Зависимость морфологии, структуры, состава и биосовместимости Са- и Р-содержащих покрытий TiO ₂ от параметров процесса плазменного электролитического окисления титана

Изучено влияние параметров биполярного импульсного режима плазменного электролитического окисления (ПЭО) титана: напряжения (U), длительности импульса (t) и продолжительности паузы между импульсами, на структуру и морфологию TiO2-покрытий, легированных Са и Р. Определены пороговые значения напряжения (U1) и длительности положительного импульса (t1), при которых поры не образуются. Показано, что при повышении величины U1 увеличивается размер пор и возрастают концентрации Ca и P в составе TiO2-покрытия. Выявлена связь между содержанием в покрытии рутила и концентрациями Ca и P. Установлено, что размер и распределение пор по размеру зависят величины t1. Во время короткого положительного импульса формируется структура с мелкими порами, равномерно распределенными по площади образца. При повышении t1 образуется структура с крупными неравномерно распределенными порами. Увеличение параметров отрицательного импульса (U2 и t2) приводит к снижению концентраций Ca и P в покрытии, а также уменьшению содержания рутила. Показано, что поверхность TiO2-покрытий, полученных методом ПЭО, обеспечивает рост кристаллитов Са- и Р-содержащих фаз при их выдержке в растворе, имитирующем внутреннюю среду организма. Выявлено, что количество апатитоподобного слоя зависит от содержания Са и Р в составе TiO2-слоя, а также размера и распределения пор.

1. Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen A.S., Lemons J.E. Biomaterials science: An introduction to materials in medicine. Oxford: Elsevier, 2004.

2. Brånemark P-I., Zarb G., Albrektsso T. Introduction to osseointegration. In: Tissue-integrated prostheses: Osseointegration in clinical dentistry. Chicago: Quintessence Publ. Co., 1985.

3. Albrektsson T., Brånemark P.I., Hansson H.A., Lindström J. Osseointegrated titanium implants: Requirements for ensuring a long-lasting, direct bone-to-implant anchorage in man. Acta Orthop. 1981. Vol. 52. No. 2. P. 155—170. DOI: 10.3109/17453678108991776.

4. Tengvall P., Lundström I. Physico-chemical considerations of titanium as a biomaterial. Clin. Mater. 1992. Vol. 9. No. 2. P. 115—134. DOI: 10.1016/0267-6605(92)90056-Y.

5. Hallam P., Haddad F., Cobb J. Pain in the well-fixed, aseptic titanium hip replacement. The role of corrosion. J. Bone Jt. Surg. Ser. B. 2004. Vol. 86. No. 1. P. 27—30. DOI: 10.1302/0301-620X.86B1.14326.

6. Urban R.M., Jacobs J.J., Gilbert J.L., Galante J.O. Migration of corrosion products from modular hip prostheses. Particle microanalysis and histopathological findings. J. Bone Jt. Surg. Ser. A. 1994. Vol. 76. No. 9. P. 1345—1359. DOI: 10.2106/00004623-199409000-00009.

7. Manam N.S., Harun W.S.W., Shri D.N.A., Ghani S.A.C., Kurniawan T., Ismail M.H., Ibrahim M.H.I. Study of corrosion in biocompatible metals for implants: A review. J. Alloys Compd. 2017. Vol. 701. P. 698—715. DOI: 10.1016/j.jallcom.2017.01.196.

8. Siddiqi A., Payne A.G.T., De Silva R.K. Duncan W.J. Titanium allergy: Could it affect dental implant integration? Clin Oral Implants Res. 2011. Vol. 22. No. 7. P. 673—680. DOI: 10.1111/j.1600-0501.2010.02081.x.

9. Egusa H., Ko N., Shimazu T., Yatani H. Suspected association of an allergic reaction with titanium dental implants: A clinical report. J. Prosthet. Dent. 2008. Vol. 100. No. 5. P. 344—347. DOI: 10.1016/S0022-3913(08)60233-4.

10. Sollazzo V., Vincenzo M.D., Pezzetti F., Scarano A., Piattelli A., Massari L., Brunelli G., Carinci F. Anatase coating improves implant osseointegration in vivo. J. Craniofac. Surg. 2007. Vol. 18. No. 4. P. 806—810. DOI: 10.1097/scs.0b013e3180a7728f.

11. Yerokhin A.L., Nie X., Leyland A., Matthews A. Dowey S.J. Plasma electrolysis for surface engineering. Surf. Coat. Technol. 1999. Vol. 122. No. 2-3. P. 73—93. DOI: 10.1016/S0257-8972(99)00441-7.

12. Ракоч А.Г., Бардин И.В. Микродуговое оксидирование легких сплавов. Металлург. 2010. No. 6. С. 58—61.

13. Rakoch A.G., Bardin I.V. Microarc oxidation of light alloys. Metallurg. 2010. No. 6. Р. 58—61 (In Russ.).

14. Dong Q., Chen C., Wang D., Ji Q. Research status about surface modification of biomedical Ti and its alloys by micro-arc oxidation. Surf. Rev. Lett. 2006. Vol. 13. No. 1. P. 35—43. DOI: 10.1142/S0218625X06007792.

15. Mortazavi G., Jiang J., Meletis E.I. Investigation of the plasma electrolytic oxidation mechanism of titanium. Appl. Surf. Sci. 2019. Vol. 488. P. 370—382. DOI: 10.1016/j.apsusc.2019.05.250.

16. Quintero D., Galvis O., Calderón J. A., Castaño J. G., Echeverría F. Effect of electrochemical parameters on the formation of anodic films on commercially pure titanium by plasma electrolytic oxidation. Surf. Coat. Technol. 2014. Vol. 258. P. 1223—1231. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2014.06.058.

17. Cimenoglu H., Gunyuz M., Kose G. T., Baydogan M., Uğurlu F., Sener C. Micro-arc oxidation of Ti6Al4V and Ti6Al7Nb alloys for biomedical applications. Mater. Charact. 2011. Vol. 62. No. 3. P. 304—311. DOI: 10.1016/j.matchar.2011.01.002.

18. Reshadi F., Faraji G., Baniassadi M., Tajeddini M. Surface modification of severe plastically deformed ultrafine grained pure titanium by plasma electrolytic oxidation. Surf. Coat. Technol. 2017. Vol. 316. P. 113—121. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2017.03.016.

19. Wang Q., Hu H., Qiao Y., Zhang Z., Sun J. Enhanced performance of osteoblasts by silicon incorporated porous TiO2 coating. J. Mater. Sci. Technol. 2012. Vol. 28. No. 2. P. 109—117. DOI: 10.1016/S1005-0302(12)60030-9.

20. Li Y., Wang W., Li H., Lei J., Qi M. Formation and in vitro/ in vivo performance of «cortex-like» micro/nano-structured TiO2 coatings on titanium by micro-arc oxidation. Mater. Sci. Eng. C. 2018. Vol. 87. P. 90—103. DOI: 10.1016/j.msec.2018.02.023.

21. Della Valle C., Rondelli G., Cigada A., Bianchi A. E., Chiesa R. A novel silicon-based electrochemical treatment to improve osteointegration of titanium implants. J. Appl. Biomater. Funct. Mater. 2012. Vol. 11. No. 2. P. 106—116. DOI: 10.5301/JABFM.2012.9419.

22. Santos-Coquillat A., Gonzalez Tenorio R., Mohedano M., Martinez-Campos E., Arrabal R., Matykina E. Tailoring of antibacterial and osteogenic properties of Ti6Al4V by plasma electrolytic oxidation. Appl. Surf. Sci. 2018. Vol. 454. P. 157—172. DOI: 10.1016/j.apsusc.2018.04.267.

23. Santos-Coquillat A., Mohedano M., Martinez-Campos E., Arrabal R., Pardo A., Matykina E. Bioactive multi-elemental PEO-coatings on titanium for dental implant applications. Mater. Sci. Eng. C. 2019. Vol. 97. P. 738—752. DOI: 10.1016/j.msec.2018.12.097.

24. Gittens R.A., McLachlan T., Olivares-Navarrete R., Cai Y., Berner S., Tannenbaum R., Schwartz Z., Sandhage K.H., Boyan B.D. The effects of combined micron-/submicron- scale surface roughness and nanoscale features on cell proliferation and differentiation. Biomaterials. 2011. Vol. 32. No. 13. P. 3395—3403. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2011.01.029.

25. Santos-Coquillat A., Martínez-Campos E., Mohedano M., Martínez-Corriá R., Ramos V., Arrabal R., Matykina E. In vitro and in vivo evaluation of PEO-modified titanium for bone implant applications. Surf. Coat. Technol. 2018. Vol. 347. P. 358—368. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2018.04.051.

26. Riehle M.O., Dalby M.J., Johnstone H., MacIntosh A., Affrossman S. Cell behaviour of rat calvaria bone cells on surfaces with random nanometric features. Mater. Sci. Eng. C. 2003. Vol. 23. No. 3. P. 337—340. DOI: 10.1016/S0928-4931(02)00282-5.

27. Buser D., Schenk R.K., Steinemann S., Fiorellini J.P., Fox C.H., Stich H. Influence of surface characteristics on bone integration of titanium implants. A histomorphometric study in miniature pigs. J. Biomed. Mater. Res. 1991. Vol. 25. No. 7. P. 889—902. DOI: 10.1002/jbm.820250708.

28. Raines A.L., Olivares-Navarrete R., Wieland M., Cochran D.L., Schwartz Z., Boyan B.D. Regulation of angiogenesis during osseointegration by titanium surface microstructure and energy. Biomaterials. 2010. Vol. 31. No. 18. P. 4909—4917. DOI: 10.1016/j.biomaterials.2010.02.071.

29. Tian Y., Ding S., Peng H., Lu S., Wang G., Xia L., Wang P. Osteoblast growth behavior on porous-structure titanium surface. Appl. Surf. Sci. 2012. Vol. 261. P. 25—30. DOI: 10.1016/j.apsusc.2012.07.035.

30. Greiner A.M., Sales A., Chen H., Biela S.A., Kaufmann D., Kemkemer R. Nano- and microstructured materials for in vitro studies of the physiology of vascular cells. Beilstein J. Nanotechnol. 2016. Vol. 7. No. 1. P. 1620—1641. DOI: 10.3762/bjnano.7.155.

31. Rupp F., Scheideier L., Olshanska N., De Wild M., Wieland M., Geis-Gerstorfer J. Enhancing surface free energy and hydrophilicity through chemical modification of microstructured titanium implant surfaces. J. Biomed. Mater. Res. Pt. A. 2002. Vol. 76. No. 2. P. 323—334. DOI: 10.1002/jbm.a.30518.

32. Rao X., Chu C.L., Sun Q., Zheng Y.Y. Fabrication and apatite inducing ability of different porous titania structures by PEO treatment. Mater. Sci. Eng. C. 2016. Vol. 66. P. 297—305. DOI: 10.1016/j.msec.2016.04.038.

33. Sul Y. T., Johansson C. B., Jeong Y., Wennerberg A., Albrektsson T. Resonance frequency and removal torque analysis of implants with turned and anodized surface oxides. Clin. Oral Implants Res. 2002. Vol. 13. No. 3. P. 252—259. DOI: 10.1034/j.1600-0501.2002.130304.x.

34. Krzaąkała A., Kazek-Kęsik A., Simka W. Application of plasma electrolytic oxidation to bioactive surface formation on titanium and its alloys. RSC Advances. 2013. Vol. 3. No. 43. P. 19725—19743. DOI: 10.1039/c3ra43465f.

35. Torres-Ceron D.A., Restrepo-Parra E., Acosta-Medina C.D., Escobar-Rincon D., Ospina-Ospina R. Study of duty cycle influence on the band gap energy of TiO2/P coatings obtained by PEO process. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 375. P. 221—228. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.06.021.

36. Montazeri M., Dehghanian C., Shokouhfar M., Baradaran A. Investigation of the voltage and time effects on the formation of hydroxyapatite-containing titania prepared by plasma electrolytic oxidation on Ti—6Al—4V alloy and its corrosion behavior. Appl. Surf. Sci. 2011. Vol. 257, No. 16. P. 7268—7275. DOI: 10.1016/j.apsusc.2011.03.103.

37. Du Q., Wei D., Wang Y., Cheng S., Liu S., Zhou Y., Jia D. The effect of applied voltages on the structure, apatite-inducing ability and antibacterial ability of micro arc oxidation coating formed on titanium surface. Bioact. Mater. 2018. Vol. 3. No. 4. P. 426—433. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2018.06.001.

38. Sedelnikova M.B., Komarova E. G., Sharkeev Y.P., Ugodchikova A.V., Tolkacheva T.V., Rau J.V., Buyko E.E., Ivanov V.V., Sheikin V.V. Modification of titanium surface via Ag-, Sr- and Si-containing micro-arc calcium phosphate coating. Bioact. Mater. 2019. Vol. 4. P. 224—235. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2019.07.001.

39. Wang Y., Jiang B., Lei T., Guo L. Dependence of growth features of microarc oxidation coatings of titanium alloy on control modes of alternate pulse. Mater. Lett. 2004. Vol. 58. No. 12-13. P. 1907—1911. DOI: 10.1016/j.matlet.2003.11.026.

40. Zhang X., Yang L., Lu X., Lv Y., Jiang D., Yu Y., Peng Z., Dong Z. Characterization and property of dual-functional Zn-incorporated TiO2 micro-arc oxidation coatings: The influence of current density. J. Alloys Compd. 2019. Vol. 810. P. 151893. DOI: 10.1016/j.jallcom.2019.151893.

41. Кучмин И.Б., Нечаев Г.Г. Плотность тока как опреде- ляющий параметр процесса микродугового оксидирования. Вестник СГТУ. 2013. No. 1. С. 62—65.

42. Ntomprougkidis V., Martin J., Nominé A., Henrion G. Sequential run of the PEO process with various pulsed bipolar current waveforms. Surf. Coat. Technol. 2019. Vol. 374. P. 713—724. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2019.06.057.

43. Гнеденков С.В., Шаркеев Ю.П., Синебрюхов С.Л., Хрисанфова О.А., Легостаева Е.В., Завидная А.Г., Пузь А.В., Хлусов И.А. Формирование и свойства биоактивных покрытий на титане. Перспективные материалы. 2011. No. 2. С. 33—37.

44. Ракоч А.Г., Баутин В.А., Бардин И.В., Ковалев В.Л. Механизм и кинетические особенности микродугового оксидирования магниевого сплава МЛ5ПЧ в электролитах, содержащих NH4F. Коррозия: Материалы, защита. 2007. No. 9. С. 7—13.

45. Синебрюхов С.Л. Композиционные многофункциональные покрытия, сформированные на металлах и сплавах методом плазменного электролитического оксидирования: Автореф. дис. … канд. техн. наук. Владивосток: ИХ ДВО РАН, 2013.

46. Marques M., Laobenberg R., Almukainzi M. Simulated biological fluids with possible application in dissolution testing. Dissolut Technol. 2011. Vol. 18. P. 15—28.

47. Ponomarev V.A., Orlov E.A., Malikov N.A., Tarasov Y.V., Sheveyko A.N., Permyakova E.S., Kuptsov K.A., Dyatlov I.A., Ignatov S.G., Ilnitskaya A.S., Gloushankova N.A., Subramanian B., Shtansky D.V. Ag(Pt) nanoparticles-decorated bioactive yet antibacterial Ca- and P-doped TiO2 coatings produced by plasma electrolytic oxidation and ion implantation. Appl. Surf. Sci. 2020. Vol. 516. P. 146068.

48. Ракоч А.Г., Бардин И.В., Ковалев В.Л., Аванесян Т.Г. Микродуговое оксидирование легких конструкционных сплавов Ч. 1. Основные представления о микро- дуговом оксидировании легких конструкционных сплавов. Известия вузов. Порошковая металлургия и функциональные покрытия. 2011. No. 2. С. 58—62.

49. Гордиенко П.С., Гнеденков С.В. Микродуговое оксидирования титана и его сплавов. Владивосток: Дальнаука, 1997.

50. Колобов Ю.Р., Дручинина О.А., Иванов М.Б., Сирота В.В., Лазебная М.А., Храмов Г.В., Трусова Я.В., Сергеева Н.С., Свиридова И.К. Формирование пористых комбинированных покрытий на титановых сплавах BT6 и ВТ16 методом микродугового оксидирования. Нано- и микросистемная техника. 2009. No. 2 (103). С. 48—54.

51. Седельникова М.Б., Шаркеев Ю.П., Комарова Е.Г., Толкачёва Т.В. Влияние параметров процесса микродугового оксидирования на формирование и свойства биопокрытий на основе волластонита и фосфатов кальция. Физика и xимия обработки материалов. 2016. No. 6. С. 57—63.