Wpływ warstw DLC i DLC-Si na zmiany zachodzące na powierzchni implantów podczas współpracy z kością

• Autorzy: Świątek L. , Olejnik A. , Grabarczyk J.

Warianty tytułu

EN

The influence of the DLC and DLC-Si coatings on the changes occurring on the implants surface during the implant-bone contact

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Niniejsza praca została poświęcona badaniu wpływu modyfikacji implantów medycznych warstwami węglowymi (DLC) oraz węglowymi domieszkowanymi krzemem (DLC-Si) na zmiany zachodzące w wyniku współpracy implantu z kością. Warstwy węglowe zostały wytworzone modyfikowaną metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej – RF PACVD. W celu przeprowadzenia badań zostały użyte dwa rodzaje podłoży – pierwszą grupę stanowiły płaskie próbki cylindryczne, natomiast drugą wkręty ortopedyczne. Wszystkie wykorzystane próbki zostały wytworzone ze stali AISI 316 LVM. Przygotowane próbki z warstwami węglowymi zostały przebadane pod względem charakteryzacji powierzchni. W celu sprawdzenia składu chemicznego oraz topografii powierzchni przeprowadzono analizy XPS oraz AFM. Warstwy węglowe zostały również przebadane pod kątem wybranych właściwości mechanicznych (twardość, moduł Younga, adhezja), a także właściwości trybologicznych (test ball-on disc). Niemodyfikowane oraz modyfikowane wkręty ortopedyczne zostały poddane próbom wkręcania w kość wołową. Przeprowadzono testy wkręcania oraz wykręcania wkrętów w kość (w liczbie 1, 10, 50 oraz 100 cykli). Celem badań było określenie zmian zachodzących na powierzchni implantów w momencie ich współpracy z kością. Próbki po przeprowadzonych testach zostały poddane obserwacji mikroskopowej (SEM) oraz analizie jakościowej składu chemicznego na powierzchni wkrętów (EDS). Obserwacje mikroskopowe pozwoliły zaobserwować, iż do powierzchni modyfikowanych wkrętów ortopedycznych adherują elementy kości, tworząc silnie związany z powierzchnią tribofilm, co nie występuje w przypadku wkrętów niemodyfikowanych. Analiza EDS pozwoliła na potwierdzenie, iż w składzie chemicznym tribofilmu obecnego na implantach znajdują się mineralne składniki kości.

EN

In this study the DLC and Si-incorporated DLC layers were deposited on stainless steel alloy (AISI 316 LVM) using modified radio frequency plasma assisted chemical vapour deposition (RF PACVD) method and examined in terms of chemical, mechanical and tribological properties. The carbon layers were synthesized on two types of samples: flat cylindrical probes and the orthopaedic screws (both were made from AISI 316 LVM). In order to determine the chemical composition, morphology and structure of the manufactured coatings the XPS, AFM, SEM observation and EDS analysis were performed. Mechanical properties were measured using nanoindentation technique, as well as the tribological properties were performed using ball-on-disc tests. The obtained results were correlated with the biological response of the coatings. The influence of changes of the modified implants surface was evaluated using screwing/unscrewing test. The samples after conducted tests were controlled using microscopic observation (SEM) and qualitative analysis of the chemical composition on the surface of the screws (EDS). Results demonstrate that on the surface of the DLC and DLC-Si coatings the tribofilm made from mineral bone compounds was created.

Słowa kluczowe

PL

DLC; Si; implant; wkręty ortopedyczne; trybologia; RF PACVD

EN

DLC; Si; implants; orthopaedic screws; tribology; RF PACVD

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2016
• Tom: Vol. 19, no. 137
• Strony: 2--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 38 poz., rys., wykr., tab., zdj.

Twórcy

autor

Świątek L.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-925 Łódź

autor

Olejnik A.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-925 Łódź

autor

Grabarczyk J.

• Instytut Inżynierii Materiałowej, Zakład Inżynierii Biomedycznej i Materiałów Funkcjonalnych, Wydział Mechaniczny, Politechnika Łódzka, ul. Stefanowskiego 1/15, 90-925 Łódź

Bibliografia

• [1] R. Hauert, K. Thorwarth, G. Thorwarth: An overview on diamond-like carbon coatings in medical applications. Surface & Coatings Technology 233 (2013) 119-130.
• [2] R. Hauert: A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond & Related Materials 12 (2003) 583-589.
• [3] R. Hauert: An overview on the tribological behavior of diamond-like carbon in technical and medical applications. Tribology International 37 (2004) 991-1003.
• [4] A. Grill: Diamond-like carbon: state of the art. Diamond & Related Materials 8 (2-5) (1999) 428-434.
• [5] C. Liu, Q. Zhao, Y. Liu, S. Wang, E. W. Abel: Reduction of bacterial adhesion on modified DLC coatings. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces 61 (2008) 182-187.
• [6] J. Vetter: 60 years of DLC coatings: Historical highlights and technical review of cathodic arc processes to synthesize various DLC types and their evolution for industrial applications. Surface & Coatings Technology 257 ( 2014) 213-240.
• [7] B.J. Jones, A. Mahendran, A.W. Anson, A.J. Reynolds, R. Bulpett, J. Franks: Diamond-like carbon coating of alternative metal alloys for medical and surgical applications. Diamond & Related Materials 19 (2010) 685-689.
• [8] C.A. Love, R.B. Cook, T.J. Harvey, P.A. Dearnley, R.J.K. Wood: Diamond like carbon coatings for potential application in biological implants – a review. Tribology International 63 (2013) 141-150.
• [9] C.A. Charitidis: Nanomechanical and nanotribological properties of carbon-based thin films: a review. Int. J. Refract. Met. Hard Mater. 28 (2010) 51-70.
• [10] R. Sharma, P.K. Barhai, N. Kumari: Corrosion resistant behaviour of DLC films. Thin Solid Films 516 (2008) 5397-5403.
• [11] J. Choi, S. Nakao, S. Miyagawa, M. Ikeyama, Y. Miyagawa: The effects of Si incorporation on the thermal and tribological properties of DLC films deposited by PBII&D with bipolar pulses. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 8357-8361.
• [12] S.H. Yang, H. Kong, K.-R. Lee, S. Park, D.E. Kim: Effect of environment on the tribological behavior of Si-incorporated diamond-like carbon films. Wear 252 (2002) 70-79.
• [13] H.G. Kim, S.H. Ahn, J.G. Kim, S.J. Park, K.R Lee: Effect of Si-incorporation on wear-corrosion properties of diamond-like carbon films. Thin Solid Films 482 (2005) 299-304.
• [14] S.S. Camargo, A.L.B. Neto, R.A. Santos, F.L. Freire, R. Carius, F. Finger: Improved high-temperature stability of Si incorporated a-C:H films. Diamond and Related Materials 8 (1998) 1155-1162.
• [15] A. Soum-Glaude, G. Rambaud, S.E. Grillo, L. Thomas: Investigation of the tribological behavior and its relationship to the microstructure and mechanical properties of a-SiC:H films elaborated by low frequency plasma assisted chemical vapor deposition. Thin Solid Films 519 (2010) 1266-1271.
• [16] J. Choi, S. Nakao, S. Miyagawa, M. Ikeyama, Y. Miyagawa: The effects of Si incorporation on the thermal and tribological properties of DLC films deposited by PBII&D with bipolar pulses. Surface and Coatings Technology 201 (2007) 8357-8361.
• [17] S.H. Yang, H. Kong, K.-R. Lee, S. Park, D.E. Kim: Effect of environment on the tribological behavior of Si-incorporated diamond-like carbon films. Wear 252 (2002) 70-79.
• [18] H.G. Kim, S.H. Ahn, J.G. Kim, S.J. Park, K.R Lee: Effect of Si- -incorporation on wear-corrosion properties of diamond-like carbon films. Thin Solid Films 482 (2005) 299-304.
• [19] H.G. Kim, S.H. Ahn, J.G. Kim, S.J. Park, K.R. Lee: Electrochemical behavior of diamond-like carbon films for biomedical applications. Thin Solid Films 475 (2005) 291-297.
• [20] K.-R Lee, M.-G. Kim, S.-J. Cho, K.Y. Eun, T.-Y. Seong: Structural dependence of mechanical properties of Si incorporated diamond-like carbon films deposition by RF plasma-assisted chemical vapour deposition. Thin Solid Films 308-309 (1997) 263-267.
• [21] A.A. Ogwu, T.I. Okpalugo, N. Ali, P.D. Maguire, J.A. McLaughlin: Endothelial cell growth on silicon modified hydrogenated amorphous carbon thin films. Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials 85(1) (2008) 105-113.
• [22] T.I. Okpalugo, H. Murphy, A.A. Ogwu, G. Abbas, S.C. Ray, P.D. Maguire, J. McLaughlin, R.W. McCullough: Human microvascular endothelial cellular interaction with atomic N-doped DLC compared with Si-doped DLC thin films. Journal of Biomedical Research Part B: Applied Biomaterials 78 (2006) 222-229.
• [23] T.I. Okpalugo, E. McKenna, A.C. Magee, J. McLaughlin, N.M. Brown: The MTT assays of bovine retinal pericytes and human microvascular endothelial cells on DLC and Si-DLC-coated TCPS. Journal of Biomedical Research Part A: Applied Biomaterials 71 (2004) 201-208.
• [24] G. Thorwarth, B. Saldamli, F. Schwarz, P. Jurgens, C. Leiggener, M. Haeberlen, W. Assmann, B. Stritzker: Biocompatibility of Doped Diamond-Like Carbon Coatings for Medical Implants. Plasma Processes and Polymers 4 (2007) 364-368.
• [25] A. Bendavid, P.J. Martin, C. Comte, E.W. Preston, A.J. Haq, F.S.M. Ismail, R.K. Singh: The mechanical and biocompatibility properties of DLC-Si films prepared by pulsed DC plasma activated chemical vapor deposition, Diamond and Related Materials 16 (2007) 1616-1622.
• [26] T.I. Okpalugo, A.A. Ogwu, P.D. Maguire, J. McLaughlin: Platelet adhesion on silicon modified hydrogenated amorphous carbon films. Biomaterials 25(2) (2004) 239-245.
• [27] T.I. Okpalugo, A.A. Ogwu, P.D. Maguire, J. McLaughlin, D.G. Hirst: In-vitro blood compatibility of a-C:H:Si and a-C:H thin films. Diamond and Related Materials 13 (2004) 1088-1092.
• [28] J. Loeper, J. Goy-Loeper, L. Rozensztajn, M. Fragny: The antiatheromatous action of silicon. Atherosclerosis 33(4) (1979) 397-408.
• [29] J. Eisinger, D. Clairet: Effects of silicon, fluoride, etidronate and magnesium on bone mineral density: a retrospective study. Magnesium Research 6(3) (1993) 247-9.
• [30] M.R. Calomme, P. Wijnen, J.B. Sindambiwe, P. Cos, J. Merten, P. Geusens, D.A. Van den Berghe: Effect of choline stabilized orthosilicic acid on bone density in chicks. Calcified Tissue International 70 (2002) 292.
• [31] M.R. Calomme, J.B. Sindambiwe, P. Cos, C. Vyncke, P. Geusens, D.A. Van den Berghe: Effect of choline stabilized orthosilicic acid on bone density in ovariectomized rats. Journal of Bone and Mineral Research 19 (2004) 449.
• [32] L.K. Randeniya, A. Bendavid, P.J. Martin, Md.S. Amin, E.W. Preston, F.S. Magdon Ismail, S. Coe: Incorporation of Si and SiOx into diamond-like carbon films: Impact on surface properties and osteoblast adhesion. Acta Biomaterialia 5 (2009) 1791-1797.
• [33] S.E. Ong, S. Zhang, H. Du, H.C. Too, K.N. Aung: Influence of silicon concentration on the haemocompatibility of amorphous carbon. Biomaterials 28 (2007) 4033-4038.
• [34] S. Mitura, E. Mitura, A. Mitura: Manufacture of amorphous carbon layers by r. f. dense plasma CVD. Diamond Related Materials 4 (1995) 302-303.
• [35] J. Grabarczyk: Long-term termination of carbon layers synthesized using RF PACVD method onto metal substrates. Diamond Related Materials 20 (2011) 1133-1136.
• [36] M.S.R. Aziz, B. Nicayenzi, M.C. Crookshank, H. Bougherara, E.H. Schemitsch, R. Zdero: Biomechanical measurements of cortical screw purchase in five types of human and artificial humeri. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 30 (2014) 159-167.
• [37] W. Wang, Y. Shi, N. Yang, X. Yuan: Experimental analysis of drilling process in cortical bone. Medical Engineering & Physics 36 (2014) 261-266.
• [38] J. Sadowska, M. Kromka-Szyder: Zmiany właściwości mechanicznych kości zwierzęcych w zależności od stopnia nawilżenia preparatu. Aktualne problemy Biomechaniki 6 (2012) 111-116.

Uwagi

Opracowanie ze środków MNiSW w ramach umowy 812/P-DUN/2016 na działalność upowszechniającą naukę (zadania 2017).