Формирование покрытий методом плазменно-электролитического оксидирования на сверхупругом сплаве Ti–18Zr–15Nb в кальцийсодержащих электролитах

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Обсуждается влияние состава электролита на характеристики биосовместимого покрытия, полученного методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО) на титановом сверхупругом сплаве с памятью формы Ti–18Zr–15Nb. Научная новизна работы заключается в выявлении наиболее эффективного состава электролита для формирования ПЭО-покрытия с повышенными функциональными свойствами для перспективных металлических имплантатов. Научные результаты работы обладают важной научной и социальной значимостью и послужат основой для разработки современных технологий производства имплантатов нового поколения для ортопедии и нейрохирургии. Для выявления наиболее эффективного состава электролита были исследованы морфология и микроструктура покрытий, фазовый и элементный состав, адгезия покрытий и износостойкость поверхности, а также проведены электрохимические коррозионные испытания. Полученные покрытия имеют толщину в диапазоне ~15,5–17 мкм, пористость ~12–18 %. Добавка в виде силиката натрия существенно сглаживает поверхность и повышает износостойкость, но при этом снижает адгезионные свойства покрытий. Покрытия имеют в своем составе биосовместимые соединения кальций-фосфатов, что подтверждается наличием аморфного гало между 25 и ~40° в результатах рентгенофазового анализа и выявленных элементов Ca и P в элементном анализе. По результатам электрохимической импедансной спектроскопии выявлено различие в структуре ПЭО-покрытий и коррозионных процессов, протекающих в них. Покрытия, сформированные в фосфатных электролитах, имеют два слоя: внешний пористый и внутренний компактный, а в фосфатно-силикатных электролитах – один слой. Установлено, что ПЭО снижает токи коррозии на 1–3 порядка по сравнению с образцом без ПЭО-обработки. Покрытие, сформированное в фосфатном электролите с добавкой борной кислоты и ацетата кальция, обладает наилучшими коррозионными характеристиками, имеет наибольшую шероховатость, что положительно влияет на биосовместимость. Данный электролит может быть рекомендован для дальнейших исследований в качестве наиболее эффективного.

Об авторах

Рузиль Галиевич Фаррахов

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа

Автор, ответственный за переписку.
Email: farrahov.rg@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0001-6670-1537

кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры электронной инженерии 

Россия

Вета Робертовна Аубакирова

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа

Email: veta_mr@mail.ru

кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры электронной инженерии 

Россия

Михаил Викторович Горбатков

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа

Email: mikesg@mail.ru

кандидат технических наук, старший научный сотрудник кафедры электронной инженерии

Россия

Юрий Анатольевич Лебедев

Институт физики молекул и кристаллов Уфимского научного центра Российской академии наук, Уфа

Email: lebedev@anrb.ru

кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник лаборатории физики твердого тела 

Россия

Евгений Владимирович Парфенов

Уфимский государственный авиационный технический университет, Уфа

Email: parfenov.ev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0003-0113-314X

доктор технических наук, доцент, профессор кафедры электронной инженерии

Россия

Список литературы

  1. Muthaiah V.M.S., Indrakumar S., Suwas S., Chatterjee K. Surface engineering of additively manufactured titanium alloys for enhanced clinical performance of biomedical implants: A review of recent developments // Bioprinting. 2022. Vol. 25. Article number e00180. doi: 10.1016/j.bprint.2021.e00180.
  2. Shechtman S.R., Farrakhov R.G., Ramazanov I.A., Sheremetyev V.A., Parfenov E.V. Protective PEO-coatings on titanium shape memory alloy for medical implants // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol. 1008. № 1. Article number 012016. doi: 10.1088/1757-899X/1008/1/012016.
  3. Keegan G.M., Learmonth I.D., Case C.P. Orthopaedic metals and their potential toxicity in the arthroplasty patient // Journal of Bone and Joint Surgery - Series B. 2007. Vol. 89. № 5. P. 567–573. doi: 10.1302/0301-620X.89B5.18903.
  4. Močnik P., Kosec T. A critical appraisal of the use and properties of nickel–titanium dental alloys // Materials. 2021. Vol. 14. № 24. Article number 7859. doi: 10.3390/ma14247859.
  5. Barilyuk D., Bazlov A., Arkharova N., Teplyakova T., Konopatsky A., Prokoshkin S. Novel Zr-Rich Alloys of Ternary Ti-Zr-Nb System with Large Superelastic Recovery Strain // Metals. 2022. Vol. 12. № 2. Article number 185. doi: 10.3390/met12020185.
  6. Bao X., Maimaitijuma T., Yu B., Li X., Xi G., Liu S., Cao Y., Zhang T. Ti-Zr-Nb based BCC solid solution alloy containing trace Cu and Ag with low modulus and excellent antibacterial properties // Materials Today Communications. 2022. Vol. 31. Article number 103180. doi: 10.1016/j.mtcomm.2022.103180.
  7. Kim K.M., Al-Zain Y., Yamamoto A., Daher A.H., Mansour A.T., AlAjlouni J.M., Aloweidi A.S., Al-Abbadi M.A., Kim H.Y., Miyazaki S. Synthesis and characterization of a Ti–Zr-based alloy with ultralow Young’s modulus and excellent biocompatibility // Advanced Engineering Materials. 2022. Vol. 24. № 2. Article number 2100776. doi: 10.1002/adem.202100776.
  8. Konopatsky A., Sheremetyev V., Dubinskiy S., Zhukova Y., Firestein K., Golberg D., Filonov M., Prokoshkin S., Brailovski V. Structure and Superelasticity of Novel Zr-Rich Ti-Zr–Nb Shape Memory Alloys // Shape Memory and Superelasticity. 2021. Vol. 7. № 2. P. 304–313. doi: 10.1007/s40830-021-00322-5.
  9. Kaliaraj G.S., Siva T., Ramadoss A. Surface functionalized bioceramics coated on metallic implants for biomedical and anticorrosion performance - a review // Journal of Materials Chemistry B. 2021. Vol. 9. № 46. P. 9433–9460. doi: 10.1039/d1tb01301g.
  10. Xue T., Attarilar S., Liu S., Liu J., Song X., Li L., Zhao B., Tang Y. Surface modification techniques of titanium and its alloys to functionally optimize their biomedical properties: Thematic review // Frontiers in Bioengineering and Biotechnology. 2020. Vol. 8. Article number 603072. doi: 10.3389/fbioe.2020.603072.
  11. Rogov A.B., Huang Y., Shore D., Matthews A., Yerokhin A. Toward rational design of ceramic coatings generated on valve metals by plasma electrolytic oxidation: The role of cathodic polarization // Ceramics International. 2021. Vol. 47. № 24. P. 34137–34158. doi: 10.1016/j.ceramint.2021.08.324.
  12. Fattah-alhosseini A., Molaei M., Nouri M., Babaei K. Antibacterial activity of bioceramic coatings on Mg and its alloys created by plasma electrolytic oxidation (PEO): A review // Journal of Magnesium and Alloys. 2022. Vol. 10. № 1. P. 81–96. doi: 10.1016/j.jma.2021.05.020.
  13. Caetano G.L., dos Santos Junior J., Pereira B.L., Benegra M. One-step plasma electrolytic oxidation in Ti-30Nb-8Zr, Ti, and Nb surfaces // Surface Engineering. 2021. Vol. 37. № 11. P. 1467–1475. doi: 10.1080/02670844.2021.1996843.
  14. Parfenov E.V., Parfenova L.V., Dyakonov G.S., Danilko K.V., Mukaeva V.R., Farrakhov R.G., Lukina E.S., Valiev R.Z. Surface functionalization via PEO coating and RGD peptide for nanostructured titanium implants and their in vitro assessment // Surface and Coatings Technology. 2019. Vol. 357. P. 669–683. doi: 10.1016/j.surfcoat.2018.10.068.
  15. Malayoğlu U., Tekin K.C., Malayoğlu U., Belevi M. Mechanical and electrochemical properties of PEO coatings on zirconium alloy // Surface Engineering. 2020. Vol. 36. № 8. P. 800–808. doi: 10.1080/02670844.2019.1706233.
  16. Cengiz S., Gencer Y. The characterization of the oxide based coating synthesized on pure zirconium by plasma electrolytic oxidation // Surface and Coatings Technology. 2014. Vol. 242. P. 132–140. doi: 10.1016/j.surfcoat.2014.01.032.
  17. Xue W., Zhu Q., Jin Q., Hua M. Characterization of ceramic coatings fabricated on zirconium alloy by plasma electrolytic oxidation in silicate electrolyte // Materials Chemistry and Physics. 2014. Vol. 120. № 2-3. P. 656–660. doi: 10.1016/j.matchemphys.2009.12.012.
  18. Babaei K., Fattah-alhosseini A., Chaharmahali R. A review on plasma electrolytic oxidation (PEO) of niobium: Mechanism, properties and applications // Surfaces and Interfaces. 2020. Vol. 21. Article number 100719. doi: 10.1016/j.surfin.2020.100719.
  19. Парфенов Е.В., Фаррахов Р.Г., Мукаева В.Р., Горбатков М.В., Мелемчук И.А., Стоцкий А.Г., Чернейкина Я.В. Автоматизированная технологическая установка для исследования электролитно-плазменных процессов // Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2016. Т. 20. № 4. С. 23–31.
  20. Kazek-Kęsik A., Pietryga K., Basiaga M., Blacha-Grzechnik A., Dercz G., Kalemba-Rec I., Pamuła E., Simka W. Lactoferrin and collagen type I as components of composite formed on titanium alloys for bone replacement // Surface and Coatings Technology. 2017. Vol. 318. P. 1–12. doi: 10.1016/j.surfcoat.2017.08.022.
  21. Bandyopadhyay A., Espana F., Balla V.K., Bose S., Ohgami Y., Davies N.M. Influence of porosity on mechanical properties and in vivo response of Ti6Al4V implants // Acta Biomaterialia. 2010. Vol. 6. № 4. P. 1640–1648. doi: 10.1016/j.actbio.2009.11.011.
  22. Zheng J.-P., Chen L.-J., Chen D.-Y., Shao C.-S., Yi M.-F., Zhang B. Effects of pore size and porosity of surface-modified porous titanium implants on bone tissue ingrowth // Transactions of Nonferrous Metals Society of China. 2019. Vol. 29. № 12. P. 2534–2545. doi: 10.1016/S1003-6326(19)65161-7.
  23. Tanase C.E., Golozar M., Best S.M., Brooks R.A. Cell response to plasma electrolytic oxidation surface-modified low-modulus β-type titanium alloys // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. 2019. Vol. 176. P. 176–184. doi: 10.1016/j.colsurfb.2018.12.064.
  24. Shibata Y., Tanimoto Y. A review of improved fixation methods for dental implants. Part I: Surface optimization for rapid osseointegration // Journal of Prosthodontic Research. 2015. Vol. 59. № 1. P. 20–33. doi: 10.1016/j.jpor.2014.11.007.
  25. Sowa M., Piotrowska M., Widziołek M., Dercz G., Tylko G., Gorewoda T., Osyczka A.M., Simka W. Bioactivity of coatings formed on Ti-13Nb-13Zr alloy using plasma electrolytic oxidation // Materials Science and Engineering C. 2015. Vol. 49. P. 159–173. doi: 10.1016/j.msec.2014.12.073.
  26. Aubakirova V., Farrakhov R., Sharipov A., Polyakova V., Parfenova L., Parfenov E. Investigation of biocompatible PEO coating growth on cp-Ti with in situ spectroscopic methods // Materials. 2022. Vol. 15. № 1. Article number 9. doi: 10.3390/ma15010009.
  27. Barsoukov E., Macdonald J.R. Impedance Spectroscopy: Theory, Experiment, and Applications. New Jersey: Chapel Hill, 2005. 595 p. doi: 10.1002/0471716243.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

© ,



Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах