Chemical modification of nanocrystalline titanium surface for biological application

• Autorzy: Zwolińska M. , Roguska A. , Pisarek M. , Załęgowski K. , Garbacz H.

Warianty tytułu

PL

Chemiczna modyfikacja nanokrystalicznego tytanu do zastosowań biologicznych

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Due to unique properties, titanium and titanium alloys are most commonly used metallic biomaterials. Alloing alements in case of long term aplicatons cane lead to metalosis. Because of the significant strengthening, Ti6Al4V alloy can be replaced by pure titanium after grain refinement to the nanometric scale. In this paper, nanocrystalline and microcrystalline titanium Grade 2 was subjected after to two types of chemical modification: soaking in 3 M NaOH for 24 hours at 60°C and annealing at 400°C as well as soaking in a solution of 85% H3PO4 and 30% H2O2 at room temperature. The purpose of modification was to change the topography and the chemical composition of the titanium surface and improve its bioactivity. Titanium surfaces were analyzed using scanning electron microscope (SEM) and TEM before and after modification. The surface chemical composition was examined by Auger electron spectroscopy (AES) using a high resolution electron Auger microprobe Microlab 350 (Thermo Electron).

PL

Ze względu na unikatowe właściwości tytan oraz jego stopy są zaliczane do najczęściej stosowanych biomateriałów metalicznych. Pierwiastki stopowe V i Al obecne w stopach tytanu przeznaczonych na silnie obciążone implanty, w przypadku długoterminowych wszczepów, mogą nieść jednak ryzyko metalozy. Umocnienie tytanu przez zmniejszenie rozmiaru ziaren do skali nanometrycznej może istotnie ograniczyć potrzebę stosowania stopów. W pracy powierzchnia nanokrystalicznego i mikrokrystalicznego tytanu Grade 2 została poddana dwóm rodzajom modyfikacji chemicznej: trawieniu w 3 M roztworze NaOH przez 24 h w temperaturze 60°C i wygrzewaniu w 400°C oraz trawieniu w roztworze 85% H3PO4 i 30% H2O2 w temperaturze pokojowej. Celem zastosowanych modyfikacji była zmiana topografii i/lub składu chemicznego powierzchni tytanu i w efekcie poprawa jego bioaktywności. Po trawieniu powierzchne tytanu poddano analizie za pomocą elektronowego mikroskopu skaningowego (SEM) oraz transmisyjnego mikroskopu elektronowego. Skład chemiczny powierzchni był badany metodą spektroskopii elektronów Augera (AES) za pomocą wysokorozdzielczego mikroanalizatora elektronów Augera Microlab 350 (Thermo Electron).

Słowa kluczowe

EN

nanocrystalline titanium; chemical modification; biomaterial

PL

tytan nanokrystaliczny; modyfikacja chemiczna; biomateriał

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 35, nr 2
• Strony: 231--234
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., fig.

Twórcy

autor

Zwolińska M.

• Faculty of Material Science, Warsaw University of Technology

autor

Roguska A.

• Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Science

autor

Pisarek M.

• Institute of Physical Chemistry, Polish Academy of Science

autor

Załęgowski K.

• Faculty of Civil Engineering, Warsaw University of Technology

autor

Garbacz H.

• Faculty of Material Science, Warsaw University of Technology

Bibliografia

• [1] Elias C. N., Lima J. H. C., Valiev R, Meyers M. A.: Biomedical applications of titanium and its Alloys. JOM 60 (2008) 46÷49.
• [2] Topolski K., Garbacz H., Kurzydłowski K. J.: Nanocrystalline titanium rods processed by hydrostatic extrusion. Materials Science Forum 584 (2008) 777÷782.
• [3] Park J. W., Kim Y. J., Park C. H., Lee D. H., Ko Y. G., Je-Hee Jang J. H., Lee C. S.: Enhanced osteoblast response to an equal channel angular pressing-processed pure titanium substrate with microrough surface topography. Acta Biomaterialia 5 (2009) 3271÷3280.
• [4] Faghihi S., Zhilyaev A. P., Szpunar J. A., Azari F., Vali H., Tabrizian M.: Nanostructuring of a titanium material by high-pressure torsion improves pre-osteoblast attachment. Advanced Materials 19 (2007) 1069÷1073.
• [5] Topolski K., Garbacz H., Pachla W., Kurzydłowski K. J.: Homogeneity of bulk nanostructured titanium obtained by hydrostatic extrusion. Materials Science Forum 674 (2011) 47÷51.
• [6] Garbacz H., Lewandowska M., Pachla W., Kurzydłowski K. J.: Structural and mechanical properties of nanocrystalline titanium and 316LVM steel processed by hydrostatic extrusion. Journal of microscopy 223 (2006) 272÷274.
• [7] Garbacz H., Kurzydlowski K. J.: Properties of nanotitanium for potential medical applications. Macromolecular Symposia 253 (2007) 128÷133.
• [8] Garbacz H., Pakieła Z., Kurzydłowski K. J.: Fatigue properties of nanocrystalline titanium. Reviews on Advanced Materials Science 25 (2010) 256÷260.
• [9] Valiev R. Z., Semenova I. P., Latysh V. V., Rack H., Lowe T. C., Petruzelka J., Dluhos L., Hrusak D., Sochova J.: Nanostructured titanium for biomedical applications. Advanced Engineering Materials 10 (2008) 1÷4.
• [10] Park J. W., Kim Y. J., Park C. H., Lee D. H., Ko Y. G., Je-Hee Jang J. H., Lee C. S.: Enhanced osteoblast response to an equal channel angular pressing-processed pure titanium substrate with microrough surface topography. Acta Biomaterialia 5 (2009) 3271÷3280.
• [11] Estrin Y., Ivanova E. P., Michalska A., Truong V. K., Lapovok R., Boyd R.: Accelerated stem cell attachment to ultrafine grained titanium. Acta Biomaterialia 7 (2011) 900÷906.
• [12] Liu X., Chu P. K., Ding C.: Surface modification of titanium, titanium alloys and related materials for biomedical applications. Materials Science and Engineering 47 (2004) 49÷121.
• [13] Biscaia de Souza G., Lepienski C. M., Foerster C. E., Kuromoto N. K., Soares P.,. Ponte H. de A.: Nanomechanical and nanotribological properties of bioactive titanium surfaces prepared by alkali treatment. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials 4 (2011) 756÷765.
• [14] Lewandowska M., Roguska A., Pisarek M., Polak B., Janik-Czachor M., Kurzydłowski K. J.: Morphology and chemical characterization of Ti surfaces modified for biomedical applications. Biomolecular Engineering 24 (2007) 438÷442.
• [15] Takeuchi M., Abe Y., Yoshida Y., Nakayama Y., Okazaki M., Akagawa Y.: Acid pretreatment of titanium implants. Biomaterials 24 (2003) 1821÷1827.
• [16] Ban S., Iwaya Y., Kono H., Sato H.: Surface modification of titanium by etching in concentrated sulfuric acid. Dental Materials 22 (2006) 1115÷1120.
• [17] Hossain M. M., Gao W.: How is the surface treatments influence on the roughness of biocompatibility? Trends in Biomaterials and Artificial Organs 22 (2008) 144÷147.
• [18] Mendonca G., Mendonca D. B. S., Aragao F. J. L., Cooper L. F.: The combination of micron and nanotopography by H 2 SO 4 /H 2 O 2 treatment and its effects on osteoblastspecific gene expression of hMSCs. Journal of Biomedical Materials Research Part A 94A (2010) 169÷179.
• [19] Kieswetter K., Schwartz Z., Dean D. D., Boyan B. D.: The role of implant surface characteristics in Kieswetter the healing of bone. Critical Reviews in Oral Biology & Medicine 7 (1996) 329e45.
• [20] Pegueroles M., Aparicio C., Bosio M., Engel E., Gil F. J., Planell J. A., Altankov G.: Spatial organization of osteoblast fibronectin matrix on titanium surfaces: Effects of roughness, chemical heterogeneity and surface energy. Acta Biomaterialia 6 (2010) 291÷301.
• [21] 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 32 (2011) 3395÷3403.
• [22] Bordji K., Jouzeau J. Y., Mainard D., Payan E., Netter P., Rie K. T., Stucky T., Hage-Ali M.: Cytocompatibility of Ti6Al4V and Ti5Al2.5Fe alloys according to three surface treatments, using human fibroblasts and osteoblasts. Biomaterials 17 (1996) 929÷940.
• [23] Ahmad M. Gawronski D. Blum J. Goldberg J. Gronowicz G.: Differential response of human osteoblast-like cells to commercially pure (cp) titanium grades 1 and 4. J. Biomed. Mater. Res. 46 (1999) 121÷131.
• [24] Sinha R. K., Morris F., Shah S. A., Tuan R. S.: Surface composition of orthopaedic implant metals regulates cell attachment, spreading, and cytoskeletal organization of primary human osteoblasts in vitro. Clinical Orthopedics and Related Research 305 (1994) 258÷272.
• [25] Schmid C., Ignatius A. A., Claes L. E.: Proliferation and differentiation parameters of human osteoblasts on titanium and steel surfaces. Journal of Biomedical Materials Research 54 (2001) 209÷215.