Badania własności mechanicznych warstw SiO2 przeznaczonych na implanty stosowane w układzie krwionośnym

• Autorzy: Walke W. , Basiaga M. , Paszenda Z.

Warianty tytułu

EN

Tests of mechanical properties of SiO2 layers for implants used in vascular system

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

Jednym ze sposobów zwiększania hemokompatybilności powierzchni biomateriałów tytanowych jest wykorzystanie metody zol-żel dla wytworzenia cienkich powłok tlenkowych na bazie takich pierwiastków jak: Ti i Si. Takie warstwy są bardziej hemokompatybilne, co znacznie ogranicza ryzyko komplikacji związanej chociażby z procesem wykrzepiania. Oprócz poprawy hemokompatybilności istotnym zagadnieniem związanym z wytwarzaniem warstw jest również odpowiedni zespół własności mechanicznych. Zaletą tej metody jest niska temperatura otrzymywania powłoki, co gwarantuje niezmienność własności mechanicznych podłoża metalowego. Dlatego też w pracy przeprowadzono badania własności mechanicznych warstw krzemionkowych naniesionych na powierzchnię próbek z tytanu Grade4 oraz stopu Ti-6Al-7Nb. Próbki poddano obróbce powierzchniowej obejmującej następujące procesy: polerowanie mechaniczne oraz naniesienie warstwy SiO2 metodą zol-żel. Ocenę własności mechanicznych przeprowadzono w oparciu o badania nanotwardości oraz przyczepności warstwy do podłoża. Pomiary nanotwardości przeprowadzono metodą Olivera & Pharra z wykorzystaniem wgłębnika Berkovicha. Z kolei badania przyczepności przeprowadzono metodą zarysowania – scratch test. Do badań wykorzystano platformę otwartą Micro-Combi-Tester firmy CSM Instruments. Przeprowadzone badania wykazały, że warstwa krzemionkowa wytworzona zarówno na powierzchni tytanu Grade4, jak i na stopie Ti-6Al-7Nb posiada identyczne własności mechaniczne. Dodatkowo stwierdzono, że uzyskane wyniki badań adhezji wskazują na małą przyczepność warstwy SiO2 do podłoża zarówno z tytanu Grade 4 oraz stopu tytanu Ti-6Al-7Nb. W obu przypadkach nie wystąpił sygnał emisji akustycznej, co świadczy o niskiej energii wiązania warstwy z podłożem.

EN

One of the ways how to increase haemocompatibility of the surface of titanium biomaterials is an application of sol-gel method in order to create thin oxide layers on the base of such elements as Ti and Si. Such layers are more haemocompatible, which reduces substantially the risk of complications connected with, for example, coagulation process. Apart from improvement of haemocompatibility, an important issue connected with creation of those layers is also proper selection of their mechanical properties. An advantage of that method is low temperature at which the layer is obtained, what guarantees stability of mechanical properties of metallic substrate. Therefore, this study presents tests of mechanical properties of silicone layers applied on titanium Grade4 and Ti-6Al-7Nb alloy surface. Samples were subjected to surface treatment: mechanical polishing and then SiO2 layer was applied by means of sol-gel method. Evaluation of mechanical properties was realized by the tests of nano-hardness and adhesion of the layer to the substrate. Nano-hardness tests were made with application of Oliver & Pharr method and Berkovich intending tool while adhesion tests were performed with application of scratch test. For the tests Micro-Combi-Tester Open platform was used. The results showed that silicone layer created both on titanium Grade4 and Ti-6Al-7Nb alloy surface features similar mechanical properties. Obtained results show low adhesion of SiO2 layer to the substrate made of titanium Grade 4 and titanium alloy Ti-6Al-7Nb. In both cases there was no acoustic emission signal, which proves low bonding energy between the layer and the substrate.

Słowa kluczowe

PL

Ti; Ti6Al7Nb; metoda zol-żel; scratch test; nanotwardość

EN

Ti; Ti-6Al-7Nb; sol-gel method; scratch test; nanohardness

• Wydawca: Polish Society for Biomaterials in Cracow
• Czasopismo: Engineering of Biomaterials
• Rocznik: 2014
• Tom: Vol. 17, no. 124
• Strony: 36--41
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., tab., wykr., zdj.

Twórcy

autor

Walke W.

• Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, ul. Generała Charlesa de Gaulle’a 72, 41-800 Zabrze

autor

Basiaga M.

• Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, ul. Generała Charlesa de Gaulle’a 72, 41-800 Zabrze

autor

Paszenda Z.

• Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Wydział Inżynierii Biomedycznej, Politechnika Śląska, ul. Generała Charlesa de Gaulle’a 72, 41-800 Zabrze

Bibliografia

• [1] M. Rachwalik, D. Biały, M. Wawrzyńska: Mechaniczne protezy zastawek serca – historia i rozwój technologii. Acta Bio-Optica et Informatica Medica 16 (2010) 265-267.
• [2] S. Areva, V. Aaritalo, S. Tuusa, M. Jokinen, M. Linden, T. Peltola: Sol-Gel-derived TiO2–SiO2 implant coatings for direct tissue attachment. Part I & II: design, preparation and characterization. Journal of Materials Science: Materials Medicine 18 (2007) 1863-1873, 1633-1642.
• [3] W. Zhao, J. Chang, J. Wang, W. Zhai, Z. Wang: In vitro bioactivity of novel tricalcium silicate ceramics. Journal of Materials Science: Materials Medicine 18 (2007) 917-923.
• [4] B. Surowska, J. Bienias, M. Walczak, K. Sangwal, A. Stoch: Microstructure and mechanical properties of ceramic coatings on Ti and Ti-based alloy. Applied Surface Science 238 (2004) 288-294.
• [5] C. Brinker, G. Scherer: Sol-gel science. Academic Press, Inc. San Diego 1990.
• [6] S. Ni, J. Chang, L. Chou: In vitro studies of novel CaO-SiO2-MgO system composite bioceramics. Journal of Materials Science: Materials Medicine 19 (2008) 359-367.
• [7] S. Shibli, S. Mathai Development and bio-electrochemical characterization of a novel TiO2-SiO2 mixed oxide coating for titanium implants. Journal of Material Science 19 (2008) 2971-2981.
• [8] R. Gvishi: Fast sol–gel technology: from fabrication to applications. Journal Sol-Gel Science Technology 50 (2009) 241-253.
• [9] P. Karasiński: Influence of technological parameters on the properties of sol-gel silica films. Optica Applicata 26 (2005) 253-263.
• [10] D. Bogdanski, M. Epple, S. Esenwein, G. Muhr, V. Petzoldt, O. Prymak, et al.: Biocompatibility of calcium phosphate-coated and of geometrically structured nickel–titanium (Ni-Ti) by in vitro testing methods. Materials Science Engineering A378 (2004) 527-531.
• [11] ISO 5832-2:1999 Implants for surgery - Metallic materials - Part 2: Unalloyed titanium.
• [12] ISO 5832-11:2007 Implants for surgery - Metallic materials - Part 11: Wrought titanium 6-aluminium 7-niobium alloy.
• [13] PN-EN 1071-3:2007, Techniczna ceramika zaawansowana - Metody badania powłok ceramicznych Część 3: Oznaczanie adhezji i innych mechanicznych rodzajów uszkodzeń w próbie zarysowania.
• [14] J. Bull, D.S. Rickery: Multi-Pass Scratch Testing as a model for abrasive wear. Thin Solid Films 181 (1989) 545.
• [15] Von Stebut, J., Multi-mode scratch testing – a European standards, measurements and testing study. Surface. Coating Technology 200 (2005) 346-350.
• [16] I. Efeoglu, R.D. Arnell: Multi-pass sub-critical load testing of titanium nitride coatings. Thin Solid Films 346 (2000) 377-378.
• [17] Z. Paszenda: Kształtowanie własności fizykochemicznych stentów wieńcowych ze stali CrNiMo do zastosowań w kardiologii zabiegowej. Zeszyty Naukowe Politechniki Śląskiej, Mechanika z. 150, nr 1667, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 2005.

Uwagi

PL

Projekt został sfinansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki przyznanych na podstawie decyzji nr 2011/03/B/ST8/06499.