RU2807878C1 - Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава - Google Patents
Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807878C1 RU2807878C1 RU2023113004A RU2023113004A RU2807878C1 RU 2807878 C1 RU2807878 C1 RU 2807878C1 RU 2023113004 A RU2023113004 A RU 2023113004A RU 2023113004 A RU2023113004 A RU 2023113004A RU 2807878 C1 RU2807878 C1 RU 2807878C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- micro
- arc
- diatomite
- implant
- Prior art date
Links
- 238000000576 coating method Methods 0.000 title claims abstract description 70
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 239000007943 implant Substances 0.000 title claims abstract description 28
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 26
- 229910000861 Mg alloy Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 15
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims abstract description 9
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 19
- 238000007745 plasma electrolytic oxidation reaction Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000010894 electron beam technology Methods 0.000 claims abstract description 11
- 238000012986 modification Methods 0.000 claims abstract description 11
- 230000004048 modification Effects 0.000 claims abstract description 11
- 239000011734 sodium Substances 0.000 claims abstract description 6
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 claims abstract description 3
- 150000003377 silicon compounds Chemical class 0.000 claims abstract description 3
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 claims abstract description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 27
- 239000000203 mixture Substances 0.000 claims description 12
- PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M sodium fluoride Chemical compound [F-].[Na+] PUZPDOWCWNUUKD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 5
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 abstract description 30
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 abstract description 29
- 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 effect Effects 0.000 abstract description 8
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 4
- 210000000988 bone and bone Anatomy 0.000 abstract description 3
- 230000002188 osteogenic effect Effects 0.000 abstract description 3
- 230000000975 bioactive effect Effects 0.000 abstract description 2
- 238000002316 cosmetic surgery Methods 0.000 abstract description 2
- 238000002513 implantation Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000399 orthopedic effect Effects 0.000 abstract description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 8
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 8
- 210000004027 cell Anatomy 0.000 description 7
- 239000000395 magnesium oxide Substances 0.000 description 5
- CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N magnesium oxide Inorganic materials [Mg]=O CPLXHLVBOLITMK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N magnesium;oxygen(2-) Chemical compound [O-2].[Mg+2] AXZKOIWUVFPNLO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 4
- HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N magnesium orthosilicate Chemical compound [Mg+2].[Mg+2].[O-][Si]([O-])([O-])[O-] HCWCAKKEBCNQJP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 4
- 239000011575 calcium Substances 0.000 description 3
- 238000004090 dissolution Methods 0.000 description 3
- 239000012153 distilled water Substances 0.000 description 3
- 239000000391 magnesium silicate Substances 0.000 description 3
- 229910052919 magnesium silicate Inorganic materials 0.000 description 3
- 235000019792 magnesium silicate Nutrition 0.000 description 3
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 3
- 239000011775 sodium fluoride Substances 0.000 description 3
- 235000013024 sodium fluoride Nutrition 0.000 description 3
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 239000005909 Kieselgur Substances 0.000 description 2
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 2
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 2
- 238000005524 ceramic coating Methods 0.000 description 2
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 2
- IJKVHSBPTUYDLN-UHFFFAOYSA-N dihydroxy(oxo)silane Chemical compound O[Si](O)=O IJKVHSBPTUYDLN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000001000 micrograph Methods 0.000 description 2
- 238000001878 scanning electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 2
- 238000010998 test method Methods 0.000 description 2
- QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H tricalcium bis(phosphate) Chemical compound [Ca+2].[Ca+2].[Ca+2].[O-]P([O-])([O-])=O.[O-]P([O-])([O-])=O QORWJWZARLRLPR-UHFFFAOYSA-H 0.000 description 2
- 241000206761 Bacillariophyta Species 0.000 description 1
- 229910000882 Ca alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 241000976924 Inca Species 0.000 description 1
- 238000000134 MTT assay Methods 0.000 description 1
- 231100000002 MTT assay Toxicity 0.000 description 1
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 description 1
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 238000002441 X-ray diffraction Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000000035 biogenic effect Effects 0.000 description 1
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 1
- 230000010478 bone regeneration Effects 0.000 description 1
- 239000001506 calcium phosphate Substances 0.000 description 1
- 229910000389 calcium phosphate Inorganic materials 0.000 description 1
- 235000011010 calcium phosphates Nutrition 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 230000002526 effect on cardiovascular system Effects 0.000 description 1
- 238000002848 electrochemical method Methods 0.000 description 1
- 238000000921 elemental analysis Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 210000002950 fibroblast Anatomy 0.000 description 1
- 229910052839 forsterite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012634 fragment Substances 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
- 230000004054 inflammatory process Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 238000004452 microanalysis Methods 0.000 description 1
- 239000005445 natural material Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 description 1
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 1
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 1
- 230000002062 proliferating effect Effects 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 239000011435 rock Substances 0.000 description 1
- 239000002344 surface layer Substances 0.000 description 1
- 230000003746 surface roughness Effects 0.000 description 1
- 210000001519 tissue Anatomy 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
- 230000035899 viability Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющим формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, и может быть использовано при изготовлении имплантатов для травматологии, ортопедии и различных видов пластической хирургии. Предлагаемый способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, при этом модифицирование микродугового покрытия проводят методом импульсного электронного облучения при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5-7,5 Дж/см2. Проведение указанной выше модификации покрытия обеспечивает улучшение однородности покрытия, повышение его адгезионной прочности, коррозионной стойкости, снижение скорости биорезорбции магниевого имплантата, улучшение остеогенных свойств. 2 з.п. ф-лы, 3 пр., 1 ил.
Description
Изобретение относится к способам обработки поверхности биорезорбируемых магниевых имплантатов, позволяющим формировать биоактивную поверхность для имплантации в костную ткань, в частности, для повышения коррозионной стойкости и адгезионной прочности биорезорбируемых магниевых имплантатов, снижения скорости растворения, 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 сплаве Mg0,8Ca, сформированного с помощью плазменного электролитического оксидирования в силикатном электролите (A. Santos-Coquillat, M. Esteban-Lucia, E. Martinez-Campos, M. Mohedano, R. Arrabal, C. Blawert, M.L. Zheludkevich, E. Matykina, PEO coatings design for Mg-Ca alloy for cardiovascular stent and bone regeneration applications // Materials Science & Engineering C 105 (2019) 110026, https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.110026) [1]. Для формирования покрытия использовали электролит, содержащий 9 г/л Na2SiO3·5H2O, 1 г/л КОН и 10 г/л Na3PO4·12H2O, 2,9 г/л CaO.
Недостатком известного способа является невысокое содержание в составе электролита силиката натрия, что может быть причиной недостаточной толщины и шероховатости покрытия, равных, соответственно 12,7±1,3 мкм и 0,84±0,01 мкм.
Известен способ получения покрытий с частицами β-ТКФ на поверхности сплава Mg0.8Ca методом микродугового оксидирования (M.B. Sedelnikova, K.V. Ivanov, A.V. Ugodchikova, A.D. Kashin, P.V. Uvarkin, YuP. Sharkeev, T.V. Tolkacheva, A.I. Tolmachev, J. Schmidt, V.S. Egorkin, A.S. Gnedenkov, The effect of pulsed electron irradiation on the structure, phase composition, adhesion and corrosion properties of calcium phosphate coating on Mg0.8Ca alloy // Materials Chemistry and Physics 294 (2023) 126996, https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2022.126996) [2]. Покрытия были модифицированы методом импульсного электронного облучения с плотностью энергии электронного пучка, равной 5 и 10 Дж/см2. Покрытия обладают следующими электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е к от -1,43 В до -1,56 В, плотность тока коррозии j к от 1,1×10-5 до 4,6×10-6 А · см-2, сопротивление коррозии от 1,8×103 до 3,8×103 Ом · см2. Адгезионная прочность покрытий определялась методом скретч-теста. Критическая нагрузка варьировалась в пределах 4,0-8,6 Н.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является покрытие из диатомита, сформированное методом микродугового оксидирования в силикатном электролите - суспензии (A.D. Kashin, M.B. Sedelnikova, V.V. Chebodaeva, P.V. Uvarkin, N.A. Luginin, E.S. Dvilis, O.V. Kazmina, Yu.P. Sharkeev, I.A. Khlusov, A.A. Miller, O.V. Bakina, Diatomite-based ceramic biocoating for magnesium implants // Ceramics International 48 (2022) 28059-28071, https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.111) [3]. Для формирования покрытия использовали электролит, содержащий NaOH 10 г/л, Na2SiO3 15 г/л, NaF 3 г/л и диатомит 10 г/л. Полученные покрытия на 2-3 порядка повышают коррозионную стойкость по сравнению с чистым магниевым сплавом. Покрытия, нанесенные при напряжении процесса 350-500 В, обладают следующими электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е к от -0,13 В до -1,58, плотность тока коррозии j к от 8,7×10-7 до 7,6×10-8 А см-2, сопротивление коррозии от 2,1×104 до 6,8×105 Ом см2. Адгезионная прочность покрытий определялась методом скретч-теста. Критическая нагрузка варьировалась в пределах 6-10 ± 1 Н.
Недостатком известного способа является тот факт, что частицы диатомита (в основном, остатки панцирей диатомовых водорослей), осажденные из электролита на поверхность покрытия, могут быть причиной недостаточно высокой коррозионной стойкости и адгезионной прочности покрытия.
Технической задачей предлагаемого изобретения является разработка способа получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение на основе диатомита микродугового биопокрытия, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава на счет чего улучшается однородность покрытия, повышается его адгезионная прочность, коррозионная стойкость, снижается скорость биорезорбции магниевого имплантата, улучшаются остеогенные свойства.
Указанный технический результат достигается тем, что способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава включает микродуговое оксидирование (МДО) имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, при этом модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения (ИЭО) проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5- 7,5 Дж/см2.
Микродуговое оксидирование проводят в щелочном электролите, следующего состава, г/л: диатомит 10; гидроксида натрия (NaOH) 10; силиката натрия (Na2SiO3) 15; фторид натрия (NaF) 3, в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400 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 частиц 1-20 мкм.
Модифицирование микродуговых покрытий методом ИЭО проводят на установке РИТМ-ИЗ (ИСПМС СО РАН, Томск, Россия), при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значения плотности энергии электронного пучка варьировали в диапазоне 2,5- 7,5 Дж/см2.
Раскрытие сущности изобретения.
Биоразлагаемые магниевые сплавы активно используются в биомедицинских приложениях. Кроме способности растворяться в организме человека, не вызывая воспалительных процессов, для них характерны такие свойства, как низкая плотность, близкая к плотности человеческой кости, и низкий модуль упругости. Для замедления скорости биорезорбции магниевых имплантатов применяют модификацию их поверхности путем нанесения защитных биосовместимых покрытий. 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 МДО является одним из наиболее перспективных и экономичных способов создания покрытий на поверхности вентильных металлов и сплавов. Отличительной особенностью покрытий, формируемых методом МДО, является наличие большого количества пор разного типа: открытых, закрытых, каналов и т. д. Наличие пор разного типа и размера приводит к формированию пористой структуры и снижает способность микродуговых покрытий обеспечивать механическую стабильность магниевых имплантатов в период растворения. Решением этой проблемы может стать модификация поверхности микродуговых покрытий методом ИЭО, который позволяет изменять структуру и фазовый состав как металлов и сплавов, так и покрытий за счет сверхбыстрого нагрева и плавления поверхностного слоя.
Для получения микродугового 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.
Микродуговое покрытие на имплантате из магниевого сплава состоит из оксида магния и силиката магния, которые образуются в процессе МДО. Для формирования микродугового покрытия из диатомита на магниевой подложке электролит содержит следующие компоненты, г/л: диатомит 10, а также гидроксид натрия NaOH 10, силикат натрия Na2SiO3 15 и фторид натрия NaF 3. Такой состав электролита обеспечивает биосовместимость микродугового покрытия с живым организмом, так как компонентами электролита являются химически чистые соединения, совместимые с биологическими тканями.
Микродуговое оксидирование проводят в анодном потенциостатическом режиме при следующих параметрах: напряжение 400 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.
Модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения (ИЭО) проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5 - 7,5 Дж/см2. Параметры процесса ИЭО были определены экспериментально. Уменьшение величины плотности энергии электронного луча менее 2,5 Дж/см2 и увеличение плотности энергии выше 7,5 Дж/см2 не позволило обеспечить заявленный технический результат. Также экспериментальным путем было подобраны: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, а также оптимальное количество импульсов, равное 5.
Модификация микродугового покрытия методом ИЭО 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.
Биоактивность модифицированного микродугового биопокрытия на поверхности магниевого имплантата достигается за счет использования диатомита - природного материала биогенного происхождения и формирования на поверхности керамического покрытия, содержащего оксид магния и силикат магния, с равномерной, развитой структурой поверхности.
Коррозионная стойкость модифицированного микродугового биопокрытия на поверхности магниевого имплантата достигается снижением скорости биорезорбции магниевого сплава за счет формирования на поверхности однородного, равномерно-пористого керамического покрытия, содержащего оксид магния и силикат магния.
Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет толщину 20-40 мкм
Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет общую пористость 4-7 % со средним размером пор 1-7 мкм.
Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет шероховатость 5,0-7,5 мкм
Модифицированное микродуговое биопокрытие имеет адгезионную прочность при царапании (склерометрическим методом) 8,8-13,3 Н.
Модифицированное микродуговое биопокрытие характеризуется электрохимическими свойствами: потенциал коррозии Е к от -0,16 В до -0,51 В, плотность тока коррозии j к от 7,3×10-8 до 4,6×10-10 А см-2, сопротивление коррозии от 1,1×106 до 1,4×108 Ом см2.
Модифицированное микродуговое биопокрытие содержит количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами покрытия составляло 90,6-91,3 %.
Модифицированное микродуговое биопокрытие содержит кристаллические соединения, такие как форстерит (Mg2SiO4), и оксид магния (MgO).
Приборы и методы с помощью которых проводят измерения свойств.
Исследование морфологии, структуры и элементного состава 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 которой представлены РЭМ-изображения исходного микродугового покрытия на магниевом сплаве МА2-1пч из диатомита (а), а также микродуговых биопокрытий, модифицированных методом ИЭО с плотностью энергии электронного луча 2,5 Дж/см2 (б), 5,0 Дж/см2 (в) и 7,5 Дж/см2 (г).
На фотографиях (б), (в) и (г) видна однородность полученных модифицированных микродуговых биопокрытий.
Изобретение осуществляется следующим образом.
Пример 1
Берут образец имплантата 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 имплантата 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, фторид натрия (NaF) 3 г растворяют в небольшом количестве дистиллированной воды. Для получения электролита-суспензии в раствор добавляют диатомит в виде порошка в количестве 10 г и доводят объем смеси до метки 1000 мл путем добавления дистиллированной воды.
Модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, количество импульсов 5, при этом значение плотности энергии электронного пучка равно 2,5 Дж/см2.
Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 40°мкм, шероховатость Ra биопокрытия 5,0 мкм, пористость 7 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 8,8 Н, потенциал коррозии Е к -0,16 В, плотность тока коррозии j к 7,3×10-8 А·см-2, сопротивление коррозии 1,1×106 Ом·см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 90,6 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (60,0 ат. %), Al (1,5 ат. %), Si (14,5 ат. %), Mg (23,6 ат. %), Ca (0,2 ат. %).
Пример 2.
Порядок подготовки образца имплантата из магниевого сплава, процесс нанесения микродугового покрытия и состав электролита аналогичны примеру 1.
Отличие заключается в том, что модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, количество импульсов 5, при этом значение плотности энергии электронного пучка равно 5,0 Дж/см2.
Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 30 мкм, шероховатость Ra биопокрытия 6,0 мкм, пористость 6 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 11,6 Н, потенциал коррозии Е к -0,29 В, плотность тока коррозии j к 2,8×10-8 А·см-2, сопротивление коррозии 1,8×106 Ом·см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 91,3 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (59,5 ат. %), Al (1,5 ат. %), Si (13,8 ат. %), Mg (26,2 ат. %), Ca (0,1 ат. %).
Пример 3.
Порядок подготовки образца имплантата из магниевого сплава, процесс нанесения микродугового покрытия и состав электролита аналогичны примеру 1.
Отличие заключается в том, что модифицирование микродугового покрытия методом ИЭО проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность и частота импульсов 2 мкс и 0,2 с-1, соответственно, количество импульсов 5. При этом значение плотности энергии электронного пучка равно 7,5 Дж/см2.
Толщина модифицированного микродугового биопокрытия 20 мкм, шероховатость Ra биопокрытия 7,5 мкм, пористость 4 %, адгезионная прочность при царапании (склерометрический метод) 13,3 Н, потенциал коррозии Е к -0,51 В, плотность тока коррозии j к 4,6×10-10 А·см-2, сопротивление коррозии 1,4×108 Ом·см2, количество жизнеспособных клеток после контакта с образцами биопокрытия составляло 91,0 %. Химический состав биопокрытия (Al - из сплава МА2-1 пч): O (55,4 ат. %), Al (1,0 ат. %), Si (15,5 ат. %), Mg (27,1 ат. %), Ca (0,1 ат. %).
Claims (5)
1. Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава, включающий микродуговое оксидирование имплантата в щелочном электролите, содержащем диатомит, соединения натрия, кремния, отличающийся тем, что модифицирование микродугового покрытия методом импульсного электронного облучения проводят при следующих параметрах: энергия электронов 30 кэВ, длительность 2 мкс, частота импульсов 0,2 с-1, количество импульсов 5, при этом значения плотности энергии электронного пучка варьируют в диапазоне 2,5-7,5 Дж/см2.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что микродуговое оксидирование проводят в щелочном электролите следующего состава, г/л:
в анодном потенциостатическом режиме при параметрах: напряжение 400 В, длительность импульса 100 мкс, частота следования импульсов 50 Гц, в течение 5 минут.
3. Способ по любому из пп. 1 или 2, отличающийся тем, что используют природный диатомит, представляющий собой порошкообразный аморфный кремнезем SiO2 с размерами частиц 1-20 мкм.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2807878C1 true RU2807878C1 (ru) | 2023-11-21 |
Family
ID=
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103194781A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种用于可降解镁合金的生物活性表面改性方法 |
| CN104962970A (zh) * | 2015-06-08 | 2015-10-07 | 太原理工大学 | 一种医用镁合金的表面改性方法 |
| RU2779076C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2022-08-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава |
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN103194781A (zh) * | 2012-01-05 | 2013-07-10 | 中国科学院金属研究所 | 一种用于可降解镁合金的生物活性表面改性方法 |
| CN104962970A (zh) * | 2015-06-08 | 2015-10-07 | 太原理工大学 | 一种医用镁合金的表面改性方法 |
| RU2779076C1 (ru) * | 2022-05-05 | 2022-08-31 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики прочности и материаловедения Сибирского отделения Российской академии наук (ИФПМ СО РАН) | Способ получения модифицированного биопокрытия из диатомита с микрочастицами диоксида циркония на имплантате из магниевого сплава |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| HAO S. et al. Surface modification of steels and magnesium alloy by high current pulsed electron beam. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B, 2005, V. 240, I. 3, pp. 646-652, [онлайн], [найдено 24.10.2023]. Найдено из Интернет: DOI: 10.1016/j.nimb.2005.04.117. * |
| KASHIN A.D. et al. Diatomite-based ceramic biocoating for magnesium implants. Ceramics International, 2022, V. 48, I. 19, Part A, pp. 28059-28071, [онлайн], [найдено 04.10.2023]. Найдено из Интернет: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.111. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Chen et al. | Preparation and properties of hydroxyapatite-containing titania coating by micro-arc oxidation | |
| KR101670435B1 (ko) | 생체 분해성 스텐트 및 이의 제조 방법 | |
| Song et al. | Biomimetic apatite coatings on micro-arc oxidized titania | |
| Kung et al. | Bioactivity and corrosion properties of novel coatings containing strontium by micro-arc oxidation | |
| Kaseem et al. | Simultaneous improvement of corrosion resistance and bioactivity of a titanium alloy via wet and dry plasma treatments | |
| Terleeva et al. | Effect of microplasma modes and electrolyte composition on micro-arc oxidation coatings on titanium for medical applications | |
| Wei et al. | In vitro degradation, hemolysis, and cytocompatibility of PEO/PLLA composite coating on biodegradable AZ31 alloy | |
| Fialho et al. | Surface engineering of nanostructured Ta surface with incorporation of osteoconductive elements by anodization | |
| Yao et al. | Structure and properties of compound coatings on Mg alloys by micro-arc oxidation/hydrothermal treatment | |
| young Kim et al. | Effect of alkali and heat treatments for bioactivity of TiO2 nanotubes | |
| Huang et al. | Corrosion behavior and biocompatibility of hydroxyapatite/magnesium phosphate/zinc phosphate composite coating deposited on AZ31 alloy | |
| Pan et al. | Improvement of corrosion and biological properties of microarc oxidized coatings on Mg–Zn–Zr alloy by optimizing negative power density parameters | |
| Sen et al. | Preparation and osteoinduction of active micro-arc oxidation films on Ti-3Zr-2Sn-3Mo-25Nb alloy | |
| Banakh et al. | Synthesis by anodic-spark deposition of Ca-and P-containing films on pure titanium and their biological response | |
| Li et al. | Preparing Ca-P coating on biodegradable magnesium alloy by hydrothermal method: In vitro degradation behavior | |
| Shin et al. | Development of titanium oxide layer containing nanocrystalline zirconia particles with tetragonal structure: Structural and biological characteristics | |
| Huang et al. | Hydroxyapatite coatings produced on commercially pure titanium by micro-arc oxidation | |
| Mousa et al. | Surface modification of magnesium and its alloys using anodization for orthopedic implant application | |
| Singh et al. | In vitro corrosion investigations of plasma-sprayed hydroxyapatite and hydroxyapatite-calcium phosphate coatings on 316L SS | |
| Kim et al. | Functional elements coatings on the plasma electrolytic oxidation-treated Ti–6Al–4V alloy by electrochemical precipitation method | |
| Mendolia et al. | Calcium phosphate/polyvinyl acetate coatings on SS304 via galvanic co-deposition for orthopedic implant applications | |
| Yan et al. | The effect of chemical treatment on apatite-forming ability of the macroporous zirconia films formed by micro-arc oxidation | |
| Marchenko et al. | Electrolyte exposure time effects on structure, composition and biocompatibility of microarc oxidation coatings on Mg-Ca-Zn alloys | |
| EP2479318B1 (en) | Metal substrates modified with silicon-based biomimetic treatment for the osteointegration thereof. | |
| RU2807878C1 (ru) | Способ получения микродугового биопокрытия из диатомита, модифицированного импульсным электронным облучением, на имплантате из магниевого сплава |