Plasma surface alloying and post depositional electrochemical treatment of titanium as a new concept of biomaterial properties modification

• Autorzy: Miklaszewski A. , Jurczyk M.

Warianty tytułu

PL

Modyfikacja właściwości tytanu metodą stopowania plazmowego i obróbki elektrochemicznej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This work presents a new concept of titanium surface properties modification by duplex treatment: plasma surface alloying (PSA) and post depositional electrochemical treatment (ET). Significant improvement in hardness from 180 HV for original titanium substrate to 900 HV for surface layer obtained by plasma alloying with smooth reduction profile in the cross section was observed. Proposed post depositional electrochemical treatment in phosphoric acid electrolyte resulted in developed surface formation. Corrosion resistance tests of plasma alloyed and post electrochemically treated surface was presented. Surface roughness of obtained specimens was measured. In vitro cytocompatibility test was evaluated on obtained surface layers and compared with a conventional microcrystalline titanium. Normal human osteoblast (NHOst) cells from Lonza (CC-2538) were cultured on the disks of the materials and cell growth was examined. The results suggest that unique microstructure obtained after plasma alloying and post depositional anodic treatment consist of TiB phase dispersed in α-Ti matrix displays good cytocompatibility, compared to that of microcrystalline titanium. Cultures of human osteoblast-like cells revealed no significant difference in initial cell attachment among the various surfaces roughness however, cell spread was greater on rough surfaces than on smoother ones. It can be concluded that proposed concept of duplex treatment provide enhancement of surface properties of biomaterials by chemical composition change, obtained microstructure and roughness increase.

PL

Praca prezentuje nową koncepcję modyfikacji właściwości warstwy wierzchniej tytanu przez zastosowanie dwustopniowego procesu stopowania plazmowego oraz obróbki elektrochemicznej. Zaobserwowano znaczący wzrost twardości 900 HV analizowanej warstwy powierzchniowej wraz z łagodną redukcją do podłoża 160 HV. Zaproponowany proces obróbki elektrochemicznej uzyskanych warstw powierzchniowych w środowisku kwasu fosforowego prowadził do rozwinięcia powierzchni właściwej. Zaprezentowano wyniki badania odporności korozyjnej warstw powierzchniowych stopowanych plazmowo oraz następnie modyfikowanych elektrochemicznie. Określono podstawowe parametry chropowatości profili powierzchni modyfikowanych. Dokonano oceny cytokompatybilności in vitro, porównując uzyskane kultury z warstw powierzchniowych z mikrokrystalicznym tytanem. Obserwacji poddano 1 dniowy wzrost hodowli ludzkich komórek osteoblastów (NHOst) firmy Lonza (CC-2538) dla analizowanych powierzchni. Uzyskane wyniki badań modyfikowanych warstw powierzchniowych metodą stopowania plazmowego, a następnie obróbki elektrochemicznej wykazują w porównaniu z mikrokrystalicznym tytanem dobrą cytokompatybilność. Obserwowane kultury ludzkich komórek osteoblastów nie wykazują znaczących różnic w początkowej fazie tworzenia więzi z podłożem, pomimo występujących różnic w chropowatości powierzchni. Zauważono jednak, że rozprzestrzenianie się powierzchniowe komórek było większe na powierzchniach o większych parametrach chropowatości. Można wnioskować, że zaproponowane podejście dwustopniowe zapewnia poprawę właściwości powierzchni biomateriałów przez zmianę składu chemicznego, uzyskaną mikrostrukturę oraz wzrost chropowatości powierzchni.

Słowa kluczowe

EN

titanium; surface roughness; corrosion resistance; cytocompatibility

PL

tytan; chropowatość powierzchni; odporność korozyjna; cytokompatybilność

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 34, nr 3
• Strony: 180--184
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Miklaszewski A.

• Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

autor

Jurczyk M.

• Wydział Budowy Maszyn i Zarządzania Instytut Inżynierii Materiałowej, Politechnika Poznańska

Bibliografia

• [1] Wang K.: The use and properties of titanium and titanium alloys for medical applications in the USA. Material Science and Engineering A 213 (1996) 134÷137.
• [2] Guehennec L., Souedan A., Layrolle P., Amouriq Y.: Surface treatments of titanium dental implants for rapid osseointegration. Dental Materials 23 (2006) 844÷854.
• [3] Ryan G., Pandit A., Apatsidis D. P.: Fabrication methods of porous metals for use in orthopaedic applications. Biomaterials 27 (2006) 2651÷2670.
• [4] Boyan B. D., Hummert T. W., Dean D. D., Schwartz Z.: Role of material surfaces in regulating bone and cartilage cell response. Biomaterials 17 (1996) 137÷146.
• [5] Rønold H. J., Ellingsen J. E.: Effect of micro-roughness produced by TiO2 blasting-tensile testing ofbone attachment by using coin-shaped implants. Biomaterials 23 (2002) 4211÷4219.
• [6] Mendonça G., Mendonça D. B. S., Aragăo F. J. L., Cooper L. F.: Advancing dental implant surface technology - from micron- to nanotopography. Biomaterials 29 (2008) 3822÷3835.
• [7] Khosroshahi M. E., Mahmoodi M., Tavakoli J.: Characterization of Ti6Al4V implant surface treated by Nd:YAG laser and emery paper for orthopaedic applications. Applied Surface Science 253 (2007) 8772÷878 1.
• [8] Oyane A., Sakamaki I., Shimizu Y., Kawaguchi K., Sogo Y., lto A., Koshizaki N.: Laser-assisted biomimetic process for calcium phosphate coating on a hydroxyapatite ceramic. Key Engineering Materials 529-530 (2013) 217÷222.
• [9] Miklaszewski A., Jurczyk M. U., Jurczyk K., Jurczyk M.: Plasma surface modification of titanium by TiB precipitation for biomedical applications. Surface and Coatings Technology 206 (2011) 330÷337.
• [10] Kirkpatrick C. J., Mittermayer C.: Theoretical and practical aspects of testing potential biomaterials in vitro. Journal of Materials Science: Materials in Medicine 1 (1990) 9÷13.
• [11] Postiglione L., Domenico G., Ramaglia L., Montagnani S., Salzano S., Meglio F., Sbordone L., Vitale M., Rossi G.: Behaviour of SaOS-2 cells cultured on different titanium surfaces. Journal of Dental Research 82 (2003) 692÷696.