RU2779076C1 - Способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава - Google Patents
Способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2779076C1 RU2779076C1 RU2022112073A RU2022112073A RU2779076C1 RU 2779076 C1 RU2779076 C1 RU 2779076C1 RU 2022112073 A RU2022112073 A RU 2022112073A RU 2022112073 A RU2022112073 A RU 2022112073A RU 2779076 C1 RU2779076 C1 RU 2779076C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- diatomite
- microparticles
- zro
- zirconium dioxide
- coating
- Prior art date
Links
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 47
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 title claims abstract description 32
- MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N ZrO2 Chemical compound O=[Zr]=O MCMNRKCIXSYSNV-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 30
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 27
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 19
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims abstract description 39
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 18
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 17
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims abstract description 14
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 claims abstract description 11
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 9
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 claims abstract description 8
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N Sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 8
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims abstract description 5
- GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N oxozirconium Chemical compound [Zr]=O GEIAQOFPUVMAGM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 73
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 6
- LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N silicon monoxide Inorganic materials [Si-]#[O+] LIVNPJMFVYWSIS-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 239000005909 Kieselgur Substances 0.000 claims description 3
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 150000003388 sodium compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 150000003755 zirconium compounds Chemical class 0.000 claims 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 abstract description 37
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 abstract description 33
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 31
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 abstract description 17
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 12
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 abstract description 12
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 abstract description 8
- 230000001070 adhesive Effects 0.000 abstract description 8
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 5
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 abstract description 5
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 230000000975 bioactive Effects 0.000 abstract description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 abstract description 3
- 238000010883 osseointegration Methods 0.000 abstract description 3
- QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N zirconium Chemical compound [Zr] QCWXUUIWCKQGHC-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 3
- 229910052726 zirconium Inorganic materials 0.000 abstract description 3
- 210000000988 Bone and Bones Anatomy 0.000 abstract description 2
- 238000002316 cosmetic surgery Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000399 orthopedic Effects 0.000 abstract description 2
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 239000010703 silicon Substances 0.000 abstract description 2
- KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N sodium Chemical compound [Na] KEAYESYHFKHZAL-UHFFFAOYSA-N 0.000 abstract description 2
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 abstract description 2
- 238000009713 electroplating Methods 0.000 abstract 2
- 238000000034 method Methods 0.000 description 9
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 7
- 210000004027 cells Anatomy 0.000 description 6
- 229910052681 coesite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052906 cristobalite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052904 quartz Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 description 5
- 229910052682 stishovite Inorganic materials 0.000 description 5
- 229910052905 tridymite Inorganic materials 0.000 description 5
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 4
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 4
- 229910018072 Al 2 O 3 Inorganic materials 0.000 description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- 229920003171 Poly (ethylene oxide) Polymers 0.000 description 2
- 210000002356 Skeleton Anatomy 0.000 description 2
- FKHIFSZMMVMEQY-UHFFFAOYSA-N Talc Chemical compound [Mg+2].[O-][Si]([O-])=O FKHIFSZMMVMEQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 2
- 238000007598 dipping method Methods 0.000 description 2
- 238000010348 incorporation Methods 0.000 description 2
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000391 magnesium silicate Substances 0.000 description 2
- 235000019792 magnesium silicate Nutrition 0.000 description 2
- KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M potassium hydroxide Inorganic materials [OH-].[K+] KWYUFKZDYYNOTN-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 241000206761 Bacillariophyta Species 0.000 description 1
- 229910000636 Ce alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 241000976924 Inca Species 0.000 description 1
- 241000282322 Panthera Species 0.000 description 1
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N Silicic acid Chemical compound O[Si](O)(O)O RMAQACBXLXPBSY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M Sodium laurylsulphate Chemical compound [Na+].CCCCCCCCCCCCOS([O-])(=O)=O DBMJMQXJHONAFJ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 1
- PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N al2o3 Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Al+3] PNEYBMLMFCGWSK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N aluminium(3+) Chemical class [Al+3] REDXJYDRNCIFBQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminum Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 239000003945 anionic surfactant Substances 0.000 description 1
- 238000006065 biodegradation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000011247 coating layer Substances 0.000 description 1
- 231100000078 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 231100001010 corrosive Toxicity 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000000605 extraction Methods 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000000227 grinding Methods 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000000338 in vitro Methods 0.000 description 1
- 238000007373 indentation Methods 0.000 description 1
- 230000002045 lasting Effects 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000004452 microanalysis Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000006011 modification reaction Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical Effects 0.000 description 1
- 230000011164 ossification Effects 0.000 description 1
- 230000002188 osteogenic Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002062 proliferating Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective Effects 0.000 description 1
- 239000011253 protective coating Substances 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N silicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 description 1
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 description 1
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 238000001356 surgical procedure Methods 0.000 description 1
- 238000004942 thermal barrier coating Methods 0.000 description 1
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
Images
Abstract
Изобретение относится к области гальванотехники, в частности к обработке поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющей формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, в частности, для снижения скорости растворения биорезорбируемых магниевых имплантатов, а также улучшения их биологической совместимости с живым организмом, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии. Способ включает микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем соединения натрия, кремния и циркония, при этом в качестве модифицирующих компонентов электролит содержит диатомит с микрочастицами диоксида циркония и имеет следующий состав, г/л: диатомит 5-10; диоксид циркония 5-10; гидроксид натрия 5-10; силикат натрия 15-20. Техническим результатом изобретения является получение на имплантатах из магниевого сплава биопокрытия из диатомита, модифицированного микрочастицами диоксида циркония, равномерно распределенными по поверхности и толщине покрытия для повышения его адгезионной прочности, коррозионной стойкости, снижения скорости биорезорбции магниевого имплантата и его успешной остеоинтеграции. 3 з.п. ф-лы, 1 ил., 3 пр.
Description
Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющему формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, в частности, для снижения скорости растворения биорезорбируемых магниевых имплантатов, а также улучшения их биологической совместимости с живым организмом, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии.
Известен способ получения покрытия на основе оксида алюминия с включениями частиц ZrO2, сформированного с помощью плазменного электролитического оксидирования в силикатном электролите - суспензии, содержащем наночастицы диоксида циркония (E. Matykina, R. Arrabal, F. Monfort, P. Skeldon, G.E. Thompson, Incorporation of zirconia into coatings formed by DC plasma electrolytic oxidation of aluminium in nanoparticle suspensions // Applied Surface Science 255 (2008) 2830-2839, http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2008.08.036) [1]. Для формирования покрытия использовали электролит, содержащий 5,6 г/л Na2SiO3 5H2O, 2,8 г/л КОН и 2 г/л частиц ZrO2 размером 150-300 нм. Недостатком данного способа является тот факт, что наночастицы ZrO2 внедрялись, в основном, вблизи поверхности покрытия, в порах и полостях покрытия, при небольшой толщине покрытия, что может быть причиной недостаточно высокой коррозионной стойкости и адгезионной прочности покрытия.
Известен способ получения наноструктурированного термозащитного покрытия Al2O3-ZrO2/SiO2 на поверхности нержавеющей стали 316LSS (V. Rajendran, A. Karthik, S.R. Srither, S. Arunmetha, P. Manivasakan, Effect of high temperature on the surface morphology and mechanical properties of nanostructured Al2O3-ZrO2/SiO2 thermal barrier coatings // Surface & Coatings Technology 262 (2015) 154-165, http://dx.doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.12.039) [2]. Гомогенный золь кремнезема, наполненный Al2O3-ZrO2, использовали для формирования покрытия на полированных образцах нержавеющей стали методом погружения, при постоянной скорости погружения и извлечения 0,8-1,0 мм с-1. После нанесения слоя покрытия образцы с сушили на воздухе при температуре окружающей среды, в течение 1 ч, а затем нагревали до 400°С в течение 30 мин. Таким образом, на образцы стали было нанесено шесть слоев. Термическую стабильность покрытых образцов исследовали с помощью прямой термообработки в печи при 800, 900 и 1000°С в течение 100 ч, со скоростью 5°С мин-1.
Известный способ является сложным, многоступенчатым и энергозатратным, что ограничивает его применение.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ получения антикоррозионных покрытий, содержащих наночастицы ZrO2/SiO2, нанесенные на сплав магния Mg-Mn-Ce методом плазменно-электролитического оксидирования (D.V. Mashtalyar, I.M. Imshinetskiy, K.V. Nadaraia, A.S. Gnedenkov, S.L. Sinebryukhov, A.Yu. Ustinov, A.V. Samokhin, S.V. Gnedenkov, Influence of ZrO2/SiO2 nanomaterial incorporation on the properties of PEO layers on Mg-Mn-Ce alloy // Journal of Magnesium and Alloys (2021), https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.04.013) [3]. Техническое решение, описанное в [3], относится к электролитическим способам нанесения антикоррозионных биосовместимых покрытий на сплавы магния, применяемые в имплантационной хирургии при изготовлении имплантатов, эксплуатируемых в коррозионно-активной среде, преимущественно содержащей хлорид-ионы, и может быть использовано при изготовлении имплантатов различного функционального назначения, в частности биодеградируемых. Способ осуществляют путем плазменно-электролитического оксидирования, в двухэтапном биполярном режиме. На первом этапе (длительностью 200 с) анодная и катодная составляющие находились в потенциодинамическом (от 30 до 300 В) и потенциостатическом (-30 В) режимах соответственно. Для второй стадии (600 с) анодная и катодная составляющие находились в потенциодинамическом режиме (от 300 В до 200 В, от -30 В до -10 В). Коэффициент заполнения составлял 50%. В качестве базового электролита был выбран раствор, содержащий фторид натрия (5 г/л) и силикат натрия (15 г/л), рН=10,7-10,8. Смесь наночастиц ZrO2/SiO2 (70/30 мас. %) с размером 100 ± 20 нм вводили в электролит и диспергировали с помощью ультразвукового гомогенизатора Sonopulse HD 3200 (Bandelin, Германия). Концентрация наночастиц в приготовленном электролите составляла 0, 2, 4 и 6 г/л. Кроме того, в состав электролита добавляли анионное ПАВ NaCH25SO4 (додецилсульфат натрия), в количестве 0,5 г/л. Полученные покрытия значительно снижают плотность тока коррозии по сравнению с чистым магниевым сплавом и базовым ПЭО-слоем. Присутствие наночастиц ZrO2/SiO2 в составе покрытия положительно влияет на их твердость (данный показатель увеличился с 2,1 ± 0,3 ГПа до до 3,1 ± 0,4 ГПа) и износостойкость (износ снижен с (4,3 ± 0,4) × 10-5 мм3/(Н × м) до (3,5 ± 0,2) × 10-5 мм3/(Н × м)). Покрытие обладает следующими электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е к от -1,49 В до -1,57, плотность тока коррозии j к от 0,7×10-7 до 2,4×10-7 А см-2, сопротивление коррозии от 1,3×104 до 4,5×105 Ом см2.
Недостатком известного изобретения является недостаточная толщина покрытия и их шероховатость, максимальное значение которых составляет 24 и 0,91 мкм, соответственно. Коррозионная стойкость покрытий, полученных известным способом, и их адгезионная прочность являются недостаточно высокими из-за незначительной толщины, что не позволяет обеспечить надежную защиту поверхности сплава магния.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение на имплантатах из магниевого сплава биопокрытия из диатомита, модифицированного микрочастицами диоксида циркония, равномерно распределенными по поверхности и толщине покрытия для повышения его адгезионной прочности, коррозионной стойкости, снижения скорости биорезорбции магниевого имплантата и его успешной остеоинтеграции.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем соединения натрия, кремния и циркония, при этом в качестве модифицирующих компонентов электролит содержит диатомит с микрочастицами диоксида циркония (ZrO2), и имеет следующий состав, г/л:
| диатомит | 5-10; |
| диоксид циркония (ZrO2) | 5-10; |
| гидроксид натрия (NaOH) | 5-10; |
| силикат натрия (Na2SiO3) | 15-20. |
Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400-500 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, в течение 5 минут.
При этом используют природный диатомит представляющий собой порошкообразный аморфный кремнезем SiO2 с размерами 1-20 мкм, и микрочастицы ZrO2 с размерами 1,5-2,5 мкм.
Раскрытие сущности изобретения.
В настоящее время актуальным является разработка биоактивных покрытий на биорезорбируемых магниевых имплантатах, обеспечивающих повышение интенсивности процессов остеогенеза и снижающих скорость биорезорбции магниевого сплава. Покрытие временно защищает имплантат от растворяющего воздействия физиологической среды и одновременно позволяет процессу остеосинтеза протекать с той же скоростью, что и растворение имплантата. Из всех различных методов нанесения покрытий метод микродугового оксидирования (МДО) является одним из наиболее перспективных и экономичных способов создания покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов. Такие покрытия обладают отличными защитными, коррозионностойкими и высокими механическими свойствами, чему активно способствует формирование в процессе МДО переплавленного и частично закристаллизованного слоя из диатомита с равномерно распределенными внутри него микрочастицами ZrO2 с размером 1,5-2,5 мкм.
Для получения покрытия используется природный диатомит, который представляет собой рыхлую землистую или слабосцементированную, пористую и легкую осадочную горную породу, образованную в основном кремнистыми обломками раковин (скелетов) диатомовых водорослей и радиолярий, состоящих из аморфного кремнезема SiO2 с частицами размером 1-20 мкм.
Кроме микрочастиц скелетов диатомовых водорослей покрытие имеет в своем составе встроенные в структуру микрочастицы ZrO2, равномерно распределенные по поверхности и по толщине покрытия и обеспечивающие повышение его адгезионной прочности, коррозионной стойкости, снижения скорости биорезорбции магниевого имплантата и его успешную остеоинтеграцию.
Покрытие на имплантате из магниевого сплава состоит из оксида кремния, диоксида циркония, и силиката магния, образующегося в процессе МДО. Такой состав обеспечивает биосовместимость покрытия, повышение его адгезионной прочности и коррозионной стойкости. Способ получения покрытия осуществляют путем микродугового оксидирования металлической основы из магниевого сплава в электролите, компонентами которого являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями. Для формирования покрытий из диатомита с микрочастицами ZrO2, на магниевой подложке электролит содержит 5-10 г/л диатомита и 5-10 г/л ZrO2, а также гидроксид натрия NaOH 5-10 г/л, силикат натрия Na2SiO3 15-20 г/л.
Состав электролита позволяет получить покрытия с улучшенными прочностными и антикорррозионными свойствами (повышенным значением потенциала коррозии, пониженными значениями тока коррозии и более высоким сопротивлением коррозии по сравнению с прототипом) и повысить их остеогенную активность.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400-500 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность нанесения 10 минут. Магниевая подложка состоит из магниевого сплава марки МА2-1пч, содержащего, мас. %: 94,12 Mg; 4,05 Al; 1,1 Zn; 0,6 Mn; 0,01 Si; 0,01 Cu; 0,005 Fe; 0,002 Be; 0,001 Ni.
Биоактивность покрытия из диатомита с микрочастицами ZrO2 на поверхности имплантата достигается за счет использования диатомита - природного материала биогенного происхождения и формирования на поверхности керамического покрытия, содержащего SiO2, ZrO2 и силикат магния, с равномерной, развитой структурой поверхности.
Коррозионная стойкость покрытия из диатомита с микрочастицами ZrO2 на поверхности магниевого имплантата достигается снижением скорости биорезорбции магниевого сплава за счет формирования на поверхности керамического покрытия, содержащего SiO2 и микрочастицы ZrO2.
Покрытие из диатомита с микрочастицами ZrO2 имеет толщину 40-75 мкм.
Покрытие из диатомита с микрочастицами ZrO2 имеет общую пористость 17-20% со средним размером пор 1-5 мкм.
Покрытие из диатомита с микрочастицами ZrO2 имеет шероховатость 4,0-10,0 мкм.
Покрытие из диатомита с микрочастицами ZrO2 имеет адгезионную прочность при царапании (склерометрическим методом) 8,9-19,0 Н.
Покрытие из диатомита с микрочастицами ZrO2 характеризуется электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е к от -0,45 В до -0,14, плотность тока коррозии j к от 1,2×10-8 до 2,35×10-10 А см-2, сопротивление коррозии от 1,43×106 до 6,34×107 Ом см2.
Покрытие содержит кристаллические соединения, такие как форстерит (Mg2SiO4), SiO2 и ZrO2 (в моноклинной модификации).
Приборы и методы с помощью которых проводят измерения свойств.
Исследование морфологии, структуры и элементного состава КФ покрытий проводили на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия) Для расчета пористости покрытий по РЭМ-изображениям применялся стандартный метод «секущей». Общая пористость оценивалась металлографическим методом, который основан на определении просвета пористого материала по микрофотографиям.
Исследования микроструктуры покрытий проводились на просвечивающем электронном микроскопе JEM-2100 JEOL.
Элементный анализ покрытий осуществляли на растровом электронном микроскопе LEO EVO 50 (Zeiss, Германия), оснащенном приставкой для энергодисперсионного микроанализа (INCA Energy-250, Oxford Instruments).
Съемку рентгенограмм проводили на дифрактометре ДРОН-7 (Буревестник) с фокусировкой по Бреггу-Брентано в Co-Kα излучении (λ = 0.17902 нм) в диапазоне углов 2θ = 10-90° с шагом сканирования 0,02.
Шероховатость поверхности покрытий определяли на Профилометре-296 (Россия) по параметру Ra (ГОСТ 2789-73).
Толщину покрытий измеряли с помощью микрометра МК-25, а также по микрофотографиям поперечных сечений покрытий.
Коррозионные свойства покрытий исследовали электрохимическим методом с помощью прибора потенциостат-гальваностат «П-40Х» («Electrochemical Instruments», г. Черноголовка, Россия). Опыты проводились в двухэлектродной ячейке в 0,9% растворе NaCl. Кривые потенциодинамической поляризации были получены при скорости 2 мВ/с в диапазоне электродного потенциала ±1,9 В.
Адгезионную прочность покрытий к подложке оценивали скретч-методом на макроскретч-тестере Revetest RST (CSM Instruments, США). Радиус индентора составлял 200 мкм, максимальная нагрузка при вдавливании 30 Н, длина царапины 5 мм.
Биосовместимость покрытий оценивали in vitro методом МТТ-анализа, с помощью которого определяли влияние покрытий на жизнеспособность клеточных линий мышиных фибробластов NIH/3Т3 (Государственный научный центр вирусологии и биотехнологии «ВЕКТОР», Новосибирск, Россия).
Пролиферативную активность клеточных линий определяли методом непосредственного подсчета количества клеток после контакта с образцами при помощи оптического микроскопа.
Изобретение иллюстрируется фигурой, на котором представлены РЭМ-изображения микрочастиц диатомита (а) и ZrO2 (б) также изображения поверхности покрытий из диатомита с микрочастицами ZrO2 (в, г) на магниевом сплаве МА2-1пч.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1
Берут образец в виде металлической пластины размером 10⋅10⋅1 мм, выполненный из магниевого сплава МА2-1пч. Пластину подвергают шлифовке до достижения шероховатсти Ra=0,6 мкм, затем проводят ультразвуковую очистку сначала в дистиллированной воде, а затем в спирте в течение 10 минут. Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 5 минут.
Процесс ведут в водном растворе электролита, приготовленного следующим образом. Берут компоненты электролита: силикат натрия (Na2SiO3) 15 г, гидроксид натрия (NaOH) 10 г, растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды. В качестве модифицирующего компонента в раствор добавляют диатомит в виде порошка в количестве 5 г и микрочастицы ZrO2 с размером частиц 1,5-2,5 мкм, в количестве 10 г доводят объем смеси до метки 1000 мл путем добавления дистиллированной воды.
Толщина покрытий из диатомита с микрочастицами ZrO2 40 мкм, шероховатость Ra покрытий 4,0 мкм, пористость 20 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 8,9 Н, потенциал коррозии Е к -0,45 В, плотность тока коррозии j к 1,2×10-8 А см-2, сопротивление коррозии 1,43×106 Ом см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами покрытия составляло 90,6 %. Химический состав покрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (64,0 ат. %), Na (1,7 ат. %), Al (0,7 ат. %), Si (12,3 ат. %), Mg (18,0 ат. %), Zr (3,3 ат. %).
Пример 2.
Порядок подготовки образцов магниевого сплава и процесс нанесения покрытий аналогичны примеру 1.
Отличие заключается в используемом составе электролита, который содержит: силикат натрия (Na2SiO3) 17 г, гидроксид натрия NaOH 5 г, модифицирующие компоненты: диатомит количестве 10 г и микрочастицы ZrO2 в количестве 5 г. Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 450 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 5 минут.
Толщина покрытий из диатомита с микрочастицами ZrO2 58 мкм, шероховатость Ra покрытий 7 мкм, пористость 18 %. Адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 14,9 Н, потенциал коррозии Е к -0,22 В, ток коррозии j к 1,28×10-9 А см-2, сопротивление коррозии 1,1×107 Ом см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами покрытия составляло 91,0 %. Химический состав: O (62,6 ат. %), Na (2,3 ат. %), Al (0,8 ат. %), Si (13,6 ат. %), Mg (18,2 ат. %), Zr (2,5 ат. %).
Пример 3.
Порядок подготовки образцов магниевого сплава и процесс нанесения покрытий аналогичны примеру 1.
Отличие заключается в используемом составе электролита, который содержит: силикат натрия Na2SiO3 20 г, гидроксид натрия NaOH 7 г, модифицирующие компоненты: диатомит количестве 8 г и микрочастицы ZrO2 в количестве 7 г, в соотношении 1:1, а микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 500 В длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, длительность процесса 5 минут.
Толщина покрытий из диатомита с микрочастицами ZrO2 75 мкм, шероховатость Ra покрытий 10 мкм, пористость 17 %. Адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 19,0 Н, потенциал коррозии Е к -0,14 В, ток коррозии j к 2,35×10-10 см-2, сопротивление коррозии 6,34×107 Ом см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами покрытия составляло 93,5 %. Химический состав: O (64,5 ат. %), Na (2,5 ат. %), Al (0,8 ат. %), Si (13,6 ат. %), Mg (15,5 ат. %), Zr (3,1 ат. %).
Claims (5)
1. Способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава, включающий микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем соединения натрия, кремния и циркония, отличающийся тем, что в качестве модифицирующих компонентов электролит содержит диатомит с микрочастицами диоксида циркония (ZrO2), и имеет следующий состав, г/л:
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400-500 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов - 50 Гц, в течение 5 минут.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют природный диатомит, представляющий собой порошкообразный аморфный кремнезем SiO2 с размерами частиц 1–20 мкм, и микрочастицы ZrO2 с размерами 1,5–2,5 мкм.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют микрочастицы ZrO2 с размерами частиц 1,5–2,5 мкм.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2779076C1 true RU2779076C1 (ru) | 2022-08-31 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807878C1 (ru) * | 2023-05-19 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101302638A (zh) * | 2008-01-07 | 2008-11-12 | 郑州大学 | 一种纳米hap涂层/镁合金复合生物材料的制备方法 |
| RU2445409C1 (ru) * | 2011-03-17 | 2012-03-20 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Способ получения антикоррозионных кальцийсодержащих покрытий на сплавах магния |
| RU2759548C1 (ru) * | 2020-12-29 | 2021-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения биорезорбируемого пористого материала на основе магния с полимерным покрытием |
| RU2763091C1 (ru) * | 2021-09-24 | 2021-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения модифицированного биопокрытия с микрочастицами трикальцийфосфата и/или волластонита на имплантате из магниевого сплава |
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101302638A (zh) * | 2008-01-07 | 2008-11-12 | 郑州大学 | 一种纳米hap涂层/镁合金复合生物材料的制备方法 |
| RU2445409C1 (ru) * | 2011-03-17 | 2012-03-20 | Учреждение Российской академии наук Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (Институт химии ДВО РАН) | Способ получения антикоррозионных кальцийсодержащих покрытий на сплавах магния |
| RU2759548C1 (ru) * | 2020-12-29 | 2021-11-15 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт химии Дальневосточного отделения Российской академии наук (ИХ ДВО РАН) | Способ получения биорезорбируемого пористого материала на основе магния с полимерным покрытием |
| RU2763091C1 (ru) * | 2021-09-24 | 2021-12-27 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения модифицированного биопокрытия с микрочастицами трикальцийфосфата и/или волластонита на имплантате из магниевого сплава |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807878C1 (ru) * | 2023-05-19 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chang et al. | Formation of dicalcium phosphate dihydrate on magnesium alloy by micro-arc oxidation coupled with hydrothermal treatment | |
| Pan et al. | Preparation and bioactivity of micro-arc oxidized calcium phosphate coatings | |
| Sharifnabi et al. | The structural and bio-corrosion barrier performance of Mg-substituted fluorapatite coating on 316L stainless steel human body implant | |
| Bernard et al. | Bone cell–materials interactions and Ni ion release of anodized equiatomic NiTi alloy | |
| Molaei et al. | Incorporating TiO2 nanoparticles to enhance corrosion resistance, cytocompatibility, and antibacterial properties of PEO ceramic coatings on titanium | |
| Fialho et al. | Surface engineering of nanostructured Ta surface with incorporation of osteoconductive elements by anodization | |
| Molaei et al. | Enhancing cytocompatibility, antibacterial activity and corrosion resistance of PEO coatings on titanium using incorporated ZrO2 nanoparticles | |
| Park et al. | Surface characteristics of titanium anodized in the four different types of electrolyte | |
| Chen et al. | Influence of roughness on in-vivo properties of titanium implant surface and their electrochemical behavior | |
| de Viteri et al. | Structure, tribocorrosion and biocide characterization of Ca, P and I containing TiO2 coatings developed by plasma electrolytic oxidation | |
| Wei et al. | Structures, bonding strength and in vitro bioactivity and cytotoxicity of electrochemically deposited bioactive nano-brushite coating/TiO2 nanotubes composited films on titanium | |
| Attarzadeh et al. | Multipurpose surface modification of PEO coatings using tricalcium phosphate addition to improve the bedding for apatite compounds | |
| Alves et al. | A first insight on the bio-functionalization mechanisms of TiO2 nanotubes with calcium, phosphorous and zinc by reverse polarization anodization | |
| Huang et al. | Hydroxyapatite coatings produced on commercially pure titanium by micro-arc oxidation | |
| Kim et al. | Functional elements coatings on the plasma electrolytic oxidation-treated Ti–6Al–4V alloy by electrochemical precipitation method | |
| Singh et al. | In vitro corrosion investigations of plasma-sprayed hydroxyapatite and hydroxyapatite-calcium phosphate coatings on 316L SS | |
| Jarosz et al. | Anodization of titanium alloys for biomedical applications | |
| Hsu et al. | Fabrication of nanotube arrays on commercially pure titanium and their apatite-forming ability in a simulated body fluid | |
| Sharma et al. | Electro-deposition of bactericidal and corrosion-resistant hydroxyapatite nanoslabs | |
| Sheykholeslami et al. | In-vitro biological behavior of calcium phosphate coating applied on nanostructure surface of anodized Nitinol alloy | |
| Sheykholeslami et al. | Synthesis and development of novel spherical mesoporous SiO2/HA particles and incorporating them in electrodeposited hydroxyapatite coatings for biomedical applications | |
| Mehrvarz et al. | The effect of ZnO nanoparticles on nanomechanical behavior of Hydroxyapatite electrodeposited on NiTi biomedical alloy | |
| Jang et al. | Evaluation of bone formation on ultra-fine structures in simulated body fluid | |
| Ulfah et al. | Effect of cathode material on the morphology and osseointegration of TiO2 nanotube arrays by electrochemical anodization technique | |
| Hsu et al. | Bioactivity of hybrid micro/nano-textured Ti-5Si surface by acid etching and heat treatment |