Bioaktywne powłoki przeciwdrobnoustrojowe na wyrobach medycznych do implantacji nałożone przez plazmowe utlenianie elektrolityczne

• Autorzy: Dzhurinskiy D.

Warianty tytułu

EN

Bioactive antimicrobial coatings for implantable medical devices formed by plasma electrolytic oxidation

• Języki publikacji: PL EN

Abstrakty

PL

W przedstawionej pracy badawczej wytworzono nowatorską powłokę na bazie TiO2 zawierającą nanocząsteczkowy hydroksyapatyt (n-HA) i cząstki srebra na dostępnych w handlu podłożach stopowych Ti-6Al-4V (Grade 5) i Ti-czysty (Grade 2) za pomocą techniki plazmowego utleniania elektrolitycznego (PEO). Osadzanie powłoki zrealizowano w wodnym roztworze wodorofosforanu disodowego zawierającego zawieszone nanocząsteczki hydroksyapatytowe i wodorotlenek potasu w trybie impulsowym prądu bipolarnego o kontrolowanym cyklu pracy. Włączenie przeciwdrobnoustrojowych cząsteczek srebra było możliwe z wykorzystaniem oddzielnej operacji technologicznej w wodnym roztworze AgNO3 na zasadzie fotokatalizy na powierzchni TiO2 w warunkach obróbki w ultrafiolecie. Morfologię powierzchni utworzonych powłok zbadano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej (SEM), natomiast skład pierwiastkowy powłok został określony metodą analizy dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (EDS). Obecność nanocząsteczek HA w utworzonych powłokach została określona za pomocą spektroskopii w podczerwieni z transformatą Fouriera (FTIR). Wyniki wskazują, że utworzone powłoki PEO wykazują porowatą strukturę sieciową z osadzonymi cząstkami n-HA i Ag równomiernie rozmieszczonymi na całej powierzchni powłok. Utworzone w technologii PEO warstwy TiO2: n-HA: Ag mogą być stosowane jako bioaktywne powłoki biomimetyczne o właściwościach przeciwdrobnoustrojowych w celu zwiększenia aktywności biologicznej, osteointegacji i stabilności biochemicznej w implantowanych wyrobach medycznych.

EN

In the present study, a novel TiO2-based coating containing nanosized hydroxyapatite (nHA) and Silver particles has been formed on commercially available Ti-6Al-4V (Grade 5) and Ti-pure (Grade 2) alloy substrates by the Plasma Electrolytic Oxidation (PEO) technique. The coating deposition were provided in an aqueous solution of disodium hydrogen phosphate containing suspended hydroxyapatite nanoparticles and potassium hydroxide under a pulsed bipolar current mode with controlled duty cycle. Inclusion of antimicrobial silver particles were possible from a separate technological operation in AgNO3 aqueous solution by the principle of photocatalysis at TiO2 surface under ultraviolet treatment. The surface morphology of the formed coatings has been examined by Scanning Electron Microscopy (SEM), while the element composition of the coatings has been determined by Energy Dispersive X-ray analysis (EDS). The presence of HA nanoparticles within the formed coatings has been analyzed by Fourier Transform Infrared Spectroscopy (FTIR). The results indicate that the formed PEO coatings exhibit a porous network structure with embedded n-HA and Ag particles uniformly distributed over the entire surface of the coatings. The PEO-formed TiO2:n-HA:Ag layers can be used as a bioactive biomimetic coating with antimicrobial properties to enhance surface bioactivity, osseointegration and biochemical stability in implantable medical devices.

Słowa kluczowe

PL

powłoki; nanohydroksyapatyt; srebro; powłoki bioaktywne; warstwy antybakteryjne; plazmowe utlenianie elektrolityczne; implant; stop tytanu

EN

coatings; nanohydroxyapatite; silver; coatings bioactive; coatings antimicrobial; plasma electrolytic oxidation; implant; titanium alloy

• Wydawca: Sieć Badawcza Łukasiewicz – Instytut Obróbki Plastycznej
• Czasopismo: Obróbka Plastyczna Metali
• Rocznik: 2018
• Tom: T. 29, nr 1
• Strony: 65--76
• Opis fizyczny: Bibliogr. 25 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Dzhurinskiy D.

• University of Windsor, Department of Physics, 401 Sunset Avenue, Windsor, ON, N9B 3P4, Canada

Bibliografia

• [1] Niinomi M., M. Nakai, J. Hieda. 2012. „Development of new metallic alloys for biomedical applications”. Acta. Biomater. 8: 3888–3903.
• [2] Niinomi M. 2008. „Biologically and Mechanically Biocompatible Titanium Alloys”. Mater. Trans. 10: 2170–2178.
• [3] Fadl-allah S., M. Quahtany, N. El-Shenaw. 2013. „Surface Modification of Titanium Plate with Anodic Oxidation and Its Application in Bone Growth”. J. Biomater. Nanobiotech. 4: 74–83.
• [4] Song W.H., H.S. Ryu, S.H. Hong,. 2005. „Apatite induction on Ca-containing titania formed by micro-arc oxidation”. J. Am. Ceram. Soc. 88: 2642–2644.
• [5] Li L.H., Y.M. Kong, H.W. Kim. 2004. „Improved biological performance of Ti implants due to surface modification by micro-arc oxidation”. Biomaterials 25: 2867–2875.
• [6] Dearnley P.A., K.L. Dahm, H. Çimenoglu. 2004. „The corrosion–wear behaviour of thermally oxidised CP-Ti and Ti–6Al–4V. Wear 256: 469–479.
• [7] Kuroda K., M. Okido. 2012. „Hydroxyapatite coating of titanium implants using hydroprocessing and evaluation of their osteoconductivity. Bionorg. Chem. Appl. 2012: 1–7.
• [8] . Lee S.H, H.W. Kim, E.J. Lee, H.E. Kim. 2006. „Hydroxyapatite-TiO2 hybrid coating on Ti implants”. J. Biomater. Appl. 20 (3): 195–208.
• [9] Mavis B., A. Cuneyt Tas. 2000. „Dip Coating of calcium hydroxyapatite on Ti-6Al-4V substrates”. J. Am. Ceram. Soc. 83: 989–991.
• [10] Wei D., Y, Zhou, D, Jia, Y, Wang. 2008. „Chemical treatment of TiO2-based coatings formed by plasma electrolytic oxidation in electrolyte containing nano-HA, calcium salts and phosphates for biomedical applications”. Appl. Surf. Sci. 254: 1775–1782.
• [11] Kim D.-Y., M. Kim, H.-Ee. Kim, Y.-H. Koh, H.-W. Kim. 2009. „Formation of hydroxyapatite within porous TiO2 layer by microarc oxidation coupled with electrophoretic deposition.” Acta. Biomater. 5: 2196–2205.
• [12] Wook Y., S. Yong Kwoon, D. Hoon Sun, H. Ee Kim. 2009. „Enhanced Cell Integration to Titanium Alloy by Surface Treatment with Microarc Oxidation: A Pilot Study”. Clin. Orthop. Relat. Res. 467 (9): 2251–2258.
• [13] Ms K., R. Jm, S. Ym. 2007. „One-step approach for nano-crystalline hydroxyapatite coating on titanium via micro-arc oxidation”. Electrochem. Commun. 9: 1886–1891.
• [14] Jh N., S. Yl, Y. Fy, C. Jz. 2008. „Preparation of hydroxyapatite-containing titania coating on titanium substrate by microarc oxidation”. Mater. Res. Bull. 43: 45–53.
• [15] Dzhurinskiy D., Y. Gao, E. Strumban, V. Leshchinsky, A. Yerokhin, R. Maev. 2015. „Characterization and corrosion evaluation of TiO2:n-HA coatings on titanium alloy formed by plasma electrolytic oxidation”. Surf. Coat. Technol. 269: 258–265.
• [16] Chiesa R., E. Sandrini, M. Santin, G. Rondelli, A. Cigada. 2003. „Osteointegration of Titanium and Its Alloys by Anodic Spark Deposition and other Electrochemical Techniques: A Review”. J. Appl. Biomater. Biom. 1 (2): 91–107.
• [17] Song W.H., Y.K. Jun, Y. Han. 2004. „Biomimetc apatite coatings on micro-ark oxidized titania”. Biomaterials 25: 3341–3349.
• [18] Dicu M.M., M. Abrudeanu, J. Millet, S. Moga, V. Rizea. 2012. „Physico-chemical properties of microarc Oxidation of biocompatible coatings on Titanium: influence of electrochemistry Parameters.” Sci. Bull. 74: 193–202.
• [19] Sah S., Y. Aoki, .H. Habazaki. 2010. „Influence of phosphate concentration on plasma electrolytic oxidation of AZ80 magnesium alloy in alkaline aluminate solution.” Mater. Trans. 51 (1): 94–102.
• [20] Ohk S., H. Hwang. 2012. Other Applications of Photo Catalyst in Dental Treatments in Diverse Fields. In Orthodontics – Basic Aspects and Clinical Considerations. InTech Europe.
• [21] Zhao Y., Y. Huang, J. Zhu, S. Zhu. 2011. „Characteristics of functionalized nanohydroxyapatite and internalization by human epithelial cell.” Nano. Res. Lett. 6: 600.
• [22] Mangaly R., A. Bandyopadhyay, S. Bose. 2011. „Induction Plasma Sprayed Nano Hydroxyapatite Coatings on Titanium for Orthopaedic and Dental Implants”. Surf. Coat. Technol. 25: 2785–2792.
• [23] Sallam S.M., K.M. Tohami, A.M. Sallam, L.I. Abo Salem, F.A. Mohamed. 2012. „Synthesis and cha-racterization of hydroxyapatite contain chromium”. J. Biophys. Chem. 3 (4): 278–282.
• [24] Mitsionis A., T. Vaimakis, C. Trapalis, N. Todorova, D. Bahnemann, R. Dillert. 2011. „Hydroxyapatite /titanium dioxide nanocomposites for controlled photocatalytic no oxidation”. Applied Catalysis B: Environmental 106: 398–404.
• [25] Panda R.N., M.F. Hsieh, R.J. Chung, T.S. Chin. 2003. „FTIR, XRD, SEM and solid state NMR investigations of carbonate-containing hydroxyapatite nano-particles synthesized by hydroxide-gel technique”. J. Phys. Chem. Solids. 64: 193–199.

Uwagi

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2018).