Actual problems in dentistry Actual problems in dentistry Проблемы стоматологии 2077-7566 2412-9461 37484 10.18481/2077-7566-20-16-1-171-177 ОРТОПЕДИЧЕСКАЯ СТОМАТОЛОГИЯ ORTHOPEDIC DENTISTRY ОРТОПЕДИЧЕСКАЯ СТОМАТОЛОГИЯ FUNCTIONAL NANOSTRUCTURED MATERIALS BASED ON TITANIUM DIOXIDE FOR USE IN ORTHOPEDIC DENTISTRY ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ ДИОКСИДА ТИТАНА ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В ОРТОПЕДИЧЕСКОЙ СТОМАТОЛОГИИ Шулятникова Оксана Александровна Shulyatnikova Oksana Aleksandrovna anasko06@mail.ru

доктор медицинских наук;

doctor of medical sciences;

 Рогожников Геннадий Иванович Rogozhnikov Gennadiy I. alekstomat@yandex.ru

доктор медицинских наук;

doctor of medical sciences;

 Порозова Светлана Евгеньевна Porozova Svetlana Evgen'evna Леушина Елена Александровна Leushina Elena Aleksandrovna lenaleushina@mail.ru Рогожников Алексей Геннадьевич Rogozhnikov Aleksey Gennad'evich alekstomat@yandex.ru

кандидат медицинских наук;

candidate of medical sciences;

 Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е. А. Вагнера Пермь Россия Perm State Medical University named after Academician E. A. Vagner Perm Russian Federation Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е. А. Вагнера Пермь Россия Perm State Medical University named after Academician E. A. Vagner Perm Russian Federation Лаборатория биохимии развития микроорганизмов Института экологии и генетики микроорганизмов УрО РАН Пермь Россия Laboratory of biochemistry of microorganisms development Of Institute of ecology and genetics of microorganisms of UB RAS Perm Russian Federation ФГБОУ ВО «Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е.А. Вагнера» Минздрава России Пермь Россия Perm State medical University n.a. Academican E.A. Wagner Perm Russian Federation Пермский государственный медицинский университет им. академика Е.А. Вагнера Пермь Россия Perm State Medical University named after academician E.A. Wagner Perm Russian Federation 16 1 171 177 https://dental-press.ru/en/nauka/article/37484/view

Предмет. Создание функциональных керамических покрытий на основе диоксида титана для изготовления ортопедических конструкций, в том числе дентальных имплантатов и систем для остеосинтеза, позволяет предупредить возможные осложнения при стоматологическом хирургическом и ортопедическом лечении за счет улучшения процессов остеоинтеграции. Цель ― разработка отечественной авторской технологии получения нанопорошка и функционального покрытия на основе диоксида титана, свободных от химических примесей, которые могут найти применение в практике ортопедической стоматологии для конструирования зубных и челюстных протезов, а также имплантационных систем. Методология. Разработана и предложена авторская методика нанесения на изделия медицинского назначения, выполненных из титана, наноструктурированного поверхностного слоя диоксида титана. Для обеспечения доказательной базы преимуществ использования предложенного диоксидтитанового покрытия проведены экспериментальное исследование его химической однородности и свободы от примесей, а также оценка силы адгезии между оксидным слоем с нанесенным диоксидом титана в фазе анатаз и поверхностью титанового носителя. Результаты. При спектроскопии комбинационным рассеянием света нанопорошка диоксида титана не констатированы посторонние химические примеси. По результатам метода тепловой десорбции азота удельная поверхность порошка диоксида титана составила 67-70 м2/г, средний рассчитанный размер частиц ― 20-22 нм. Методом оптической микроскопии показано, что средняя толщина оксидного слоя (фаза рутил) составляет 15±5 мкм, анатаза ― 70±10 мкм, сила адгезии между оксидным слоем (фаза рутил) и титановой основой ― 6,3±0,1 МПа, при нанесении анатаза ― 4,9±0,1 МПа. При исследовании силы адгезии функционального диоксидтитанового покрытия с титановой основой установлено, что начало отслоения происходит при нагрузке 8,6 Н. Выводы. Проведенные исследования высокоразвитого функционального поверхностного слоя наноструктурированного диоксида титана свидетельствуют о широких возможностях его применения в практической деятельности врача-стоматолога.

Subject. The creation of functional ceramic coatings based on titanium dioxide for the manufacture of orthopedic structures, including dental implants and systems for osteosynthesis, helps to prevent possible complications during dental surgical and orthopedic treatment by improving the processes of osseointegration. The goal is to develop domestic proprietary technology for producing nanopowders and functional coatings based on titanium dioxide, free of chemical impurities, which can be used in the practice of orthopedic dentistry for the construction of dental and maxillary prostheses, as well as implant systems. Methodology. The authors developed and proposed a method for applying to medical devices made of titanium, a nanostructured surface layer of titanium dioxide. To provide an evidence base for the advantages of using the proposed titanium dioxide coating, an experimental study was made of its chemical uniformity and freedom from impurities, as well as an assessment of the adhesion force between the oxide layer deposited by titanium dioxide in the anatase phase and the surface of the titanium support. Results. During Raman spectroscopy, titanium dioxide nanopowder did not detect extraneous chemical impurities. According to the results of the method of thermal desorption of nitrogen, the specific surface of the titanium dioxide powder was 67-70 m2 / g, and the average calculated particle size was 20-22 nm. It was shown by optical microscopy that the average thickness of the oxide layer (rutile phase) is 15 ± 5 μm, anatase is 70 ± 10 μm, the adhesion force between the oxide layer (rutile phase) and the titanium base is 6.3 ± 0.1 MPa, at applying anatase - 4.9 ± 0.1 MPa. In the study of the adhesion force of a functional titanium dioxide coating with a titanium base, it was found that the onset of peeling occurs at a load of 8.6 N. Conclusions. Studies of a highly developed functional surface layer of nanostructured titanium dioxide indicate the wide possibilities of its use in the practice of a dentist.

 диоксид титана функциональное покрытие сила адгезии дентальная имплантация нанопорошок titanium dioxide functional coating adhesion force dental implantation nanopowder

Баринов, С. М. Керамические и композиционные материалы на основе фосфатов кальция для медицины / С. М. Баринов // Успехи химии. - 2010. - № 1 (79). - С. 15-32. doi.org/10.1070/RC2010v079n01ABEH004098 Barinov, S. M. (2010). Keramicheskiye i kompozitsionnyye materialy na osnove fosfatov kal'tsiya dlya meditsiny [Ceramic and composite materials based on calcium phosphates for medicine]. Uspekhi khimii [Success of chemistry], 1 (79), 15-32. (In Russ.) doi.org/10.1070/RC2010v079n01ABEH004098 Лебеденко, И. Ю. Использование отечественных сплавов благородных металлов в ортопедической стоматологии / И. Ю. Лебеденко, В. А. Парунов, С. В. Анисимова // Стоматология. - 2006. - № 5. - С. 52-55. Lebedenko, I. Yu., Parunov, V. A., Anisimova, S. V. (2006). Ispol'zovaniye otechestvennykh splavov blagorodnykh metallov v ortopedicheskoy stomatologii [The use of domestic alloys of precious metals in orthopedic dentistry]. Stomatologiya [Dentistry], 5, 52- 55. (In Russ.) Улучшение функциональных характеристик интрамедуллярных имплантатов путем нанесения многослойных биосовместимых покрытий / Н. Н. Богомолова, А. И. Мальчихина, Е. В. Шестериков, С. И. Твердохлебов [и др.] // Материалы III Международной научно-практической конференции. Особенности формирования наноструктурированных биокерамических покрытий. - Томск, 2013. - С. 17-21. Bogomolova, N. N., Malchikhina, A. I., Shesterikov, E. V., Tverdokhlebov, S. I. et al. (2013). Uluchsheniye funktsional'nykh kharakteristik intramedullyarnykh implantatov putem primeneniya mnogosloynykh biosovmestimykh pokrytiy [Improving the functional characteristics of intramedullary implants by applying multilayer biocompatible coatings]. Materialy III Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Osobennosti formirovaniya nanostrukturirovannykh biokeramicheskikh pokrytiy [Materials of the III International Scientific and Practical Conference. Features of the formation of nanostructured bioceramic coatings], Tomsk, 17-21. (In Russ.) Жолудев, С. Е. Металлы и сплавы, применяемые в ортопедической стоматологии / С. Е. Жолудев. - Екатеринбург, 1995. - 70 с. Zholudev, S. E. (1995). Metally i splavy, primenyayemyye v ortopedicheskoy stomatologii [Metals and alloys used in orthopedic dentistry]. Ekaterinburg, 70. (In Russ.) Кипарисов, Ю. С. Эффективность ортопедического лечения пациентов с приобретенными дефектами челюстно-лицевой области с применением дентальных мини-имплантатов / Ю. С. Кипарисов // Пермский медицинский журнал. - 2016. - № 3 (33). - С. 110-114. Kiparisov, Yu. S. (2016). Effektivnost' ortopedicheskogo lecheniya patsiyentov s defektami chelyustno-litsevoy oblasti s uchetom dental'nykh mini-implantatov [The effectiveness of orthopedic treatment of patients with acquired defects of the maxillofacial region using dental mini-implants]. Permskiy meditsinskiy zhurnal [Perm Medical Journal], 3 (33), 110-114. (In Russ.) Сплавы титана в ортопедической стоматологии / Г. И. Рогожников, В. А. Четвертных [и др.]. - Пермь : Пермская государственная медицинская академия, 2007. - 192 с. Rogozhnikov, G. I., Chetvertnykh, V. A. et al. (2007). Splavy titana v ortopedicheskoy stomatologii [Titanium alloys in orthopedic dentistry]. Perm : Perm State Medical Academy, 192. (In Russ.) Трофимов, В. В. Титан, сплавы титана и применение их в стоматологии / В. В. Трофимов, О. В. Федчишин, В. А. Клименов // Сибирский медицинский журнал. - 2009. - № 7 (90). - С. 10-12. Trofimov, V. V., Fedchishin, O. V., Klimenov, V. A. (2009). Titan, splavy titana i primeneniye ikh v stomatologii [Titanium, titanium alloys and their use in dentistry]. Sibirskiy meditsinskiy zhurnal [Siberian Medical Journal], 7 (90), 10-12. (In Russ.) Prosthetic treatments for patients with oronasal communication / M. C. Goiato, D. M. dos Santos, A. J. Moreno [et al.] // Cranioface Surg. - 2011. - № 22 (4). - P. 1445-1447. Goiato, M. C., dos Santos, D. M., Moreno, A. et al. (2011). Prosthetic treatments for patients with oronasal communication. J. Cranioface Surg, 22 (4), 1445-1447. Clinical outcome of metal-ceramic crowns fabricated with laser-sintering technology / M. A. Tara, S. Eschbach, F. Bohlsen, M. Kern // Int. J. Prosthodont. - 2011. - № 24. - P. 46-48. Tara, M. A., Eschbach, S., Bohlsen, F., Kern, M. (2011). Clinical outcome of metal-ceramic crowns fabricated with laser-sintering technology. Int. J. Prosthodont, 24, 46-48. Анциферов, В. Н. Нанотехнологии и наноматериалы, риски / В. Н. Анциферов, И. В. Анциферова. - Екатеринбург : УрО РАН, 2014. - 222 с. Antsiferov, V. N., Antsiferova, I. V. (2014). Nanotekhnologii i nanomaterialy, riski [Nanotechnology and nanomaterials, risks]. Ekaterinburg : Ural Branch of RAS, 222. (In Russ.) Закономерности формирования биоактивных/биоинертных покрытий и их влияние на свойства медицинских титановых сплавов / Ю. Р. Колобов, Г. В. Храмов, С. И. Кудряшов, А. Ю. Колобова // Материалы Международной научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». - Томск, 2010. - С. 107-112. Kolobov, Yu. R., Khramov, G. V., Kudryashov, S. I., Kolobova, A. Yu. (2010). Zakonomernosti formirovaniya bioaktivnykh/bioinertnykh pokrytiy i ikh vliyaniye na svoystva meditsinskikh titanovykh splavov [Patterns of formation of bioactive / bioinert coatings and their effect on the properties of medical titanium alloys]. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Novyye tekhnologii sozdaniya i primeneniya biokeramiki v vosstanovitel'noy meditsine» [Materials of the International scientific-practical conference "New technologies for the creation and use of bioceramics in regenerative medicine"], Tomsk, 107-112. (In Russ.) Формирование биосовместимых покрытий с заданными свойствами / В. П. Игнатов [и др.] // Биоматериалы в медицине : сборник тезисов докладов. Всероссийское совещание. - Москва, 2009. - С. 43-44. Ignatov, V. P. et al. (2009). Formirovaniye biosovmestimykh pokrytiy s zadannymi svoystvami [Formation of biocompatible coatings with desired properties]. Sbornik tezisov dokladov «Biomaterialy v meditsine». Vserossiyskoye soveshchaniye [Collection of abstracts of reports “Biomaterials in medicine”. All-Russian meeting], Moscow, 43-44. (In Russ.) Шулятникова, О. А. Морфологическое исследование органов и тканей экспериментальных животных при внутримышечной имплантации диоксидтитановых образцов с наноструктурированной поверхностностью (экспериментально-лабораторное исследование) / О. А. Шулятникова, Г. И. Рогожников // Уральский медицинский журнал. - 2017. - № 3 (147). - С. 63-67. Shuliatnikova, O. A., Rogozhnikov, G. I. (2017). Morfologicheskoye issledovaniye organov i tkaney eksperimental'nykh zhivotnykh pri vnutrimyshechnoy implantatsii dioksidtitanovykh obraztsov s nanostrukturirovannoy poverkhnostnost'yu (eksperimental'no-laboratornoye issledovaniye [Morphological study of organs and tissues of experimental animals during intramuscular implantation of titanium dioxide samples with nanostructured surface (experimental laboratory study)]. Ural'skiy meditsinskiy zhurnal [Ural Medical Journal], 3 (147), 63-67. (In Russ.) Улучшение функциональных характеристик интрамедуллярных имплантатов путем нанесения многослойных биосовместимых покрытий / Н. Н. Богомолова, А. И. Мальчихина, Е. В. Шестериков [и др.] // Материалы III Международной научно-практической конференции. Особенности формирования наноструктурированных биокерамических покрытий. - Томск, 2013. - С. 17-21. Bogomolova, N. N., Malchikhina, A. I., Shesterikov, E. V. et al. (2013). Uluchsheniye funktsional'nykh kharakteristik intramedullyarnykh implantatov putem naneseniya mnogosloynykh biosovmestimykh pokrytiy [Improving the functional characteristics of intramedullary implants by applying multilayer biocompatible coatings]. Materialy III Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii. Osobennosti formirovaniya nanostrukturirovannykh biokeramicheskikh pokrytiy [Materials of the III International Scientific and Practical Conference. Features of the formation of nanostructured bioceramic coatings], Tomsk, 17-21. (In Russ.) Лазерное модифицирование титановых имплантатов с целью улучшения клеточной адгезии / A. Heinrich, K. Dengler [et al.] // Стоматолог-практик. - 2014. - № 4. - C. 7-9. Heinrich, A., Dengler, K., et al. (2014). Lazernoye modifitsirovaniye titanovykh implantatov s tsel'yu uluchsheniya kletochnoy adgezii [Laser modification of titanium implants to improve cell adhesion]. Stomatolog-praktik [Dental practitioner], 4, 7-9. (In Russ.) Материалы для покрытия имплантатов и керамика на основе гидроксиаппатита с замещениями / М. В. Чайкина, Н. В. Булина, И. Ю. Просанов [и др.] // Материалы Международной научно-практической конференции «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». - Томск, 2010. - С. 190-196. Chaykina, M. V., Bulina, N. V., Prosanov, I. Yu. et al. (2010). Materialy dlya pokrytiya implantatov i keramika na osnove gidroksiappatita s zameshcheniyami [Materials for coating implants and ceramics based on hydroxyappatite with substitutions]. Materialy Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii «Novyye tekhnologii sozdaniya i primeneniya biokeramiki v vosstanovitel'noy meditsine» [Materials of the International scientific-practical conference "New technologies for the creation and use of bioceramics in regenerative medicine"], Tomsk, 190-196. (In Russ.) Лясникова, А. В. Технология создания многофункциональных композиционных покрытий / А. В. Лясникова, О. А. Дударева. - Москва : Спецкнига, 2012. - 301 с. Lyasnikova, A. V., Dudareva, O. A. (2012). Tekhnologiya sozdaniya mnogofunktsional'nykh kompozitsionnykh pokrytiy [Technology for creating multifunctional composite coatings]. Moscow : Special book, 301. (In Russ.) Мельникова, И. П. Исследование возможности повышения функциональных характеристик биосовместимых покрытий медицинских имплантатов за счет изменения морфологии частиц порошков перед электроплазменным напылением / И. П. Мельникова, А. В. Лясникова, В. Н. Лясников // Вестник Саратовского государственного технического университета. - 2010. - № 3(46). - С. 68-76. Melnikova, I. P., Lyasnikova, A. V., Lyasnikov, V. N. (2010). Issledovaniye vozmozhnosti povysheniya funktsional'nykh kharakteristik biosovmestimykh pokrytiy meditsinskikh implantatov za schet izmeneniya morfologii chastits poroshkov pered elektroplazmennym napyleniyem [Investigation of the possibility of increasing the functional characteristics of biocompatible coatings of medical implants by changing the morphology of powder particles before electroplasma spraying]. Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta [Bulletin of the Saratov State Technical University], 3 (46), 68-76. (In Russ.) Мельникова, И. П. Особенности формирования наноструктурированных биокерамических покрытий / И. П. Мельникова, А. В. Лясникова, В. Н. Лясников // Материалы III Международной научно-практической конференции. - Томск, 2013. - С. 107-112. Melnikova, I. P., Lyasnikova, A. V., Lyasnikov, V. N. (2013). Osobennosti formirovaniya nanostrukturirovannykh biokeramicheskikh pokrytiy [Features of the formation of nanostructured bioceramic coatings]. Materialy III Mezhdunarodnoy nauchno-prakticheskoy konferentsii [Materials of the III International Scientific and Practical Conference], Tomsk, 107-112. (In Russ.) Синтез и свойства нанопорошка диоксида титана для получения функциональных материалов / А. А. Гуров, В. И. Карманов, С. Е. Порозова, В. О. Шоков // Вестник ПНИПУ : Машиностроение, материаловедение. - 2014. - № 1. - С. 23-29. Gurov, A. A., Karmanov, V. I., Porozova, S. E., Shokov, V. O. (2014). Sintez i svoystva nanoporoshka dioksida titana dlya polucheniya funktsional'nykh materialov [Synthesis and properties of titanium dioxide nanopowder to obtain functional materials]. Vestnik PNIPU: Mashinostroyeniye, materialovedeniye [Bulletin of PNIPU: Engineering, materials science], 1, 23-29. (In Russ.) Гуров, А. А. Создание полифазный керамических образцов на основе наноразмерного диоксида титана / А. А. Гуров, С. Е. Порозова // Master’s Journal. - 2016. - № 1. - С. 36-40. Gurov, A. A., Porozova, S. E. (2016). Sozdaniye polifaznyy keramicheskikh obraztsov na osnove nanorazmernogo dioksida titana [Creating polyphase ceramic samples based on nanoscale titanium dioxide]. Master’s Journal [Master’s Journal], 1, 36-40. (In Russ.) Гуров, А. А. Получение диоксида титана из водно-этанольных растворов с полимерными добавками / А. А. Гуров, С. Е. Порозова // Сб. материалов III Всероссийской молодежной конференции с элементами научной школы «Функциональные материалы и высокочистые вещества». - Москва : ИМЕТ РАН, РХТУ им. Д. И. Менделеева, 2012. - С. 187-188. Gurov, A. A., Porozova, S. E. (2012). Polucheniye dioksida titana iz vodno-etanol'nykh rastvorov s polimernymi dobavkami [Obtaining titanium dioxide from water-ethanol solutions with polymer additives]. Sbornik materialov III Vserossiyskoy molodezhnoy konferentsii s elementami nauchnoy shkoly «Funktsional'nyye materialy i vysokochistyye veshchestva». M.: Izd - vo IMET RAN, RKHTU im. D.I. Mendeleyeva [The collection of materials of the III All-Russian youth conference with elements of the scientific school "Functional materials and high-purity substances"], Moscow : Publishing House - IMET RAS, RCTU named after DI. Mendeleev, 187-188. (In Russ.) Способ модифицирования поверхности титановых имплантатов / А. А. Гуров, С. Е. Порозова, О. А. Шулятникова, А. Г. Рогожников // Официальный бюллетень. Изобретения, полезные модели. - 2017. - № 26 (2630578). - C. 3. Gurov, A. A., Porozova, S. E., Rogozhnikov, A. G., Shuliatnikova, O. A. (2017). Sposob modifitsirovaniya poverkhnosti titanovykh implantatov [The method of surface modification of titanium implants]. Ofitsial'nyy byulleten'. Izobreteniya, poleznyye modeli [Official newsletter. Inventions, utility models], 26 (2630578), 3. (In Russ.) Дентальный имплантат / О. А. Шулятникова, Г. И. Рогожников, С. Е. Порозова, В. П. Коробов, А. Г. Рогожников, Л. М. Лемкина // Официальный бюллетень. Изобретения, полезные модели. - 2015. - № 22 (153902). - С. 3. Shuliatnikova, O. A., Rogozhnikov, G. I., Porozova, S. E. et al. (2015). Dental'nyy implantat [Dental implant]. Ofitsial'nyy byulleten'. Izobreteniya, poleznyye modeli [Official newsletter. Inventions, utility models], 22 (153902), 3. (In Russ.) Справочник оператора установок по нанесению покрытий в вакууме / А. И. Костржицкий, В. Ф. Карпов, М. П. Кабанченко [и др.]. - Москва : Машиностроение, 1991. - 176 с. Kostrzhitsky, A. I., Karpov, V. F., Kabanchenko, M. P. et al. (1991). Spravochnik operatora ustanovok po naneseniyu pokrytiy v vakuume [Vacuum Coating Machine Operator's Guide]. Moscow : Engineering, 176. (In Russ.) Путляев, В. И. Современные биокерамические материалы / В. И. Путляев // Соросовский образовательный журнал. - 2004. - № 1 (8). - С. 44-50. Putlyaev, V. I. (2004). Sovremennyye biokeramicheskiye materialy [Modern bioceramic materials]. Sorosovskiy obrazovatel'nyy zhurnal [Soros Educational Journal], 1 (8), 44-50. (In Russ.)