Химия и химические технологии / 5. 

 

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

 

Влияние технологии анодирования титановых

остеофиксаторов на адгезию оксидных биопокрытий

 

Введение 

При лечении переломов и деформаций костей опорно-двигательного аппарата человека наибольшую эффективность обеспечивает применение метода чрескостного остеосинтеза [1-3]. Он предусматривает проведение через костные сегменты (фрагменты) фиксаторов в виде гладких спиц или резьбовых стержней при закреплении их свободных концов на внешних опорах аппарата остеосинтеза. Этим обеспечивается возможность управления положением костных сегментов (фрагментов) для улучшения процессов сращения перелома и устранения деформаций. Применяемые фиксаторы должны обладать необходимой биомеханической совместимостью, чтобы воспринимать функциональные нагрузки, а также воздействие биожидкостей костных и мягких тканей. Из числа таких материалов для изготовления часто используемых стержневых фиксаторов применяются титановые сплавы ВТ-6, ВТ-16, имеющие биоинертные свойства.

Для обеспечения надежного закрепления остеофиксаторов в костных структурах на поверхности титана создается биоинтеграционное оксидное покрытие, стимулирующее прорастание костных клеток в имеющиеся микронеровности и образование прочной биотехнической системы «покрытие фиксатора – кость». Указанное покрытие формируется на остеофиксаторах путем их анодирования в сернокислых электролитах. При этом покрытие характеризуется комплексом параметров биомеханической совместимости, включающим высокие показатели шероховатости и морфологической гетерогенности поверхности, благоприятный фазовый состав из биоинертных оксидов титана, а также повышенную коррозионную стойкость к действию биосреды [4-6]. Кроме того, важным параметром, определяющим эффективность функционирования фиксаторов в организме, является адгезионная прочность оксидного покрытия к титану, так как фиксатор испытывает воздействие не только жидких биосред, но и значительных механических нагрузок [7]. Величина адгезии должна исключить опасность отслаивания покрытия при функционировании фиксатора, поэтому она учитывается по отношению к величине наибольшей прочности костной ткани и требованию полуторакратного запаса прочности. Для чрескостных остеофиксаторов адгезия покрытия должна составлять примерно 26-30 МПа, что позволяет обеспечить высокую физико-механическую взаимосвязь в системе «фиксатор– покрытие» и создать условия для эффективного функционирования фиксатора в окружающих биотканях.

В связи с этим целью работы являлось определение влияния технологических условий сернокислотного анодирования титановых остеофиксаторов на адгезионную прочность получаемых оксидных биопокрытий.

Методика. Образцы представляли пластины из титанового сплава ВТ-16, поверхность которых подвергалась предварительной пескоструйной обработке и последующему анодированию в сернокислых электролитах следующего состава и концентрации в дистиллированной воде: электролит №1 – 200 г/л Н2SO4, электролит №2 – 200 г/л Н2SO4 + 50 г/л  CuSO4 · 5 Н2О.  Электрохимическая обработка осуществлялась при значениях анодной плотности тока i=5-50 мА/см2, продолжительности обработки τ=15-55 мин и температуры электролита t =250С. Оборудованием для анодирования служила стандартная двухэлектродная термостатируемая ячейка с полым кольцевым титановым противоэлектродом.

Адгезия полученных покрытий исследовалась методом нормального отрыва с помощью разрывной машины ИР-5046-5 [8]. Для этого были  изготовлены  два пуансона, площадь  оснований которых составляла S1= S2 = 490,6 мм2. Данные пуансоны с помощью клея на основе эпоксидной смолы ЭД-20 приклеивались к двум сторонам образца с покрытием. После того, как смола полностью застывала, примерно через сутки, пуансоны закреплялись в губках разрывной машины, с помощью которой производилось растяжение (рис. 1).

Рис. 1. Схема

определения адгезии покрытия к основе образца:

1 – пуансоны; 2 – образец с покрытием

 
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


С помощью цифрового аналогового устройства разрывной машины фиксировалось усилие Р, при котором происходил отрыв пуансона от образца. Затем устанавливалось  место  на  образце,  по которому происходил разрыв: между пуансоном и покрытием, по толщине покрытия, либо между покрытием и металлической основой образца.

Напряжение отрыва определялось по соотношению:

σ = Р/S, МПа.

Результаты и их анализ. Исследование зависимости адгезии оксидных покрытий пластинчатых титановых образцов от продолжительности электролиза τ и анодной плотности тока i, показало, что величина адгезии монотонно уменьшается при повышении продолжительности обработки и увеличивается с возрастанием плотности тока, при этом такая закономерность изменения адгезии характерна для покрытий, полученных в обоих сернокислых электролитах (рис. 2, 3).

Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением продолжительности анодирования титана с 15 до 45 мин при плотности тока 30 мА/см2 и температуре электролита 250С происходит уменьшение величины адгезии с 26 до 11 МПа, что обусловлено повышенной толщиной получаемых покрытий, сопровождаемой их высокой структурной неоднородностью и низкой механической прочностью (рис. 2).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2. Зависимость адгезии оксидных покрытий от продолжительности τ анодирования титана при i=30 мА/см2 и t=250С в различных электролитах

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 3. Зависимость адгезии оксидных покрытий от анодной плотности тока i при обработке титана в различных электролитах с τ=20 мин и t=250С

При снижении продолжительности обработки до 20 мин и возрастании анодной плотности тока до 50 мА/см2 формируется оксидное покрытие с высокой структурной плотностью и хорошей поверхностной гетерогенностью, что говорит о необходимом качестве биопокрытия. Величина адгезии при этом составляет 29 МПа, характеризует требуемый уровень прочности сцепления покрытия с основой остеофиксатора при достаточной для эффективной биоинтеграции толщине оксидного слоя (рис. 3).

Таким образом, рассмотренные закономерности изменения адгезии анодно-оксидных покрытий чрескостных титановых фиксаторов в зависимости от условий электрохимической обработки позволяют определить наилучшие технологические режимы для формирования биопокрытий с высокой адгезионной прочностью. Так, при сернокислотном анодировании со значениями параметров i=50 мА/см2, τ=20 мин и t=250С создаются поверхностные титанооксидные слои остеофиксаторов с максимальной величиной адгезии.

 

Литература

 

1. Бейдик О.В., Бутовский К.Г., Островский Н.В., Лясников В.Н. Моделирование наружного чрескостного остеосинтеза. – Саратов: Изд-во СГМУ, 2002. – 198 с.

2. Сакалла Х.М.Ф., Левченко К.К. Коррекция варусной деформации коленного сустава у взрослых с помощью метода чрескостного остеосинтеза / Аспирантские чтения. Вып.1. Материалы межрегион. конф. посвящ. 150 летию В.И. Разумовского. Саратов: Изд-во Сарат. мед. ун-та, 2007. С. 198.

3. Афанасьев Д.В., Левченко К.К. Стержневой и спице-стержневой чрескостный остеосинтез в лечении деформаций проксимального отдела бедра / Аспирантские чтения. Вып.1. Материалы межрегион. конф. посвящ. 150 летию В.И. Разумовского. Саратов: Изд-во Сарат. мед. ун-та, 2007. С. 193.

4. Родионов И.В., Серянов Ю.В. Применение технологии анодного оксидирования при создании биосовместимых покрытий на дентальных имплантатах // Вестник Саратовского государственного технического университета, №2 (12), 2006. С. 77-87.

5. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Функциональные свойства анодно-оксидных биосовместимых покрытий титановых дентальных имплантатов / Материалы междунар. науч. конф. «Химия, химическая технология и биотехнология на рубеже тысячелетий». Томск. Изд-во ТПУ, 2006, Т.2. С. 424-426.

6. Родионов И.В. Способ получения анодно-оксидных покрытий на титановых имплантатах с качествами биологической совместимости / Маtеriály IV Mezinárodní vĕdecko-praktická konference «Evropská vĕda XXI století – 2008». Praha, Czech. republic: Publishing House «Education and Science» s.r.o. Díl 12 (Chemie a chemická technologie). S. 18-20.

7. Бутовский К.Г., Лясникова А.В., Лепилин А.В., Лясников В.Н. Биоактивные материалы и покрытия в дентальной имплантологии. Уч. пособие. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2004. – 94 с.

8. Родионов И.В. Влияние окисления титана на свойства плазмонапыленных титан-гидроксиапатитовых и оксидных биосовместимых покрытий дентальных имплантатов: Дис. … канд. техн. наук. – Саратов., 2004. – 183 с.