Development of Ti-based materials for alloplastic implants

• Autorzy: Zieliński A. , Sobieszczyk S. , Świeczko-Żurek B.

Warianty tytułu

PL

Rozwój materiałów tytanowych na implanty aloplastyczne

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents the research results and directions for the Research Group "Advanced Biomaterials" at the Gdansk University of Technology. In clinical examinations the titanium alloys were shown to cause allergies and inflammation processes as a result of individual reaction to the titanium corrosion products. Corrosion of titanium is determined also by a presence of pathogenic bacteria likely because of crevice corrosion development under biofilm. The laser treatment with CO2 and Nd:YAG laser, at different laser power and cooling medium in conditions of fast and ultrafast cooling results in a substantial improvement of tribocorrosion properties, and subsequent cutting treatment may increase corrosion resistance and thus make this technique applicable for knee joint implants. The fabrication of nanotubular oxide layers is known to enhance bioactivity but it may also decrease corrosion resistance, and nanolayer itself may be damaged under mechanical stresses. The increase in bioactivity of titanium alloys may be obtained by obtaining the structures porous in the whole volume or within the surface layer and with biodegradable core. The essential problems remains the fabrication of tight and thick oxide layers and hydroxyapatite (HA) gradient or HA-based composite coatings on and inside porous strutures. The analysis of research results in vivo and in vitro may be performed with an use of different approach; the possibility of an use of fuzzy logics is demonstrated for Perthes illness analysis.

PL

W artykule przedstawiono wyniki i kierunki badań Grupy Badawczej Zaawansowane Biomateriały Wydziału Mechanicznego Politechniki Gdańskiej. Stwierdzono w warunkach klinicznych, że także stopy tytanu są w stanie wywoływać alergie i stany zapalne w wyniku reakcji osobniczych na produkty korozji tytanu. Korozja stopów tytanu pozostaje w wyraźnym związku z obecnością bakterii chorobotwórczych. Postawiono tezę o przebiegu korozji szczelinowej w obecności biofilmu. Stwierdzono, że obróbka laserowa z zastosowaniem laserów CO2 i Nd:YAG, rożnej mocy lasera i medium chłodzącego w warunkach ultraszybkiego i szybkiego chłodzenia powoduje zasadniczą poprawę własności tribokorozyjnych, a dalsza obróbka ubytkowa może doprowadzić także do poprawy odporności na korozję, a tym samym do zastosowania tej techniki do implantów stawu kolanowego. Pokazano, że wytworzenie warstw tlenkowych nanorurkowych wspomaga wzrost bioaktywności, ale może zmniejszać odporność korozyjną stopów tytanu, a sama warstwa nanorurkowa może ulegać zniszczeniu pod wpływem naprężeń mechanicznych. Poprawa bioaktywności stopów tytanu może zostać uzyskana przez wytwarzanie struktur porowatych w całej objętości lub na powierzchni z biodegradowalnym rdzeniem, przy czym zasadniczym problemem jest wytwarzanie na takich strukturach zwartych i grubych warstw tlenkowych oraz gradientowych powłok hydroksyapatytowych (HA) lub kompozytowych na osnowie HA. Analiza wyników badań in vivo oraz in vitro może być prowadzona z zastosowaniem rożnych podejść; pokazano możliwość zastosowania logiki rozmytej na przykładzie analizy choroby Perthesa.

Słowa kluczowe

EN

Ti-based materials; alloplastic implants; laser treatment; corrosion resistance; hydroxyapatite

PL

materiały tytanowe; implanty aloplastyczne; obróbka laserowa; odporność korozyjna; hydroksyapatyt

• Wydawca: Wydawnictwo SIGMA-NOT
• Czasopismo: Inżynieria Materiałowa
• Rocznik: 2010
• Tom: Vol. 31, nr 3
• Strony: 743--746
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Zieliński A.

autor

Sobieszczyk S.

autor

Świeczko-Żurek B.

• Faculty of Mechanical Engineering, Gdańsk University of Technolgy,

Bibliografia

• [1] Świeczko-Żurek B., Pałubicka A., Krzemiński M., Supernak M.: Microbiological corossion of metallic products as a result of biofilm. Advances in Materials Science 3 (8) (2008) 49-54.
• [2] Schwarz Z., Martin J. Y., Dean D. D., Simpson J., Cochran D. L., Boyan B. D.: Effect of titanium surface roughness on chondrocyte proliferation, matrix production, and differentiation depends on the state of cell maturation. J. Biomedical Materials Research Part A 30 (1998) 145-155.
• [3] Walkowiak B.: Biomedyczne skutki kontaktu tkanki z implantem. Inżynieria Biomateriałów 38-43 (2004) 200-205.
• [4] Yagil-Kelmer E., Kazmier P., Rahaman M. N., Bal B. S., Tessman R. K., Estes D. M.: Comparison of the response of primary human blood monocytes and the U937 human monocytic cell line to two different sizes of alumina ceramic particles. J. Orthopaedic reserach 22 (2004) 832-828.
• [5] Świeczko-Żurek B., Szumlański A.: Allergies to implant metal compounds. Advances in Materials Science 3 (9) (2009) 39-46.
• [6] Ryan G., Pandit A., Apatsidis D. P.: Fabrication methods of porous metals for use in orthopaedic applications. Biomaterials 27 (2006) 2651-2670.
• [7] Świeczko-Żurek B.: Porous materials used as inserted bone implants. Advances in Materials Science 2 (9) (2009) 51-60.
• [8] Sobieszczyk S.: Self-organised nanotubular oxide layers on Ti and Ti alloys. Advances in Materials Science. 2 (9) (2009) 25-41.
• [9] Tian T., Xiao X., Liu R., She H., Hu X.: Study on titania nanotube array prepared by titanium anodization in HN4F/H2SO4 solution. J. Materials Science 42 (2007) 5539-5542.
• [10] Zieliński A., Sobieszczyk S.: Corrosion of titanium biomaterials, mechanisms, effects and modelisation. Corrosion Reviews 26 (2008) 1-22.
• [11] Sobieszczyk S. Zieliński A.: Coatings in arthroplasty. Advances in Materials Science 8 (2008) 35-54.
• [12] Zieliński A., Dziadoń A., Serbiński W., Jażdżewska M.: Surface cracking of laser melted Ti-6Al-4V alloy. Advances in Materials Science 8 (2008) 94-102.
• [13] Stulberg D., Cooperman D. R., Wallenstein R.: The natural history of Legg-Calve-Perthes disease. J. Bone Joint Surg 63 (1981) 1095-1108.
• [14] Dega W.: Ortopedia i rehabilitacja. PZWL, Warszawa (2003).
• [15] Sponsellor P., Stephens H.: Ortopedia dziecięca. MEN, Kraków (2000).
• [16] Łachwa A.: Rozmyty świat zbiorów, liczb, faktów, reguł I decyzji. Problemy współczesnej nauki, teoria i zastosowania. AOW EXIT, Warszawa (2001).
• [17] Yrjonen T.: Long-term prognosis of Legg-Calve-Perthes Disease: A metaanalysis. J. Pediatric Orth B 8 (1999) 169-172.