The aim of this study was to determine the influence of long-term exposure of Ringer’s solution on degradation of the anodically oxidated Ti6Al4V alloy coated with a biodegradable polymer coating. Polymeric coatings made of poly(glycolide-ε-caprolactone) – G-Cap and poly(glycolide- ε-caprolactone-lactide) – G-Cap-L were applied by a dip-coating method. Degradation was assessed on the basis of the results of pitting corrosion resistance and density of metal ions infiltrating to the solution. Studies were conducted for samples after 3, 6, 8, 10 and 12 weeks of exposure to the corrosive environment. In addition, topography of the surface of the polymer coating was assessed. As a result of potentiodynamic studies, the value of the polarization resistance and corrosion potential for the G-Cap and G-Cap-L coated samples were significantly decreased while simultaneous reduction of the density of metal ions infiltrating to the solution throughout the whole study period. There was also observed a faster degradation of the G-Cap coating compared to G-Cap-L, which showed local discontinuity after 12 weeks of exposure. The obtained results provide the basis for the development of polymeric coatings on surface of metal implants with predictable time / kinetics of degradation by selecting the composition of polymers while simultaneous limitation of metal ions infiltration into surrounding tissues.
PL
Celem pracy było określenie wpływu długotrwałego oddziaływania rozworu Ringera na proces degradacji utlenianego anodowo stopu Ti6Al4V pokrytego powłoką biodegradowalnego polimeru. Powłoki polimerowe wykonane z poli(glikolido- ε-kaprolaktonu) – G-Cap oraz poli(glikolido ε-kaprolaktono- laktydu) – G-Cap-L naniesiono metodą zanurzeniową (dip-coating). Proces degradacji w funkcji czasu oceniano na podstawie wyników badań odporności na korozję wżerową oraz gęstości masy jonów metalowych przenikających do roztworu. Badania przeprowadzono dla próbek po 3, 6, 8, 10 i 12 tygodniach ekspozycji na środowisko korozyjne. Ponadto oceniano topografię powierzchni powłoki polimerowej. W wyniku przeprowadzonych badań potencjodynamicznych stwierdzono wyraźne obniżenie wartości oporu polaryzacyjnego i potencjału korozyjnego dla próbek z naniesionymi powłokami G-Cap i G-Cap-L przy jednoczesnym wyraźnym ograniczeniu gęstości jonów metalowych przenikających do roztworu w całym okresie badawczym. Stwierdzono również szybszą degradację powłoki typu G-Cap w porównaniu do G-Cap-L, dla której po 12 tygodniu ekspozycji stwierdzono lokalnie występujące przerwania ciągłości. Uzyskane wyniki dają podstawę do opracowywania na powierzchni implantów metalowych powłok polimerowych o przewidywalnym czasie/określonej kinetyce degradacji, poprzez dobór składu polimerów z jednoczesnym ograniczeniem możliwości przenikania jonów metalowych do otaczających tkanek.
The aim of the study was to determine the influence of PLGA bioresorbable polymer coating on corrosion resistance of metal biomaterial. Polymer coating deposited by immersion method was applied. Corrosion resistance of metal biomaterials (stainless steel, Ti6Al4V, Ti6Al7Nb) coated with PLGA polymer, after 90 days exposure to Ringer’s solution was tested. The amount of metal ions released to the solution was also investigated (inductively coupled plasma–atomic emission spectrometry (ICP-AES) method). The surface of the samples was observed using atomic force microscopy (AFM) and scanning electron microscopy (SEM). Degradation of PLGA was monitored with the use of the 1 H NMR spectroscopy and GPC (Gel Permeation Chromatography). The studies were carried out for non-sterilized (NS) and sterilized (S) samples. Application of the polymer coating causes a reduction of release of metal ions to the solution. Depending on metal substrate different course of destruction of polymer layer was observed. After 90 days of incubation in Ringer’s solution polymer layer was highly degraded, however, the composition of copolymer (ratio of the comonomeric units in the chain) remained unchanged during the whole process, which suggests even degradation. The polymer layer reduced degradation kinetics of the metal substrate. Moreover, degradation process did not change surface morphology of metal substrate and did not disturb its integrity. The results obtained indicate that the applied polymer layer improves corrosion resistance of the alloys being investigated. Thus, the developed implants with bioresorbable coatings could be advantageous for medical applications.
5
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Celem pracy jest przedstawienie możliwości zastosowania metod optycznych do wyznaczenia parametrów topograficznych powierzchni stopu Ti przed i po procesie pasywacji, jak również określenie wpływu wstępnych obróbek modyfikujących powierzchnie stopu na grubość tworzonych warstw pasywnych. Zastosowana w niniejszej pracy metodyka pomiarowa, wykorzystująca klasyczne i niestandardowe techniki badań optycznych, pozwoliła na wyznaczenie grubości warstw, chropowatość, długość autokorelacyjną i inne parametry statystyczne opisujące topografię powierzchni. Zaletą przedstawionych niestandardowych technik jest ich nie-inwazyjność i bezkontaktowość.
EN
The aim of this work is presentation of optical techniques applied for the measurements of topographic parameters of Ti alloy before and after its passivation, as well as determination of the influence of pre-treatment methods on the thickness of passive films. The applied methodology is non destructive and it includes standard and non-standard optical techniques to determine the thickness, roughness, autocorrelation length and other statistic parameters of film. Advantage of presented non-standard techniques is their non-destructive and non-invasive character.
The study presents the results of investigations of modeling the usable properties of implant surfaces made of Ti6Al7Nb alloy, using the example of a dynamic hip screw (DHS) applied in surgical treatment of intertrochanteric femoral neck fractures. Numerical simulation has been performed for the model load of femoral fixation with DHS screw. The load simulation results provided the basis to select mechanical properties of the fixator elements and to define those fixation areas which are mostly susceptible to development of corrosion. The surfaces of Ti6Al7Nb alloy were ground, vibro-abrasive machined, mechanically polished, sandblasted, anode oxidized at different voltage values and steam sterilized. Results of surface topography evaluation, resistance to pitting and crevice corrosion as well as degradation kinetics of the outer layer were presented. Usability of the formed passive layer in clinical applications was evaluated through wear and corrosion tests of the femoral fixation model. The test results proved usefulness of the proposed surface modification methods for clinical application of different size and shape implants.
W pracy przedstawiono wpływ sposobu modyfikacji powierzchni stopu Ti6Al7Nb na własności mechaniczne naniesionej powłoki biodegradowalnego polimeru poli(D,L-laktyd-ko-glikolid) (PLGA). Zakres badań obejmował: pomiary chropowatości oraz obserwacje makroskopowe powierzchni metalowego podłoża oraz obserwacje powierzchni powłoki polimerowej, badanie adhezji do podłoża oraz ultrananotwardości. Badania wykazały istotny wpływ sposobu modyfikowania powierzchni podłoża ze stopu Ti6Al7Nb na własności mechaniczne powłoki polimeru PLGA.
EN
The study describes results of research influence of methods for modifying the surface of the Ti6Al7Nb alloy on the mechanical properties of the applied coating of biodegradable polymer poli(lactid-co-glicolic acid) (PLGA). The research included: assessment of the macroscopic surface of samples in the initial state and after applied polymer coating, measurements of surface roughness of the metal substrate, scratch test and ultrananohardness test. Research has shown a significant impact of used method of modifying metal substrate on mechanical properties of the PLGA coating. The analysis also showed dependence of adhesion polymer coating on roughness of the metal substrate.
The study discusses the methods of surface modification methods for AISAI 316 L steel and Ti6Al4V ELI titanium alloy, dedicated to complex design implants used in bone surgery. Results of structural tests have been presented along with those evaluating the physicochemical properties of the formed surface layers. Clinical feasibility of the surface layers has also been evaluated. The developed surface modification methods improved the resistance to pitting, crevice and stress corrosion and ensured better biocompatibility. Moreover, the layers formed are marked by plasticity. Results of the tests performed show applicability of the evaluated methods of surface modification in complex shape implants for the clinical use.
PL
W pracy omówiono metody modyfikacji powierzchni stali AISAI 316 L oraz stopu tytanu Ti6Al4V ELI przeznaczonych na implanty o złożonej konstrukcji stosowanych w chirurgii kostnej. Przedstawiono wyniki badań struktury oraz własności fizykochemicznych wytworzonych warstw wierzchnich. Określono również przydatność wytworzonych warstw do zastosowań klinicznych. Opracowane metody modyfikacji powierzchni zwiększyły odporność na korozję wżerową, szczelinową i naprężeniową oraz poprawiły biokompatybilności. Ponadto wytworzone warstwy cechują się podatnością do odkształceń. Wyniki badań wykazały przydatność zastosowanych metod modyfikowania powierzchni implantów o złożonych kształtach do zastosowań klinicznych.
Purpose: The aim of the presented research was to find a combination of surface modification methods of implants made of the Ti-6Al-4V ELI alloy, that lead to formation of effective barrier for metallic ions that may infiltrate into solution. Methods: To this end, the following tests were carried out: roughness measurement, the voltamperometric tests (potentiodynamic and potentiostatic), and the ion infiltration test. Results: The electropolishing process resulted in the lowering of surface roughness in comparison with mechanical treatment of the surface layer. The anodization process and steam sterilization increased corrosion resistance regardless of the mechanical treatment or electropolishing. The crevice corrosion tests revealed that independent of the modification method applied, the Ti-6Al-4V ELI alloy has excellent crevice corrosion resistance. The smallest quantity of ions infiltrated to the solution was observed for surface modification consisting in the mechanical treatment and anodization with the potential of 97 V. Conclusions: Electric parameters determined during studies were the basis for effectiveness estimation of particular surface treatment methods. The research has shown that the anodization process significantly influences the pitting corrosion resistance of the Ti-6Al-4V ELI alloy independent of the previous surface treatment methods (mechanical and electrochemical). The surface layer after such modification is a protective barrier for metallic ions infiltrated to solution and protects titanium alloy against corrosive environment influence.
10
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono wyniki badań dotyczących topografii i grubości warstw węglowych, które były wytworzone na powierzchni stali martenzytycznej przeznaczonej na narzędzia chirurgiczne. Modyfikacja powierzchni stali obejmowała zabiegi: bębnowania, pasywacji chemicznej oraz naniesienie diamentopodobnej warstwy węglowej metodami rozpylania magnetronowego i rozkładu węglowodorów w plazmie wzbudzonej w polu wysokiej częstotliwości. Grubość warstw węglowych określono z wykorzystaniem spektroskopii elipsometrycznej.
EN
The paper presents results of studies on topography and thickness of carbon layers which were produced on martensitic steel used for surgical tools. Modification of the steel surface was consisted of several procedures: barreling, chemical passivation and carbon layer application by magnetron sputtering method and decomposition of hydrocarbons in the plasma induced in the high-frequency field. Thickness of carbon layers was determined by ellipsometric spectroscopy.
The work presents the results of the applied surface pretreatment on topography and thickness of a passive layer of the anodically oxidized Ti6Al7Nb alloy. In our study were used: integrating sphere spectral measurements, bidirectional reflection distribution function (BRDF) method and optical profilometry. On the basis of the study, the passive layer thickness, roughness, waviness and the autocorrelation length were determined. The influence of voltage of anodization on topographical parameters of TiO2 has been discussed.
The influence of the wear rate of drills used in bone surgery on the temperature distribution in the femur models (Sawbones) is presented in the paper. Surgical drills of diameter d = 4.5 mm and diverse edge geometry (90° and 120°) were selected for the study. In order to carry out thermal analysis with the use of finite element, experimental studies of wear process were necessary. These studies, among others, consisted in determination of average values of axial forces and cutting torques as a function of the number of drilled holes. The study showed an impact of the drill geometry on values that describe cutting process. It was found that the greatest values of torques and axial cutting forces occur in drills of point angle of 120°. Next, in order to determine the effect of wear rate on the generation of temperature in the cutting zone, thermal analysis of the drilling process using the finite element method was carried out. It was found that higher temperatures in the bone are observed for drilling with the use of the drill of point angle equal to 120°, as in the experimental study. For the tools of such edge geometry the wear of cutting edge is more intensive and the generated temperature in femur for the wear land VBB = 0.32 mm has reached the critical value associated with the process of thermal necrosis.
13
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Techniki modyfikacji powierzchni odgrywają zasadniczą rolę w kształtowaniu finalnych własności fizykochemicznych i biokompatybilności implantów ze stopów tytanowych. Jakość warstwy powierzchniowej decyduje o przenikaniu jonów metalowych do płynów ustrojowych oraz środowiska tkankowego. Celem pracy były badania nad wpływem sposobu i warunków obróbki powierzchni stopu Ti-6Al-4V ELI na własności fizykochemiczne pod kątem przydatności do zastosowań implantacyjnych.
EN
The surface modifications techniques are playing fundamental role in forming of the final physicochemical properties and biocompability of implants made of titanium alloys. The quality of surface layer is determining the influence of metallic ions to physiological solution and tissue environment. The aim of work was to study the influence of method and conditions of surface treatment of Ti-6Al-4V ELI alloy for physicochemical properties for the usefulness in implantation applications.
14
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu wstępnego przygotowania powierzchni na topografię i grubość warstw pasywnych wytworzonych na powierzchni stopu Ti6Al4V. Wstępne przygotowanie powierzchni obejmowało kombinację zabiegów obróbki mechanicznej oraz elektrochemicznej. Utlenianie anodowe przeprowadzono przy zróżnicowanych wartościach potencjału. Wykorzystując w badaniach: elipsometrię, BRDF, kulę całkującą oraz profilometr optyczny, wyznaczono dla badanych warstw pasywnych: grubość, chropowatość, długość autokorelacyjną.
EN
The paper presents results of the influence of preliminary surface preparation on the topography and thickness of the passive layer formed on the surface of Ti6Al4V alloy. Pre-treatment of surface treatments include combination of mechanical and electrochemical processes. Anodic oxidation was carried out at various values of potential. Thickness, roughness and autocorrelation length of the analyzed layers were tested by means of the following methods: ellipsometry, BRDF, ball integrator and an optical profilometer.
15
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu wstępnego przygotowania powierzchni na odporność korozyjną stopu Ti6A/4V po zabiegu anodyzacji. Wstępne przygotowanie powierzchni obejmowało kombinację zabiegów: obróbki wibracyjnej, polerowania mechanicznego, piaskowania i polerowania elektrolitycznego. W celu określenia odporności korozyjnej stopu przeprowadzono badania potencjodynamiczne, wyznaczono stężenia jonów metalicznych przenikających do roztworu Ringera oraz dokonano obserwacji mikroskopowych powierzchni próbek.
EN
The paper presents results of initial surface treatment on corrosion resistance of Ti6AI4VELI alloy after anodizing process. The initial surface treatment consisted of the following processes: shot peening, mechanical polishing, sandblasting and electropolishing. In order to determine corrosion resistance of the alloy the following studies were carried out: potentiodynamic tests, concentration of released metallic ions as well as microscopic observations of sampies' surfaces.
16
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Przedstawione wyniki badań stanowiń próbą określenia wpływu wybranych, wstępnych zabiegów obróbki powierzchniowej na finalne własności anodyzowanego stopu Ti6Al4V ELI. Wstępne przygotowanie powierzchni obejmowało kombinację następujących obróbek szlifowania, polerowania mechanicznego, piaskowania i polerowania elektrolityczne. Do oceny własności elektrochemicznych zmodyfikowanego powierzchniowo stopu wykorzystano elektrochemiczne metody oceny odporności korozyjnej oraz elektrochemiczną spektroskopię impedancyjną (EIS).
EN
The presented work is an attempt to determine the influence of selected surface pretreatment on final properties of anodized Ti6Al4V ELI alloy. The pretreatment consisted of grinding, mechanical polishing, sandblasting and electropolishing. In order to determine electrochemical properties of the modified alloy, electrochemical methods of corrosion testing as well as electrochemical impedance spectroscopy were applied.
17
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Chemical shifts in Auger electron spectra versus Ar+ ion sputtering time were analysed for various passivated interfaces, including SiO2(100 nm)/Si, SiO2(40 nm)/4H-SiC structures and native oxide/austenitic stainless steel 316LVM. On this basis, in-depth profiles of chemical composition were determined and the thickness of passivation nanofilms was estimated. Quantitative numerical analysis was performed by means of a developed computer procedure for both the AES spectrum background subtraction and peak decomposition with pseudo-Voigt functions using evolutionary algorithms.
18
Dostęp do pełnego tekstu na zewnętrznej witrynie WWW
Purpose: The main aim of the research was the investigation of microstructure and corrosion resistance of the nanostructured CrAlSiN, CrAlSiN+DLC, CrN coatings deposited by cathodic arc evaporation method onto hot work tool steel substrate. Design/methodology/approach: Observations of surface and microstructure of the deposited coatings were carried out on cross sections in the SUPRA 35 scanning electron microscope. Diffraction and thin film microstructure were tested with the use of the JEOL JEM 3010UHR transmission electron microscope. X-ray study for the analyzed coatings was carried out using X'Pert PRO system. A phase identification of the investigated coatings was carried out in Bragg-Brentano geometry (XRD), and in grazing incidence geometry (GIXRD). Investigation of the electrochemical corrosion behaviour of the samples done in a PGP 201 Potentiostat/Galvanostat, using a conventional three-electrode cell. To simulate the aggressive media, 1-M HCl solution was used under aerated conditions and room temperature. Findings: It was found that the microstructure of the PVD coatings consisted of fine nanocrystallites, of an average size of 8 nm -13 nm, depending on the coating type. The morphology of the coatings fracture is characteristic of a dense microstructure. Basing on the GIXRD pattern of the investigated coatings, only fcc phases was encountered. The tests carried out with the use of a GDOS technique indicate the occurrence of a transition zone between the substrate material and the coating. Deposition of the PVD coatings increases the hardness of the tool steel surface up to 22-40 GPa. The CrN coated sample showed the best corrosion resistance. Practical implications: In order to evaluate with more detail the possibility of applying these nanocomposite coatings for protection of tool steels, further investigations should be undertaken in order to determine the thermal fatigue resistance of the coatings. The very good mechanical properties of the nanocomposite coatings make them potentially suitable for industrial applications. Originality/value: The results of the investigation provide useful information on microstructure and protective properties of the nanocomposite coatings on hot work tool steels.
Przedstawione w pracy wyniki badań stanowią próbę określenia wpływu wybranych, wstępnych zabiegów obróbki powierzchniowej na finalną biokompatybilność utlenianego anodowo stopu Ti6Al4V ELI. Proces utleniania anodowego poprzedzono kombinacją zabiegów modyfikacji powierzchni obejmującej szlifowanie, obróbkę wibracyjną i polerowanie elektrolityczne. Końcowym zabiegiem modyfikacji powierzchni była sterylizacja parowa. Zakres badań obejmował: pomiary chropowatości powierzchni, badania odporności na korozję szczelinową i wżerową w roztworze Ringera, określenie stężeń jonów pierwiastków metalicznych, które przeniknęły do roztworu po 28 dniach oraz obserwacje mikroskopowe powierzchni próbek. Wyniki przeprowadzonych badań wykazały istotny wpływ sposobu wstępnego, poprzedzającego proces anodyzacji, przygotowania powierzchni stopu. Wstępne przygotowanie powierzchni do anodyzacji jako proces wieloetapowy nie może być rozumiane wyłącznie jako pojedynczy zabieg bezpośrednio poprzedzający utlenianie anodowe. Wpływ na odporność korozyjną stopu mają bowiem wszystkie wcześniejsze zabiegi modyfikacji powierzchni poprzedzające proces anodyzacji.
EN
Results presented in the paper are an attempt of defining the influence of selected preliminary treatments of surface on the final biocompatibility of anodized Ti6Al4V ELI alloy. The anodization process was preceded by combination of different surface modification treatments including grinding, vibration machining and electropolishing. Steam sterilization was the final surface modification treatment. Range of research included: surface roughness tests, crevice and pitting corrosion investigations in Ringer's solution, determination of concentration of metallic elements which penetrated to the solution after 28 days exposition and microscopic observations of the specimens surface. The results of research have shown significant influence of preliminary methods of surface preparing which precede anodization. Preliminary preparing of the surface to anodization, as a multistage process, can not be understood solely as a single treatment which directly preceded anodization process. In fact, all the earlier treatments of surface modification before anodization have influence on corrosion resistance.