Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Научные направления
Поделиться:
Разделы: Биология, Биотехнологии
Размещена 25.05.2021. Последняя правка: 30.05.2021.
Просмотров - 345

АЛМАЗОПОДОБНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ИСКУССТВЕННЫХ СУСТАВОВ

Рязанова Евгения Николаевна

КГАОУ "Школа космонавтики"

учитель

Аннотация:
Работа посвящена возможностям применения алмазоподобного углеродного покрытия при изготовлении конструкций эндопротеза тазобедренного сустава. Имплантаты и фиксирующие устройства широко используют при проведении реконструктивно-восстановительных операций на скелете человека, известно, что одной из проблем эндопротезирования является развитие резорбции костной ткани в ответ на компоненты металлов, входящих в состав протеза.


Abstract:
The work is devoted to the possibilities of using a diamond-like carbon coating in the manufacture of structures for a hip joint endoprosthesis. Implants and fixation devices are widely used in reconstructive and restorative operations on the human skeleton; it is known that one of the problems of endoprosthetics is the development of bone resorption in response to the metal components that make up the prosthesis.


Ключевые слова:
алмазоподобное покрытие; эндопротез; биосовместимость

Keywords:
diamond-like coating; endoprosthesis; biocompatibility


УДК 60, 60-7

Введение. В настоящее время имплантаты и фиксирующие устройства широко используют при проведении реконструктивно-восстановительных операций на скелете человека. Материалы, применяемые для создания таких конструкций, должны обладать определенными качествами, среди которых основным является биосовместимость, т. е. отсутствие негативной реакции тканей организма на имплантат.

Большинство имплантатов, используемых в настоящее время в ортопедии и травматологии, выполнены из различных металлов, соединений и сплавов. Эти материалы при длительном пребывании в организме человека демонстрируют определенную цитотоксичность вследствие их износа за счет коррозии и миграции частиц или ионов металлов.

Идеальное покрытие трущихся поверхностей эндопротезов должно быть твердым и износостойким, обладать низким коэффициентом трения и высокой коррозионной устойчивостью и при этом не должно выделять токсичные и канцерогенные ионы или молекулы в окружающие ткани и биологические жидкости. Среди путей решения проблемы повышения биосовместимости и износостойкости биоматериалов — модификация их поверхности, в том числе с помощью использования различных покрытий.

Актуальность: в течение всей жизни мы каждый день нагружаем свои суставы. Именно они страдают в первую очередь при различных травмах и патологиях костных тканей. Иногда пораженный сустав спасти невозможно, в таких случаях часто прибегают к эндопротезированию.

Проблема: современные протезы имеют короткий срок службы, вследствие чего их приходиться менять несколько раз за короткий период, так же на это необходимо тратить много денежных средств.

Объект исследования: имплантаттазобедренного сустава.

Цель исследования: подобрать материал для покрытия имплантатов, отвечающих физико-химического характеристикам.

Задачи:

  • изучить список литературы и выбрать материал для напыления;
  • выбрать способ нанесения выбранного материала;
  • получить имплантат с нанесенным покрытием;
  • провести испытания напыленного имплантата;
  • проанализировать механические свойства пленки;
  • сделать выводы о покрытие из имеющихся данных

Научная новизна. В работе обоснована актуальность и необходимость применения алмазоподобного DLC ta:С. покрытия. выявлены преимущества и ограничения области применения ,определены ключевые проблемы и методы применения.

Эндопротез — внутреннее устройство, замещающее функцию органа. Эндопротез сустава — это соответственно внутреннее устройство, замещающее функцию сустава. У каждого эндопротеза есть свои значительные плюсы и минусы.

Для продолжительности срока службы имплантата следует нанести покрытие. В ходе работы мы выбрали и сравнили наиболее популярные покрытия, которые отвечают физико-химическим характеристикам. Одним из таких покрытий, отвечающее всем требованиям, является алмазоподобное покрытие DLC ta:С.

Алмазоподобные (DLC) покрытия представляют собой тонкие аморфные пленки на основе углерода.

Высокое содержание атомов углерода с алмазными связями в присутствии графитоподобных связей, приводит к появлению уникальных характеристик алмазоподобных покрытий, таких как:

  • высокая твердость, сравнимая с чистым алмазом (5000–10000 Hv),
  • низкий коэффициент трения, характерный для графита (0,15–0,08),
  • высокая износоустойчивость,
  • химическая инертность,
  • биосовместимость с живыми тканями,
  • прозрачность в инфракрасном диапазоне спектра,
  • экологическая чистота.

Алмазоподобные покрытия применяются в различных областях, в том числе: машиностроение, медицина, электроника. За последние два-три года появилось множество статей, в которых полимерные материалы с DLC-слоями рассматриваются как перспективные упаковочные материалы в пищевой и фармацевтической промышленности.

Технология нанесения алмазоподобных покрытий сводится к плазменному импульсному распылению графита в вакуумной камере и осаждению ионов углерода с достаточно большой энергией на изделия, например металлообрабатывающий инструмент.

В результате такого напыления углерода образуется аморфное покрытие, состоящее из атомов углерода, как с алмазными, так и с графитоподобными связями. Такие аморфные покрытия можно получать в широкой области температур вплоть до комнатной на различных материалах: металлах, керамике, стекле, пластических материалах.

Этапы нанесения покрытия на тазобедренный сустав:

  1. Предварительная очистка материала
  2. Защита титанового стержня от напыления
  3. Нанесение покрытия в вакуумной установке

   Исходя из опыта применения эндопротезов тазобедренного сустава, одной из проблем эндопротезирования является развитие резорбции костной ткани в ответ на компоненты металлов, входящих в состав протеза. Известно, что при коррозии металлофиксаторов, содержащих железо, идет накопление ионов железа в лимфоидных органах. Кроме этого, учитывая усилия, направленные на введение бедренной части (ножки) и чашки эндопротеза тазобедренного сустава, необходимо обеспечить уменьшение коэффициента трения и упрочение поверхности материала эндопротеза, и, следовательно, уменьшить вероятность попадания в живую ткань металлических частей износа.

Технический результат нашей работы – было получено tа-С покрытие толщиной 256 нм, которое многократно улучшает свойства имплантата и позволяет использовать его без замены, в среднем, в 5 раз дольше. Коэффициент трения уменьшился в 10 раз, при этом микротвёрдость составила 5000 HV, а модуль Юнга 600 ГПа.

Сравнение с покрытиями конкурентов (Hitachi, Sumitomo, Cosmos, Nanofilm) показало, что полученная плёнка ta-C по своим параметрам превосходит конкурентов, а цена в несколько раз ниже.

Материал покрытия эндопротеза тазобедренного сустава является не токсичным и биологически совместимым с окружающими тканями.

Вывод: Полученное алмазоподобное покрытие обладает рядом уникальных физических свойств, что на ряду с низкой стоимостью получения и долгим сроком службы (до 75 лет), делает его пригодным для использования в протезировании суставов.

Библиографический список:

1. Барыш А. Е., Дедух Н. В. Морфология кости вокруг имплантатов с керамическим покрытием и различной топографией поверхности // Ортопедия, травматология и протезирование. – 2009. – № 1:38–44.
2. Гюнтер В. Э. // Росс. вестн. дентал. имплантол. – 2003. – № 2: 33-35.
3. Рубштейн А. П., Макарова Э. Б., Трахтенберг И. Ш., Захаров Ю. М. Биоимплантаты на основе пористого титана с алмазоподобными пленками для замещения костной ткани. – Екатеринбург: РИО УрО РАН, 2012. – 136 с.
4. Aisenberg S., Chabot R. Properties and applications of diamondlike carbon films // J. Appl. Phys., 1971. V. 42, pp.2953-2957.
5. Allen M., Law F., Rushton N. The effect of diamond-like carbon coatings on macrophages, fibroblast and osteoblast – like cells in vitro // Clinical Materials, 1994. V. 17. P. 1-10.




Рецензии:

25.05.2021, 16:06 Ощепкова Юлия Игоревна
Рецензия: Необходимо более полно представить технический результат проделанной работы, так как в нынешнем виде нет полного раскрытия собственных результатов исследований.



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх