Лазерный мир

В. П. Вейко, Ю. Ю. Карлагина, В. В. Романов, Р. М. Яцук, Е. Е. Егорова, Е. А. Зерницкая, А. И. Яременко, Г. Н. Черненко, С. Г. Горный, Г. В. Одинцова // Журнал Фотоника #5/2020

Разработана технология лазерного формирования биосовместимой морфологии поверхности титановых дентальных имплантатов. Она обеспечивает гидрофильную структуру поверхности, обладающую одновременно микро- и нанорельефом. Работа представлена в двух частях. В первой части приведено обоснование физических и функциональных свой­ств, которыми должна обладать биосовместимая поверхность имплантатов. С помощью лазерного структурирования на поверхности титановых дентальных имплантатов были сформированы супергидрофильные рельефы микро- и наномасштаба. Период структур в виде лунок составлял 50 мкм, в виде канавок − 30 мкм. Представлены результаты исследования физико-­химических свой­ств биосовместимой морфологии поверхности

Целью настоящей работы является разработка технологии лазерного формирования морфологии поверхности титановых дентальных имплантов.

Какой должна быть поверхность имплантата

Степень успеха интеграции имплантата в тело пациента в значительной мере зависит от дизайна имплантата и структуры его поверхности, которая будет непосредственно контактировать с костью. В качестве материала для дентальных имплантатов наиболее часто применяются титановые сплавы благодаря их высоким прочностным и коррозионным характеристикам, а также гипоалергенности самого титана [3].

Рис. 1. CЭМ‐снимки поверхности титановых дентальных имплантатов: а) до лазерной обработки (П‐структура); после лазерной обработки: b) К‐структура; с) Л‐структура

Среди современных производителей дентальных имплантатов необходимо отметить корейскую компанию CSM, которая ввела на рынок имплантаты с поверхностью, модифицированной лазерной обработкой. В результате воздействия излучения твердотельного Nd: YAG лазера, в один технологический этап, без использования химических реагентов, на поверхности имплантата формируется упорядоченный микрорельеф в виде лунок и канавок, благодаря которому имплантаты демонстрируют превосходную остеоинтеграционную способность и функциональную стабильность [13].

Также известно, что структуры, индуцируемые лазерным воздействием на воздухе, обладают хорошей износостойкостью за счет содержания оксинитридов титана [14].

Мы также считаем, что методы на основе лазерного воздействия наиболее перспективны для создания биосовместимой поверхности имплантата. Неоспоримым достоинством лазерной обработки является то, что рельеф поверхности формируется за счет испарения самого материла, без использования сторонних материалов для обработки, таких как корундовые частицы Al2O3, и химических реагентов, например, кислот HCl и H2SO4, что снижает риск отторжения имплантата из-за остаточных загрязнений. Кроме того, лазерная обработка открывает большие возможности для получения сложной многоуровневой морфологии поверхности с заданным химическим составом.

В качестве инструмента для обработки мы выбрали широко используемый в промышленности отечественный лазерный комплекс МиниМаркерТМ 2 [15] на базе иттербиевого импульсного волоконного лазера.

Металлы достаточно хорошо поглощают излучение данного лазера с длиной волны 1,06 мкм. Рабочий диапазон плотностей мощности I = [6,9–63] · 107 Вт / см2 позволяет достичь температуры испарения титана, а сканирующая система (гальванометрические зеркала) совместно с фокусирующей системой (F‑тета-линза с обратным фокусным расстоянием 216,1 мм) обеспечивает возможность формирования структур со сложной морфологией.

Таким образом, с помощью лазерного структурирования мы сформировали на поверхности титановых дентальных имплантатов супергидрофильные рельефы, состоящие одновременно из микро- и наноструктур.

Эффективность биосовместимости рельефов, сформированных при лазерном воздействии, была выявлена в ходе доклинических in vitro и in vivo испытаний. Их результаты будут представлены во второй части работы. Будет описан алгоритм и технологические этапы технологии на основе данного метода. Технология внедрена в производство стоматологического фрезерного центра полного цикла производства и завода, входящего в группу компаний «ОРТОС».

СЭМ‑исследования поверхности имплантантов были проведены в Санкт-­Петербургском государственном университете в Междисциплинарном ресурсном центре по направлению «Нанотехнологии» (г. Санкт-­Петербург).

Авторы работы выражают благодарность научному коллективу НИУ «БелГУ» (г. Белгород) под руководством Колобова Ю. Р. за помощь в проведении исследований физико-­химичских характеристик лазерно-­индуцированных структур.

Полное содержание статьи: https://www.photonics.su/files/article_pdf/8/article_8393_771.pdf