Химия и химические технологии / 5. 

 

К.т.н. Родионов И.В.

Саратовский государственный технический университет

 

Структурно-химические характеристики оксидных биопокрытий остеофиксаторов, катодно-модифицированных лантаном

 

Чрескостные остеофиксаторы являются основными биотехническими элементами аппаратов внешнего остеосинтеза, широко применяемых в травматологии и ортопедии при лечении различных костных патологий опорно-двигательного аппарата. С помощью остеофиксаторов, наиболее часто изготовляемых из нержавеющей стали 12Х18Н9Т, осуществляется необходимое взаимное расположение костных отломков для правильного сращения перелома.

При функционировании в организме стальные фиксаторы испытывают большие механические нагрузки от костной ткани и подвергаются интенсивному воздействию жидких биосред. Это часто приводит к расшатыванию и коррозионному разрушению фиксаторов с появлением воспалительных реакций тканей. Поэтому, на стальной поверхности создают специальное оксидное биопокрытие, обеспечивающее остеоинтеграцию, высокий уровень адаптации и надежность функционирования фиксаторов в биоструктурах [1, 2].

Для улучшения приживляемости оксидированных чрескостных фиксаторов их поверхности придают антисептические свойства, позволяющие сократить длительность протекания естественных иммунных процессов в тканях на ранних стадиях приживления, минимизировать возникновение аллергических и воспалительных реакций организма в отдаленный период имплантации, а также обеспечить наилучшие условия для остеоинтеграции и надежного закрепления фиксаторов [3]. Указанные антисептические свойства могут создаваться путем внедрения лантана с природным противовоспалительным действием в поверхностно-пористое оксидное покрытие. Для этого может быть использован метод катодного внедрения, позволяющий модифицировать оксидированные металлы многими редкоземельными химическими элементами, в том числе лантаном [4-8].

В связи с этим целью работы является определение условий катодной модификации лантаном оксидных биопокрытий стальных остеофиксаторов и установление структурно-химических характеристик модифицированной поверхности.

Методика. Образцы выполнялись из биотолерантной нержавеющей стали 12Х18Н9Т в виде квадратных пластин. Поверхность образцов подвергалась предварительной подготовке путем пескоструйной обработки для создания исходной, выраженной шероховатости. Оксидное биопокрытие формировалось воздушно-термическим оксидированием стальных образцов при температуре 5000С и продолжительности 0,5 ч в лабораторной электропечи сопротивления. Затем путем электрохимической катодной модификации в термооксидное покрытие внедрялся лантан для создания антисептических свойств поверхности.

Процесс катодной обработки осуществлялся в растворе, содержащем 0,5 М салицилата лантана ((С7Н5О3)3La) в диметилформамиде (ДМФ), который является хорошим растворителем как органических, так и неорганических солей, обеспечивая лучшее растворение салицилатов в сравнении с водой. При этом модификация проводилась в гальваностатических условиях при значениях катодной плотности тока i=0,2-0,4 мА/см2, температуры электролита t=250С и продолжительности τ=0,5 ч.

Определение структурно-химических характеристик модифицированных биопокрытий, включающих элементный состав и морфологию поверхности, осуществлялось методами лазерного микроспектрального анализа и оптической микроскопии.

Результаты исследования. Наличие лантана как элемента с антисептическими свойствами в составе термооксидного покрытия было определено с помощью лазерного микроанализа по спектральным линиям с λ=3337,49Å (рис. 1). Причем на всех исследуемых участках покрытия лантан присутствует примерно в одинаковых микроколичествах, о чем свидетельствует приблизительно равная интенсивность спектральных линий со средним значением 1936 отн.ед. Это обусловлено, в первую очередь, электрохимической стабильностью процесса катодной модификации, а также высокой равномерностью поверхностного распределения открытых пор покрытия, в которые осаждаются микрочастицы лантана. В результате происходит характерное локальное модифицирование пористой поверхности металлооксидов, что и объясняет близкий уровень содержания лантана на различных участках покрытия.

 

 

 

        

 

 

 

 

Рис. 1. Спектрограммы 4-х участков термооксидного покрытия стали 12Х18Н9Т, катодно-модифицированного лантаном (белым атласом обозначены спектральные линии La с различной интенсивностью в отн. ед., остальные линии принадлежат элементам стали – Fe, Cr, Ni, Ti)

 

С учетом малых размеров пор проникновение в них металлического лантана приводит к образованию весьма малого количества локальных «островковых» агломератов микрочастиц, соответствующего содержанию лантана в модифицированном покрытии как микроэлемента. Данные условия внедрения лантана в микроколичествах характеризуются механизмом катодного процесса обработки, обусловливающим протекание поляризационных явлений на участках покрытия с наименьшими значениями толщины и электрического сопротивления оксидов. Такими участками в большинстве случаев являются донные части открытых пор, где и происходит поверхностная локализация лантана, а также соответствующее изменение химического состава покрытия. 

Образование отдельных микровключений лантана в катодно-модифи-цированном покрытии не изменяет существенным образом его исходные поверхностно-структурные параметры. Данные оптической микроскопии свидетельствуют о незначительном изменении морфологии покрытия, связанном с наличием на поверхности распределенных микроучастков внедренного лантана (рис. 2).

 

 

 

 


  х200

 

 

 

 

 

 

  х300

 

 

 

                                    а                                                             б

Рис. 2. Поверхность термооксидного покрытия стали 12Х18Н9Т, модифицированная лантаном при τ=0,5 ч и различной катодной плотности тока    i, мА/см2: а – 0,2, б – 0,4 (темные поля – участки внедрения La)

 

         Как видно из рис. 2, микрочастицы лантана не покрывают всю поверхность покрытия, а присутствуют на ней только в виде отдельных участков, ограниченных порами и распределены преимущественно в соответствии с расположением этих пор. Очевидно, что модифицированные лантаном покрытия не снижают высокого уровня показателей исходной морфологической гетерогенности и не утрачивают свою остеоинтеграционную способность. Вместе с тем, наличие микроколичеств лантана придает термооксидному биопокрытию антисептические свойства, способствующие ускоренному приживлению и эффективному функционированию остеофиксаторов в организме.

Литература

 

1. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Влияние температуры воздушно-термического оксидирования стальных остеофиксаторов на физико-химические параметры получаемых оксидных биопокрытий / Матер. Всеросс. науч.-практич. конф. «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 92-97.

2. Родионов И.В., Бутовский К.Г. Получение биосовместимых морфологически гетерогенных покрытий на стальных остеофиксаторах воздушно-термическим оксидированием / Матер. Всеросс. науч.-практич. конф. «Новые технологии создания и применения биокерамики в восстановительной медицине». Томск: Изд-во ТПУ, 2007. С. 103-108.

3. Родионов И.В., Гоц И.Ю., Попова С.С., Серянов Ю.В. Катодное внедрение лантана в термооксидные биопокрытия стальных остеофиксаторов для создания их тромборезистентности / Сборник науч. статей Всеросс. конф. «Актуальные проблемы электрохимической технологии». Саратов: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2008. С. 207-210.

4. Щербинина О.Н., Гусев А.В., Попова С.С. Катодное внедрение кальция и иттрия в оксидированную медь / Современные электрохимические технологии: Тез. докл. научн.-техн. конф. – Екатеринбург, 1993. – С. 11-12.

5. Попова С.С., Крылова Г.А., Щербинина О.Н., Васильева Г.Н. Процессы формообразования на алюминиевом электроде в растворах редкоземельных элементов / Анодный оксид алюминия: Матер. междунар. научн.-техн. конф. «Интеранод-93». – Казань, 1993. С. 76-77.

6. Попова С.С., Щербинина О.Н. Исследование возможности получения сверхпроводящих материалов методом электрохимического внедрения элементов в твердые электроды /  Тр. междунар. научн.-техн. конф. CPF 94 «Актуальные проблемы фундаментальных наук». Симпозиум 5 «Промышленные технологии в современной техносфере». – М.: Техносфера-Информ, 1994. С. 65-67.

7. Щербинина О.Н., Попова С.С. Влияние условий формирования слоя сплава Fe-Cu на кинетику катодного внедрения иттрия / Поддержание и восстановление работоспособности транспортных средств: Тез. докл. междунар. научн.-техн. конф. – Саратов, 1995. С. 41-43.

8. Щербинина О.Н., Попова С.С. Влияние температуры на свойства купратов системы Ca-Y-Cu-O, формируемых из неводных растворов по методу катодного внедрения / Современные электрохимические технологии СЭХТ, 96: Тез. докл. юбил. научн.-техн. конф. – Саратов, 1996. С. 87.