20.01.2018.
 
 
TECHNOLOGIA NATRYSKIWANIA PLAZMOWEGO BIOCERAMIKI NA ENDOPROTEZY PDF Drukuj Email

Celem badań jest opracowanie technologii plazmowego natryskiwania powłok bioceramicznych na trzpienie endoprotez w warunkach krajowych. Do badań technologii zastosowano krajowy hydroksyapatyt (HAp), którego syntezę i metodę granulacji opracowano na Wydziale Inżynierii Materiałowej i Ceramiki AGH. Wyjściowy proszek HAp zsyntezowano metodą mokrą, stosując jako surowce wyjściowe odczynniki CaO i H3PO4. Otrzymywanie proszku hydroksyapatytowego polegało na powolnym dodawaniu kwasu ortofosforowego do zawiesiny Ca(OH)2. Otrzymany w tym procesie żelowaty osad, po okresie dojrzewania, odsączono, a następnie wysuszono w określonej temperaturze. W wyniku takiego eksperymentu uzyskano proszek HAp, z którego wytworzono granule o żądanych rozmiarach do badań. Granule te wypalano w temperaturach: 800oC, 1050oC lub 1250oC. Stosowano również granule surowe. Technologia plazmowego natryskiwania proszku HAp, po dobraniu proszku bioceramiki o określonej granulacji, pozwala na uzyskanie powłoki o żądanej porowatości. Zmieniając parametry procesu plazmowego natryskiwania powłok HAp można uzyskać powłokę także o żądanej grubości i chropowatości decydując w ten sposób o własnościach mechanicznych i wytrzymałościowych powłoki. Inną cechą tej technologii jest możliwość dobrania parametrów procesu w ten sposób, żeby hydroksyapatyt stopiony w strudze plazmy nie uległ rozpadowi termicznemu. Jest to niezmiernie ważne z punktu widzenia biozgodności powłoki HAp.

 Natryskiwanie plazmowe z zastosowaniem proszku bioceramicznego może być realizowane przy ciśnieniu atmosferycznym (Atmospheroc Plasma Spraying – APS), w osłonie gazu ochronnego, tj. przy zmniejszonym ciśnieniu cząstkowym tlenu (Low Pressure Plasma Spraying – LPPS) lub w warunkach próżni (Vacuum Plasma Spraying – VPS). Pomiędzy wolframową katodą a miedzianą anodą tworzy się łuk elektryczny, w którym jonizuje gaz plazmotwórczy (argon, hel lub azot N2, a jako gaz pomocniczy wodór H2). Tworząca się plazma wyrzucana jest przez dyszę plazmotronu. U wylotu z dyszy podawany jest do strugi plazmy proszek bioceramiki, który ulega w niej stopieniu. Stopiony proszek natryskiwany jest na metaliczne podłoże endoprotezy. Średnia prędkość strugi plazmy przy wypływie z dyszy urządzenia do APS wynosi 350-450 m/s, a dla LPPS i VPS – do 600 m/s. Maksymalna zaś możliwa temperatura procesu zawiera się w granicach 3000-10000oC (APS) lub sięga nawet 30000oC w przypadku procesu LPPS czy VPS.

 Parametrami procesu są: moc plazmotronu, prędkość podawania proszku HAp, odległość dyszy od natryskiwanej powierzchni, prędkość natryskiwania, rodzaj użytego gazu plazmotwórczego, wielkość ziaren – granulek proszku HAp. Jak to już zasygnalizowano wyżej, parametry te decydują o jakości powłoki hydroksyapatytowej. Literaturowe wyniki badań eksperymentalnych i obserwacji klinicznych implantów z powłoką HAp, świadczące o pozytywnym wpływie tego rodzaju powłok na adaptacyjną przebudowę tkanki kostnej, przyczyniły się do rozpoczęcia badań własnych nad powłokami hydroksyapatytowymi do medycznego zastosowania. Badania dyfraktometryczne, mikroskopowe, a także wytrzymałościowe otrzymanych powłok HAp pokazały, że proszek bioceramiki nie uległ rozpadowi termicznemu w strudze plazmy, co wskazuje na poprawną realizację procesu natryskiwania.

 Dalsze badania nad powłokami HAp pozwoliły oszacować zakres zmienności grubości nałożonej powłoki w granicach 50 ÷ 90 μm oraz zakres zmian średnicy porów od 15 do 38 μm, przy czym średnia wartość wynosi 22 μm. Średnią procentową porowatość warstwy określono na 26%. Charakterystyka geometryczna wskazuje, że porowatość pokrycia odpowiada stawianym wymaganiom, albowiem z danych literaturowych dotyczących powłok HAp wynika, że za optymalną, z uwagi na przerost tkanki kostnej wielkość porów, przyjmuje się 80-200 μm. Właściwości mechaniczne warstw hydroksyapatytowych ulegają pogorszeniu wraz ze wzrostem grubości tych warstw. Warstwy o grubości mniejszej niż 60 μm nie są jednolite, co sprawia, że ich właściwości mechaniczne są niekorzystne. Najlepsze właściwości mechaniczne (wytrzymałość adhezyjna połączenia 62 ÷ 65 MPa) mają warstwy o grubości 60 mikrometrów.

 W równie ważnych dla jakości powłok badaniach wykonano testy wytrzymałościowe naniesionych warstw hydroksyapatytu polegające na przeprowadzeniu prób rozrywania uzyskanego połączenia typu adhezyjnego. W tym celu wykonano ze stali nierdzewnej 1H18N9T dwa uchwyty i krążek, będący próbką zgodnie z normą ISO 13779-4 (Draft International Standard ISO/DIS 13779-4, 2000). Na powierzchnie czołowe próbki nałożono warstwę HAp metodą natryskiwania plazmowego. Powierzchnie czołowe uchwytów zostały przygotowane metodą piaskowania. Następnie elementy te złączono ze sobą za pomocą kleju Plasmatex Klebbi firmy Sulzer Metco stosowany do tego typu badań i charakteryzującego się wytrzymałością wiązania 100 MPa. W ten sposób powierzchnie czołowe krążka pokryte warstwą HAp stykały się z powierzchniami czołowymi uchwytów.

 Badania wytrzymałościowe przeprowadzono na maszynie FPZ 100. Średnica czynna powierzchni metalicznej pokrytej warstwą HAp i powierzchni klejenia wynosiła dc = 23 mm. Wyniki prób wytrzymałościowych zestawiono w tabeli 2. Zbadano adhezję powłok uzyskanych poprzez natryśnięcie przy różnych parametrach procesu proszku hydroksyapatytowego krajowej produkcji, o różnej granulacji i różnej temperaturze wypalania (tab. 2, poz. 1) oraz sproszkowanego czystego tytanu Ti firmy MERCK (tab. 2 poz. 7). Dla porównania próbie wytrzymałościowej poddano także powłokę HAp z proszku AMDRY6021 firmy Sulzer Metco (tab. 2, poz. 10). Z tabeli 2 wynika, że nie we wszystkich przypadkach zniszczeniu uległo połączenie HAp-podłoże (powierzchnia czołowa próbki). Niektóre próby wytrzymałościowe pozwoliły jedynie zdeterminować wytrzymałość połączenia klej-powłoka HAp lub klej-podłoże (powierzchnia czołowa uchwytu). Należy więc wnioskować, że w tych przypadkach wytrzymałość adhezyjna powłoki HAp-podłoże była większa od wartości zmierzonej.

 Rezultaty badań wytrzymałości adhezyjnej wskazują, że nie uzyskano zadowalającego połączenia bioceramiki HAp z podłożem w porównaniu z postulowaną siłą wiązania na poziomie 50 MPa. Jak to już zasygnalizowano, w niektórych przypadkach pomiar wytrzymałości adhezyjnej powłoki bioceramicznej był niemożliwy ze względu na niepoprawne przeprowadzenie procesu łączenia próbki z uchwytami za pomocą kleju, co skutkowało osiągnięciem niskiej wytrzymałości wiązania kleju z podłożem. Niektóre wyniki prób wytrzymałościowych (pozycja 2 i 3, tab. 2) są optymistyczne, gdyż wskazują one, że wytrzymałość adhezyjna powłoki HAp mogła być tutaj równa lub większa od żądanej wartości 50 MPa. Zmieniając zatem parametry plazmowego natryskiwania powłok bioceramicznych można podwyższyć wiązanie natryskiwanych powłok z podłożem. Istotnym aspektem wydaje się więc kontynuowanie prac nad doborem warunków procesu technologicznego plazmowego natryskiwania powłok HAp.

Tabela 2. Wyniki badań wytrzymałości adhezyjnej powłok HAp i Ti.

 

Rodzaj powłoki

Wielkość granul [μm]/

temp. wypalania [oC]

Naprężenie niszczące

[MPa]

Zniszczone połączenie

 1.

HAp AGH

120÷200/1250

30,60

Klej-HAp

2.

HAp AGH

120÷200/1250

47,06

Klej-HAp

3.

HAp AGH

120÷200/1250

45,90

Klej-HAp

4.

HAp AGH

90÷120/800, 1050

26,89

HAp-podłoże

5.

HAp AGH

90÷120/800, 1050

18,90

HAp-podłoże

6.

HAp AGH

90÷120/1250

21,40

HAp-podłoże

7.

Ti MERCK

45÷120/-

34,20

Klej-podłoże

8.

Ti MERCK

45÷120/-

66,00

Klej-podłoże

9.

Ti MERCK

45÷120/-

54,60

Klej-Ti

10.

AMDRY6021

-/-

31,60

Klej-HAp

Wyniki dotychczasowych badań na powłokami HAp pozwoliły dokonać pierwszego w kraju próbnego nałożenia warstwy hydroksyapatytu w celach biomedycznych. Ze stali austenitycznej stosowanej na implanty wykonano endoprotezę Wellera, a na bliższą część jej trzpienia natryśnięto metodą plazmową powłokę HAp.

 
następny artykuł »
 
Top! Top!