close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY2756

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(19)
BY (11) 2756
(13)
C1
6
(51) C 23C 4/10,
(12)
C 23C 4/18
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ПАТЕНТНЫЙ
КОМИТЕТ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
(54)
СПОСОБ ПЛАЗМЕННОГО НАНЕСЕНИЯ БИОСОВМЕСТИМЫХ
ПОКРЫТИЙ
(21) Номер заявки: 960272
(22) 1996.05.31
(46) 1999.03.30
(71) Заявители: Научно-исследовательский
институт
порошковой
металлургии
с
опытным производством; Институт общей и
неорганической химии НАН Беларуси (BY)
(72) Авторы: Ильющенко А.Ф., Соболевский С.Б.,
Оковитый В.А., Кулак А.И., Лесникович Л.А.,
Трофимова И.В. (BY)
(73) Патентообладатели: Научно-исследовательский институт порошковой металлургии с
опытным производством; Институт общей и
неорганической химии НАН Беларуси (BY)
(57)
Способ плазменного нанесения биосовместимых покрытий, включающий напыление из порошков на
подложку подслоя, переходного слоя из керамического материала и гидроксиапатита и наружного слоя из
гидроксиапатита, отличающийся тем, что для напыления переходного слоя используют композиционный
порошок, содержащий гидроксиапатит и керамический материал при содержании гидроксиапатита от 10 до 90
масс.%, размер зерен керамического материала и гидроксиапатита в частицах композиционного порошка составляет 60-100 нм, перед напылением порошки для переходного и наружного слоев выдерживают при 12001300°С в течение 2-3 часов, а после нанесения покрытия проводят термообработку при температуре 600800°С в течение 1-2 часов.
(56)
1. WO 92109715, МПК6 C 23C 4/12, 1992.
2. Патент ЧСФР 277546, МПК6 B 32B 18/00, 1992.
3. Лясников В.Н. и др. Перспективы использования плазменного напыления в имплантологии//сб. докладов Международного семинара. Газотермическое напыление в промышленности и за рубежом. - Л., 1991. -С.
65-66 (прототип).
Изобретение относится к области газотермического нанесения покрытий, в частности - к способам плазменного напыления биосовместимых покрытий на имплантаты для хирургии и стоматологии.
Известен способ плазменного напыления биопокрытий на имплантат, в котором для нанесения покрытия используются порошки оксида алюминия и гидроксиапатита с размером частиц 0,5-5 мкм [1]. Порошки оксида алюминия и гидроксиапатита вводят в плазменную струю на разных расстояниях от выхода сопла плазмотрона, при
этом количество вводимого в плазменную струю гидроксиапатита превосходит количество вводимого в струю оксида алюминия.
Недостатками способа являются низкая прочность сцепления покрытия с основой, неоднородность структуры
покрытия, вызванная следствием сегрегации частиц материалов разной плотности в плазменной струе и большое
количество продуктов разложения гидроксиапатита - СаО и Са3РО4, что приводит к снижению количества активной фазы гидроксиапатита в покрытии.
Известен способ плазменного напыления композиционного биосовместимого керамического покрытия
для имплантатов, включающий нанесение керамического подслоя из материалов на основе оксидов Al, Ti,
Zr, Са и слоя покрытия из гидроксиапатита [2]. Недостатками способа являются низкая вязкость разрушения
покрытия, высокое содержание неактивной фазы в виде продуктов разложения гидроксиапатита.
В качестве прототипа выбран способ плазменного напыления на имплантат биосовместимых покрытий, включающий напыление подслоя, переходного слоя из смеси порошков оксидной керамики и гидроксиапатита и наружного слоя из порошка гидроксиапатита [3]. Способ позволяет увеличить прочность сцепления и вязкость раз-
BY 2756 C1
рушения покрытия посредством ступенчатого изменения физико-механических свойств в направлении от основы
до наружного слоя покрытия. Недостатком способа является неоднородность распределения в переходном слое
керамики и гидроксиапатита, а также большое содержание в покрытии неактивной фазы в виде продуктов разложения гидроксиапатита приводит к снижению его биосовместимости.
Техническая задача, которую решает предлагаемое изобретение, заключается в увеличении равномерности распределения в структуре покрытия керамической и гидроксиапатитовой фаз, снижении в покрытии продуктов разложения гидроксиапатита и повышении степени его кристалличности.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном способе плазменного нанесения биосовместимых покрытий, включающем напыление из порошков на подложку подслоя, переходного слоя из керамического материала и гидроксиапатита и наружного слоя из гидроксиапатита, для напыления переходного слоя используют композиционный порошок, содержащий гидроксиапатит и керамический материал, при
этом гидроксиапатита в нем содержится 10-90 масс. %, а размер зерен керамического материала и гидроксиапатита в частицах композиционного порошка составляет 60-100 нм. Порошки для переходного и наружного слоев перед напылением выдерживают при 1200-1300 °С в течение 2-3 часов. После нанесения покрытия проводят термообработку при температуре 600-800 °С в течение 1-2 часов.
Изобретение дает возможность получить биосовместимые покрытия с высокой гомогенностью распределения керамической и гидроксиапатитовой фаз с минимальным количеством примесей продуктов разложения гидроксиапатита и высокой степенью его кристалличности.
Для нанесения покрытия использовали порошок гидроксиапатита, полученный химическим методом при
реакции соли кальция CaCI2 и двухзамещенного фосфата аммония. Режимы метода изменяли в диапазонах,
позволяющих получать порошок гидроксиапатита с размером зерен в частицах порошка - 60-100 нанометров.
Для нанесения переходного слоя использовали гомогенизированный композиционный порошок, полученный из керамического материала и гидроксиапатита путем смешивания влажной суспензии гидроксиапатита с суспензией керамического материала, получаемого методом химического осаждения (например зольгель методом).
Полученную смесь керамического материала и гидроксиапатита смешивали с органическим растворителем, выдерживали в нем и затем сушили. После сушки получали легко рассыпающийся композиционный порошок с размером частиц 40-80 мкм, с размером зерен керамического материала и гидроксиапатита 60-100
нанометров, т.е. получали материал для нанесения переходного слоя.
Операцию выдержки порошков для нанесения переходного и наружного слоев покрытия проводили с целью уменьшения количества аморфной фазы и повышения кристалличности гидроксиапатита, а также с целью удаления внутрикристаллической влаги.
Исследования, проведенные авторами изобретения, позволили установить, что термообработка в диапазоне режимов 1200-1300 °С в течение 2-3 часов позволяет полностью удалить межмолекулярную воду из гидроксиапатита, что
приводит к упорядочению тетраэдрических анионов PO4 в фосфатных группах гидроксиапатита и его кристаллизации.
Упорядочение структуры гидроксиапатита сопровождается уменьшением его удельной поверхности и увеличением
плотности частиц порошков.
При проведении выдержки порошков при температуре ниже 1200 °С и времени менее 2 час, не происходит полного уплотнения частиц порошка и упорядочения структуры гидроксиапатита (кристаллизации). При
проведении выдержки порошков при температуре выше 1300 °С и времени свыше 3 часов начинаются процессы разложения гидроксиапатита, связанные с выделением воды из ОН групп, и диструкцией фосфатных
анионов, что приводит к образованию продуктов разложения гидроксиапатита - СаО и Са3РO4.
Уменьшение удельной поверхности частиц, повышение их плотности и степени кристалличности, в результате
проведенной выдержки при 1200-1300 °С в течение 2-3 часов способствует подавлению процессов разложения
гидроксиапатита в плазменной струе по следующим причинам:
- высокая удельная поверхность и развитая микропористость не термообработанных частиц приводят к
локальному перегреву поверхности частиц в плазменной струе из-за слабой теплопроводности к центру частиц. В свою очередь перегрев частиц с поверхности будет приводить к формированию в покрытии зон с повышенной микропористостью, окруженных зонами аморфной фазы и продуктов разложения гидроксиапатита;
- применение плотных частиц, с низкой удельной поверхностью, способствует более однородному нагреву как с поверхности, так и центра частиц, что приводит к меньшей разлагаемости и более высокой биосовместимости покрытий;
- удаление межмолекулярной влаги повышает степень кристалличности гидроксиапатита, что повышает
термостабильность гидроксиапатита в плазменной струе;
- использование межмолекулярной влаги повышает степень кристалличности гидроксиапатита в пламенной струе;
- использование зерен размером 60-100 нанометров позволяет обеспечить максимально возможную равномерность распределения керамики и гидроксиапатита в переходном слое покрытия. При снижении разме2
BY 2756 C1
ра зерен ниже 60 нанометров равномерность распределения улучшается незначительно, а при размере зерен
более 100 нанометров после термообработки порошка равномерность распределения ухудшается;
- содержание гидроксиапатита в композиционном порошке изменяли от 10 до 90 масс. %. При содержании гидроксиапатита менее 10 масс. % свойства переходного слоя очень близки к свойствам подслоя, что в
общем приводит к снижению качеств биосовместимости покрытия, а при содержании гидроксиапатита более
90 масс. % снижается прочность и вязкость разрушения покрытия в целом.
При плазменном напылении вследствие быстрой закалки расплавленных частиц происходит реаморфизация гидроксиапатита.
Термообработку покрытия проводят для уменьшения количества аморфной фазы гидроксиапатита в покрытии и повышения степени его кристалличности. При проведении термообработки ниже 600 °С и времени
менее 1 часа уменьшение количества аморфной фазы незначительное, а термообработка свыше 800 °С и более 2 часов не приводит к дальнейшему улучшению свойств покрытия.
Пример. Проводили плазменное нанесение биосовместимых покрытий на образцы из сплава Ti6AI4V. Покрытия наносили, используя установку плазменного напыления фирмы «Плазма-Техник АГ».
Для нанесения подслоя по прототипу и предлагаемому изобретению использовали порошок титана. Режим нанесения подслоя: мощность плазменной струи - 25 кВт, расходы плазмообразующих газов - 30 л/мин
(аргон) и 3 л/мин (водород), расход транспортирующего газа - 2,5 л/мин, дистанция напыления - 120 мм.
Расход порошка - 4 г/мин.
Для нанесения переходного слоя использовали - по прототипу - смесь порошков оксида алюминия и гидроксиапатита, с размером частиц от 40 до 80 мкм, а по предлагаемому изобретению композиционный порошок, содержащий гидроксиапатит и керамический материал (оксид алюминия), при содержании гидроксиапатита от 10 до 90 масс % и размером зерен керамического материала и гидроксиапатита в частицах
композиционного порошка 60-100 нанометров. Режим нанесения переходного слоя: мощность плазменной
струи - 30кВт, расходы плазмообразующих газов - 30 л/мин (аргон) и 4 л/мин (водород), расход транспортирующего газа - 3 л/мин, дистанция напыления - 150 мм. Расход порошка - 5г/мин.
Для нанесения наружного слоя как в прототипе, так и в предлагаемом изобретении использовали порошок
гидроксиапатита. Режим нанесения наружного слоя: мощность плазменной струи - 30кВт, расходы плазмообразующих газов - 30 л/мин (аргон) и 4 л/мин (водород), расход транспортирующего газа - 3 л/мин, дистанция напыления - 150 мм. Расход порошка - 5 г/мин.
Пористость покрытий (переходного и наружного слоев) определялась металлографическим методом на
поперечных шлифах покрытий.
Фазовый состав определяли методом рентгеноструктурного анализа.
Количественное содержание фаз и равномерность их распределения определяли на электронном микроскопе
для микрорентгеноструктурного анализа при увеличениях от 5000 до 20000 раз.
Количественные оценки пористости и процентного содержания фаз определялись по пяти измерениям и даны в
диапазоне от минимального до максимального значения. Сравнительные данные свойств покрытий, полученных
по прототипу и предлагаемому изобретению, приведены в таблице.
3
BY 2756 C1
№
Способ напыления
1 Прототип
Нанесение подслоя из порошка титана,
нанесение переходного слоя из смеси
порошков оксида алюминия и гидроксиапатита, нанесение наружного слоя
из гидроксиапатита
Предлагаемое изобретение
2 Нанесение подслоя из порошка титана,
нанесение переходного слоя из композиционного порошка, содержащего гидроксиапатит и керамический материал,
при содержании гидрокси-апатита в
композиционном порошке - 10 %, размер зерен в частице - 60 нанометров,
выдержка порошков для переходного и
наружного слоев при 1200 °С в течение
2 часов, термообработка покрытия при
температуре 600 °С в течение 1 час.
3 Нанесение подслоя из порошка титана,
нанесение переходного слоя из композиционного порошка, содержащего гидроксиапатит и керамический материал,
при содержании гидрокси-апатита в
композиционном порошке - 50 %, размер зерен в частице - 80 нанометров,
выдержка порошков для переходного и
наружного слоев при 1250 °С в течение
2,5 часов, термообработка покрытия при
температуре 700 °С в течение 1,5 час.
4 Нанесение подслоя из порошка титана,
нанесение переходного слоя из композиционного порошка, содержащего гидроксиапатит и керамический материал,
при содержании гидрокси-апатита в
композиционном порошке - 90 %, размер зерен в частице - 100 нанометров,
выдержка порошков для переходного и
наружного слоев при 1300 °С в течение
3 часов, термообработка покрытия при
температуре 800 °С в течение 2 час.
Таблица
Равномерность распреФазовый состав гидроксиаделения фаз гидроксиаПористость, %
патита
патита
переходно- наружно- переходного наружного переход- наружного
го слоя
го слоя
слоя
слоя
ного слоя
слоя
6,0-7,0
7,0-8,0 Аморфная фа- Аморфная неравно- неравномерза - 13,0-15,0
мерное
ное
фаза CaO - 4,0-5,0
15,0-17,0
Са3PO4 - 4,0- CaO - 5,0-6,0
Са3PO4 - 5,05,0
6,0
2,5-3,0
3,0-4,0
Аморфная
Аморфная равно- равномерное
фаза фаза мерное
3,0-4,0 CaO - 5,0-6,0 CaO
2,0-3,0
- 3,0-4,0
Са3PO4 - 2,0- Са3PO4 3,0
3,0-4,0
1,5-2,0
2,0-2,5
Аморфная
фаза 0,0 CaO - 0,0
Са3PO4 - 0,0
1,5-2,0
2,0-2,5
Аморфная
Аморфная равно- равномерное
фаза - менее - фаза - менее мерное
1,0 CaO - 1,5- - 1,0 CaO 2,0 Са3PO4 2,0-2,5
Са3PO4 1,5-2,5
2,0-2,5
Государственный патентный комитет Республики Беларусь.
220072, г. Минск, проспект Ф. Скорины, 66.
4
Аморфная
фаза 0,0 CaO 0,0 Са3PO4
0,0
равно- равномерное
мерное
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
131 Кб
Теги
by2756, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа