Гипоаллергенные покрытия системы Zr–O–N для ювелирных изделий из недрагоценных сплавов

В последние десятилетия производители ювелирных изделий начали применять недрагоценные сплавы с целью снижения производственных затрат. Однако при этом у большого числа потребителей возникает аллергическая (сенсибилизирующая) реакция организма на украшения из таких материалов. Нанесение на них гипоаллергенного покрытия может снизить негативное влияние ювелирного изделия на организм. Одним из материалов, биологически инертных по отношению к тканями организма человека, является цирконий. В работе рассмотрены покрытия на основе циркония, наносимые методом магнетронного напыления. Было изучено 11 режимов нанесения покрытий из оксинитрида циркония на подложку из стали 12Х17 и проведены испытания их твердости и коррозионной стойкости в растворе Хенкса, а также определены их цветовые характеристики в цветовых системах CIE 1976 L*a*b* и RGB. Толщина покрытий составляла 0,4–1,2 мкм. Установлено, что покрытия имеют микротвердость 2,5–3,0 ГПа и могут имитировать цвет ювелирных изделий. С помощью микрорентгеноспектрального анализа было определено что покрытия состоят из Zr, N и O. Были подобраны режимы нанесения, при которых получались покрытия металлического типа с высокой отражающей способностью в области, близкой к инфракрасному спектру (<1,7 эВ), имеющие золотистый оттенок и высокое значение яркости. Экспериментально показано, что покрытия практически не корродируют в растворе Хенкса. Опытные испытания ювелирных изделий с покрытием из оксинитрида циркония, проведенные на респонденте с выраженной аллергической реакцией на бижутерию, показали положительный результат – отсутствие признаков кожной аллергии. Полученные данные позволяют рекомендовать магнетронный способ нанесения покрытий на основе циркония для применения при изготовлении бижутерии.

1. Siemund I., Mowitz M., Zimerson E., Bruze M., Hindsén M. Variation in aluminium patch test reactivity over time. Contact Dermatitis. 2017. Vol. 77. No. 5. P. 288—296.

2. McDougall S.A., Heath M.D., Kramer M.F., Skinner M.A. Analysis of aluminium in rat following administration of allergen immunotherapy using either aluminium or microcrystalline-tyrosine-based adjuvants. Bioanalysis. 2016. Vol. 8. No. 6. P. 547—556.

3. Jensen-Jarolim E. Aluminium in allergies and allergen immunotherapy. World Allergy Organization Journal. 2015. Vol. 8. P. 1—7.

4. Yoshihisa Y., Shimizu T. Metal allergy and systemic contact dermatitis: An overview. Derm. Res. Pract. 2012. Vol. 2012. No. 749561.

5. Uter W., Schmid M., Schmidt O., Bock C., Wolter J. Cobalt release from earrings and piercing jewellery — analytical results of a German survey. Contact Dermatitis. 2014. Vol. 70. No. 6. P. 369—375.

6. Lucchetti M.C., Fratto G., Valeriani F., De Vittori E., Giampaoli S., Papetti P., Spica V.R., Manzon L. Cobalt-chromium alloys in dentistry: An evaluation of metal ion release. J. Prosthetic Dentistry. 2015. Vol. 114. No. 4. P. 602—608.

7. Hedberg Y.S., Erfani B., Matura M., Lidén C. Chromium (III) release from chromium-tanned leather elicits allergic contact dermatitis: A use test study. Contact Dermatitis. 2018. Vol. 78. No. 5. P. 307—314.

8. Bregnbak D., Johansen J.D., Jellesen M.S., Zachariae C., Menné T., Thyssen J.P. Chromium allergy and dermatitis: prevalence and main findings. Contact Dermatitis. 2015. Vol. 73. No. 5. P. 261—280.

9. Gabe D.R., Larson C. Electrodeposited nickel (and other metal) allergenic effects: some further thoughts. Trans. IMF. 2017. Vol. 95. No. 2. P. 71—72.

10. Schnuch A., Wolter J., Geier J., Uter W. Nickel allergy is still frequent in young German females — probably because of insufficient protection from nickel-releasing objects. Contact Dermatitis. 2011. Vol. 64. No. 3. P. 142—150.

11. Thyssen J.P., Menné T., Johansen J.D. Nickel release from inexpensive jewelry and hair clasps purchased in an EU country — Are consumers sufficiently protected from nickel exposure? Sci. Total Environment. 2009. Vol. 407. No. 20. P. 5315—5318.

12. Tillman C., Engfeldt M., Hindsén M., Bruze M. Usage test with palladium-coated earrings in patients with contact allergy to palladium and nickel. Contact Dermatitis. 2013. Vol. 69. No. 5. P. 288—295.

13. Setiyorini Y., Pintowantoro S. Biocompatibility improvement of NiTi orthodontic wire from various coatings. Adv. Mater. Res. 2013. Vol. 789. P. 225—231.

14. Okamoto H., Tsutsumi Y., Watanabe M., Yamakage K., Ashida M., Chen P., Doi H., Miura H., Matsumura M., Hanawa T. Evaluation of release and accumulation of metal ions from titanium and nickel by accelerated dissolution test in simulated body environments. Electrochemistry. 2015. Vol. 83. No. 12. P. 1048-1052.

15. Chen J.K., Lampel H.P. Gold contact allergy: Clues and controversies. Dermatitis. 2015. Vol. 26. No. 2. P. 69—77.

16. Asri R.I.M., Harun W.S.W., Samykano M., Lah N.A.C., Ghani S.A.C., Tarlochan F., Raza M.R. Corrosion and surface modification on biocompatible metals: A review. Mater. Sci. Eng. C. 2017. Vol. 77. P. 1261—1274.

17. Sella C., Martin J.C., Lecoeur J., Bellier J.P., Harmand M.F., Naji A., Davidas J.P., Le Chanu A. Corrosion protection of metal implants by hard biocompatible ceramic coatings deposited by radio-frequency sputtering. Clinical Mater. 1990. Vol. 5. No. 2-4. P. 297—307.

18. Cionca N., Hashim D., Mombelli A. Zirconia dental implants: where are we now, and where are we heading? Periodontology 2000. 2017. Vol. 73. No. 1. P. 241—258.

19. Gutmanas E.Y., Gotman I. Protective coatings on medical implants by reactive diffusion. AIP Conf. Proc. 2014. Vol. 1623. P. 203—208.

20. Chen C., Kleverlaan C.J., Feilzer A.J. Effect of an experimental zirconia-silica coating technique on micro tensile bond strength of zirconia in different priming conditions. Dental Mater. 2012. Vol. 28. No. 8. P. 127—134.

21. da Silva Oliveira C.I., Martinez-Martinez D., Cunha L., Rodrigues M.S., Borges J., Lopes C., Alves E., Barradas N.P., Apreutesei M. Zr—O—N coatings for decorative purposes: Study of the system stability by exploration of the deposition parameter space. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 343. P. 30—37.

22. Cengiz S., Azakli Y., Tarakci M., Stanciu L., Gencer Y. Microarc oxidation discharge types and bio properties of the coating synthesized on zirconium. Mater. Sci. Eng. C. 2017. Vol. 77. P. 374—383.

23. Durdu S., Aktug S.L. , Aktas S., Yalcin E., Cavusoglu K., Altinkok A., Usta M. Characterization and in vitro properties of anti-bacterial Ag-based bioceramic coatings formed on zirconium by micro arc oxidation and thermal evaporation. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 331. P. 107—115.

24. Ivanova A.A., Surmeneva M.A., Shugurov V.V., Koval N.N., Shulepov I.A., Surmenev R.A. Physical and mechanical properties of Ti—Zr coatings fabricated via ion-assisted arc-plasma deposition. Vacuum. 2018. Vol. 149. P. 129—133.

25. Лысенок Л.Н. Биоматериаловедение: Вклад в прогресс современных медицинских технологий. Клеточная трансплантология и клеточная инженерия. 2005. No. 2. C. 56—61. Lysenok L.N. Biomaterial science: Contribution to the progress of modern medical technologies. Kletochnaya transplantologiya i kletochnaya inzheneriya. 2005. No. 2. P. 56—61 (In Russ.).

26. Thomas P., Weik T., Roider G., Summer B., Thomsen M. Influence of surface coating on metal ion release: evaluation in patients with metal allergy. Orthopedics. 2016. Vol. 39. No. 3. P. 24—30.

27. Carvalho P., Borges J., Rodrigues M.S., Barradas N.P., Alves E., Espinós J.P., González-Elipe A.R., Cunha L., Marques L., Vasilevskiy M.I., Vaz F. Optical properties of zirconium oxynitride films: The effect of composition, electronic and crystalline structures. Appl. Surf. Sci. 2015. Vol. 358B. P. 660—669.

28. Duan Z., Yang H., Kano S., Murakami K., Satoh Y., Takeda Y., Abe H. Oxidation and electrochemical behaviors of Al2O3 and ZrO2 coatings on Zircaloy-2 cladding by thermal spraying. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 334. P. 319—327.

29. Patel S.N., Jayaram V., Banerjee D. Thick coatings of porous zirconia by anodization of zirconium in an organic electrolyte. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 323. P. 2—9.

30. Cubillos G.I., Mendoza M.E., Alfonso J.E., Blanco G., Bethencourt M. Chemical composition and microstructure of zirconium oxynitride thin layers from the surface to the substrate-coating interface. Mater. Characterization. 2017. Vol. 131. P. 450—458.

31. Carvalho P., Vaz F., Rebouta L., Carvalho S., Cunha L., Goudeau Ph., Rivière J.P., Alves E., Cavaleiro A. Structural stability of decorative ZrNxOy thin films. Surf. Coat. Technol. 2005. Vol. 200. No. 1-4. P. 748—752.