PL222163B1 - A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implant - Google Patents
A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implantInfo
- Publication number
- PL222163B1 PL222163B1 PL404578A PL40457813A PL222163B1 PL 222163 B1 PL222163 B1 PL 222163B1 PL 404578 A PL404578 A PL 404578A PL 40457813 A PL40457813 A PL 40457813A PL 222163 B1 PL222163 B1 PL 222163B1
- Authority
- PL
- Poland
- Prior art keywords
- ati
- tin
- tio
- layer
- titanium
- Prior art date
Links
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims description 47
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims description 30
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims description 17
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims description 17
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 title claims description 11
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 title claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 claims description 48
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 30
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 28
- ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N Tin Chemical compound [Sn] ATJFFYVFTNAWJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 27
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 25
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims description 18
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 claims description 16
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 claims description 13
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 11
- 239000004696 Poly ether ether ketone Substances 0.000 claims description 9
- 229920002530 polyetherether ketone Polymers 0.000 claims description 9
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000005121 nitriding Methods 0.000 claims description 8
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 7
- 210000004394 hip joint Anatomy 0.000 claims description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 claims description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 239000012298 atmosphere Substances 0.000 claims description 6
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 claims description 6
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 claims description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 claims description 5
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 claims description 5
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 5
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 5
- 210000000588 acetabulum Anatomy 0.000 claims description 4
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010439 graphite Substances 0.000 claims description 4
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 claims description 2
- 238000011282 treatment Methods 0.000 claims description 2
- 208000028659 discharge Diseases 0.000 claims 4
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims 1
- 150000001721 carbon Chemical class 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 4
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 3
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 3
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 3
- 238000005299 abrasion Methods 0.000 description 2
- 230000004071 biological effect Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 210000001624 hip Anatomy 0.000 description 2
- 229910052588 hydroxylapatite Inorganic materials 0.000 description 2
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D pentacalcium;hydroxide;triphosphate Chemical compound [OH-].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O XYJRXVWERLGGKC-UHFFFAOYSA-D 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 238000004381 surface treatment Methods 0.000 description 2
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N benzene-1,4-diol;bis(4-fluorophenyl)methanone Chemical compound OC1=CC=C(O)C=C1.C1=CC(F)=CC=C1C(=O)C1=CC=C(F)C=C1 JUPQTSLXMOCDHR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000001124 body fluid Anatomy 0.000 description 1
- 239000010839 body fluid Substances 0.000 description 1
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000005229 chemical vapour deposition Methods 0.000 description 1
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 1
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 239000012212 insulator Substances 0.000 description 1
- QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N nitrogen group Chemical group [N] QJGQUHMNIGDVPM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 description 1
- 210000000963 osteoblast Anatomy 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 235000021317 phosphate Nutrition 0.000 description 1
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
Landscapes
- Materials For Medical Uses (AREA)
Description
(12) OPIS PATENTOWY (19) PL (11) 222163 (13) B1 (21) Numer zgłoszenia: 404578 (51) Int.Cl. (12) PATENT DESCRIPTION (19) PL (11) 222163 (13) B1 (21) Application number: 404578 (51) Int.Cl.
A61L 27/06 (2006.01) C23C 8/24 (2006.01) (22) Data zgłoszenia: 05.07.2013A61L 27/06 (2006.01) C23C 8/24 (2006.01) (22) Filed on: 2013-07-05
Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu i implant stawu biodrowego (73) Uprawniony z patentu:A method of producing a bone implant made of titanium and / or titanium alloy and a hip joint implant (73) The right holder of the patent:
POLITECHNIKA WARSZAWSKA, Warszawa, PL (43) Zgłoszenie ogłoszono:WARSZAWSKA POLITECHNIKA, Warszawa, PL (43) Application was announced:
19.01.2015 BUP 02/15 (45) O udzieleniu patentu ogłoszono:19.01.2015 BUP 02/15 (45) The following was announced about the grant of the patent:
29.07.2016 WUP 07/16 (72) Twórca(y) wynalazku:29.07.2016 WUP 07/16 (72) Inventor (s):
TADEUSZ WIERZCHOŃ, Warszawa, PL ELŻBIETA CZARNOWSKA, Warszawa, PL MICHAŁ TARNOWSKI, Warszawa, PL (74) Pełnomocnik:TADEUSZ WIERZCHOŃ, Warsaw, PL ELŻBIETA CZARNOWSKA, Warsaw, PL MICHAŁ TARNOWSKI, Warsaw, PL (74) Plenipotentiary:
rzecz. pat. Jerzy Woźnickiitem. stalemate. Jerzy Woźnicki
PL 222 163 B1PL 222 163 B1
Opis wynalazkuDescription of the invention
Przedmiotem wynalazku jest sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu z dyfuzyjnymi warstwami powierzchniowymi tlenoazotowanymi i implant stawu biodrowego z tytanu i/lub stopu tytanu z dyfuzyjnymi warstwami powierzchniowymi tlenoazotowanymi, przeznaczony do długoterminowego użytkowania.The subject of the invention is a method for producing a titanium and / or titanium alloy bone implant with oxynitrided diffusion surface layers and a titanium and / or titanium alloy hip joint implant with oxy-nitrogen diffusion surface layers, intended for long-term use.
Implanty kostne wykonane z tytanu i jego stopów są powszechnie stosowane w medycynie. Ze względu na potrzebę opracowania implantów długookresowego użytkowania, a także konieczność eliminacji przechodzenia składników implantu tytanowego do otaczających tkanek w wyniku tak zwanego zjawiska metalozy, coraz większą rolę odgrywają obróbki powierzchniowe tytanu i jego stopów, takie jak azotowanie i tlenoazotowanie, oraz dobór materiałów na poszczególne elementy implantu pod kątem trwałości i biozgodności. Warstwy wytworzone w wyniku znanych sposobów obróbek powierzchniowych nie eliminują w pełni zjawiska metalozy. Ponadto dotychczasowy sposób tlenoazotowania, gwarantujący wytworzenie warstw tlenkowych na dyfuzyjnej warstwie azotowanej, przebiega w wysokiej temperaturze powyżej 850°C. Taka temperatura prowadzi do znacznych zmian mikrostruktury stopów tytanu, w szczególności rozrostu ziarna, co wpływa na obniżenie właściwości mechanicznych implantów, zwłaszcza wytrzymałości zmęczeniowej.Bone implants made of titanium and its alloys are widely used in medicine. Due to the need to develop implants for long-term use, as well as the need to eliminate the passage of components of the titanium implant into the surrounding tissues as a result of the so-called metallosis phenomenon, surface treatments of titanium and its alloys, such as nitriding and oxynitriding, and the selection of materials for individual elements play an increasingly important role. implant in terms of durability and biocompatibility. The layers produced as a result of known surface treatments do not fully eliminate the phenomenon of metallosis. Moreover, the existing oxynitriding method, which guarantees the formation of oxide layers on the diffusion nitrided layer, is carried out at high temperatures above 850 ° C. Such temperature leads to significant changes in the microstructure of titanium alloys, in particular grain growth, which reduces the mechanical properties of the implants, especially fatigue strength.
Z opisu patentowego nr US 6419708 znany jest implant z powierzchniową warstwą fosforanów wapnia. Z opisu patentowego nr US 5855612 znany jest implant z zewnętrzną warstwą żelu tytanowego. Z opisu patentowego PL 200599 znany jest implant tytanowy z kompozytową warstwą powierzchniową składającą się z dyfuzyjnej warstwy - TiN+Ti2N+aTi(N) lub Ti(CN)+Ti2N+aTi(N) z powierzchniową strefą hydroksyapatytu. Właściwości hydroksyapatytu, czy też innych fosforanów wapnia, a w szczególności jego niska odporność na kruche pękanie oraz przyczepność do podłoża są słabe, stąd też grubość powłoki fosforanowej jest w zakresie tylko od 1 do 4 μm.From US Patent No. 6,419,708 an implant is known with a surface layer of calcium phosphate. From US Patent No. 5,855,612 an implant with an outer layer of titanium gel is known. Patent description PL 200599 describes a titanium implant with a composite surface layer consisting of a diffusion layer - TiN + Ti 2 N + aTi (N) or Ti (CN) + Ti 2 N + aTi (N) with a hydroxyapatite surface zone. The properties of hydroxyapatite or other calcium phosphates, in particular its low fracture toughness and adhesion to the substrate, are poor, hence the thickness of the phosphate coating is only 1 to 4 μm.
Z opisu patentowego amerykańskiego US 5219363 znane jest zastosowanie w implantach ortopedycznych kompozytowego materiału polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, w szczególności na trzpień protezy stawu biodrowego, zawierającego włókna węglowe. Z europejskiego opisu patentowego EP 1992309 znane jest także zastosowanie w implantach kostnych wkładek z warstwą polieteroeteroketonu do obniżenia tarcia między elementami ruchomymi.US Patent 5,219,363 discloses the use of a polyetheretherketone-based polymer composite material in orthopedic implants, in particular for a hip prosthesis stem containing carbon fibers. From the European patent specification EP 1992309 it is also known to use in bone implants inserts with a layer of polyetheretherketone to reduce friction between moving parts.
Celem wynalazku jest wytworzenie na tytanie i/lub stopach tytanu warstw powierzchniowych o podwyższonych właściwościach mechanicznych, biozgodności i trwałości, przeznaczonych do długoterminowego użytkowania.The aim of the invention is to produce surface layers on titanium and / or titanium alloys with improved mechanical properties, biocompatibility and durability, intended for long-term use.
Sposób wytwarzania implantu kostnego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi dyfuzyjnymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), w którym dyfuzyjną warstwę azotowaną TiN+Ti2N+aTi(N) i warstwę tlenkową wytwarza się w warunkach wyładowania jarzeniowego, według wynalazku charakteryzuje się tym, że proces azotowania i tlenoazotowania prowadzi się w jednym cyklu technologicznym w niskotemperaturowej plazmie wyładowania jarzeniowego w zakresie temperatur 500-800°C w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem i/lub wodorem i/lub powietrzem i/lub tlenem, przy ciśnieniu w komorze roboczej urządzenia do obróbki jarzeniowej w zakresie 1-5 mbar, przy czym warstwę tlenkową TiO2, tworzącą z warstwą azotowaną dyfuzyjną warstwę tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytwarza się w drugim etapie tego procesu z wykorzystaniem aktywnego ekranu na potencjale plazmy lub na potencjale katody.A method of producing a bone implant made of titanium and / or titanium alloy, with TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) surface oxygen-nitrided diffusion layers, in which the TiN + Ti 2 N + aTi (N) nitrided diffusion layer and the oxide layer are produced by under the conditions of glow discharge, according to the invention, the process of nitriding and oxynitriding is carried out in one technological cycle in a low-temperature glow discharge plasma in the temperature range of 500-800 ° C in an atmosphere of pure nitrogen or a mixture of nitrogen and argon and / or hydrogen and / or air and / or oxygen, at the pressure in the working chamber of the glow discharge device in the range of 1-5 mbar, the TiO 2 oxide layer forming a diffusion layer with the nitrided layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N ), produced in the second step of this process using an active shield at the plasma potential or at the cathode potential.
Korzystnym jest, jeżeli proces azotowania prowadzi się w temperaturze 650-800°C w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 5% objętościowych wodoru, zaś proces utleniania prowadzi się w mieszaninie azotu z dodatkiem około 10% tlenu lub powietrza w temperaturze 500650°C w czasie od 10 do 30 minut, zwłaszcza na potencjale plazmy.Preferably, the nitriding process is carried out at a temperature of 650-800 ° C in a nitrogen atmosphere or a nitrogen mixture with the addition of about 5% by volume of hydrogen, and the oxidation process is carried out in a nitrogen mixture with the addition of about 10% of oxygen or air at a temperature of 500 to 650 ° C. in 10 to 30 minutes, especially at plasma potential.
Implant stawu biodrowego z tytanu i/lub stopu tytanu, z powierzchniowymi warstwami tlenoazotowanymi TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), złożony z trzpienia, główki i panewki, według wynalazku wyróżnia się tym, że pomiędzy panewką a główką jest umieszczona wkładka z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, zaś co najmniej na powierzchni trzpienia i zewnętrznej powierzchni panewki jest wytworzona dyfuzyjna warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) z zewnętrzną nanokrystaliczną warstwą tlenkową TiO2 wytworzoną na warstwie azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) w niskotemperaturowej plazmie w warunkach wyładowania jarzeniowego.A hip joint implant made of titanium and / or titanium alloy, with surface layers of oxynitrided TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N), composed of a stem, head and acetabulum, according to the invention is distinguished by the fact that between the acetabulum and the head an insert made of a polymer composite based on polyetheretherketone, graphite and carbon fibers, and at least on the surface of the mandrel and the outer surface of the cup, a diffusive oxynitrided layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) with an outer nanocrystalline oxide layer of TiO 2 formed on TiN + Ti 2 N + aTi (N) nitrided layer in low-temperature plasma under glow discharge conditions.
PL 222 163 B1PL 222 163 B1
Korzystnym jest, jeżeli powierzchnia wkładki, pozostająca w kontakcie z główką, posiada powierzchniową warstwę amorficznego, uwodornionego, modyfikowanego azotem i wodorem węgla wytworzonego metodą RFCVD, o grubości w zakresie od 200 do 400 nm.Preferably, the surface of the insert in contact with the head has a surface layer of amorphous hydrogenated RFCVD-modified hydrogen-modified carbon with a thickness ranging from 200 to 400 nm.
Korzystnym jest także, jeżeli panewka ma na powierzchni zarówno zewnętrznej jak i wewnętrznej, warstwę dyfuzyjną tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N).It is also advantageous if the bushing has a TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) -oxygenated diffusion layer on both the outer and inner surfaces.
Warstwy TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytworzone na implancie sposobem według wynalazku, zapewniają wysoką odporność korozyjną i dobre połączenie biologiczne z kością, eliminując przy tym całkowicie lub w znacznym stopniu zjawisko metalozy. Takie właściwości warstw powierzchniowych uzyskano dzięki połączeniu procesów azotowania jarzeniowego z procesem utleniania jarzeniowego w jednym cyklu technologicznym, w którym zmiana atmosfery gazowej następuje w trakcie realizacji procesu. Wytworzona warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) zapewnia wysoką biozgodność i aktywność biologiczną w kontakcie z osteoblastami, dobrą odpornością na zużycie przez tarcie i niski współczynnik tarcia. Zastosowanie wkładek z materiału polimerowego na bazie polieteroeteroketonu umożliwia zwiększenie odporności na ścieranie pomiędzy elementami ruchomymi implantów, w szczególności implantów stawu biodrowego. Powierzchniowa warstwa amorficznego uwodornionego węgla modyfikowanego azotem zapewnia dobrą przyczepność do materiału wkładki, biozgodność, niski współczynnik tarcia, oraz twardość powierzchniową wyższą niż materiał polimerowy.The layers of TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N), produced on the implant by the method according to the invention, ensure high corrosion resistance and good biological connection with the bone, while completely or to a large extent eliminating the phenomenon of metallosis. Such properties of the surface layers were obtained thanks to the combination of glow discharge nitriding processes with the glow discharge oxidation process in one technological cycle, in which the gas atmosphere changes during the process. The generated oxynitrided layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) ensures high biocompatibility and biological activity in contact with osteoblasts, good resistance to wear by friction and low coefficient of friction. The use of inserts made of a polymeric material based on polyetheretherketone makes it possible to increase the abrasion resistance between the moving parts of implants, in particular hip implants. The surface layer of amorphous hydrogenated nitrogen-modified carbon provides good adhesion to the insert material, biocompatibility, low friction coefficient, and a surface hardness higher than the polymer material.
Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok implantu stawu biodrowego, fig. 2 przedstawia szczegół A z fig. 1, a fig. 3 przedstawia schemat urządzenia do wytwarzania warstw azotowanych i tlenoazotowanych w niskotemperaturowej plazmie.The subject of the invention is shown in the embodiment in the drawing, in which Fig. 1 shows a view of a hip joint implant, Fig. 2 shows detail A of Fig. 1, and Fig. 3 shows a diagram of a device for the production of nitrided and oxynitrided layers in low-temperature plasma.
Implant stawu biodrowego przedstawiony na fig. 1 i 2, wykonany z tytanu i/lub stopu tytanu, składa się z trzpienia 4 zakończonego główką 3 i panewką 1. Pomiędzy panewką 1 a główką 3 jest umieszczona wkładka 2 z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, zaś co najmniej na powierzchni trzpienia 4 i zewnętrznej powierzchni panewki 1 jest wytworzona dyfuzyjna warstwa tlenoazotowana TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) z zewnętrzną nanokrystaliczną warstwą tlenkową - TiO2 - wytworzoną na warstwie azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) w niskotemperaturowej plazmie poprzez utlenianie w warunkach wyładowania jarzeniowego. Wkładka 2 jest wykonana z kompozytu polimerowego na bazie polieteroeteroketonu, grafitu i włókien węglowych, o nazwie handlowej PEEK T. Powierzchnia wkładki 2, pozostająca w kontakcie z główką 3, ma powierzchniową warstwę amorficznego, uwodornionego, modyfikowanego azotem i wodorem węgla (a-C:N:H), wytworzonego metodą RFCVD, o grubości w zakresie od 200 do 400 nm. Główka 3 ma powierzchniową warstwę dyfuzyjną azotowaną TiN+Ti2N+aTi(N) lub tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N).The hip joint implant shown in Figs. 1 and 2, made of titanium and / or titanium alloy, consists of a pin 4 ended with a head 3 and a socket 1. Between the socket 1 and the head 3 there is an insert 2 made of a polymer composite based on polyetheretherketone, graphite and carbon fibers, and at least on the surface of the mandrel 4 and the outer surface of the bushing 1 a diffusion oxynitrided layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) is formed with an outer nanocrystalline oxide layer - TiO 2 - formed on the nitrided layer TiN + Ti 2 N + aTi (N) in low-temperature plasma by oxidation under glow discharge conditions. The insert 2 is made of a polymer composite based on polyetheretherketone, graphite and carbon fibers, with the trade name PEEK T. The surface of the insert 2, in contact with the head 3, has a surface layer of amorphous hydrogenated carbon modified with nitrogen and hydrogen (aC: N: H), produced by the RFCVD method, with a thickness ranging from 200 to 400 nm. The head 3 has a surface diffusion layer of nitrided TiN + Ti 2 N + aTi (N) or oxynitrided TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N).
W związku z tym, że kompozyt polimerowy na bazie polieteroeteroketonu charakteryzuje się dużą elastycznością, grubość powłoki a-C:N:H jest rzędu od 200 do 400 nm, co gwarantuje dobrą przyczepność do podłoża i eliminuje zjawisko wykruszania się powłoki w układzie tribologicznym z tytanem lub stopem tytanu z powierzchniową warstwą dyfuzyjną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N). Warstwa amorficznego uwodornionego węgla modyfikowanego azotem (a-C:N:H), jest wytwarzana w procesie RFCVD (RadioFrequency Chemical Vapour Deposition), przy zastosowaniu atmosfery gazowej składającej się z azotu, metanu oraz argonu w temperaturze do 60°C. Warstwa tlenkowa wytworzona na powierzchni warstwy azotowanej TiN+Ti2N+aTi(N) wskutek utleniania jarzeniowego ma nanokrystaliczną strukturę i grubość rzędu do 400 nm, co zapewnia jej dobrą odporność na zużycie przez tarcie, biozgodność w kontakcie z kością, a także dobre połączenie biologiczne oraz aktywność biologiczną w kontakcie z płynami fizjologicznymi, w tym tworzenie się fosforanów wapnia. Twardość tak wytworzonych warstw typu TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) jest rzędu 1000-1200 HV0,02.Due to the fact that the polymer composite based on polyetheretherketone is characterized by high flexibility, the thickness of the aC: N: H coating is in the range of 200 to 400 nm, which guarantees good adhesion to the substrate and eliminates the phenomenon of chipping in a tribological system with titanium or alloy titanium with a surface diffusion layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N). The layer of amorphous hydrogenated nitrogen-modified carbon (aC: N: H) is produced in the RFCVD (RadioFrequency Chemical Vapor Deposition) process, using a gas atmosphere of nitrogen, methane and argon at temperatures up to 60 ° C. The oxide layer formed on the surface of the nitrided layer TiN + Ti 2 N + aTi (N) as a result of fluorescent oxidation has a nanocrystalline structure and a thickness of up to 400 nm, which ensures good resistance to wear by friction, biocompatibility in contact with the bone, as well as a good bond biological and biological activity in contact with body fluids, including the formation of calcium phosphates. The hardness of the so-produced TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) layers is in the order of 1000-1200 HV0.02.
W opisanym implancie stawu biodrowego stykają się ze sobą warstwy o dużej wytrzymałości na ściskanie i odporności na ścieranie, niskim współczynniku tarcia i dużej biozgodności. Dyfuzyjne warstwy TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) stykają się bezpośrednio z kością i zapewniają dobre połączenie biologiczne, eliminując zjawisko metalozy, co gwarantuje długotrwałe użytkowanie tak wykonanego implantu kostnego.In the described hip joint implant, layers of high compressive strength and abrasion resistance, low friction coefficient and high biocompatibility are in contact with each other. The diffusion layers of TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) are in direct contact with the bone and ensure a good biological connection, eliminating the phenomenon of metallosis, which guarantees long-term use of the bone implant made in this way.
Jak przedstawiono na fig. 3, urządzenie do wytwarzania warstw azotowanych i tlenoazotowanych w niskotemperaturowej plazmie, składa się z komory roboczej 8, wewnątrz której znajduje się aktywny ekran 9, w obszarze którego jest umieszczony detal górny 11 obrabiany na potencjale plazmy. W przypadku obróbki na potencjale katody, detal dolny 12 może być umieszczony bezpośrednio na katodzie, bez zastosowania ekranu aktywnego. Między elektrodami znajduje się izolator ceramiczny 10. Komora ma kanał wlotowy 5 na gazy reaktywne i kanał wylotowy 6 połączony z pompą próż4As shown in Fig. 3, the device for the production of nitrided and oxynitrided layers in low-temperature plasma consists of a working chamber 8 inside which there is an active screen 9, in the area of which the upper part 11 treated with the plasma potential is placed. In the case of treatment at cathode potential, the lower part 12 can be placed directly on the cathode without the use of an active screen. There is a ceramic insulator 10 between the electrodes. The chamber has an inlet channel 5 for reactive gases and an outlet channel 6 connected to the vacuum pump4
PL 222 163 B1 niową. Ścianki komory roboczej i katody są połączone z biegunami zasilacza 7. Urządzenie służy do wytwarzania na detalach implantów warstw azotowanych TiN+Ti2N+aTi(N) i warstw tlenoazotowanych TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) w warunkach wyładowania jarzeniowego. Urządzenie umożliwia wytworzenie warstwy tlenkowej na warstwie azotowanej w jednym cyklu technologicznym. Proces azotowania i tlenoazotowania prowadzi się w jednym cyklu technologicznym w niskotemperaturowej plazmie wyładowania jarzeniowego w zakresie 50-800°C w atmosferze czystego azotu lub mieszaniny azotu z argonem i/lub wodorem i/lub powietrzem i/lub tlenem, przy ciśnieniu w komorze roboczej 8 w zakresie 1-5 mbar, przy czym warstwę tlenkową TiO2, tworzącą z warstwą azotowaną dyfuzyjną warstwę tlenoazotowaną TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N), wytwarza się w drugim etapie tego procesu z wykorzystaniem aktywnego ekranu 9 na potencjale plazmy lub na potencjale katody. W pierwszym etapie proces azotowania prowadzi się w temperaturze 650-800°C w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 5% objętościowych wodoru. W drugim etapie proces tlenoazotowania prowadzi się w atmosferze azotu lub mieszaniny azotu z dodatkiem około 10% tlenu lub powietrza w temperaturze 500-650°C w czasie od 10 do 30 minut, zwłaszcza na potencjale plazmy. Sposób według wynalazku umożliwia obróbkę detali o złożonych kształtach i zapewnia jednorodność struktury warstw powierzchniowych o pożądanych właściwościach, w zależności od składu mieszaniny gazów procesowych i warunków prowadzenia procesu.PL 222 163 B1. The walls of the working chamber and the cathode are connected to the poles of the power supply 7. The device is used to produce nitrided layers TiN + Ti 2 N + aTi (N) and oxynitrided layers TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) on the details of implants under discharge conditions fluorescent. The device enables the production of an oxide layer on the nitrided layer in one technological cycle. The process of nitriding and oxynitriding is carried out in one technological cycle in a low-temperature plasma of a glow discharge in the range of 50-800 ° C in an atmosphere of pure nitrogen or a mixture of nitrogen with argon and / or hydrogen and / or air and / or oxygen, at the pressure in the working chamber 8 in the range of 1-5 mbar, the TiO 2 oxide layer, forming a diffusion oxynitrided layer TiO 2 + TiN + Ti 2 N + aTi (N) with the nitrided layer, is produced in the second stage of this process using an active screen 9 on the plasma potential or at the cathode potential. In the first stage, the nitriding process is carried out at the temperature of 650-800 ° C under nitrogen atmosphere or nitrogen mixture with the addition of about 5% by volume of hydrogen. In the second stage, the oxynitriding process is carried out in a nitrogen atmosphere or a nitrogen mixture with the addition of about 10% oxygen or air at a temperature of 500-650 ° C for 10 to 30 minutes, especially at the plasma potential. The method according to the invention enables the processing of details with complex shapes and ensures the homogeneity of the structure of the surface layers with the desired properties, depending on the composition of the process gas mixture and the process conditions.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL404578A PL222163B1 (en) | 2013-07-05 | 2013-07-05 | A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implant |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| PL404578A PL222163B1 (en) | 2013-07-05 | 2013-07-05 | A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implant |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| PL404578A1 PL404578A1 (en) | 2015-01-19 |
| PL222163B1 true PL222163B1 (en) | 2016-07-29 |
Family
ID=52305486
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PL404578A PL222163B1 (en) | 2013-07-05 | 2013-07-05 | A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implant |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| PL (1) | PL222163B1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL441461A1 (en) * | 2022-06-13 | 2023-12-18 | Politechnika Warszawska | Method of modifying the surface of nitrided titanium Grade 2 with an oxide coating doped with calcium phosphates using the plasma electrochemical oxidation method and oxide coating on the surface of nitrided titanium Grade 2 produced by this method |
-
2013
- 2013-07-05 PL PL404578A patent/PL222163B1/en unknown
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| PL441461A1 (en) * | 2022-06-13 | 2023-12-18 | Politechnika Warszawska | Method of modifying the surface of nitrided titanium Grade 2 with an oxide coating doped with calcium phosphates using the plasma electrochemical oxidation method and oxide coating on the surface of nitrided titanium Grade 2 produced by this method |
| PL247456B1 (en) * | 2022-06-13 | 2025-07-07 | Politechnika Warszawska | Method of modifying the surface of nitrided titanium TiO2+TiN+Ti2N+αTi(N) with an oxide coating doped with calcium phosphates using the plasma electrochemical oxidation method and the oxide coating on the surface of nitrided titanium TiO2(Ca,P)+Ti2N+αTi(N) produced by this method |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| PL404578A1 (en) | 2015-01-19 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2880824C (en) | Thin film tantalum coating for medical implants | |
| AU2012271616B2 (en) | Micro-alloyed porous metal having optimized chemical composition and method of manufacturing the same | |
| US11351031B2 (en) | Applications of diffusion hardening techniques | |
| EP1835946B1 (en) | Surface treated shape memory materials and methods for making same | |
| Cunha et al. | Osseointegration of atmospheric plasma‐sprayed titanium implants: Influence of the native oxide layer | |
| PL222163B1 (en) | A method of making a bone implant from titanium and / or a titanium alloy and a hip implant | |
| Solanke et al. | Crystallinity and cell viability in plasma-sprayed hydroxyapatite coatings | |
| KR100453184B1 (en) | Method of coating thin layer of hydroxyapatite on a titanium implant surface by hydrothermal process | |
| Ibrahim et al. | Effect of hydroxyapatite coating on plasma nitrided surface of commercially pure titanium | |
| RU2322267C1 (en) | Method for producing biocompatible coatings with titanium and its alloys on implants | |
| CN113563114A (en) | A kind of porous tantalum-coated carbon fiber/carbon composite material and preparation method thereof | |
| EP2526976A2 (en) | A medical implant and a method of formation of multi-phase surface layers on medical implant made from titanium and/or titanium alloys |