВЛИЯНИЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ПОДГОТОВКИ ПОВЕРХНОСТИ СПИЦ ДЛЯ ОСТЕОСИНТЕЗА НА КАЧЕСТВО ГАЛЬВАНИЧЕСКИХ БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ С АЛМАЗНОЙ ФАЗОЙ
Ключевые слова: гальваническое золочение, ультрадисперсные алмазы, золотые покрытия, спицы для компрессионно-
дистракционного остеосинтеза.
Исследованы особенности протекания процесса золочения с ультрадисперсными алмазами: влияние ультрадисперсного алмаза в электролите на свойства золотого покрытия. Показано, что определяющим является предварительное никелирование покрытия.
Keywords: galvanic gilding, ultra diamonds, gold coating, the spokes for the compression-distraction osteosynthesis. .
The peculiarities of the process of gilding with ultrafine diamonds: the effect of ultrafine diamond in the electrolyte on the properties of the gold coating was investigated. It is shown that the determining factor is pre-nickel coating
Спицы для компрессионно-
дистракционного остеосинтеза являются связующим звеном между костью и внешними опорами аппарата. Номенклатура изделий включает несколько наименований спиц различной толщины и длины. Для выполнения чрескостного остеосинтеза чаще всего используются спицы 1,5 и 1,8 мм в диаметре. Для усиления жёсткости фиксации могут использоваться спицы диаметром
2.0 мм. При применении метода чрескостного остеосинтеза при переломах и патологии мелких трубчатых костей используются спицы диаметром
1.0 мм. Длина спиц от 100 до 400 мм (рис.1).
Рис. 1 - Спицы для
дистракционного остеосинтеза
компрессионно-
Проведение спиц через метафизарный отдел не представляет трудностей и для этой цели чаще всего используются спицы с трёхгранной заточкой. С целью снижения травматичности при проведении спиц через диафизарные отделы кости используют спицы со специальной заточкой, чаще всего в виде копьевидной. В настоящее время для стимуляции костеобразования используют спицы с различными покрытиями.
К медицинским имплантируемым конструкциям предъявляются более жесткие требования, чем к медицинскому инструменту. Это связано с длительностью контакта конструкций вживляемых в организм, имплантируемые конструкции не должны вызывать реакций отторжения и оказывать других негативных воздействий на организм человека. Так как имплантаты производятся из коррозионностойких сталей, то отсутствует необходимость защиты материала имплантатов от активных реагентов, вызывающих коррозию (кислород, хлориды, биоактивные белки). Для повышения биосовместимости медицинских изделий с тканями
организма используются различные покрытия. Золото является весьма перспективным материалом, поскольку обладает уникальной химической и биологической инертностью по отношению к тканям организма человека. Однако золото обладает низкой твердостью, микротвердость гальванически осажденных золотых покрытий колеблется в пределах от 40—60 до 100 кгс/мм2.
Для получения золотого покрытия с повышенной износостойкостью и микротвёрдостью в электролит золочения можно вводить ультрадисперсные алмазы УДА-В.
Ультрадисперсный алмаз - это углеродный нанокристаллический материал с кристаллической структурой алмаза [1]. Области применения процесса золочения с ультрадисперсными алмазами весьма широки [2]. Размеры кристаллитов УДА оценены на основе так называемой модели фононного конфайнмента. Установлено, что средний размер нанокристаллов составляет 4.3 нм, что совпадает с данными рентгеновской дифракции, полученными с использованием этих образцов [3,4]. Цвет гальванического покрытия может быть различен в зависимости от примесей других металлов в электролите золочения. Толщина золота при покрытии различных изделий колеблется в зависимости от назначения покрытия и условий эксплуатации. Шероховатость поверхности перед покрытием при всех условиях должна быть не ниже 8-го класса.
Характеристики наносимого покрытия должны соответствовать установленным требованиям. Толщина покрытия должна находиться в пределах 4-8 мкм, шероховатость поверхности изделий с покрытием не должна превышать величину, определенную чертежом на изделие без покрытия (Ra 1.5 мкм), не допускается отслоения, осыпание и непрокрытие отдельных участков.
В качестве образцов использовали спицы гладкие для компрессионно-дистракционного остеосинтеза CRP 10.150, CRK 12.200, CRK 15.250, CRK 18.350, CRK 20.400. Материал, из которого изготовлены спицы - коррозионностойкая хромоникелевая сталь типа Х18Н9Т [5,6]. Толщину покрытия определяли рентгено-флюоресцентным
методом на приборе марки «Фишерскоп». Адгезию покрытия определяли методом изгиба (ГОСТ 9.302 - 88). Шероховатость покрытия измеряли на профилометре - профилографе завода «Калибр» модель 201, поверхность покрытия обследовали с помощью металлографического микроскопа
Альтами МЕТ 5.
На основании обобщения литературных данных, технологической документации,
результатов предварительных экспериментальных исследований и опыта работы на гальванической линии, была разработана технология нанесения золотого покрытиия на изделия медицинской техники из коррозионностойкой хромоникелевой стали типа Х18Н9Т. Отработка технологии нанесения покрытий на медицинские имплантируемые конструкции основывалась на накопленном опыте по нанесению покрытий и коснулась, в основном, операций предварительного никелирования и золочения.
Основные этапы технологии нанесения покрытий можно представить как несколько самостоятельных и мало зависящих друг от друга этапов. Ниже приводится перечень технологических операций, режимы и используемые реактивы для реализации процесса золочения спиц для остеосинтеза.
1. Контроль деталей до покрытия.
2. Обезжиривание.
Спирт этиловый ректификационный ГОСТ 830087.
3. Промывка.
Вода питьевая ГОСТ 2874-82 1=40-60°С.
4. Промывка.
Вода питьевая ГОСТ 2874-82 1=15-30°С.
5. Предварительное никелирование.
Никель хлористый 200-250 г/л;
Кислота соляная ГОСТ 3118-77- 50-70 г/л; 1=15-25°С, ]=1.5-6 А/дм2, т= 5-7 мин.
6. Промывка непроточная.
Вода питьевая ГОСТ 2874-82 1=15-30°С.
7. Промывка проточная .
Вода питьевая ГОСТ 2874-82 1=15-30°С.
8. Предварителное золочение.
Калий дицианоаурит (I) ГОСТ 20573-75 (в пересчете на металл) - 2,0 г/л.
Калий лимоннокислый трехзамещенный 1-водный ГОСТ 4466-74 45-50г/л.
Никель сернокислый 7-водный -1,6. г/л, рН=4 - 4,5.
9. Промывка непроточная.
Вода дистиллированная ГОСТ 6709-72.
10. Промывка непроточная.
Вода дистиллированная ГОСТ 6709-72.
11. Золочение.
Калий дицианоаурат ГОСТ 20573-75 4-11 г/л;
Калий цианистый техн. ГОСТ 8465-79, 50-60 г/л; Серебро азотнокислое ГОСТ 1277-74, 0.05-0.25 г/л; Калий углекислый ГОСТ 4221-76, не более 120 г/л. УДА-В 10 мл/л;
1=15-25°, ]=0,15 -0,50А/дм2, т=20-60 мин.
12. Промывка непроточная в горячей воде.
Вода дистиллированная ГОСТ 6709-72, 1=90-100°С.
13. Промывка непроточная.
Вода дистиллированная ГОСТ 6709-72 1=15-30°.
14. Сушка на воздухе.
Стадия очистки включает традиционные операции обезжиривания органическим
растворителем и не составляет значительных проблем. Особенности материала изделия -коррозионностойкой хромоникелевой стали, имеющей на поверхности толстую и сплошную защитную пленку оксидов, накладывают особые условия на технологию нанесения золотого покрытия. Для обеспечения адгезии основного слоя покрытия проводится операция предварительного никелирования поверхности в кислом хлоридном электролите. Как показали исследования, эта операция является самой ответственной из всего цикла подготовки и нанесения покрытий, поскольку она определяет адгезию, внешний вид и шероховатость покрытия.
Нанесение слоя золотого покрытия с ультрадисперсными алмазами является основной операцией процесса. Задачей слоя золота является повышение сродства покрытия к материалу подложки (имплантируемым конструкциям). В ходе работы выявлено, что толщина покрытия должна быть порядка 4-8 мкм, это исключает сквозную пористость в покрытии, и отвечает повышенным требованиям безопасности, предъявляемым к имплантируемым конструкциям. Большое значение в этой операции имеют плотность катодного тока и перемешивание электролита. Наиболее
рациональным способом перемешивания в данном случае является покачивание подвесок с деталями во время электролиза.
Операция предварительного никелирования заключается в нанесении тонкого слоя никеля из специального сильнокислого хлоридного электролита. При этом принципиальное значение имеют катодная плотность тока и продолжительность электролиза. При низкой плотности тока или малой продолжительности электролиза не обеспечивается достаточная величина адгезии золотого покрытия к поверхности инструмента, изготовленного из нержавеющих сталей. Совершенно естественно, что логичным кажется осаждение достаточно толстого слоя никеля. Однако, применение параметров процесса никелирования, часто применяемых в аналогичных случаях (никелирование при j=5,0 А/дм2; т=7-8 мин, золочение при j= 0.3 А/дм2; т=30 мин), показало, что золотое покрытие обладает значительной шероховатостью.
С целью определения влияния плотности тока операции золочения были реализованы различные режимы плотности тока (от 0.5 до 0.15 А/дм2) при сохранении постоянной толщины покрытия путем варьирования продолжительности электролиза, однако существенного уменьшения шероховатости достигнуто не было даже при осаждении его при минимальной плотности тока (рис.2).
Рис. 2 - Снимок золотого покрытия из
электролита золочения с УДА-В (10 мл/л), ]=0,15А/дм2; т=60 мин
При более детальном исследовании процесса было выявлено, что на шероховатость покрытия большое влияние оказывает значение плотности тока операции предварительного никелирования. Даже при снижении значения этого параметра в два раза на очень тонком никелевом покрытии наблюдаются сфероиды.
При последующем осаждении на никелевый подслой золотого покрытия размеры сфероидов значительно увеличиваются вследствие создания условий преимущественной кристаллизации золота на выпуклостях. Целенаправленное варьирование параметров операции предварительного никелирования позволило получить покрытие требуемого качества (рис. 3.).
Рис. 3 - Снимок золотого покрытия из
электролита золочения с УДА-В(10 мл/л), ]=0,2А/дм2; т=45 мин
На основании проведенных исследований были определены оптимальные режимы технологического процесса нанесения
гальванических биосовместимых золотых покрытий с алмазной фазой. Разработанная технология позволяет получать покрытия с параметрами твердости и чистоты поверхности, которые
определяют коррозионную стойкость изделия, устойчивость к циклам обработки (стерилизации) и соответствуют предъявляемым требованиям.
Отработка режимов позволила накопить практический опыт (навыки) операторам для реализации технологии получения покрытий с биосовместимостью на поверхности медицинских спиц для остеосинтеза и выявить характерные неполадки процесса.
Литература
1. Лукашев Д. И. Российские нанотехнологии: от
разработки до внедрения / Д. И. Лукашев // Энергетика и промышленность России. - 2009. - № 14. С. 34-39.
2. Мелащенко Н. Ф. Гальванические покрытия благородными металлами / Н. Ф. Мелащенко - М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.
3. Курдюмов А. В. Структурные особенности нанодисперсных алмазов динамического синтеза / А. В. Курдюмов [ и др. ] // Сверхтвердые материалы. - 1998. -№4. С. 23-29.
4. Алексенский А. Е. Фазовый переход алмаз-графит в кластерах ультрадисперсного алмаза / А. Е. Алексенский // Физика твердого тела. - 1997. - №39. С. 1125-1134.
5. Предприятие ООО "Производственно—техническое
объединение «Медтехника» [Электронный ресурс]:
официальный сайт. - Режим доступа:
www.medtech.ru/catalog/___traumatology/ection.php,
свободный. - Проверено: 11.06.11.
6.Международный Альянс Остеосинтеза, «OTC RUSSIA» [Электронный ресурс]: официальный сайт. - Режим доступа: www.otcf.ru, свободный. - Проверено: 11.06.11.
7Мингазова Г.Г., Фомина Р.Е., Водопьянова С.В. Влияние частиц различной природы на свойства покрытий никелем. / Г.Г Мингазова, Фомина Р.Е., Водопьянова С. В // Вестник Казан. технол. ун-та. -2011. -№12. - С. 157-161.
Статья написана по результатам работ по х/договору № 95-10 от 22.06.2010 г. между КГТУ и ООО «ПТО «Медтехника» -
«Разработка медицинских инструментов повышенной биосовместимости, включая имплантаты, на основе новых
наноструктурированных материалов и технологий» на 2010-2012 г.г.
Договор в рамках госконтракта № 13-J25.31.0068 между Минобразования и науки и ООО «ПТО «Медтехника» (на основании
постановления Правительства РФ № 218) -комплексный проект по созданию высокотехнологичного производства с участием российского высшего учебного заведения по теме «Разработка и освоение производства медицинских инструментов повышенной биосовместимости, включая имплантаты, на основе новых наноструктурированных материалов и технологий»
© Р. А. Кайдриков - д-р техн. наук, зав. каф. технологии электрохимических производств КНИТУ, krust@kstu.ru; Я. В. Ившин - д-р хим. наук, проф. той же кафедры, ivshin@kstu.ru; А. И. Зильберг - канд. химич. наук, зав. лаб. же кафедры, zalex@kstu.ru.
