Спосіб виготовлення композитних виробів на основі карбіду кремнію

Реферат: UA 76618 U UA 76618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до області виготовлення синтетичних матеріалів для трансплантації губчастих кісток у композиціях кісткових імплантатів, а також зубних імплантатів. Відомі способи виготовлення виробів з ряду матеріалів у тому числі для зубних імплантатів з нержавіючої сталі, титану, кобальту, хрому, сплавів вольфраму та молібдену. Такі імплантати мають різноманітні конструкції [1-5]. Крім того в деяких випадках використовують корунд (окис алюмінію) або цирконій у формі кристалів або полікристалічних структур. Часто для підвищення біосумісності на імплантати наносять плівки з гідроксіапатиту (НАР) або фосфату кальцію. (TCP). Розробляються імплантати з новітніх керамічних матеріалів - пористого цирконію, пористого нітриду кремнію з домішками із SiC вискерів [6]. Відома велика кількість винаходів, присвячених розробці різноманітних конструкцій цих виробів. Зокрема, з метою підвищення біосумісності удосконалюють форму імплантатів [7-9]. Але всі ці матеріали мають погану біосумісність. Тому продовжується пошук нових пористих матеріалів які б не мали цього недоліку. Відомий спосіб виготовлення зубних імплантатів із карбіду кремнію [10]. Імплантати виготовляють з карбідокремнієвої кераміки або покривають плівкою SiC вироби з металу. Це дозволяє підвищити механічну міцність виробів та забезпечити біосумісність з натуральною кісткою. Кераміку виробляють відомими технологіями гарячого пресування, рекристалізаціею, прямим синтезом, шлікерним литтям. Плівку SiC на металічні заготовки наносять методом парофазного хімічного осадження. Недоліком відомих способів є те, що традиційні ортопедичні матеріали такі як титан, кобальт-хром нержавіюча сталь досить швидко зношується. Крім того, останні дослідження показують що більшість з цих традиційних матеріалів мають тенденцію до розчинення в живому організмі. Частинки зносу таких імплантатів потрапляють у кров живої істоти, що може викликати ряд захворювань. Імплантати з керамічних матеріалів, в тому числі і з карбіду кремнію, виготовлені гарячим пресуванням, шлікерним литтям або іншими традиційними технологіями хоча і мають пористу структуру, але більшість пор знаходиться в об'ємі, ізольовані від поверхні і не є відкритими, що майже повністю знижує можливість остеоінтеграції імплантата. Відомий спосіб виготовлення виробів з карбіду кремнію [11]. Він включає виготовлення вуглецевої матриці потрібної форми з відкритою пористістю шляхом піролізу деревини, просочення ії рідким кремнієм та синтез карбіду кремнію. Такі вироби мають пористу структуру, схожу на структуру натуральної кістки, і добре вживлюються в організм. Але вони мають недостатньо високі механічні параметри в порівнянні з металічними імплантатами. Найбільш близьким до поданого технічного рішення, вибраним за прототип, є спосіб виготовлення композитного матеріалу з карбіду кремнію [12]. Він включає виготовлення вуглецевої матриці потрібної форми з відкритою пористістю шляхом піролізу заготовки із заболонної частини стовбуру деревини листвяних розсіяно-судинних порід, просочення ії рідким кремнієм та синтез карбіду кремнію, який відрізняється тим, що для виготовлення вуглецевої матриці розмір заготовки з деревини вибирають на 25-30 % більше, ніж розмір потрібного виробу, для компенсації усадки, що відбувається при піролізі, а в центрі заготовки виготовляють отвір, розмір якого визначається призначенням та конструкцією кінцевого виробу, перед піролізом в отвір вводять вуглецеві волокна, після піролізу, одержаній матриці надають потрібні розміри та форму виробу і проводять просочення кремнієм з одночасним синтезом карбіду кремнію, при просоченні кремнієм використовують співвідношення ваги кремнію PSіC до ваги вуглецевої матриці РС в інтервалі величини PSіC /PС =2.5-3.0.. До недоліків такого способу необхідно віднести наступне. Хоча використання вуглецевих волокон і приводить до підвищення механічних властивостей виробів але є недостатньо для їх використання як стоматологічних імплантатів. Задачею запропонованої корисної моделі є розробка такої конструкції виробів яка б одночасно забезпечувала високу остеоінтеграцію та кращі механічні властивості. Поставлена задача вирішується тим, що в способі виготовлення композитних виробів на основі карбіду кремнію для використання як імплантатів, що включає виготовлення заготовки з заболонної частини стовбуру деревини листвяних розсіяно-судинних порід, розмір якої для компенсації усадки при піролізі на 25-30 % більший, ніж розмір потрібного виробу, проведення піролізу в атмосфері інертного газу, після якого, одержаній таким чином, вуглецевій матриці надають потрібної форми та розміри, а в центрі заготовки виготовляють отвір, проводять просочення кремнієм з одночасним синтезом карбіду кремнію, при просоченні кремнієм використовують співвідношення ваги кремнію PSіC до ваги вуглецевої матриці РС в інтервалі величини PSіC /PС =2,5-3,0, який відрізняється тим, що перед просоченням кремнієм вуглецевій 1 UA 76618 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 матриці надають циліндричної форми, а в отворі та на поверхні вуглецевої матриці нарізають різьби, після просочення кремнієм у внутрішній отвір вгвинчують стрижень потрібної форми, виготовлений з титану. Позитивний ефект від реалізації запропонованого технічного рішення пов'язаний з тим, що по-перше такий керамічний матеріал з одного боку має розвинену поверхню з відкритою пористістю, що забезпечує вживляння кісткового матеріалу на велику глибину по поверхні, а з другого боку, завдяки внутрішньому стержню із металу, який вводиться після виготовлення кераміки, такий композитний виріб відрізняється високими механічними властивостями. Фактично дана корисна модель є способом виготовлення імплантата поверхня якого покрита пористим каркасом, близьким по своїй структурі до натуральної губчатої кістки. Така конструкція імплантата забезпечує з одного боку сприятливі умови для інфільтрації кліток під час вживляння імплантата, а з другого - високі механічні властивості завдяки внутрішньому металевому стержню з титану. Такий композитний виріб має дві складові для забезпечення його біосумісності та механічної міцності. Зовнішня поверхня виготовлена з пористої SiC кераміки з розвиненою сіткою відкритих взаємно пов'язаних пор. Така кераміка по своїй будові схожа на натуральну губчату кістку, що забезпечує сприятливі умови для інфільтрації кліток у процесі вживляння в організм. Внутрішня вставка виготовляється з титану і забезпечує потрібну механічну стійкість. Такий виріб може використовуватися як для трансплантації губчатих кісток, так і для виготовлення штучних стоматологічних імплантатів, що закріплюються в щелепі або у альвеолярній кістці. Для реалізації запропонованого способу нами з деревини листвяних розсіяно-судинних порід виготовлялись вуглецеві матриці. Ми використовували розсіяно-судинні породи з твердою деревиною: бук, грецький горіх, граб, клен, груша та інші. Заготовки виготовляли із заболонної частини стовбуру деревини. Заготовки виробів виготовляли потрібної форми, розміром на 25-30 % більше, ніж розмір майбутнього виробу, В центральній частині усіх заготовок виготовляли отвір. Піроліз заготовок виробів проводили в потоці інертного газу при повільному підвищенні температури від 20 до 900-1000 °С. При піролізі за рахунок усадки зразки зменшувались у розмірі на 20-25 %, Така усадка приводила до міцного закріплення вуглецевих волокон в отриманих таким чином вуглецевих матрицях. Після проведення піролізу матриці обробляли для одержання потрібної форми. їх обточували, виготовляли отвори і нарізали різьби. Наступний етап виробництва кераміки просочення кремнієм та синтез SiC не змінює форми і розмір вуглецевих заготовок. З іншого боку механічна обробка вже готових зразків SiC кераміки викликає значні труднощі завдяки великій твердості карбіду кремнію. Просочення кремнієм вуглецевих матриць і синтез карбіду кремнію проводились у вакуумній печі РЕДМЕТ-30. Зразки поміщали в індивідуальні графітові тиглі. В них завантажували вуглецеві матриці і порошок кремнію. Вага порошку кремнію PSіC перевищувала вагу вуглецевої матриці РС в 2,5-3,0 рази, що забезпечувало надлишок кремнію. Конструкція тиглю забезпечувала повне занурення матриці в розплав. Співвідношення ваги кремнію до ваги вуглецевої матриці у 100 % SiC кераміці визначається хімічною формулою SiC та молекулярною вагою Si (28 г/моль) і С (12 г/моль) і має величину Si/C=2.33. З іншого боку відомо, що механічні властивості кераміки поліпшуються при зменшенні її пористості, тому з метою покращення механічних характеристик матеріалу потрібно використовувати більшу кількість кремнію для того, щоб зменшити пористість кераміки. Дослідження показують, що оптимальне співвідношення ваги кремнію PSіC до ваги вуглецевої = матриці РС має значення PSі /Pc 2,50-3,00. При менший кількості кремнію PSі /PС>2.50 ми одержуємо SiC/C композиційним матеріал з гіршими механічними характеристиками, а при більший PSі /РС>3,00 всі пори заповняються кремнієм о знижує остеоінтеграцію. -4 Тиглі поміщали в піч, проводили попереднє відкачування камери до вакууму 10 мм.рт.ст., нагрівали тиглі до температури 1200-1300 °С, наповнювали камеру інертним газом (аргоном або гелієм) до тиску 250-300 мбар. Досягши температури плавлення кремнію Т>1480 С, проводили відкачування інертного газу до тиску 10-30 мбар. Відкачування газу приводило до всмоктування рідкого кремнію в пори матриці, що забезпечувало їх заповнення кремнієм. Для проведення синтезу карбіду кремнію температуру в камері підвищували до 1600-1700 °С. Для запобігання втратам кремнію на випаровування синтез проводився при залишковому тиску інертного газу Р=10-30 мбар, що перевищувало тиск парів кремнію при температурі синтезу. Тривалість синтезу складала близько 20 хвилин. 2 UA 76618 U 5 10 15 20 25 30 Отримані вироби виймали з вакуумної печі, поміщали в муфельну піч і випалювали в присутності кисню протягом 1-3 годин при температурі 800-900 °С. При цьому відбувалося згорання залишків вуглецю матриці. В результаті виконання всіх операцій ми можемо отримувати композитні вироби з карбідокремнієвої кераміки, що повторюють структуру і форму використаних графітових матриць. На Фіг.1. представлена конструкція композитного виробу якій складається з (а) карбід кремнієвої кераміки, та (b) титанового стрижня, який може служити як абатмент. На Фіг.2 представлені фотографії зразків композитних виробів з карбідокремнієвої кераміки. Література. 1. Hiroshi Fukuda, Dental implant, US Patent 5,174,755 from 29.12.1992, Int.Cl A61С 8/00 2. G.D.Blacklock, Dental implant anchor, US Patent 5,601,429 from 11.Feb. 1997, Int.Cl A61C 8/00 3. J.Suhonen, J.Schug, Medical implant, US Patent 6,132,214 from 17.Oct.2000, IntCl A61F 2/00 4. A.Gallicchio, Implant for artificial theeth, US Patent 6,663,389 Bl from 16.Dec.2003, Int.Cl A61C 8/00 5. S.S.Porter, D.P.Rogers, R.E.Goodman, Dental implant system, US Patent 7,338,286 B2 from 4. Mar.1992, Int.Cl A61C 8/00 6. N.Tamari, I.Kondon, N.Kinoshita, Ceramic implant materials, US Patent 4,957,509 From 18.09.2 1990 Int.Cl A61F 2/28 7. G.Heimke, W.Schulte, Dental implant having a biocompatible surface, US Patent 4,185,383 from 01.29.1980 Int.Cl. A61C8/00 8. N.G.Bergstrom, N.Lidskog, Dental implant system, US Patent 6,358,050 Bl From 19.03.2002 Int.Cl A61C 8/00 9. M.Valen, Dental implant, US Patent 6,273,721 Bl From 14.08.2001 Int.Cl A61С 8/00 10. K.Tsuge, M.Hattori, K.Kondo, Y.Shibata, SiC based artificial dental implant, US Patent 5 062 798 Date of Patent 05.11.1991 Int.Cl A61C 8/00 11. Беляев О. С, Кисельов В. С, Спосіб виготовлення виробів з карбіду кремнію Патент України на винахід №87187 від 25.06.2009 12. B.C. Кисельов, Беляев О. Є. Спосіб виготовлення композитного матеріалу з карбіду кремнію для трансплантації губчастих кісток та зубних імплантів Патент України на корисну модель №60572 25.06.2011 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 Спосіб виготовлення композитних виробів на основі карбіду кремнію для використання як імплантатів, що включає виготовлення заготовки з заболонної частини стовбуру деревини листвяних розсіяно судинних порід, розмір якої для компенсації усадки при піролізі на 25-30 % більший, ніж розмір потрібного виробу, проведення піролізу в атмосфері інертного газу, після якого, одержаній таким чином, вуглецевій матриці надають потрібної форми та розміри, а в центрі заготовки виготовляють отвір, проводять просочення кремнієм з одночасним синтезом карбіду кремнію, при просоченні кремнієм використовують співвідношення ваги кремнію PSIC до ваги вуглецевої матриці РС в інтервалі величини PSIC /PС =2,5-3,0, який відрізняється тим, що перед просоченням кремнієм вуглецевій матриці надають циліндричної форми, а в отворі та на поверхні вуглецевої матриці нарізають різьби, після просочення кремнієм у внутрішній отвір вгвинчують стрижень потрібної форми, виготовлений з титану. 3 UA 76618 U Комп’ютерна верстка І. Скворцова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4