Mikrostruktura i właściwości warstw tlenoazotowanych wytworzonych w obróbce hybrydowej w niskotemperaturowej plazmie

• Autorzy: Tarnowski M. , Sowińska A. , Oleksiak J. , Borowski T. , Czarnowska E. , Wierzchoń T.

Warianty tytułu

EN

Microstructure and properties of oxynitrided surface layer produced under hybrid low temperature plasma treatment

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Szczególne właściwości tytanu i jego stopów, takie jak: niska gęstość, wysoka wytrzymałość właściwa oraz dobra odporność na korozję i korzystny moduł Younga w zestawieniu z powszechnie stosowanymi stalami chirurgicznymi na implanty kostne powodują, że znajdują one coraz szersze zastosowanie w medycynie. Obecnie jednym z rozwijanych kierunków badań w aspekcie poprawy biozgodności tytanu i jego stopów jest poprawa łączenia się implantu z kością poprzez zwiększenie adhezji oraz aktywacji płytek krwi. Cel ten można osiągnąć poprzez zastosowanie technik inżynierii powierzchni, takich jak metody PVD i CVD, implantację jonów oraz obróbki jarzeniowe, np. tlenoazotowanie w niskotemperaturowej plazmie. Celem niniejszych badań była ocena mikrostruktury (SEM), składu chemicznego (EDS), topografii powierzchni (profilometr optyczny), mikrotopografii oraz mikrochropowatości powierzchni (AFM), mikrotwardości, odporności korozyjnej w roztworze Ringera (metoda potencjodynamiczna) oraz biozgodności warstw tlenoazotowanych wytworzonych podczas procesu tlenoazotowania jarzeniowego w niskotemperaturowej plazmie w temperaturze 650°C. Dyfuzyjna warstwa typu TiO2+TiN+Ti2N+aTi(N) wytworzona na stopie tytanu Ti6Al4V charakteryzuje się wysoką twardością, dobrą odpornością korozyjną i wyższą, niż stop tytanu w stanie wyjściowym, twardością. Badania biozgodności w zakresie adhezji i aktywacji płytek krwi wykazały, że adherowały one w większym stopniu i wykazywały cechy większej aktywacji na warstwach tlenoazotowanych niż na stopie tytanu Ti6Al4V w stanie wyjściowym. Rezultaty wskazują, że wytworzenie warstwy tlenoazotowanej pozwala poprawić właściwości biomateriałów tytanowych w aspekcie integracji z kością.

EN

Specific properties of titanium and its alloys such as: low density, high tensile strength, good corrosion resistance and advantageous elastic modulus in comparison to commonly used surgical steels for bone implants are the reasons for their wider application in medicine. Nowadays, one of the most expandable directions of investigation in the aspect of enhancing biocompatibility of titanium and its alloys is improvement of platelets adhesion and activation to bone implant. This goal can be achieved through the use of several surface engineering methods like PVD and CVD methods, ion implantation and treatment in glow discharge conditions like low temperature plasma oxynitriding. This study was aimed to evaluate the microstructure (SEM), chemical composition (EDS), topography (optical profilometer), microtopography and microroughness (AFM), microhardness, corrosion resistance in Ringer solution (potentiodynamic method) and biocompatibility of oxynitrided surface layer produced at low temperature of glow discharge process. The diffusive surface layer of TiO2+TiN+T2N+aTi(N) type produced on Ti6Al4V titanium alloy exhibited advantageous properties such as high hardness, good corrosion resistance and higher than titanium alloy microhardness. Biocompatibility investigated in range of platelets adhesion and activation revealed that these cells adhered in higher extent and dislayed morphological features of larger activation on oxynitrided layer compared to titanium alloy. Results suggest that produced oxynitrided surface layer have a potential to improve titanium biomaterials in rage of integration with bone.

Słowa kluczowe

PL

tlenoazotowanie; warstwy powierzchniowe; mikrostruktura; topografia powierzchni; adhezja płytek krwi

EN

oxynitriding; surface layers; microstructure; platelet adhesion

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 16, no. 120
• Strony: 13--18
• Opis fizyczny: Bibliogr. 11 poz., rys., tab., wykr.

Twórcy

autor

Tarnowski M.

• Wydział inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 121, 02-507 Warszawa

autor

Sowińska A.

• Instytut "Pomnik" Centrum Zdrowia Dziecka, Zakład Patologii, al. Dzieci Polskich 20, 04-730 Warszawa

autor

Oleksiak J.

• Wydział Mechatroniki, Politechnika Warszawska, ul. Św. Andrzeja Boboli 8, 02-525 Warszawa

autor

Borowski T.

• Wydział inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 121, 02-507 Warszawa

autor

Czarnowska E.

• Instytut "Pomnik" Centrum Zdrowia Dziecka, Zakład Patologii, al. Dzieci Polskich 20, 04-730 Warszawa

autor

Wierzchoń T.

• Wydział inżynierii Materiałowej, Politechnika Warszawska, ul. Wołoska 121, 02-507 Warszawa

Bibliografia

• [1] Czarnowska E., Morgiel J., Ossowski M., Major L., Sowińska A., Wierzchoń T.: Microstructure and biocompatibility of titanium oxides produced on nitrided surface layers under glow discharge conditions. J. of Nanoscience and Nanotechnology 11 (2011) 8917-8923.
• [2] Tarnowski M., Garbacz H, Ossowski M., Brojanowska A., Wierzchoń T.: Modifying of Ti6Al4V titanium alloy functional properties in low-temperature glow discharge nitriding process. Kovove materialy - Metallic Materials - under review
• [3] Kokubo T.: Apatite formation on surfaces of ceramics, metals and polymers in body environment. Acta Materialia 46 (1998) 2519-2517.
• [4] Czarnowska E., Wierzchoń T., Maranda A., Kaczmarewicz E.: Improvement of titanium alloy for biomedical applications by nitriding and carbonitriding process under glow discharge conditions. J. Mater. Sci.: Mat. in Med. 11 (2000) 73-81.
• [5] Feng B., Chen Jy, Qi S.K, He L., Zhao J.Z, Zhang X.:, Characterization of surface oxide films on titanium and bioactivity. J. Mater. Sci.: Mater. Med. 13(5) (2002) 457-464.
• [6] Liu X., Zhao X., Li Baoe, Cao C., Dong Y., Ding C., Chu P.: UV-irradiation-induced bioactivity on TiO2 coatings with nanostructural surface. Acta Biomaterialia 4 (2008) 544-552.
• [7] Necula B.S., Fratila-Apachitei L.E., Zaat S.A.J., Apachitei I., Duszczyk J.: In vitro antibacterial activity of porous TiO2-Ag composite layers against methicillin-resistant Staphylococcus aureus. Acta Biomaterlia 5 (2009) 3573-3580.
• [8] Bandyopadhyay A., Espana F., Balla V.K., Bose S., Ohgami Y., Davies N.M.: Influence of porosity on mechanical properties and in vivo response of Ti6Al4V implants. Acta Biomaterlia 6 (2010) 1640-1648.
• [9] Das K., Bose S., Bandyopadhyay A.: Surface modifications and cell-materials interactions with anodized Ti. Acta Biomaterlia 3 (2007) 573-585.
• [10] Park J.Y., Gemmel C.H., Davies J.E.: Platelets interaction with titanium: modulation of platelets activity by surface topography. Biomaterials 22 (2001) 2671-2682.
• [11] Davies J.E.: Mechanisms of endosseous integration. Int. J. Porsthodont. 11 (1998) 391-401.

Uwagi

PL

Praca zrealizowana została w ramach projektu Narodowego Centrum Nauki nr 2011/01/B/ST8/07554.