RU2650221C1 - Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане - Google Patents
Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане Download PDFInfo
- Publication number
- RU2650221C1 RU2650221C1 RU2017107135A RU2017107135A RU2650221C1 RU 2650221 C1 RU2650221 C1 RU 2650221C1 RU 2017107135 A RU2017107135 A RU 2017107135A RU 2017107135 A RU2017107135 A RU 2017107135A RU 2650221 C1 RU2650221 C1 RU 2650221C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- titanium
- tantalum
- technical
- carried out
- coatings
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 239000010936 titanium Substances 0.000 title claims abstract description 44
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 43
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 41
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 35
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 24
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 title abstract description 9
- 229910052715 tantalum Inorganic materials 0.000 claims abstract description 41
- GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N tantalum atom Chemical compound [Ta] GUVRBAGPIYLISA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 36
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims abstract description 15
- 230000006698 induction Effects 0.000 claims abstract description 12
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims abstract description 3
- 238000005275 alloying Methods 0.000 claims description 13
- 238000012545 processing Methods 0.000 claims description 7
- 229910001936 tantalum oxide Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);titanium(4+) Chemical class [O-2].[O-2].[Ti+4] SOQBVABWOPYFQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 3
- OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N titanium oxide Inorganic materials [Ti]=O OGIDPMRJRNCKJF-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000007943 implant Substances 0.000 description 18
- 230000008569 process Effects 0.000 description 13
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 8
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 7
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 6
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 5
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 4
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 4
- 239000000463 material Substances 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N Formaldehyde Chemical compound O=C WSFSSNUMVMOOMR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 3
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 3
- BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N oxygen(2-);tantalum(5+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[O-2].[Ta+5].[Ta+5] BPUBBGLMJRNUCC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 3
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 3
- 238000004626 scanning electron microscopy Methods 0.000 description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N Phosphoric acid Chemical compound OP(O)(O)=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000012620 biological material Substances 0.000 description 2
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 description 2
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000009833 condensation Methods 0.000 description 2
- 230000005494 condensation Effects 0.000 description 2
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 2
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 2
- 239000000834 fixative Substances 0.000 description 2
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- -1 metal oxide compounds Chemical class 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 2
- 238000007738 vacuum evaporation Methods 0.000 description 2
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 229910001069 Ti alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000147 aluminium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 1
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 1
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 210000002808 connective tissue Anatomy 0.000 description 1
- 239000013068 control sample Substances 0.000 description 1
- 238000003851 corona treatment Methods 0.000 description 1
- 239000004053 dental implant Substances 0.000 description 1
- 230000002500 effect on skin Effects 0.000 description 1
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 0.000 description 1
- 230000014509 gene expression Effects 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 229910052738 indium Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 229910044991 metal oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 244000309715 mini pig Species 0.000 description 1
- 230000037311 normal skin Effects 0.000 description 1
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 description 1
- 238000013021 overheating Methods 0.000 description 1
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 1
- 230000035755 proliferation Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N tantalum pentoxide Chemical compound O=[Ta](=O)O[Ta](=O)=O PBCFLUZVCVVTBY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
- 238000007751 thermal spraying Methods 0.000 description 1
- 150000003608 titanium Chemical class 0.000 description 1
- 230000001988 toxicity Effects 0.000 description 1
- 231100000419 toxicity Toxicity 0.000 description 1
- 238000012795 verification Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/04—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge characterised by the coating material
- C23C4/10—Oxides, borides, carbides, nitrides or silicides; Mixtures thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C23—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
- C23C—COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
- C23C4/00—Coating by spraying the coating material in the molten state, e.g. by flame, plasma or electric discharge
- C23C4/18—After-treatment
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Materials For Medical Uses (AREA)
- Prostheses (AREA)
Abstract
Изобретение относится к области медицинской техники и приборостроения, а именно к технологии формирования наноструктурированных оксидных покрытий системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy на изделиях из технического титана, в том числе имплантируемых внутрикостных конструкциях. Способ формирования наноструктурированного танталсодержащего оксидного покрытия на поверхности изделия из технического титана включает электроискровое легирование титановой основы танталом и термомодифицирующую обработку путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере, при этом электроискровое легирование проводят при плотности тока 250-800 кА/м2, а термомодифицирующую обработку изделий осуществляют при температуре 950-1000°С в течение 0,25-0,5 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и потребляемой удельной электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг, после чего проводят охлаждение на воздухе. Изобретение направлено на формирование на поверхности изделий из технического титана покрытий с твердостью 10-11,5 ГПа при величине модуля упругости 400-550 ГПа, состоящих из оксидов тантала и титана, с размером структурных элементов от 30 до 120 нм. 3 пр., 1 табл., 5 ил.
Description
Изобретение относится к области медицинской техники и приборостроения, а именно к технологии формирования наноструктурированных оксидных покрытий системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy на изделиях из технического титана, в том числе имплантируемых внутрикостных конструкциях.
Считается, что взаимодействие материала поверхности имплантата и костной ткани происходит на нанометровом уровне минерализованных коллагеновых фибрилл [N. Wang, Н. Li, W. Lii, J. Li, J. Wang, Z. Zhang, et al., Effects of TiO2 nanotubes with different diameters on gene expression and osseointegration of implants in minipigs, Biomaterials 32 (2011) 6900-6911; Mendonca G. et al. Advancing dental implant surface technology-from micron-to nanotopography // Biomaterials. - 2008. - T. 29. - №. 28. - C. 3822-3835.]. Имеются данные, также указывающие на то, что можно повысить качество биологической совместимости имплантируемых конструкций за счет использования тантала и его металлооксидных соединений, например, пентаоксида тантала Ta2O5, которые способствуют адгезии клеток соединительной и костной ткани [Pham V.Н. et al. Utility of tantalum (Та) coating to improve surface hardness in vitro bioactivity and biocompatibility of Co-Cr // Thin Solid Films. - 2013. - T. 536. - P. 269-274; Руднев В.С. и др. Формирование методом плазменно-электролитического оксидирования Та-содержащих оксидных покрытий на титане, их состав и строение //Физикохимия поверхности и защита материалов. - 2013. - Т. 49. - №6. - С. 654. - 660].
Поскольку тантал является дорогостоящим металлом, в основном используются покрытия на его основе, сформированные газотермическим напылением, электрохимическим осаждением и подвергаемые дальнейшей модификации. Известные способы формирования на техническом титане микро- и наноструктурированного металлокерамического покрытия, состоящего из смеси оксидов тантала и титана, характеризуются значительной продолжительностью процесса, его технологической сложностью или токсичностью используемых веществ, что способствует поиску новых путей решения имеющейся проблемы.
Известен способ формирования на титановых имплантатах многослойных покрытий на основе тантала и его оксидов [патент RU на изобретение №2040277 / В.Л., Ласка, В.П. Хомутов, Ю.А. Быстров, Б.А. Калиникос, А.В. Гришанов // Способ изготовления материала для имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза. - 1995]. Имплантируемую титановую конструкцию помещают в камеру установки вакуумного испарения, нагревают до 480-520°С при экранировании от испарений мишени из тантала, проводят геттерное испарение части мишени в течение 40-50 с, затем снимают экранирование и наносят на имплантат слой тантала заданной толщины, контролируемой при скорости конденсации 1,5-1,6 мкм/мин. Потом меняют материал мишени на оксид тантала, снижают температуру поверхности имплантата до 450-480°С и наносят оксид тантала, контролируемый при скорости конденсации 1,2-1,3 мкм/мин до получения заданной толщины.
Основным недостатком способа является технологическая сложность.
Известен также способ формирования на титановых имплантатах покрытий на основе тантала и его оксидов, и придания им электретных свойств [патент RU на изобретение №2049481 / АВ.Л., Ласка, В.П. Хомутов, Ю.А. Быстрое, Б.А. Калиникос, А.В. Гришанов // Способ изготовления имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза. - 1995]. Имплантат помещают в камеру вакуумного испарения, очищают в тлеющем разряде током 2,9-3,0 А при напряжении 490-510 В в течение 10-15 мин, затем наносят танталовое покрытие электрической дугой при токе 188-190 А и напряжении 25-30 В, а также напряжении смещения на имплантате 148-150 В в течение 5-8 мин. Остывание изделие осуществляют в вакууме в течение 35-40 мин. Затем имплантат помещают в электролитическую ванну с 0,1% раствором ортофосфорной кислоты и проводят окисление тантала при напряжении 90-110 В и токе 20 А в течение 20-30 мин. Электретные свойства оксидной пленке тантала придают путем обработки в коронном разряде до получения поверхностного потенциала 100-130 В.
Основными недостатками способа являются технологическая сложность, длительность процессов формирования слоев тантала и последующего оксидирования, использование вредных веществ.
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ формирования оксидных покрытий системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy на поверхности технического титана [Фомин А.А. и др. Микро- и наноструктура поверхности титана, подвергнутого электроискровому легированию танталом и термомодификации токами высокой частоты // Письма в ЖТФ. - 2016. - Т. 42. - В. 18. - С. 10-16]. На титановых конструкциях, предварительно очищенных в 70% водном растворе этанола, методом электроискрового легирования при токе 0,8-1,2 А, 1,5-1,8 А, и 2,0-2,2 А формируют танталовое покрытие. Затем изделия с покрытиями подвергают термомодифицирующей обработке путем индукционного нагрева токами высокой частоты в воздушной среде до температуры 800-830°С и выдержки до 5 минут.
Основными недостатками способа являются неуказанный диапазон частоты тока при индукционном нагреве, а также широкий диапазон применяемого при электроискровом легировании тока, что в результате дает широкий разброс показателей твердости и модуля упругости, размеров структурных элементов поверхности покрытия.
Техническая проблема заключается в необходимости создания технологически простого и высокопроизводительного способа формирования наноструктурированного танталсодержащего оксидного покрытия на изделиях из технически чистого титана.
Поставленная проблема решается тем, что в способе формирования наноструктурированного танталсодержащего оксидного покрытия на техническом титане, включающем электроискровое легирование титановой основы танталом и термомодифицирующую обработку путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере, после электроискрового легирования при плотности тока 250-800 кА/м2 проводят термомодифицирующую обработку при частоте тока на индукторе 90±10 кГц, потребляемой удельной электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг и температуре 950-1000°С в течение 0,25-0,5 минут, затем охлаждают на воздухе.
Техническим результатом является формирование на поверхности изделий различного назначения из технического титана, в том числе имплантируемых внутрикостных конструкций, покрытий с твердостью 10-11,5 ГПа при величине модуля упругости 400-550 ГПа, состоящих из оксидов тантала и титана, с размером структурных элементов от 30 до 120 нм, с помощью менее длительного способа.
Изобретение поясняется фигурами, на которых представлены: процесс электроискрового легирования титана танталом (Фиг. 1); процесс термомодифицирующей обработки (Фиг. 2); микро- и наноразмерная морфология поверхности оксидного покрытия, полученного электроискровым легированием танталом при плотности тока 300±30 кА/м2 и последующей термической модификацией путем индукционного нагрева до температуры 960±10°С, выдержки в течение 0,25 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц (Фиг. 3а и 3б соответственно); результаты проверки биосовместимости in vitro технического титана и оксидных покрытий, сформированных согласно предложенному способу (Фиг. 4а, 4б и 4в, 4г соответственно); микро- и наноразмерная морфология поверхности оксидного покрытия, полученного электроискровым легированием танталом при плотности тока 770±30 кА/м2 и последующей термической модификацией путем индукционного нагрева до температуры 1000°С, выдержки в течение 0,5 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц (Фиг. 5а, 5б соответственно);
На Фиг. 1 позициями 1-4 обозначены:
1 - изделие из технического титана;
2 - танталовый электрод-инструмент;
3 - токовый подвод;
4 - частица тантала.
На Фиг. 2 позициями 5-8 обозначены:
5 - покрытие;
6 - керамическая камера;
7 - водоохлаждаемый индуктор;
8 - источник питания.
Предлагаемый способ осуществляют следующим образом.
К изделию из технического титана 1 подключают катод, затем подводят танталовый электрод-инструмент 2 с токовым подводом 3 (Фиг. 1). Электроды инструмент и изделие подключают к источнику питания из расчета, что плотность тока на танталовом электроде составляет величину 250-800 кА/м2. В результате происходит пробой межэлектродного промежутка, возникает искровой разряд и происходит нагрев контактирующих поверхностей до высоких температур. В результате на поверхность изделия 1 переносится тантал, образующий закристаллизовавшуюся частицу 4 (Фиг. 1). В процессе последующей обработки из частиц перенесенного материала 4 (Фиг. 1) формируют танталовое покрытие. После процесса электроискрового легирования изделие из технического титана 1 промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе, затем помещают в керамическую камеру 6 (повторяющую форму изделия), на внешней поверхности которой размещен водоохлаждаемый индуктор 7, подключенный к источнику питания 8 (Фиг. 2). После чего изделие подвергают индукционному нагреву при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и удельной потребляемой электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг до температуры 950-1000°С, последующей выдержке в течение 0,25-0,5 минут и охлаждению на воздухе (Фиг. 2). В результате на поверхности изделия образуется оксидное покрытие 5 (Фиг. 2) с микро- и наноструктурой поверхности (Фиг. 3а и 3б).
Технологические режимы электроискрового легирования и последующей термической модификации были определены путем проведения экспериментальных исследований. Приведенные предельные значения технологических режимов обеспечивают формирование на техническом титане оксидного покрытия системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy с микро- и наноструктурой поверхности.
Предельные значения плотности тока при электроискровой обработке обусловлены тем, что величина плотности тока влияет на производительность обработки, а также на микрорельеф и твердость формируемых покрытий. Так при плотности тока менее 250 кА/м2 снижается производительность процесса. При плотности тока более 800 кА/м2 средняя величина пор формируемого после термомодификации покрытия увеличивается, а твердость снижается.
При подаче на индуктор тока частотой менее 80 кГц снижается электрический коэффициент полезного действия устройства индукционного нагрева и самого процесса обработки. При подаче на индуктор тока частотой более 100 кГц не происходит улучшение эффективности процесса обработки и наблюдается снижение коэффициента мощности.
Предельные значения потребляемой удельной электрической мощности (0,2-0,4 Вт/кг) обусловлены тем, что при величине удельной электрической мощности менее 0,2 Вт/кг будет затруднен нагрев малогабаритных титановых изделий до заданной температуры из-за потерь на излучение. При величине удельной электрической мощности более 0,4 Вт/кг увеличивается вероятность перегрева титана и, как следствие, появление трещин поверхностного слоя.
При значениях температуры нагрева менее 950°С и продолжительности процесса термомодифицирующей обработки менее 0,25 минут образуется оксидное покрытие, не обладающее наноструктурированной морфологией поверхности. При значениях температуры нагрева более 1000°С и продолжительности термообработки более 0,5 минуты образуются оксидные покрытия с размером оксидных кристаллов до 1 мкм.
Примеры выполнения способа.
Пример 1. Стоматологический цилиндрический имплантат с диаметром 3,7 мм и длиной 10 мм, изготовленный из технического титана марки ВТ 1-00 подвергают электроискровому легированию танталом при плотности тока 300±30 кА/м2. Затем промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе. После чего имплантат размещают в кварцевой камере с внутренним диаметром 5 мм и длиной 20 мм и подвергают индукционному нагреву до температуры 960±10°С и выдерживают в течение 0,25 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц. После проведения процесса термомодифицирующей обработки имплантат охлаждают на воздухе до комнатной температуры. В результате на поверхности имплантата из технического титана образуется покрытие системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy, толщиной 1-3 мкм, твердостью Н=10,0±0,5 ГПа, модулем упругости 518±10 ГПа.
Структурное состояние покрытий изучалось методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе «MIRA II LMU». Микроструктура поверхности повторяет рельеф танталового покрытия до термомодифицирующей обработки (Фиг. 3а). Наноструктура поверхности характеризуется наличием структурных элементов размером 30-80 нм (Фиг. 3б).
Проверка биосовместимости образцов из технического титана ВТ 1-00 с покрытиями проводилась в условиях in vitro. В качестве контрольных образцов использовались пластинки из титана, подвергнутые воздушно-абразивной обработке. Для исследования были использованы дермальные фибробласты человека, выделенные методом миграции из фрагментов нормальной кожи. Продолжительность культивирования составила 7 суток, что считается достаточным для протекания стадий адгезии и начала пролиферации. Далее образцы покрытий с клетками подвергались фиксирующей обработке формальдегидом и последующему изучению с применением РЭМ. Проверка биосовместимости in vitro оксидных покрытий, сформированных по предложенному способу, показала, что клетки фибробластов более стабильно закрепляются на поверхности покрытия (Фиг. 4в, 4г), чем на поверхности контрольных образцов из технического титана (Фиг. 4а, 4б), что свидетельствует о высоком уровне биосовместимости оксидных покрытий, полученных по предложенному способу.
Пример 2. Винтовую внутрикостную поверхность стержневого фиксатора для наружного чрескостного остеосинтеза диаметром 4 мм и длиной 50 мм, изготовленного из технического титана марки ВТ 1-0, подвергают электроискровому легированию танталом при плотности тока 500±30 кА/м2. Затем промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе. После чего имплантат размещают в кварцевой камере оксидирования с внутренним диаметром 6 мм и длиной 60 мм. Имплантат подвергают индукционному нагреву до температуры 970±10°С и выдерживают в течение 0,3 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц. После проведения процесса термомодифицирующий обработки, фиксатор охлаждают на воздухе до комнатной температуры. В результате на поверхности имплантата из технического титана образуется покрытие системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy, толщиной 2-4 мкм, твердостью Н=10,4±0,5 ГПа, модулем упругости 525±10 ГПа с микро- и наноструктурой поверхности аналогичной получаемой согласно примеру 1. Морфология поверхности характеризуется наличием оксидных кристаллов размером 40-90 нм. Проверка биосовместимости in vitro показала результаты аналогичные проведенным в примере 1.
Пример 3. На пластине-заготовке устройства для накопления заряда и энергии электрического поля из диска технического титана ВТ 1-0 диаметром 14 мм и высотой 2 мм методом электроискрового легирования танталом при плотности тока 770±30 кА/м2 формируют микропористое металлическое покрытие. Затем промывают в дистиллированной воде и сушат на воздухе. После чего заготовку вертикально посредством оснастки размещают в кварцевой камере оксидирования с внутренним диаметром 14 мм и длиной 40 мм и подвергают индукционному нагреву до температуры 1000°С и выдерживают в течение 0,5 минуты при частоте тока на индукторе 90±10 кГц. После проведения процесса термомодификации заготовку охлаждают на воздухе до комнатной температуры. На поверхности основы из технического титана образуется покрытие толщиной до 7 мкм, твердостью Н=11,3±0,5 ГПа, модулем упругости 552±10 ГПа с микро- и наноструктурой поверхности, характеризуемой наличием структурных элементов размером 40-120 нм (Фиг. 5а и 5б).
Для подтверждения формирования на поверхности технического титана наноструктурированных оксидных покрытий в результате обработки, описанной в предложенном способе, были проведены исследования морфологии, а также измерения твердости и модуля упругости.
Исследовались образцы из титанового сплава ВТ 1-0 с оксидными покрытиями, сформированными по способу, описанному в примерах 1, 2 и 3. Твердость и модуль упругости оксидных покрытий оценивались методом наноиндентирования, с использованием тестера механических свойств NANOVEA Ergonomic Workstation при нагрузке 100 мН (ГОСТ 8.748-2011, ISO 145771-2002).
Результаты растровой электронной микроскопии показали, что микроструктура поверхности представляет собой рельеф исходной титановой основы после проведения электроискрового легирования танталом (Фиг. 3а, 5а). Исследование в нанометровом масштабе выявило структуру поверхности покрытия, представленную структурными элементами с размером от 40 до 120 нм (Фиг. 3б, 5б).
Результаты измерения твердости и модуля упругости представлены в таблице. В результате процесса термомодификации формируются покрытия с высокими показателями твердости.
Примечание: «*» - контрольный образец.
Из полученных результатов следует, что предложенный способ позволяет формировать наноструктурированные танталсодержащие оксидные покрытия системы Ti-Ta-(Ti,Ta)xOy на изделиях из технического титана.
Claims (1)
- Способ формирования наноструктурированного танталсодержащего оксидного покрытия на поверхности изделия из технического титана, включающий электроискровое легирование титановой основы танталом и термомодифицирующую обработку путем индукционного нагрева в воздушной атмосфере, отличающийся тем, что электроискровое легирование проводят при плотности тока 250-800 кА/м2, а термомодифицирующую обработку изделий осуществляют при температуре 950-1000°С в течение 0,25-0,5 минут при частоте тока на индукторе 90±10 кГц и потребляемой удельной электрической мощности 0,2-0,4 Вт/кг, после чего проводят охлаждение на воздухе.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017107135A RU2650221C1 (ru) | 2017-03-03 | 2017-03-03 | Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017107135A RU2650221C1 (ru) | 2017-03-03 | 2017-03-03 | Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2650221C1 true RU2650221C1 (ru) | 2018-04-11 |
Family
ID=61976518
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017107135A RU2650221C1 (ru) | 2017-03-03 | 2017-03-03 | Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2650221C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2704337C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ формирования цирконийсодержащего оксидного покрытия на титановых сплавах |
| CN114086176A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-25 | 沈阳理工大学 | 一种包含氧化钽的自润滑涂层的电火花沉积制备方法 |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040277C1 (ru) * | 1992-12-27 | 1995-07-25 | Товарищество с ограниченной ответственностью "МиТ" (Медицина и Технология) | Способ изготовления материала для имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза |
| CN102181842A (zh) * | 2011-04-14 | 2011-09-14 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种对钛金属表面进行改性的方法 |
| RU2580628C1 (ru) * | 2014-10-21 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом |
| RU2611617C1 (ru) * | 2015-10-08 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ формирования оксидных покрытий на изделиях из титановых сплавов |
-
2017
- 2017-03-03 RU RU2017107135A patent/RU2650221C1/ru active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2040277C1 (ru) * | 1992-12-27 | 1995-07-25 | Товарищество с ограниченной ответственностью "МиТ" (Медицина и Технология) | Способ изготовления материала для имплантата с электретными свойствами для остеосинтеза |
| CN102181842A (zh) * | 2011-04-14 | 2011-09-14 | 中国科学院上海硅酸盐研究所 | 一种对钛金属表面进行改性的方法 |
| RU2580628C1 (ru) * | 2014-10-21 | 2016-04-10 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС" | Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом |
| RU2611617C1 (ru) * | 2015-10-08 | 2017-02-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ формирования оксидных покрытий на изделиях из титановых сплавов |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Фомин А.А. и др. Микро- и наноструктура поверхности титана, подвергнутого электроискровому легированию танталом и термомодификации токами высокой частоты, Письма в ЖТФ, 2016, т.42, в.18, с. 10-16. * |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2704337C1 (ru) * | 2018-12-28 | 2019-10-28 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." (СГТУ имени Гагарина Ю.А.) | Способ формирования цирконийсодержащего оксидного покрытия на титановых сплавах |
| CN114086176A (zh) * | 2021-11-26 | 2022-02-25 | 沈阳理工大学 | 一种包含氧化钽的自润滑涂层的电火花沉积制备方法 |
| CN114086176B (zh) * | 2021-11-26 | 2023-08-22 | 沈阳理工大学 | 一种包含氧化钽的自润滑涂层的电火花沉积制备方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sandhyarani et al. | Fabrication, characterization and in-vitro evaluation of nanostructured zirconia/hydroxyapatite composite film on zirconium | |
| Lu et al. | Multilevel surface engineering of nanostructured TiO2 on carbon-fiber-reinforced polyetheretherketone | |
| Ge et al. | Antibacterial coatings of fluoridated hydroxyapatite for percutaneous implants | |
| Wang et al. | Microstructure, bioactivity and osteoblast behavior of monoclinic zirconia coating with nanostructured surface | |
| Eraković et al. | Antifungal activity of Ag: hydroxyapatite thin films synthesized by pulsed laser deposition on Ti and Ti modified by TiO2 nanotubes substrates | |
| US8518420B2 (en) | Enhanced bone cells growth and proliferation on TiO2 nanotubular substrates treated by radio-frequency plasma discharge | |
| Ou et al. | Fabrication of a hydroxyapatite-containing coating on Ti–Ta alloy by electrical discharge coating and hydrothermal treatment | |
| Bai et al. | One-step approach for hydroxyapatite-incorporated TiO2 coating on titanium via a combined technique of micro-arc oxidation and electrophoretic deposition | |
| Liang et al. | Histological and mechanical investigation of the bone-bonding ability of anodically oxidized titanium in rabbits | |
| He et al. | Rapid mineralization of porous gelatin scaffolds by electrodeposition for bone tissue engineering | |
| Hao et al. | Effect of nanotube diameters on bioactivity of a multifunctional titanium alloy | |
| Jeong et al. | Corrosion characteristics of anodized Ti–(10–40wt%) Hf alloys for metallic biomaterials use | |
| RU2650221C1 (ru) | Способ формирования наноструктурированного оксидного покрытия на техническом титане | |
| Fomin et al. | Micro-and nanostructure of a titanium surface electric-spark-doped with tantalum and modified by high-frequency currents | |
| Zhao et al. | Enhanced osseointegration of titanium implants by surface modification with silicon-doped titania nanotubes | |
| US9353453B2 (en) | Metal substrate modified with silicon based biomimetic treatment having antibacterial property for the osteointegration thereof | |
| Hee et al. | Cytocompatible tantalum films on Ti6Al4V substrate by filtered cathodic vacuum arc deposition | |
| Jain et al. | Surface characterization, shear strength, and bioactivity of anodized titanium prepared in mixed-acid electrolytes | |
| Kumar et al. | Evaluation of chemically modified Ti–5Mo–3Fe alloy surface: Electrochemical aspects and in vitro bioactivity on MG63 cells | |
| Wang et al. | In situ growth of self-organized Cu-containing nano-tubes and nano-pores on Ti90− xCu10Alx (x= 0, 45) alloys by one-pot anodization and evaluation of their antimicrobial activity and cytotoxicity | |
| RU2697855C1 (ru) | Способ нанесения покрытия на устройства и инструменты для остеосинтеза, ортопедические имплантаты из металла | |
| Mousavi-Semnani et al. | Enhancing the biocompatibility of ZrO2 thin film on Zr-2.5 Nb alloy by anodizing treatment using an electrolyte containing biofunctional groups | |
| Cheng et al. | Effects of different hierarchical hybrid micro/nanostructure surfaces on implant osseointegration | |
| RU2580627C1 (ru) | Способ получения биоактивного покрытия с антибактериальным эффектом | |
| RU2604085C1 (ru) | Способ формирования наноструктурированного биоинертного покрытия на титановых имплантатах |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TC4A | Change in inventorship |
Effective date: 20190829 |