1Иркутский национальный исследовательский технический университет, Иркутск, Россия

А. С. Пятых, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств (ТиОМП), канд. техн. наук, эл. почта: pyatykhas@ex.istu.edu
А. В. Савилов, доцент кафедры ТиОМП, канд. техн. наук, эл. почта: saw@istu.edu
А. П. Чапышев, доцент кафедры ТиОМП, канд. техн. наук, эл. почта: chapsh@mail.ru

Транспедикулярные винты из титанового сплава, применяемые для остеосинтеза позвоночника, должны обеспечивать минимальное число поломок в организме пациента, минимальное число послеоперационных отторжений и сокращение длительности реабилитации пациентов. Это возможно путем формирования специальной микрогеометрии резьбовой поверхности винта, которая способствует его быстрому обрастанию костной тканью. Приведен обзор наиболее распространенных методов формирования микрогеометрии имплантов. Показаны их преимущества и недостатки. Одним из наиболее доступных методов формирования требуемых характеристик поверхностной геометрии, формирования выгодного напряженного состояния поверхностных слоев винтов является струйная обработка потоком твердых частиц (песка). Представлены результаты экспериментальных исследований влияния параметров обработки на изменение поверхностной морфологии титановых имплантов при технологическом сочетании «точение – пескоструйная обработка». Предварительное формирование резьбовой поверхности проведено методом точения. Варьируемым параметром при токарной обработке принята скорость резания. Пескоструйная обработка выполнена песком белого электрокорунда (Al₂O₃). Образец импланта в потоке песка относительно оси не вращали с целью дальнейшего анализа влияния на микрогеометрию угла потока струи абразива относительно обрабатываемой поверхности. Микрогеометрия обработанных образцов измерена с применением оптического профилометра. Модификацию поверхностной морфологии оценивали по изменениям характера микрорельефа, количественных показателей, характеризующих результирующую глубину микронеровностей и их форму. Глубину неровностей определяли по параметру средней высоты неровностей по длине трассы ощупывания, а форму микронеровностей — безразмерными параметрами асимметричности профиля микронеровностей и их островершинности. Выявлено, что сформированная точением поверхность имеет ярко выраженное направление рисок шероховатости вдоль направления резьбовых впадин, т. е. «моноаксиальную регулярность», что может оказывать негативное воздействие на приживаемость импланта. Установлено, что пескоструйная обработка позволила достичь выгодной ориентации микронеровностей для всех образцов. Зафиксирован факт наследования показателей асимметричности и островершинности в технологическом сочетании «точение – пескоструйная обработка» при ориентации обрабатываемой поверхности под углом 90 град к оси сопла. Полученные результаты могут быть использованы в условиях реального производства при изготовлении титановых имплантов для остеосинтеза.

Работа выполнена в рамках гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых — кандидатов наук «Повышение эффективности технологии изготовления медицинских имплантов из титановых сплавов», № МК-2982.2022.4. Работа выполнена при поддержке фонда содействия инновациям России в рамках договора № 3440ГС1/57422 от 18.02.2020 (код 0057422), заявка № С1-69876, конкурс Старт-19-1 (4-я очередь).

1. Pedicle Screw System Market. Global Industry Analysis 2014–2018 and Opportunity Assessment 2019–2029. 2019 Future Market Insights.
2. Карпов В. Н., Мамонов А. М., Спектор В. С. и др. Материаловедческие и технологические аспекты проектирования высоконагруженных имплантатов из титановых сплавов // Титан. 2010. № 3(29). С. 43–51.
3. Чечулин Б. Б., Ушаков С. С., Разуваева И. Н., Гольдфайн В. Н. Титановые сплавы в машиностроении. — Л. : Машиностроение, 1977. — 248 с.
4. Varghese V., Kumar G. S., Krishnan V. Effect of various factors on pull out strength of pedicle screw in normal and osteoporotic cancellous bone models // Medical Engineering & Physics. 2017. Vol. 40. P. 28–38.
5. Liu H. et al. Comparison of the accuracy between robot-assisted and conventional freehand pedicle screw placement: a systematic review and meta-analysis // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. 2016. Vol. 11. P. 2273–2281.
6. Павлова Т. В., Павлова Л. А., Нестеров А. В. и др. Сравнительная характеристика костей черепа при имплантации биокомпозитов титана в структуре покрытия, содержащих морфогенетический белок BMP-2 // Бюллетень экспериментальной биологии и медицины. 2014. Т. 158. № 8. С. 246–249.
7. Павлова Л. А., Кривецкий Л. А., Нестеров В. В. и др. Характеристика репаративных процессов при применении биокомпозитов, содержащих ВМР-2 на основе имплантов наноструктурного титана, на ранних стадиях регенерации // Системный анализ и управление в биомедицинских системах. 2010. Т. 9. № 1. С. 200–203.
8. Heinrich A., Dengler K., Koerner T. и др. Лазерное модифицирование титановых имплантатов с целью улучшения клеточной адгезии // Медицинский алфавит. 2010. Т. 4, № 16. С. 47–50.
9. Мишина К. С. Биоактивные покрытия для ортопедических имплантов — последние тренды в развитии имплантных покрытий // Наука и молодежь: проблемы, поиски, решения : Труды Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, Новокузнецк, 14–16 мая 2019 г. — Новокузнецк : Сибирский государственный индустриальный университет, 2019. С. 331–333.
10. Calvarese M. et al. Recent developments and advances of femtosecond laser ablation: Towards image-guided microsurgery probes // TrAC Trends in Analytical Chemistry. 2023. Vol. 167. 117250.
11. Ionin A. A., Kudryashov S. I., Samokhin A. A. Material surface ablation produced by ultrashort laser pulses // Physics-Uspekhi. 2017. Vol. 60, Iss. 2. P. 149–160.
12. Ashforth S. A. et al. Femtosecond lasers for high-precision orthopedic surgery // Lasers in Medical Science. 2020. Vol. 35. P. 1263–1270.

13. Li C. L. et al. Orthopedics-related applications of ultrafast laser and its recent advances // Applied Sciences. 2022. Vol. 12, Iss. 8. 3957.
14. Nazarov D. V. et al. Enhanced osseointegrative properties of ultra-fine-grained titanium implants modified by chemical etching and atomic layer deposition // ACS Biomaterials Science & Engineering. 2018. Vol. 4, Iss. 9. P. 3268–3281.
15. Hayles A. et al. Hydrothermally etched titanium: A review on a promising mechano-bactericidal surface for implant applications // Materials Today Chemistry. 2021. Vol. 22. 100622.
16. Chouirfa H. et al. Review of titanium surface modification techniques and coatings for antibacterial applications // Acta Biomaterialia. 2019. Vol. 83. P. 37–54.
17. Singh G. et al. Impact of post-heat-treatment on the surfaceroughness, residual stresses, and micromorphology characteristics of plasma-sprayed pure hydroxyapatite and 7%-Aloxite reinforced hydroxyapatite coatings deposited on titanium alloybased biomedical implants // Journal of Materials Research and Technology. 2022. Vol. 18. P. 1358–1380.
18. Bourne R. B. et al. Ingrowth surfaces: plasma spray coating to titanium alloy hip replacements // Clinical Orthopaedics and Related Research (1976–2007). 1994. Vol. 298. P. 37–46.
19. Veronesi F. et al. Osseointegration is improved by coating titanium implants with a nanostructured thin film with titanium carbide and titanium oxides clustered around graphitic carbon // Materials Science and Engineering: C. 2017. Vol. 70. P. 264–271.
20. Азизов Р. О., Вохидов А. А., Мирзамидинов И. М., Дадоджонов М. Повышение качества поверхности стальных деталей пескоструйной обработкой // Политехнический вестник. Серия: Инженерные исследования. 2019. № 1(45). С. 103–109.
21. Алонцева Д. Л., Русакова А. В., Прохоренкова Н. В. и др. Исследование пористости, шероховатости и коррозионной стойкости биосовместимых покрытий, напыленных плазмой на титановые импланты // Вестник Восточно-Казахстанского государственного технического университета им. Д. Серикбаева. 2019. № 2. С. 70–77.
22. Gittens R. A., Olivares-Navarrete R., Schwartz Z., Boyan B. D. Implant osseointegration and the role of microroughness and nanostructures: lessons for spine implants // Acta Biomater. 2014. Vol. 8, Iss. 10. P. 3363–3371.
23. Ding Q., Wu Z., Tao K. et al. Environment tolerant, adaptable and stretchable organohydrogels: preparation, optimization, and applications // Materials Horizons. 2022. Vol. 9. P. 1356–1386.
24. Плотников А. Л., Сергеев А. С., Зайцева Н. Г. Особенности формирования высоты микронеровностей при токарной обработке коррозионно-стойких сталей и разработка математических моделей для расчета задаваемого значения параметра шероховатости Ra обрабатываемой поверхности // Металлообработка. 2015. № 2(86). С. 2–6.