СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦА

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦА 


RU (11) 2115388 (13) C1

(51) 6 A61F2/24 

(12) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
Статус: по данным на 25.10.2007 - прекратил действие 

--------------------------------------------------------------------------------

(14) Дата публикации: 1998.07.20 
(21) Регистрационный номер заявки: 96106401/14 
(22) Дата подачи заявки: 1996.04.01 
(45) Опубликовано: 1998.07.20 
(56) Аналоги изобретения: 1. SU 839524 (Макаров К.А. и др.), 23.06.81, A 61 F 1/22. 2. SU 1155263 (Белов Е.А. и др.), 15.05.85, A 61 F 2/24. 3. RU 2012284 (ЦНИИ "Гранит"), 15.05.94, A 61 F 2/24. 
(71) Имя заявителя: Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" 
(72) Имя изобретателя: Аманатов Л.С.; Галич Н.П.; Лапшин В.П.; Орловский П.И.; Райков А.С.; Сорокин А.Н.; Никольцев В.А. 
(73) Имя патентообладателя: Центральный научно-исследовательский институт "Гранит" 

(54) СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРОТЕЗА КЛАПАНА СЕРДЦА 

Способ используется в медицинской промышленности для изготовления протеза клапана сердца. Изготавливают корпус и запирающий элемент заданной конфигурации, полируют его, затем производят ионную очистку деталей клапана от окисной пленки в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана. Ионную очистку деталей клапана производят при температуре (250 20)oC, вакууме Р = (453,2 40,0) 10-5 Па и поддержании потенциала V = (-40 60) В на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги I = (110 10) А, напряжение питания дуги U = (70 5) В, потенциал на деталях клапана V = (-100 10) В и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при Р = (466,6 40,0) 10-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления Р = (573,2 40,0) 10-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100 - 500) 10-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью (10-9 - 10-11) кг/м3 при скорости конденсации покрытия (2 - 10) 10-10 м/имп, энергии облучения (23,2 - 96) 10-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,5 10-6 м. Изобретение повышает функциональную долговечность клапана. 


ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ



Изобретение относится к медицине, а именно к протезам клапанов сердца.

Повышение тромбозащиты и биосовместимости протезов клапанов сердца частично достигается нанесением на их металлические поверхности специальных покрытий. Из всех имеющихся в неживой природе веществ лишь составы на основе углерода или графита удовлетворяют в известной степени требованиям нейтральности и тромборезистентности. Однако их слабые механические свойства, особенно в тонких пленках, ограничивают возможности их использования для клапанов, работающих в жестком динамическом режиме. Снашивание тромборезистентных покрытий и обнажение таким образом арматуры приводит к серьезным тромбоэлитическим осложнениям, сводит на нет эффект имплантации и в конечном счете, сдерживает широкое клиническое использование протезов клапанов сердца.

Известен способ получения тромборезистентного покрытия на искусственных клапанах сердцу [1]. Перед нанесением покрытия детали протеза клапана сердца (далее клапана) подвергают очистке и химической полировке, после чего помещают в кварцевый реактор, который заполняют очищаемым селикагелем гелием. После продувки реактора инертным газом включают нагрев, достигая 860oC, после чего в реактор подают смесь очищенного пропана с гелием в соотношении 1:9, поддерживая постоянным расход газа в течение всего периода пиролиза (15 - 30) мин. В результате пиролиза на металлических поверхностях клапана образуется адгезионный подслой карбида титана, а наружный слой покрытия толщиной (10 - 15)10-6 м целиком состоит из графита. Затем для повышения тромборезистентности графитовую поверхность обрабатывают активирующим раствором - смесью альбумина с поливиниловым спиртом.

Недостатком известного способа в первую очередь является пористость получаемого слоя и неоднородность его толщины. Для повышения плотности и однородности необходимо существенно увеличить толщину покрытия, а такой слой вследствие недостаточной адгезии с металлической подложкой предрасположен к отслаиванию. Пористость (шероховатость) поверхности играет важную роль в инициировании тромбообразования, что вызывает необходимость обработки клапана активирующим раствором, а впоследствии - введения антикоагулянтов.

Наиболее близким к предлагаемому является способ изготовления протеза клапана сердца по [2] , принятый в качестве прототипа. Согласно способу-прототипу изготавливают детали клапана (корпус и запирающий элемент) заданной конфигурации, рабочие поверхности которых обрабатывают механическим путем до шероховатости 9 или 10-го класса (0,08 - 0,05)10-6 м, загружают в ванну с фреоном и при помощи ультразвука производят очистку клапана в течение 20 мин при комнатной температуре. После ультразвуковой очистки поверхности клапана подвергают электрополированию, повышая класс шероховатости до 12-го. Затем осуществляют ионную очистку клапана, для чего его помещают в вакуумную камеру, которая заполнена инертным газом (аргоном) с давлением (6,67 - 1,33) Па. Основные параметры очистки: указанное давление, ток дуги (3,8 - 4,0) А, температура подложки (300 - 320)oC, скорость вращения клапана 60 об/мин. После ионной очистки поверхностей клапана наносят углеродное покрытие из массивной мишени спектрально чистого углерода. При этом давление рабочего газа (аргона) доводят до значения (0,133 - 0,107) Па, ток накала термокатода до (110 - 120) А, ток дуги плазмы (4,0 - 4,2) А, потенциал мишени (4,8 - 5,2) кВ, напряженность магнитного поля (0,95 - 1,19)104 А/м и температура клапана (380 - 420)oC. При этом режиме время нанесения углеродного покрытия толщиной (6 - 8)10-6 м составляет (40 - 80) мин.

Недостатком способа-прототипа является низкая прочность наносимого слоя, что объясняется невысокой микротвердостью графита. Такое покрытие не может выдержать жестких условий работы клапана, какими характеризуется его функционирование в живом организме.

Задачей изобретения является снижение тромбообразования и повышение функциональной долговечности протеза клапана сердца.

Сущность изобретения заключается в том, что согласно способу изготовления протеза клапана сердца, включающему механическое изготовление корпуса и запирающего элемента заданной конфигурации, полировку, ионную очистку деталей клапана в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана, дополнительно перед углеродным покрытием формируют адгезионно-упрочняющий слой. При этом ионную очистку деталей клапана производят при температуре (25020)oC, вакууме P = (453,240,0)10-5 Па и поддержании потенциала V = (-40060) В на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги I=(110 10) А, напряжение питания дуги U = (705) В, потенциал на деталях клапана V = (-10010) В и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при P = (466,640,0)10-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления P = (573,240,0)10-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100-500)10-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью (10-9 - 10-11) кг/м3 при скорости конденсации покрытия (2-10)10-10 м/имп, энергии облучения (23,2-96)10-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,510-6 м.

Функциональная долговечность клапана определяется высокой твердостью и прочностью покрытия, которые обеспечиваются совокупностью признаков предлагаемого способа, а именно:

проведением ионной очистки при глубоком вакууме, что позволяет ликвидировать окисную пленку с поверхности деталей;

нанесением адгезионного подслоя химически чистого титана для атомарного сцепления покрытия с подложкой (деталью клапана);

нанесением упрочняющего слоя нитрида титана, обеспечивающего сглаживание микронеровностей поверхности и, кроме того, обладающего химической инертностью в сочетании с высокой микротвердостью и плотностью;

нанесением адгезионного подслоя титана, обеспечивающего подготовку поверхности к атомарному сцеплению с углеродом с образованием химического соединения - карбида титана при последующем осаждении углеродного покрытия;

формированием углеродного покрытия алмазоподобной структуры, обладающего наибольшей микротвердостью и гемосовместимостью электроизоляционных характеристик, что обеспечивает снижение тромбообразования при имплантации клапана;

выбором соотношения параметров технологических режимов при послойном осаждении покрытия на детали клапана.

Способ изготовления протеза клапана сердца осуществляют следующим образом.

Из биосовместимого материала, например, титана марки ВТ1-0 механической обработкой изготавливают заготовки корпуса и запирающего элемента клапана заданной конфигурации. Детали полируют механическим способом с применением мягких паст на углеродной основе без алмазных включений до шероховатости поверхности 9 - 10-го класса Rа = (0,08 - 0,05)10-6 м. Затем детали клапана погружают в ванну с фреоном и при помощи ультразвука очищают в течение 20 мин при комнатной температуре.

Для осуществления следующих операций формирования промежуточного покрытия используют вакуумную камеру, в которую устанавливают детали клапана в приспособлении, обеспечивающем их вращение в двух взаимноперпендикулярных плоскостях. Камеру откачивают турбомолекулярным насосом типа НВТ-3500 до давления P = 133,310-5 Па и прогревают детали излучением, исходящим из титановой мишени - анода, нагреваемого дуговым разрядом полого катода, через который в камеру подают инертный газ (аргон) в магнитном поле, создаваемом двумя соленоидами для отклонения плазменного луча (дуги) на 90o в сторону анода. Прогрев производят в режиме: I = 60 А; U = 60 В; P = 453,210-5 Па, где I - ток дуги разряда, U - напряжение питания дуги.

После достижения температуры деталей 250oC осуществляют ионную очистку деталей во вращении в течение 30 мин в среде аргона при отрицательном потенциале V = -400 В на деталях относительно анода, а затем нанесение подслоя титана в течение 5 мин в режиме: I = 110 А; U = 70 В; P = 466,510-4 Па, V = -100 В.

Затем в камеру в течение 30 мин вводят азот (N2) марки B4до общего давления P = 573,210-4 Па, сохраняя отрицательный потенциал на деталях и параметры дуги прежними. Процесс образования на деталях TiNi прекращают путем перекрытия подачи азота. Перед нанесением второго адгезионного подслоя титана при прежних параметрах дуги в течение 5 с снижают потенциал на деталях до V = -300 В, а затем снова устанавливают V = -100 В и в течение 10 мин формируют подслой титана до общей толщины промежуточного покрытия (100 - 500)10-10 м. Толщина промежуточного покрытия установлена экспериментально, при этом слой менее 10010-10 м не дает достаточного сглаживания микродефектов поверхности, а слой более 50010-10 м является порогом дефектообразования углеродного покрытия. После окончания формирования промежуточного покрытия выключают источники питания дуги, снимают отрицательное смещение на деталях, перекрывают подачу аргона, а затем откачивают камеру до вакуума P = 679,810-6 Па и выдерживают детали в течение 15 мин.

Операция формирования углеродного алмазоподобного покрытия осуществляется при использовании импульсного электродугового источника углеродной плазмы с расходуемым графитовым катодом и углеродной мишенью при питании дуги от конденсаторной батареи емкостью 200 мкФ напряжением (200-300) В с частотой следования импульсов разряда (1-5) Гц. Конденсация покрытия производится в течение (60-100) мин при вращении деталей со скоростью 60 об/мин, при поддержании вакуума P = 173,310-5 Па и температуры деталей клапана не ниже 120oC. При этих параметрах создают плотность плазмы (10-9-10-11) кг/м3, на два порядка превышающую плотность остаточных атмосферных газов с целью обеспечения минимальной загрязненности поверхности этими газами, и обеспечивают скорость конденсации покрытия (2-10)10-6 м/имп. Полученное углеродное покрытие имеет удельное сопротивление 109 Омм, диэлектрическую проницаемость пленки дельта = (8-14) и механическую прочность (7 -8)10-5 Па. Достигаемая прочность обеспечивается энергией осажденных ионов углерода в несколько десятков электрон-вольт, которая должна превосходить энергию связи атомов в решетке алмаза и оставаться меньше порога дефектообразования. Оптимальная толщина покрытия, включая промежуточный слой, - (2- 2,5)10-6 м, что подтверждается испытаниями опытной партии клапанов, изготовленных в соответствии с предлагаемым способом. При 4108 циклов срабатывания клапана, эквивалентных сроку службы 10 лет, износа покрытия не обнаружено.

После нанесения углеродного покрытия осуществляют сборку клапана. 


ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ



Способ изготовления протеза клапана сердца, включающий изготовление корпуса и запирающего элемента заданной конфигурации, полировку, ионную очистку деталей клапана от окисной пленки в среде инертного газа, нанесение тромборезистентного углеродного покрытия на разогретые детали и сборку клапана, отличающийся тем, что ионную очистку деталей клапана производят при (250 20)oC, вакууме (453,2 40,0) 10-5 Па и поддержании потенциала (-400 60) B на деталях клапана относительно титановой мишени - анода электродугового источника плазмы, затем устанавливают ток дуги (110 10) A, напряжение питания дуги (70 5) B, потенциал на деталях клапана (-100 10) B и в этом режиме последовательно наносят адгезионный подслой титана при (466,6 40,0) 10-4 Па, затем упрочняющий поверхность слой нитрида титана, для формирования которого вводят азот до общего давления (573,2 40,0) 10-4 Па, и вновь адгезионный подслой титана до толщины промежуточного покрытия (100 - 500) 10-10 м, после чего наносят углеродное покрытие от импульсного источника углеродной плазмы плотностью 10-9 - 10-11 кг/м3 при скорости конденсации покрытия (2 - 10) 10-10 м/имп., энергии облучения (23,2 - 96) 10-19 Дж до общей толщины покрытия не более 2,5 10-6 м.