Novel Ti-based nanocomposites for medical applications

• Autorzy: Jurczyk M. , Niespodziana K. , Jurczyk K.

Warianty tytułu

PL

Nanokompozyty tytanowe do zastosowań w medycynie

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

Titanium and titanium alloys possess favorable properties, such as relatively low modulus, low density, high strength. Apart from that, these alloys are generally regarded to have good biocompatibility and high corrosion resistance, but cannot directly bond to the bone. In addition, metal implants may loose and even separate from surrounding tissues during implantation. One of the methods that allow the change of biological properties of Ti alloys is to produce a composite, which will exhibit the favorable mechanical properties of titanium and excellent biocompatibility and bioactivity of ceramic. Recently, at Poznan University of Technology, mechanical alloying method (MA) and powder metallurgy process for the fabrication of novel titanium-ceramic nanocomposites with a unique microstructure has been developed. This process permits the control of microstructural properties such as the size of pore openings, surfaces properties, and the nature of the base metal/alloy. In our work, the structure, mechanical, corrosion properties and biocompatibility of titanium-ceramic nanocomposites were studied. For example, the Ti-HA nanocomposites mainly consist of different apatite or calcium particles, respectively, reinforced with titanium matrix. The existence of Ti can promote decomposition of HA, however no reactions form between HA and Ti. Different phase constitutions have significant influence on the mechanical and corrosion properties of sintered materials. The biocompatibility was investigated studying the behaviour of Normal Human Osteoblast (NHOst) cells, as well. Ti-ceramic nanocomposites posses better mechanical and corrosion properties than microcrystalline titanium. For this reason, they are promising biomaterial for use as medical implants.

PL

Tytan i stopy tytanu charakteryzują szeregiem korzystnych własności takich jak niski moduł sprężystości, mała gęstość, wysoka wytrzymałość. Powszechnie uważa się, że stopy te maja dobrą biokompatybilność i odporność korozyjną lecz nie mogą bezpośrednio łączyć się z kością. Jednakże, implanty metalowe w czasie użytkowania mogą się obluzowywać a nawet oddzielać od otaczającej tkanki. Jedną z metod, pozwalającą na zmianę własności biologicznych stopów tytanu, jest wytwarzanie kompozytów, które będą łączyć korzystne własności wytrzymałościowe tytanu z doskonałą biokompatybilnością i bioaktywnością ceramiki. Ostatnio, w Instytucie Inżynierii Materiałowej Politechniki Poznańskiej opracowano technologię wytwarzania nowych nanokompozytów tytanowo-ceramicznych metodą mechanicznej syntezy i metalurgii proszków. Procesy te umożliwiają kontrolę własności mikrostruktury takich jak wielkość por i własności powierzchni. W niniejszej pracy zbadano własności strukturalne, mechaniczne, korozyjne i biokompatybilność kompozytów tytanowo-ceramicznych. Przykładowo, nanokompozyty typu Ti-HA zbudowane są głównie z cząstek różnego rodzaju apatytów i wapnia rozłożonych w osnowie tytanowej. Obecność tytanu może powodować rozkład HA, jednakże reakcja pomiędzy HA i Ti nie jest obserwowana. Różna budowa fazowa syntetyzowanych materiałów ma znaczący wpływ na ich własności mechaniczne i odporność korozyjną. Zbadano również biokompatybilność kompozytów w hodowli komórek ludzkich osteoblastów. Wytworzone nanokompozyty tytanowo-ceramiczne posiadają lepsze własności mechaniczne i korozyjne w porównaniu do mikrokrystalicznego tytanu. Z tego względu mogą stać się perspektywicznymi biomateriałami do zastosowań na implanty medyczne.

Słowa kluczowe

EN

nanotechnology; nanocomposites; titanium; hydroxyapatite; biocompatibility; mechanical alloying

PL

nanotechnologia; nanokompozyty; tytan; hydroksyapatyt; biokompatybilność; mechaniczna synteza

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2008
• Tom: T. 19, nr 4
• Strony: 37--45
• Opis fizyczny: Bibliogr. 21 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Jurczyk M.

autor

Niespodziana K.

autor

Jurczyk K.

• Politechnika Poznańska, Poznań

Bibliografia

• [1] Tang F., Fudouzi H., Uchikoshi T., Sakka Y., Preparation of porous materials with controlled pore size and porosity, J. Eur. Ceram. Soc., 24 (2004) 341.
• [2] Guan L., Davies J.E., Preparation and characterization of a highly macroporous biodegradable composite tissue engineering scaffold, J. Biomed. Mater. Res. A71 (2004) 480.
• [3] Jurczyk M., Jakubowicz J., Bionanomateriały. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 2008, ISDN 978-83-7143-373-3.
• [4] Khang G., Kim M.S., Lee H.B., Manual for Biomaterials/Scaffold Fabrication Technology, World Scientific Publishing Co Pte Ltd., 2007.
• [5] Costa V. C., Costa H.S., Vasconcelos W.L., Pereira M.M., Oréfice R.L., Mansur H.S., Preparation of hybrid biomaterials for bone tissue engineering, Mat. Research, 10 (2007) 1516.
• [6] Niespodziana K., Jurczyk K., Jurczyk M., The manufacturing of Ti-hydroxyapatite nanocom-posites for bone implant applications, Nanopages 1 (2006) 219.
• [7] Stylios G.K., Giannoudis P., Wan T., Applications of Nanotechnologies in Medical Practice, Injury 36S (2005) S6.
• [8] Arys A., Philippart C., Dourov N., He Y., Le Q.T., Pireaux J.J., Analysis of titanium dental implants after failure of osseointegration: combined histological, electron microscopy and X-ray photoelectron spectroscopy approach, J. Biomed. Mater. Res. (Appl. Biomater.) 43 (1998) 300.
• [9] Jakubowicz J., Formation of porous TiOx biomaterials in H3PO4 electrolytes, Electrochem. Commun. (EC08-208), 2008, in print.
• [10] Cao W.P., Hench L., Bioactive materials. Ceramics International 22 (1996) 493.
• [11] Ward B.C., Webster T.J., Increased functions of osteoblasts on nanophase metals. Mat. Science & Eng. C 27 (2007) 575.
• [12] Stylios G.K., Giannoudis P., Wan T., Applications of Nanotechnologies in Medical Practice. Injury 36S (2005) S6.
• [13] Agheli H., Malmström J., Hanarp P., Sutherland D.S., Nanostructured biointerfaces. Mat. Science & Eng. C 26 (2006) 911.
• [14] Jurczyk K., Niespodziana K., Jurczyk M., Preparation and characterization of nanocomposite Ti-hydroxyapatite materials. Eur. J. Med. Res. 11, Suppl. II (2006) 133.
• [15] Niespodziana K., Jurczyk K., Jurczyk M., Titanium-ceramic nanocomposite materials. Adv. Mat. Science 7 (2007) 103.
• [16] Jurczyk K., Niespodziana K., Stopa J., Jurczyk M., Composite Ti-Hydroxyapatite Bionanomaterials for Application in Modern Dentistry. Polish J. Environ. Studies 16, no 2CII, (2007) 323.
• [17] Yamamoto A., Kohyama Y., Kuroda D., Hanawa T.: Cytocompatibility evaluation of Ni-free stainless steel manufacturing by nitrogen adsorption treatment. Mat. Science & Eng. C 24 (2004) 737.
• [18] Ning C.Q., Zhou Y., In vivo bioactivity of a biocomposite fabricated from HA and Ti powders by powder metallurgy method. Biomaterials 23 (2002) 2909.
• [19] Chu C.G., Xue X.Y., Zhu J.C., Yin Z.G., Fabrication and characterization of titanium-matrix composite with 20 vol% hydroxyapatite for use as heavy load-bearing hard tissue replacement, J. Mat. Science. Mat. in Medicine 17 (2006) 245.
• [20] Jurczyk M., Smardz K., Rajewski W., Smardz L., Nanocrystalline LaNi4.2Al0.8 prepared by mechanical alloying and annealing and its hydride formation. Mat. Science & Engin. A 303 (2001) 70.
• [21] Woodard J.R., Hilldore A.J., Lan S.K., Park C.J., Morgan A.W., Eurell J.A.C., Clark S.G., Wheeler M.B., Jamison R.D., Wagoner Johnson A.J, The mechanical properties and osteoconductivity of hydroxyapatite bone scaffolds with multi-scale porosity. Biomaterials 28 (2007) 45.