Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

Współczesne materiały wykorzystywane w inżynierii biomedycznej

Mordal Katarzyna, Maruszczyk Andrzej, Dobrakowski Karol

Przegląd Mechaniczny

|

2021

|

nr 2

28--35

PL

Artykuł jest pracą przeglądową i dotyczy nowoczesnych materiałów różnego rodzaju, które znalazły zastosowanie w biomedycynie, bioinżynierii oraz biomechanice. Poruszone zagadnienia obejmują wymagania stawiane biomateriałom oraz charakterystykę podstawowych pojęć z nimi związanych, tj. biozgodności, biotolerancji, biofunkcjonalności. W pracy przedstawiono materiały metaliczne oraz metody modyfikacji ich powierzchni w szczególności PVD i natryskiwanie plazmowe, w celu uzyskania odpowiednich własności związanych z biozgodnością i biokompatybilnością. Poza tym zostały również scharakteryzowane właściwości materiałów ceramicznych oraz możliwości ich zastosowania w różnych gałęziach bioinżynierii. Omówiono także przykłady tworzyw polimerowych oraz kompozytów, jakie współcześnie wykorzystuje się w biomechanice, stomatologii czy innych dziedzinach medycyny. Celem artykułu było przedstawienie kompleksowego przeglądu materiałów różnego rodzaju stosowanych w biomedycynie, bioinżynierii, biomechanice.

EN

This article is a review and has been devoted to all kinds of modern materials, which have been applied in biomedicine, bioengineering and biomechanics. The presented issues include requirements for biomaterials and characteristics of basic keywords related to them, i.e. biocompatibility, biotolerance, biofunctionality. The paper presents metallic materials and methods of surface modification, especially PVD and plasma spraying in order to achieving appropriate biocompatibility properties. Moreover, the properties of ceramic materials and their application in various branches of bioengineering have also been characterized. Also examples of polymeric materials and composites, that are used in biomechanics, dentistry or other fields of medicine are also have been discussed. Presenting a comprehensive overview of various types of biomaterials used in biomedicine, bioengineering, biomechanics have been the aim of the article.

2

Biodegradowalne stopy na bazie Zn

Sułkowski Bartosz

Stal, Metale & Nowe Technologie

|

2020

|

nr 11-12

68--71

PL

Stopy magnezu i cynku mogą być stosowane jako biodegradowalne materiały do produkcji implantów. Dzięki swoim własnościom mechanicznym oraz korozyjnym spełniają stawiane wymagania wytrzymałościowe oraz nie wytwarzają trujących substancji podczas rozpuszczania się w ludzkim ciele.

3

Viscoelastic polyurethane foams with the addition of mint

Auguścik-Królikowska Monika, Ryszkowska Joanna, Szczepkowski Leonard, Kwiatkowski Dominik, Kołbuk-Konieczny Dorota, Szymańska Joanna

Polimery

|

2020

|

T. 65, nr 3

196--207

PL

Oceniono możliwości otrzymywania lepkosprężystych otwartokomórkowych pianek poliuretanowych z zastosowaniem napełniacza naturalnego w postaci liści mięty. Wytworzono pianki kompozytowe zawierające 10–30% mas. liści mięty. Scharakteryzowano budowę chemiczną, strukturę, właściwości termiczne i wytrzymałościowe uzyskanych pianek. Stwierdzono, że zastosowany napełniacz, zawierający 7% mas. wody, powoduje istotne zmiany w charakterystyce pianek. Wraz ze wzrostem zawartości mięty zwiększał się udział wiązań mocznikowych i wodorowych w budowie otrzymanych pianek kompozytowych, zwiększyła się też ich twardość i współczynnik komfortu. Wprowadzenie napełniacza zawierającego znaczną ilość wody spowodowało również zmianę porowatości igrubości ścianek porów w kompozytowych piankach, co z kolei skutkowało znacznym zwiększeniem odkształceń trwałych.

EN

The article presents an assessment of the possibilities of producing viscoelastic open cell polyurethane (PUR) foams produced with a natural filler in the form of mint leaves. PUR foams containing from 10 to 30 wt % of mint were produced. Chemical structure, thermal and mechanical properties of the foams were assessed. It was found that the filler containing 7 wt % of water caused significant changes in the foam characteristics. In composite foams, the content of urea and hydrogen bonds increased with higher mint contents. The hardness and comfort factor of composite foams also increased. The introduction of a filler containing a significant amount of water caused a change in the porosity and wall thickness of composite foams resulting in a significant increase in their permanent deformations

4

Modification of titanium and its alloys implants by low temperature surface plasma treatments for cardiovascular applications

Wierzchoń T., Witkowska J., Morgiel J., Sowińska A., Tarnowski M., Czarnowska E.

Inżynieria Materiałowa

|

2018

|

Vol. 39, nr 4

130--139

EN

Impairment of the cardiovascular system is a major cause of mortality in humans. Cardiac implants are made mostly of titanium and its alloys and various methods have been used to improve their surface properties. Titanium nitride — TiN and titanium oxide — TiO2 surface layers are promising materials to improve biocompatibility in this respect. Modifying their surface properties in the nanoscale may impact their protein adsorption and cellular response to the implant. Nitriding and oxynitriding processes in low-temperature plasma, also involving the use of an active screen, seem to be prospective methods in the production of titanium nitride and oxide forming an diffusive outer zone of titanium nitride TiN (nanocrystalline) + Ti2N + α-Ti(N) or oxynitrided TiO2(nanocrystalline) + TiN + Ti2N + α-Ti(N) surface layers on titanium alloy. Also a hybrid method that combines oxidizing and the RFCVD process for producing a-C:N:H (amorphous carbon modified with nitrogen and hydrogen) + TiO2 (nanocrystalline titanium oxide-rutile)-type composite surface layers on NiTi shape memory alloys is noteworthy in the context of medical applications. The paper presents the characteristics of these diffusion multi-phase layers in terms of their microstructure, topography, hardness, residual stress, corrosion and wear resistance, wettability as well as biological properties such as: adsorption of proteins — fibrinogen and albumin, and platelet adhesion during interaction with blood components (human plasma and platelet-rich plasma). The results suggest that these layers, produced using the new hybrid processes, exhibit a high potential for improving cardiac implant properties. The article is based on research carried out by the authors and the interpretation of the obtained results is made on the basis of literature data regarding the surface layers of titanium oxides and titanium nitride produced by various methods.

PL

Choroby układu krążenia są jedną z głównych przyczyn śmiertelności u ludzi. Biozgodność i inne właściwości implantów kardiologicznych, wytwarzanych z tytanu i jego stopów, można kształtować, stosując różne metody inżynierii powierzchni. W pracy przedstawiono charakterystykę wielofazowych, dyfuzyjnych warstw powierzchniowych typu TiN + Ti2N + α-Ti(N) oraz TiO2 + TiN + Ti2N + α-Ti(N) wytwarzanych w niskotemperaturowej plazmie na stopie tytanu Ti6Al4V, także z wykorzystaniem aktywnego ekranu, pod kątem ich mikrostruktury, topografii powierzchni, twardości, stanu naprężeń własnych, odporności na korozję i zużycie, zwilżalności oraz właściwości biologicznych, takich jak: adsorpcja białek — fibrynogenu i albuminy oraz adhezja płytek krwi podczas inkubacji z ludzkim osoczem i osoczem bogatopłytkowym. Przedstawiono także wyniki badań warstw typu TiO2 oraz a-CNH + TiO2 wytwarzanych na stopie z pamięcią kształtu NiTi. Artykuł prezentuje wyniki badań przeprowadzonych przez autorów, a interpretacji uzyskanych wyników dokonano w porównaniu z danymi literaturowymi dotyczącymi powierzchniowych warstw złożonych z tlenku tytanu i azotku tytanu wytwarzanych różnymi metodami.

5

Odporność korozyjna w roztworze sztucznej krwi stali 316L pokrytej powłokami SiO2 wytworzonymi metodą zol-żel

Mazur A., Chęcmanowski J., Szczygieł B.

Ochrona przed Korozją

|

2016

|

nr 5

160--166

PL

Metodą zol-żel otrzymano na stali 316L trójwarstwowe powłoki ceramiczne SiO2 z zolu zawierającego tetraetoksysilan oraz jako rozpuszczalniki alkohol izopropylowy i alkohol butylowy. Ekspozycja próbek w roztworze sztucznej krwi przez 142 doby wykazała korzystne właściwości korozyjne próbek z powłoką SiO2 w porównaniu do niepokrytej stali. Przy stosowaniu alkoholu izopropylowego jako składnika zolu odporność korozyjna próbek wzrosła 4 razy. Powłoki ceramiczne SiO2 tworzą warstwę barierową oraz, co wykazano w badaniach EDS, sprzyjają tworzeniu warstwy hydroksyapatytu. Zmierzony stosunek wielkości pików Ca i P w warstwie wierzchniej próbek z powłoką odpowiada stosunkowi tych pierwiastków jaki występuje w syntetycznych hydroksyapatytach.

EN

Three-layer ceramic SiO2 coatings were deposited on steel 316L, from a sol containing tetraethoxysilane as well as isopropyl alcohol and butyl alcohol as the solvents. The exposure of the samples to a Simulated Body Fluid (SBF) for 142 days showed that the samples with the SiO2 coating were more corrosion resistant than the uncoated steel. When isopropyl alcohol was used as a component of the sol the corrosion resistance of the samples increased fourfold. Ceramic SiO2 coatings form a barrier layer and, as shown by EDS analyses, favour the formation of a hydroxyapatite layer. The ratio of Ca and P peak sizes measured in the surface layer of the coated samples corresponds to the ratio of these elements which occurs in synthetic hydroxyapatites.

6

Odporność korozyjna nowych, biozgodnych materiałów kompozytowych do zastosowań biomedycznych otrzymanych metodą iskrowego spiekania plazmowego

Lijewski M., Magda J.

Obróbka Plastyczna Metali

|

2016

|

T. 27, nr 2

165--178

PL

Inżynieria biomateriałów oraz technologie związane z medycyną należą do jednej z najbardziej dynamicznie rozwijających się dziedzin naukowych w ostatnich latach. Tytan i jego stopy wraz ze stopami na osnowie żelaza, kobaltu oraz stopami z pamięcią kształtu tworzą grupę biomateriałów metalicznych. Tytan i jego stopy w porównaniu z innymi materiałami metalicznymi charakteryzuje się dobrą biozgodnością, niskim w porównaniu z innymi biomateriałami metalicznymi, ale porównując do metali w ogóle do np. aluminium ma niższy moduł Younga, wysoką wytrzymałością względną i niskim ciężarem właściwym. Istotnym elementem tego materiału jest odporność korozyjna, której analiza i badania są przedmiotem niniejszej pracy. W pracy przedstawiono analizę odporności korozyjnej nowych stopów tytanu otrzymanych metodą metalurgii proszków, konsolidowanych technologią SPS z różnymi parametrami procesu. Technologia SPS jest procesem konsolidacji materiałów z proszków w określonej temperaturze i pod określonym ciśnieniem (prasowanie), które powodują odkształcenie plastyczne ziaren scalanego proszku. Tak przygotowane próbki porównano z materiałem komercyjnym – lity stop Ti6Al4V ELI w postaci pręta. Przedmiotem analizy były krzywe potencjodynamiczne wykonane na podstawie danych uzyskanych z urządzenia SP-150 marki Bio-Logic Science Instruments z przystawką niskoprądową w komorze pomiarowej o pojemności 1 litra. Porównano charakterystyki korozyjne nowych stopów tytanowych i litego stopu handlowego. Wyznaczono także porowatość, gęstość oraz twardość. Stwierdzono przesuniecie potencjału korozyjnego badanych spieków w stronę wyż- szych potencjałów względem stopu handlowego. Zaobserwowano korelację pomiędzy właściwościami korozyjnymi, a właściwościami mechanicznymi materiałów uzyskanych dla różnych parametrów spiekania.

EN

Biomaterials engineering and technologies related to medicine belong to one of the most dynamically developing scientific fields in recent years. Titanium and its alloys with iron-based cobalt alloys, as well as alloys with shape memory, form the group of metallic biomaterials. Titanium and its alloys compared with other metallic materials is characterized by good biocompatibility, a low Young’s modulus in comparison with other metallic biomaterials as well as compared to metals in general for example aluminum, high strength and low relative specific gravity. An important element of this material is corrosion resistance, whose analysis and testing are the subject of this work. The paper presents an analysis of the corrosion resistance of new titanium alloys obtained by powder metallurgy, consolidated using SPS technology with different process parameters. SPS technology is the process of consolidating material from powders at a predetermined temperature and under a certain pressure (compaction) that causes plastic deformation of the grains of the merged powders. The thus prepared samples were compared with a commercial material - Ti6Al4V ELI solid alloy in the form of a rod. The subject of analysis was potentiodynamic curves made on the basis of data obtained from the Bio-Logic Science Instruments SP-150 device with a low current attachment in a measuring chamber with a capacity of 1 liter. We compared the corrosion characteristics of the new titanium alloys and the commercial solid alloy. The porosity, density and hardness were also determined. A shift in the corrosion potential of the investigated sinters to higher potentials in relation to the commercial alloy was found. A correlation between the corrosive properties and the mechanical properties of the materials obtained employing the various sintering parameters was observed.

7

Biological Dressings Based on Natural Polymers

Kucharska M., Brzoza-Malczewska K., Wiśniewska-Wrona M., Pałys B., Struszczyk M. H., Cichecka M., Wilbik-Hałgas B., Karuga-Kuźniewska E., Paluch D., Rybak Z.

Fibres & Textiles in Eastern Europe

|

2016

|

Vol. 24, no. 6 (120)

170--174

EN

The article presents a method for producing a IV generation hemostatic dressing in the form of powder consisted of fibrous, which ensures a high level of security in application. The dressing material was developed on the basis of natural polymers of the polysaccharide group such as chitosan and calcium sodium alginate in the form of micro- and nanofibrids. The dressing structure, utility properties and biocompatibility (cytotoxicity, irritation and sensitization) were studied.

PL

W artykule przedstawiono metodę wytwarzania hemostatycznego opatrunku IV generacji, który gwarantuje wysoki stopień bezpieczeństwa przy aplikacji. Opatrunek posiada formę proszku fibrydowego. Do opracowania materiału opatrunkowego wykorzystane zostały polimery naturalne z grupy polisacharydów takie jak chitozan i alginian sodowo-wapniowy. Opatrunek został poddany badaniom strukturalnym, właściwościom użytkowym oraz ocenie biozgodności (cytotoksyczność, właściwości drażniące i uczulające).

8

Acrylic Acid Plasma Treatment of Polypropylene Nonwoven Fabric

Buček A., Popelka A., Zahoranová A., Kováčik D., Novák I., Černák M.

Fibres & Textiles in Eastern Europe

|

2016

|

Vol. 24, no. 6 (120)

161--164

EN

Nowadays hydrogel materials are being used in medical practice for wound dressing purposes. Hydrogel/textile composites can be formed to increase the mechanical strength and handling capability of hydrogel materials. Nonwoven textiles are optional for such applications, however, it is often necessary to improve their surface properties. Here plasma activation/grafting of polypropylene (PP) nonwoven fabric with an acrylate layer to improve its adhesive properties is reported. A diaphragm discharge was used for the plasma treatment of the PP fabric. The discharge was burnt in a solution of acrylic acid (AAc), which resulted in a single step process of plasma activation and plasma grafting of the fabric. Results of wettability testing and ATR-FTIR measurements showed the existence of a thin poly(acrylic acid) (PAAc) layer grafted on the fabric surface. Peel strength measurements showed a 4.7 fold increase in the peel strength when compared with untreated PP fabric.

PL

Współcześnie materiały hydrożelowe używane są w wyrobach medycznych jako opatrunki na rany. Hydrożelowe kompozyty tekstylne formuje się dla zwiększenia mechanicznej wytrzymałości poręczności w stosowaniu. Włókniny są powszechnie stosowane do wyrobów medycznych, jednak jest konieczne polepszenie ich właściwości powierzchniowych. W badaniach zastosowano aktywację plazmową w celu pokrycia włóknin polipropylenowych warstwą akrylową dla polepszenia właściwości adhezyjnych. Wyładowania odbywały się w roztworze kwasu akrylowego co pozwoliło na przeprowadzenie jednostopniowego procesu aktywacji plazmowej. Wyniki pomiarów zwilżalności oraz badania ATR-FTIR wykazały istnienie cienkiej warstwy kwasu poliakrylowego na powierzchni włókniny. Stwierdzono 4.7 razy większą wytrzymałość na odrywanie w stosunku do włóknin niemodyfikowanych.

9

Wpływ wielokrotnej sterylizacji na właściwości biomateriałów

Bociąga D., Jastrzębski K., Olejnik A., Świątek L., Marchwicka M.

Engineering of Biomaterials

|

2016

|

Vol. 19, no. 136

11--20

PL

Materiały metaliczne, między innymi stopy tytanu posiadają liczne właściwości, które pozwalają na ich częste stosowanie do produkcji wyrobów biomedycznych. Wszystkie urządzenia przeznaczone do celów medycznych przed użyciem muszą przejść proces sterylizacji. W praktyce niektóre z nich mogą być poddane więcej niż jednemu cyklowi sterylizacji przed umieszczeniem w ciele pacjenta. Pomimo tego, że sterylizacja jest jednym ze standardowych procesów, któremu podlegają wszystkie implanty, może być ona przyczyną zmian właściwości powierzchniowych materiału. Celem niniejszej pracy było sprawdzenie, jak proces wielokrotnej sterylizacji wpływa na właściwości powierzchniowe oraz odpowiedź komórkową dla grupy próbek wykonanych z dwóch stopów tytanu: Ti6Al4V i Ti6Al7Nb. Wypolerowane próbki obu stopów zostały poddane jednemu, pięciu oraz dziesięciu cyklom sterylizacji parowej. Próbki zostały przebadane pod kątem morfologii powierzchni (SEM) oraz składu chemicznego (EDS), a także topografii powierzchni (profilometr) oraz zwilżalności (pomiar kąta zwilżania metodą kropli). Badania cytotoksyczności i proliferacji komórek zostały przeprowadzone poprzez wykonanie testu live/dead z wykorzystaniem komórek kościotwórczych linii Saos-2. Przeprowadzone badania dowodzą, że wielokrotna sterylizacja powoduje pojawianie się zanieczyszczeń na powierzchni materiału oraz zwiększenie grubości warstwy tlenkowej. Wartości energii powierzchniowej oraz parametrów chropowatości wzrosły wraz ze wzrostem liczby cykli sterylizacji. Proliferacja komórek na wysterylizowanych próbkach ze stopów tytanu była mniejsza niż w przypadku stali nierdzewnej oraz próbki kontrolnej, chociaż żadna z próbek nie wykazała cytotoksyczności. Porównując dwa przebadane stopy tytanu, mniejsza proliferacja została odnotowana na próbkach Ti6Al7Nb.

EN

Due to their favorable properties, numerous metallic materials, including titanium alloys are chosen for biomedical applications. A final preparation step before the implantation of a metallic biomaterial is sterilization. In fact, some of the devices may undergo a multiple sterilization process before they are placed into the human body. Although sterilization is a part of a standard procedure, it might affect the surface properties of the material. The purpose of this study was to check the influence of multiple sterilization process on surface properties and biological response of two titanium alloys: Ti6Al4V and Ti6Al7Nb. Samples of both alloys were mechanically polished and subjected to 1, 5 or 10 stem sterilization cycles. Representative samples from each group were examined in term of surface morphology (SEM), chemical composition (EDS), topography (profilometer) and wettability (sessile drop technique). Cell proliferation and cytotoxicity assay were carried out with the use of live/dead test of Saos-2 osteoblast-like cells line. Examinations showed that the multiple sterilization process caused occasional appearance of contaminations on the surfaces, as well as increase in the oxide layer thickness. Values of surface energy and surface roughness parameters increased with the increasing number of sterilization cycles. Proliferation of cells on the surface of sterilized titanium alloys was lower than in the case of stainless steel and control sample. At the same time, none of the examined samples showed cytotoxicity. Comparing two titanium alloys, considerably lower number of cells was observed on Ti6Al7Nb surface.

10

Biodegradable and antimicrobial polycaprolactone nanofibers with and without silver precipitates

Dobrzański L. A., Hudecki A., Chladek G., Król W., Mertas A.

Archives of Materials Science and Engineering

|

2015

|

Vol. 76, nr 1

5--26

EN

Purpose: The purpose of the paper is to present the results of own researches, including the study of the structure and the properties of new obtained single- and doublecomponent polycaprolactone polymer nanofibers as well as of composite nanofibers with and without silver precipitates produced by electrospinning including the results of biological research, proving the usefulness of the newly developed nano-engineering materials and their applicability in regenerative medicine, as well as tissue engineering. Design/methodology/approach: On the basis of the data available from the fundamental literature and based on the criteria of potential and attractiveness, polycaprolactone was selected for research from among a number of polymer materials, using a method of procedural benchmarking and weighted scores. The obtained nanomaterials undergone the following examinations to confirm the assumed aim of the work: infrared spectroscopy FTIR, Wide-angle X-ray scattering (WAXS), BET, Langmuir specific surface area and DTF porosity assessed with the gas adsorption method, in a transmission electron microscope (TEM), a scanning electron microscope (SEM), a fluorescence microscope, antibacterialness and antifungalness investigations and examinations of biological properties in vitro. Findings: The applicability of polymer fibers in medicine depends on biocompatibility and non-toxicity of the applied material, which is influenced by the chemical purity of the materials applied and the toxicity of the input solvents. The potential toxicity of nanofibers should therefore be eliminated, starting with selection of materials used for obtaining solutions. Many other factors fundamental for the quality and properties of polycaprolactone nanofibers need to be taken into account to create single- and doublecomponent and composite nanofibers. Practical implications: The obtained composite materials, due to their non-toxicity resulting from the components applied, including solvents, bacteriocidity and bioactivity, may find their applications in tissue engineering as membranes in controlled regeneration of bone tissue, as carriers of medicinal agents in bone surgery, as implantable surgical meshes and as scaffolds for a tissue culture. In turn, the composite core-shell nanofibers, by combining the antibacterial properties of the coating with bioactive properties of the core, are attractive materials for three-dimensional tissue scaffold. Such materials can be used as a carrier of medicine, a treatment of hard healing wounds, invasive surgery, neurosurgery, as substrate for the culturing of a retina, material to reconstruct nerves and in dentistry or oncology, to replace the natural tissue removed because of a cancer with the possibility of applying a therapeutic agent, e.g., an antibiotic or a medicine used in cancer therapies, released after the dissolution of the coating of nanofibers. Originality/value: The present paper is the original report from a personal own research and explains the concept and scope of own research of a new obtained single- and doublecomponent polycaprolactone polymer nanofibers as well as of composite nanofibers produced by electrospinning for application in regenerative medicine, the presentation of technological conditions and methodology of own research into polymer nanofibers, and above all very detailed description of the results of own investigations

11

Photoactivated titania-based nanomaterials for potential application as cardiovascular stent coatings

Kopaczyńska M., Sobieszczańska B., Ulatowska-Jarża A., Hołowacz I., Buzalewicz I., Wasyluk Ł., Tofail S. A. M., Biały D., Wawrzyńska M., Podbielska H.

Biocybernetics and Biomedical Engineering

|

2014

|

Vol. 34, no. 3

189--197

EN

Intravascular stenting of atherosclerotic coronary arteries is a life-saving, widely used procedure in interventional cardiology. Adverse clinical outcomes such as restenosis high-light the importance of meeting the excellent biocompatibility by cardiovascular implants. Many attempts have been made to improve the safety profile of implant surface. We for the first time developed the photoactive intravascular titania-based nanomaterials for the application as cardiovascular stent coating. Photoactive biomaterial deposited on the cardiovascular stent surface demonstrated promising features, making it an excellent substrate for endothelial cells growth and proliferation. The biocompatibility of these coatings has been compared with 316L stainless steel surfaces typically used in commercial coronary stents production. The results of the study proved that the innovative titania- based coatings have better biocompatibility characteristics than the 316L stainless steel and in regard of its antithrombotic potential provided protection against restenosis. Further-more, the titania coating supported endothelial cells attachment and proliferation, and induced prolonged plasma recalcification time in comparison with stainless steel surface. Innovative photoactive titania coating can be an important factor to prevent the process of the restenosis in the place of implantation.

12

Właściwości stopu Ti-6Al-4V po modyfikacji powierzchni

Adamek G., Jakubowicz J.

Engineering of Biomaterials

|

2013

|

Vol. 16, no. 120

35--40

PL

W pracy badano właściwości porowatego stopu Ti-6Al-4V istotne z punktu widzenia zastosowań na implanty tkanek twardych. Stop wytworzono za pomocą procesu mechanicznej syntezy, prasowania i spiekania. Modyfikację powierzchni prowadzono dwuetapowo: pierwszym było elektrochemiczne trawienie w 1M H3PO4 + 2% HF w 10 V przez 30 min, a drugim osadzanie ceramiki fosforanowo wapniowej (Ca-P) z wodnego roztworu 0,042M Ca(NO3)2 + 0,025M (NH4)2HPO4 + 0,1M HCl. Jony wapnia i fosforanowe osadzają się w głębi porów, co polepsza wytrzymałość połączenia ceramicznej powłoki z metalicznym podłożem. Wytrzymałość była o ponad 50% większa dla porowatego stopu niż dla litego odpowiednika. Odporność korozyjną badano w roztworze Hanka symulującym środowisko płynów ustrojowych (SBF). Po osadzaniu powłoki Ca-P zaobserwowano niewielką poprawę gęstości prądu korozyjnego w stosunku do próbki polerownej. Zbadano również biozgodność stopu po modyfikacji powierzchni w testach in vitro. Powierzchnia po elektrochemicznej modyfikacji wykazuje dobrą biozgodność, a powłoka Ca-P wspomaga wzrost i proliferację osteoblastów. Ze względu na porowatość, stosunkowo dobrą wytrzymałość połączenia i biokompatybilność powierzchni stop Ti-6Al-4Vpo elektrochemicznej modyfikacji wydaje się być dobrym materiałem na implanty tkanek twardych.

EN

Properties of a porous Ti-6Al-4V alloy, important in hard tissue implants applications, were investigated. The alloy was prepared by mechanical alloying followed by pressing, sintering and subsequent anodic electrochemical etching in 1M H3PO4 + 2% HF elec¬trolyte at 10 V for 30 min and bioactive ceramic Ca-P layer deposition, using a mixture of 0.042M Ca(NO3)2 + 0.025M (NH4)2HPO4 + 0.1M HCl dissolved in distilled water. The Ca2+ and PO43- ions penetrate the pores preferentially inside, which results in improved bonding of the bioceramic layer to the metallic substrate. The bond strength obtained by a tensile test shows more than 50% higher strength to the porous Ti-6Al-4V substrate than to the bulk material. The corrosion resistance of the alloys was investigated in Hank's Balanced Salt Solution (HBSS) which is simulated body fluid (SBF). We observed slight improvement in corrosion current density after etching and additional Ca-P deposition compared to mechanically polished samples. The biocompatibility of the Ti-6Al-4V alloy with a porous Ca-P layer was investigated. We showed that the rough, electrochemically biofunctionalized sur¬face supported osteoblast cell growth and proliferation. Due to rough morphology, relatively strong bonding to the metallic substrate and in vitro biocompatibility the electrochemically modified surface of the ultrafine grained Ti-6Al-4V is promising for hard tissue implant applications.

13

Materiały polimerowe i węglowe w aspekcie zastosowania jako materiał konstrukcyjny dysku polskiej mechanicznej zastawki serca - ocena wybranych własności fizycznych i biologicznych

Szuber A., Kościelniak-Ziemniak M., Janiczak K., Głowacki M., Gawlikowski M., Kustosz R., Gonsior M., Wilczek P., Duber S., Kaczorowski W., Niedzielski P., Grabarczyk J., Walke W.

Engineering of Biomaterials

|

2013

|

Vol. 16, no. 121

25--32

PL

Badania biomateriałów polimerowych i węglowych prowadzone są w celu doboru odpowiednich materiałów konstrukcyjnych dla polskiej dyskowej mechanicznej zastawki serca typu Moll. W obszarze zainteresowania znalazły się: polieteroeteroketon (PEEK), PEEK utwardzony powierzchniowo warstwą węglową typu DLC oraz węgiel szklisty. Biomateriały zostały poddane wybranym badaniom strukturalnym (badaniom mikrotwardości metodą Vickersa i porowatości z wykorzystaniem analizatora Autosorb iQ) oraz badaniom własności mechanicznych na stanowisku badań zmęczeniowych. Własności biozgodne biomateriałów oceniono wykorzystując nowoczesną metodę badań biologicznych biomateriałów - badania trombogenności powierzchni wykonano na urządzeniu Impact-R, w testach dynamicznego kontaktu z krwią w warunkach oddziaływania sił ścinających. Wyniki badań zmęczeniowych i oceny trombogenności materiałów polimerowych potwierdziły właściwe zastosowanie materiału PEEK w konstrukcji dysku zastawki mechanicznej przeznaczonej do stosowania krótkoterminowego (około 12 miesięcy) wpozaustrojowej pulsacyjnej pompie mechanicznego wspomagania serca. Zastosowanie utwardzającej powłoki węglowej typu DLC na polimerze stanowi właściwy kierunek prac mających na celu uzyskanie bardziej wytrzymałej powierzchni dysku w kontakcie z tytanowym pierścieniem zastawek, co potwierdziły testy zmęczeniowe. Przeprowadzone badania mikrotwardości biomateriałów wskazały wysoką wytrzymałość oraz twardość opracowywanego węgla szklistego.

EN

The polymeric and carbon biomaterials tests are performed in order to select the proper constructional materials for Polish mechanical tilting valve type Moll. In the area of interests are: polyetheretherketone (PEEK), PEEK with a DLC (diamond like carbon) surface layer and glassy carbon. The biomaterials were analyzed in selected structural tests (micro hardness tests utilizing Vickers method and porosity tests utilizing Autosorb iQ analyzer) and mechanical properties investigation on the fatigue test stand. Biocompatibility properties of biomaterials were evaluated utilizing new biological investigation method - biomaterial surface thrombogenicity test performed using Impact-R device, in the dynamic blood contact conditions with shear stress impact. The results of fatigue and thrombogenicity tests of polymeric materials confirmed the proper PEEK use in the mechanical valve disk construction dedicated for short term application (approximately 12 months) in the extracorporeal pulsatile ventricular heart assists device. The hardened carbon type DLC surface layer on the polymer is the appropriate direction of investigation in order to obtain more durable disk surface in the contact with titanium valve housing, what was confirmed in fatigue tests. The micro hardness biomaterials tests showed high strength and hardness of investigated glassy carbon.

14

Surface treatment of porous Ti13Nb13Zr alloy for biomedical applications

Serbiński W., Zieliński A., Seramak T., Ossowska A., Sobieszczyk S., Supernak M., Majkowska B.

Inżynieria Materiałowa

|

2012

|

Vol. 33, nr 1

6--12

EN

The porous Ti13Zr13Nb alloy intended for load-bearing implants has been investigated. The alloy powder was obtained by plasma jet spraying a solid alloy sheet. Then the alloy granules were sintered by employing powder metallurgy, with and without a space holder, resulting in specimens demonstrating an open porous structure with a porosity up to 68% and mean pore size ranging between 30 and 150 μm. Further thermal, chemical and/or electrochemical oxidation caused increased corrosion resistance and the appearance of nanotubular titania layers after anodization, with nanotubes up to 2 μm in length and 80÷120 nm in diameter. The nanotubular layers were finally coated with deposits of hydroxyapatite obtained by using biomimetic or chemical (Alternate Immersion and biomimetic) methods. In conclusion, the employed surface techniques allow substantial improvement of the chemical stability, corrosion resistance, biocompatibility and bioactivity of the investigated titanium based biomaterial.

PL

Przeprowadzono badania materiału porowatego, przeznaczonego na implanty ortopedyczne, wytworzonego metodą metalurgii proszków ze stopu Ti13Zr13Nb. Proszki z badanego stopu uzyskano metodą rozpylania plazmowego. Były one następnie spiekane bez lub z użyciem porogenu. Otrzymano próbki o otwartej porowatej strukturze, stopniu porowatości do 68% i średniej wielkości porów w przedziale od 30 do 150 mikrometrów. Obróbka próbek porowatych – utlenianie termiczne, chemiczne i/lub elektrochemiczne spowodowało otrzymanie krystalicznych lub nanorurkowych warstw tlenkowych, składających się z nanorurek o długości do 2 μm i średnicy 80÷120 nm oraz zwiększenie ich odporności na korozję. Nanorurkowe warstwy tlenkowe zostały następnie pokryte hydroksyapatytem metodą biomimetyczną lub chemiczną (przemiennego zanurzenia). Podsumowując, zastosowane techniki obróbki powierzchniowej pozwalają na znaczną poprawę stabilności chemicznej, odporności korozyjnej, biozgodności i aktywności biologicznej biomateriałów o osnowie tytanu.

15

Biologiczna ocena warstw węglowych domieszkowanych srebrem

Jakubowski W., Komorowski P., Bociaga D., Batory D., Niedzielski P., Walkowiak B.

Engineering of Biomaterials

|

2012

|

Vol. 15, no. 116-117 spec. iss.

89

PL

Postęp w naukach biologicznych i medycznych jest obecnie coraz silniej uzależniony od gromadzenia i poddawania analizie informacji o wzajemnych relacjach między komórkami żywych organizmów a powierzchniami materiałów abiotycznych. Szczególnie istotne jest to w dziedzinach związanych z wykorzystaniem biomateriałów, ale taka zależność jest też silnie widoczna w obszarze obejmującym przemysł przetwórczo-spożywczy. Oddziaływania materiał - komórka żywa, w znacznej mierze wykraczają poza dotychczas postrzegany zakres standardowego wykorzystania biomateriałów, a odkrycia na polu interakcji powierzchni materiałów z komórkami mają coraz większe znaczenie w prawidłowym użytkowaniu nowoczesnych systemów dystrybucji wody pitnej, a także przemysłowych systemów chłodzenia i obiegu cieczy. Wspomniany postęp stawia kolejne wyzwania przed inżynierią materiałową, która odpowiada za opracowywanie nowych technologii i materiałów mających spełniać coraz bardziej rygorystyczne oczekiwania użytkowników. Lepsze zrozumienie zależności w jakich pozostaje układ środowisko - organizmy żywe - materiał inżynierski prowadzą do wyeliminowania materiałów stwarzających potencjalnie zagrożenie, z jednoczesnym wprowadzeniem nowych materiałów, lepiej spełniających swoje funkcje. W procesie opracowania materiałów o wysokiej biozgodności uwagę naukowców w dużej mierze skupia grupa problemów związanych z zasiedlaniem powierzchni abiotycznych przez mikroorganizmy. Ograniczenie lub wyeliminowanie procesu kolonizacja powierzchni biomateriałów, zwykle prowadzącego do rozwinięcia się trudno zwalczanego biofilmu, stanowi istotne wyzwanie dla nowoopracowywanych biomateriałów. W literaturze fachowej dostrzegane są niekorzystne efekty, obserwowane przede wszystkim w praktyce klinicznej, do jakich doprowadza rozwiniecie się biofilmu na powierzchniach implantów. Opisywany jest także efekt wzrostu oporności takich kolonii bakteryjnych na działania układu immunologicznego oraz farmakoterapię. Jedną z możliwych modyfikacji powierzchni, pozwalających na ograniczenie zasiedlania ich przez mikroorganizmy, jest wprowadzenie elementów o działaniu bakterio- i grzybobójczym. W Instytucie Inżynierii Materiałowej opracowany został materiał, wytwarzany metodą hybrydową RF PACVD/MS, łączący bioinertny charakter warstw węglowych z bakteriobójczymi właściwościami jonów srebra. Powłoka tego typu pozwala na znaczące ograniczenie adhezji bakterii prowadzącej do rozwoju biofilmu na powierzchni materiału, przy jednoczesnej znikomej cytotoksyczności dla komórek organizmów wyższych. Wyniki eksperymentów prowadzonych z wykorzystaniem modelowych hodowli bakterii E.coli (DH5a) oraz komórek ludzkich osteoblastów (Saos 2) i komórek śródbłonka (EA.hy 926) w pełni potwierdziły zakładane właściwości nowego materiału.

EN

Progress in biological sciences and medicine is today increasingly dependent on collecting and examining information on the relationship between the cells of living organisms and abiotic surfaces of different materials. This is especially important in areas related to the use of biomaterials, and this dependence is particularly evident in certain areas such as the food industry. Interactions between material - living cells, has until recently been largely considered outside the scope of the standard use of biomaterials. The discovery of cell interactions with material surfaces are of growing importance in the proper use of modern drinking water distribution systems, industrial cooling systems and fluid circulation. This progress poses new challenges for materials engineering, which is responsible for the development of new technologies and materials that must meet increasingly stringent standards. With a better understanding of relationships present in such a system: environment - living cells - material engineering, it will be possible to eliminate any materials that poses a potential threat, and introduce new materials, that perform their functions more efficiently. In the process of developing materials with high a degree of biocompatibility, much of the research has focused on the problem of abiotic surface colonization by different microorganisms. One of the most significant challenges in developing new biomaterials is the reduction or elimination of biomaterial surface colonization, which usually leads to the development of a biofilm. In the literature the adverse effects of such interactions have been observed, primarily in clinical practice and the development of biofilms on the surface of implants. Increased resistance of these bacterial colonies to the human immune system and drug therapy has also been described. One possible material surface modification, which could reduce microorganism colonization, is the introduction of elements that exhibit bactericidal and fungicidal activity. The Institute of Materials Engineering has developed a material produced using a hybrid method RF PACVD/MS, which combines the bioinert nature of carbon layers and the bactericidal properties of silver ions. Such a coating can significantly reduce the degree bacterial adhesion, which results in the development of a biofilm on the surface materials, whilst having a negligible cytotoxic effect on the cells of higher organisms. Results of experiments conducted using the model bacterium E. coli culture (DH5a) together with human osteoblastic (Saos 2) and endothelial cells (EA.hy 926) have fully confirmed the assumed properties of this new material.

16

Badania biozgodności in vitro polimerów konstrukcyjnych pompy wspomagania serca Religa Heart EXT, poddanych procesowi przetwórstwa

Kościelniak-Ziemniak M., Wilczek P., Kustosz R., Gonsior M.

Engineering of Biomaterials

|

2012

|

Vol. 15, no. 116-117 spec. iss.

57--61

PL

Celem badań była ocena biozgodności w testach in vitro polimerów konstrukcyjnych polskiej pozaustrojowej pulsacyjnej pompy wspomagania serca Religa Heart EXT. Badaniu poddano próbki polimerów Bionate® II 90A, Bionate® II 55D i ChronoFlex® AR-LT przygotowane po procesach przetwórstwa, odpowiadających wytworzeniu pompy Religa Heart EXT. Przedmiotem badań była ocena oddziaływania polimerów na wybrane elementy komórkowe, takie jak: erytrocyty, płytki krwi i fibroblasty. Przeprowadzono testy hemolizy, trombogenności, cytotoksyczności oraz struktury chemicznej polimerów. Badania wykonano zgodnie z polską normą PN-EN ISO 10993. Rezultaty wykazały, że polimery konstrukcyjne po przetwórstwie nie oddziaływały negatywnie na elementy morfotyczne krwi, nie aktywowały płytek krwi i leukocytów oraz nie oddziaływały toksycznie na komórki fibroblastów. Ponadto, nie stwierdzono istotnych zmian w strukturze chemicznej polimerów konstrukcyjnych po procesie przetwórstwa technologicznego.

EN

The aim of the investigations was in vitro biocompatibility evaluation of Polish extracorporeal pulsatile ventricular assist device Religa Heart EXT structural polymers. Samples of polymers: Bionate® II 90A, Bionate® 55D and ChronoFlex® AR-LT were tested, had been treated before with technological processes matching the conditions of Religa Heart EXT pump manufacturing. The subject of the investigation was the interaction between polymers and cellular elements (erythrocytes, platelets and fibroblasts). The following tests were performed: haemolysis, thrombogenicity, cytotoxicity and chemical structure analyses. The tests were performed according to Polish standard PN-EN ISO 10993. The results revealed: no negative interaction between blood cells and structural polymers, after technological process; no activation of platelets and leukocytes, and no fibroblasts toxicity. Furthermore, no essential changes in the chemical structure of the examined polymers after technological process were observed.

17

Charakterystyka nanoporowatych warstw na Ti jako perspektywicznych podłoży dla zastosowań biomedycznych

Pisarek M., Roguska A., Andrzejczuk M.

Inżynieria Materiałowa

|

2011

|

Vol. 32, nr 2

71-76

PL

Nanorurki (NT) tlenku tytanu o długości około 1 ?m i średnicy w zakresie od 40 do 110 nm wytworzono na Ti metodą utleniania anodowego przy stałym potencjale (10, 15, 20 i 25 V) w roztworze gliceryny i wody dejonizowanej z dodatkiem 0,86% mas. fluorku amonu. Do scharakteryzowania samoorganizujących się porowatych warstw na Ti oraz wpływu temperatury wygrzewania w zakresie 200÷600°C na ich morfologię, strukturę i mechaniczną stabilność wykorzystano elektronową mikroskopię skaningową, elektronową mikroskopię transmisyjną, dyfrakcję rentgenowską oraz spektroskopię fotoelektronów. Na powierzchni termicznie stabilizowanych nanorurek TiO2 zaadsorbowano proteiny w celu wstępnej oceny biozgodności tak przygotowanych podłoży. Przeprowadzone badania wykazały, iż porowate warstwy tlenkowe uzyskiwały stabilność po wygrzewaniu w temperaturze powyżej 400°C, a ich struktura ulegała zmianie z amorficznej na krystaliczną (anataz + rutyl). Tak zmodyfikowana powierzchnia Ti okazała się obiecującym podłożem do adsorpcji protein w porównaniu z powierzchnią typowego implantu z czystego Ti.

EN

Titanium oxide nanotube arrays were fabricated in a mixture of glycerol, deionized water and low concentration solution of NH4F (0.86 wt %). Well- -ordered nanotube arrays of titania with length of ~1.0 ?m and diameter of about 40÷110 nm were prepared via electrochemical oxidation at constant voltage (10, 15, 20 or 25 V). SEM, X-ray diffraction, FTIR spectroscopy and XPS surface analytical technique were used to characterize the self-organized porous layers, and the effect of annealing at 200÷600°C on their morphology, structure and mechanical stability. Thermally stabilized TiO2 nanotubes were used for adsorption of the protein on their surfaces. Our results showed, that the nanotubular structure was stable above the 400°C and their structure changed from amorphous to the crystalline phase (anatase + rutile). Surface of Ti modified as presented in the article appeared a promising substrates for protein adsorption, as compared to a typical Ti implant surfaces.

18

Mikrostruktura i właściwości nanokrystalicznego tytanu

Garbacz H.

Prace Naukowe Politechniki Warszawskiej. Inżynieria Materiałowa

|

2010

|

z. 25

3-147

PL

W pracy przeprowadzono analizę właściwości użytkowych nanokrystalicznego tytanu (n-Ti) na przykładzie materiału otrzymanego metodą wyciskania hydrostatycznego. Ustalono wpływ czynników mikrostrukturalnych na właściwości mechaniczne, odporność na korozję, a także biozgodność i zużycie tribologiczne. Materiałami odniesienia były mikrokrystaliczny tytan i stop Ti6Al4V. Omówiono metody wytwarzania nanokrystalicznego tytanu, w przypadku których wykorzystuje się duże odkształcenie plastyczne. Uzyskane wyniki badań potwierdziły dużą efektywność w tym zakresie wyciskania hydrostatycznego. Nanokrystaliczny tytan wytwarzany metodą wyciskania hydrostatycznego charakteryzuje się dużą wytrzymałością na rozciąganie, porównywalną z wytrzymałością stopów tytanu, zachowując przy tym zadowalającą plastyczność. Stwierdzono, że szczególną zaletą n-Ti ze względu na potencjalne zastosowania na implanty jest jego wytrzymałość właściwa, znacznie większa od wytrzymałości mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Wykazano, że wpływ nanostruktury na wartość modułu sprężystości stanowi zagadnienie wieloaspektowe i wymaga dalszej weryfikacji poprzez zastosowanie innych metod eksperymentalnych. Podjęto również badania stabilności cieplnej nanokrystalicznego tytanu. Określono wartość temperatury homologicznej, do której właściwości mechaniczne n-Ti nie ulegają zmianie. Zaobserwowano także, że rozdrobnienie ziarna do rozmiarów nanometrycznych zwiększa wytrzymałość zmęczeniową tytanu. Ustalono, że wpływ umocnienia granicami ziaren jest w tym przypadku słabszy w porównaniu z umocnieniem roztworowym tytanu. Otrzymane wyniki wskazują, że w układach tarciowych z polietylenem n-Ti charakteryzuje się mniejszym współczynnikiem tarcia od mikrokrystalicznego tytanu i stopu Ti6Al4V. Stwierdzono, że nanokrystaliczny tytan zachowuje się w środowiskach symulujących płyny ustrojowe podobnie do mikrokrystalicznego tytanu. Warstwa pasywna na n-Ti ma jednak lepsze właściwości ochronne, wynikające z większej prędkości jej odbudowy. W badaniach biologicznych nie zaobserwowano wyraźnego wpływu nanostruktury na wzrost biozgodności tytanu, choć analiza budowy i morfologii komórek wskazuje na większe zaawansowanie procesu kolonizacji komórek osteoblastów na nanokrystalicznym podłożu. Wykazano, że właściwości użytkowe nanokrystalicznego tytanu mogą być kształtowane poprzez obróbkę powierzchniową odpowiednio dobraną do danego zastosowania.

EN

The study was devoted to an analysis of performance properties of nanocrystalline titanium (n-Ti), produced by menas of hydrostatic extrusion. The effect of microstructural factors on mechanical properties, corrsion resistance, biocompatibility and tribological wear was examined and discussed. Reference materials taken were micro-crystalline titanium and the Ti6Al4V titanium alloy. The methods of producing nanocrystalline titanium using the severe plastic deformation technique are described. The results obtained confirm that hydrostatic extrusion is highly effective in this respect. Nanocrystalline titanium produced by hydrostatic extrusion shows high tensile strenght, comparable with that of titanium alloys, and, at the same taime, the material preserves satisfactory plasticity. In view of the possible application of nanocrystalline titanium for the manufacture of implants into the human body, it is of particular importance that the specific strenght on n-Ti appears to exceed considerably those of both microcrystalline titanium and the Ti6Al4V alloy. It was shown that the dependence of the elastic module of n-Ti on the microstructure has many aspects and should be verified in further investigations. The cognitive aspects of the study also included the problem of thermal stability of nanocrystalline titanium. This was examined on the basis of hardness measurements. The value of temperature until which the properties of n-Ti are stable were determined. It has also been found that grain refinement to a nanometric sixe improves fatigue strength of titanium, but the effect of grain size is weaker compared to alloying effect. The results of friction tests, on the other hand, indicate that, in a n-Ti/polyethylene frictional pair, the friction coefficient of n-Ti is smaller than that of microcrystalline titanium and the Ti6Al4V alloy. In the environment simulating body fluids, n-Ti behaves similary to microcrystalline titanium. The passive layer formed on n-Ti has, however, better protective properties since it is rebuilt in a shorter time. In biological examinations, no evident effect of nanostructure on biocompatibility was observed, although an analysis of the structure and morphology of cells indicates that the colonization of osteoblast cells on the nanocrystalline substrate is more advanced. It has been demostrated that the performance properties of nanocrystalline titanium can be modified by subjecting it to various surface engineering treatments tailored to the demands of a given application.

19

Effect of non-modified and modified nanodiamond particles by Fenton reaction on human endothelial cells

Solarska K., Gajewska A., Skolimowski J., Woś R., Bartosz G., Mitura K.

Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering

|

2010

|

Vol. 43, nr 2

603--607

EN

Purpose: The use of carbon nanoparticles in medicine is increasing due to their high biocompatibility. Nanopowders are one of the best materials which can be used in medicine on medical implants and surgical tools. DPP (Diamond Powder Particles) obtained by different methods which can be expected to affect their properties, including biocompatibility, were compared. The aim of the present study was to compare the biocompatibility of Diamond Powder Particles (DPP) obtained by detonation method and graphite on the basis of their interactions with human endothelial cells. Design/methodology/approach: The effect of nanodiamonds on cell proliferation HUVEC-ST and production of reactive oxygen species (ROS) and reactive nitrogen species (RNS) was studied. We used FT-IR Spectroscopy attributive chemical function groups. Findings: In this subject the material characterization of nanodiamond powders and influence on endothelial cells. Practical implications: Biological research with endothelial cells and nanodiamond powder are the introduction to application in human’s treatment. Originality/value: Nanodiamond powders with chemical modified surface.

20

Ocena przydatności materiałów polimerowych na implanty kręgosłupowe na podstawie badań post mortem na kozach

Ciupik L. F., Kierzkowska A., Sterna J.

Engineering of Biomaterials

|

2010

|

Vol. 13, no. 93

10--13