ПОЛУЧЕНИЕ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ
Keywords:
кальций-фосфатные покрытия, гидроксиапатит, высокочастотное магнетронное распыление, микродуговое оксидирование, остеокондукция, хемотаксис, цитокины, титан, покрытие.Abstract
В статье представлен обзор современной литературы, касающейся вопросов разработки биосовместимых имплантов на основе современных технологий, дано определение понятиям биоактивности и биосовместимости. В обзоре кратко изложены последние достижения в области получения покрытий на основе кальций-фосфатных соединений методами микродугового окисления и магнетронного распыления. Представлены последние исследования, касающиеся вопросов разработки биосовместимых имплантов. Особый акцент сделан на технологических параметрах получения покрытий, таких как состав электролитов, напряжения и частоты импульсов, мощность плазмы, давление и др., которые в значительной мере влияют на физико-химические характеристики покрытий.
References
(1) Brunski J.B., Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E. Biomaterials Science: An Introduction to Materials in Medicine. NY.: Elsevier Inc, 2004. –137 p.
(2) Sun L., Berndt C.C., Gross K.A., Kucuk A. Material Fundamentals and Clinical Performance of plasma sprayed hydroxyapatite coatings // Biom. Mater. Res. –2001. –№ 58. –P. 570–592. https://doi.org/10.1002/jbm.1056
(3) Inagaki M., Yokogawa Y., Kameyama T. Apatite/titanium composite coatings on titanium or titanium alloy by RF plasma-spraying process // Thin Solid Films. –2001. –№ 386(2). –P. 222–226. https://doi.org/10.1016/S0040-6090(00)01654-0
(4) Zamoume O., Thibault S., Regnie G., Mecherri M.O., Fiallo M., Sharrock P. Macroporous calcium phosphate ceramic implants for sustained drug delivery // Mater. Sci. Eng. –2011. –№ 289. –P.1352 1359. https://doi.org/10.1016/j.msec.2011.04.020
(5) Яковлев В.И. Экспериментально- диагностический комплекс для исследования порошковых СВС-материалов при детонационно- газовом напылению. Автореферат дис. канд. техн. наук. –Б.: 2003. –162 С.
(6) Asri R.I.M., Harun W.S.W., Hassan M.A., Ghani S.A.C., Buyong Z. A Review of Hydroxyapatite- based Coating Techniques: Sol-gel and Electrochemical Depositions on Biocompatible Metals // Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. –2015. –№ 9. –P. 267-325.
(7) Шашкина Г. А. Получение кальций- фосфатного покрытия микродуговым методом. Структура и свойства биокомпозита на основе титана с кальций-фосфатными покрытиями. -Томск: дис.канд. техн. наук, 2006. –184 с.
(8) Назаренко Н. Н., Князева А. Г. Моделирование процессов в электролитической ванне при нанесении кальций фосфатных покрытий на тита- новую пластину микродуговым методом // Математическое моделирование. –2009. –№ 21. –С. 92-110.
(9) Суминов И. В., Микродуговое оксидирование (теория, технология, оборудование). –М.: Экомет, 2005. –368 с.
(10) Alsaran A., Purcek G., Hacisalihoglu I., Vangolu Y., Bayrak Ö., Karaman I., Hydroxyapatite production on ultrafine-grained pure titanium by micro- arc oxidation and hydrothermal treatment // Surf. Coat. Technol. –2011. –№ 205. –P. 537-542. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.03.032
(11)Твердохлебов С.И., Шестериков Е.В., Мальчихина А.И. Особенности формирования кальций-фосфатных покрытий методом ВЧ магнетронного напыления на имплантатах // Известия Томского политехнического университета. –2012. – № 320(2). –С. 73-79.
(12)Родионов И.В. Научные подходы к со- зданию биосовместимых имплантационных материалов. –С.: Изд-во Сарат. гос. техн. ун-та, 2004. –9 с.
(13)Cunningham B.W., Hu N., Zorn C.M., McAfee P.C. Bioactive titanium calcium phosphate coating for disc arthroplasty: analysis of 58 vertebral end plates after 6- to 12-month implantation // The Spine Journal. –2009. –№ 9. –P. 836-45. https://doi.org/10.1016/j.spinee.2009.04.015
(14)Rahbek O, Overgaard S, Jensen TB, Bendix K, Soballe K. Sealing effect of hydroxyapatite coating: a 12-month study in canines // Acta Orthop. Scand. – 2000. –№ 71. –P. 563-73. https://doi.org/10.1080/000164700317362181
(15) Williams D.F. Definitions in biomaterials. // Proc. Consensus Conf. Eur. Soc. Biomater., – London, 1986. P. 201.
(16) Jurgen R. and Markus B. Biocompatibility of Microsystems // Аcta of biomaterials. –2014. –№ 29. –P. 201-207.
(17) Anderson J.M. Biological responses to materials // Annu. Rev. Mater. Res. –2001. –№ 31. –P. 81- 110. https://doi.org/10.1146/annurev.matsci.31.1.81
(18) Ratner B.D, Bryant S.J Biomaterials: Where we have been and where we are going // Annu. Rev. Biomed. Eng. –2004. –№ 6. –P. 41-75. https://doi.org/10.1146/annurev.bioeng.6.040803.140027
(19) Erwin A. V. Surface Modification for Biocompatibility // Engineered Biomimicry. –2013. –№ 8. –P. 189-220. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-415995-2.00008-8
(20) Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. –Т.: СТТ, 2001. –480 c.
(21) Yamashita K., Arashi T., Kitagaki K., Yamasa S., Umegaki T. Preparation of apatite thin films through rf-sputtering from calcium phosphate glasses // Am. Ceram. Soc. –1994. –№ 77. –P. 2401- 2410. https://doi.org/10.1111/j.1151-2916.1994.tb04611.x
(22) van Dijk K., Schaeken H.G., Wolke J.G.C., Jansen J.A. Influence of annealing temperature RF magnetron sputtered calcium phosphate coatings // Biomaterials. –1996. –№ 17. –P. 405-10 https://doi.org/10.1016/0142-9612(96)89656-6
(23) Wolke J.G.C., van Dijk K., Schaeken H.G., de Groot K., Jansen J.A. Study of the surface characteristics of magnetron-sputter calcium phosphate coatings // Biomed.Mater.Res. –1994. –№ 28 –P. 1477- 1482. https://doi.org/10.1002/jbm.820281213
(24) Surmenev R. A. A review of plasma– assisted methods for calcium phosphate– based coatings fabrication // Surface & Coatings Technology. – 2012. –№ 206. –P. 2035-2056. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.11.002
(25) Pichugin V.F., Surmenev R.A., Shesterikov E.V., Ryabtseva M.A., Eshenko E.V., Tverdokhlebov S.I., Prymak O., Epple M. The preparation of calcium phosphate coatings on titanium and nickel–titanium by rf-magnetron-sputtered deposition: Composition, structure and micromechanical properties // Surface & Coatings Technology. –2008. –№ 202. –P. 3913–3920. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2008.01.038
(26) Mihaela D., Ivanova M., Surmeneva A., Brai M., Alexander I. T., Viorel B., Surmenev R. A., Alina V. Tribological behaviour of RF-magnetron sputter deposited hydroxyapatite coatings in physiological solution // Ceramics International. –2017. dx.doi.org/10.1016/j.ceramint.2017.02.106.
(27) Dos Santos E.A., Simona M., Mihaela M., Jacques F., Manuel A., Hervé P., Karine A., Jacques W. Physical–chemical and biological behavior of an amorphous calcium phosphate thin film produced by RF-magnetron sputtering // Materials Science and Engineering. –2012. –№ 32. –P. 2086-2095. https://doi.org/10.1016/j.msec.2012.05.041
(28) López E.O., André L. R., Braulio S. A., Rogelio O. O., Alexandre M., Alexandre M. R. Crystalline nano-coatings of fluorine-substituted hydroxyapatite produced by magnetron sputtering with high plasma confinement // Surface & Coatings Technology. –2015. –№ 264. –P. 163-174. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2014.12.055
(29) Surmeneva M.A., Mukhametkaliyev T.M., Tyurin A.I., Teresov A.D., Koval N.N., Pirozhkova T.S., Shuvarin I.A., Shuklinov A.V., Zhigachev A.O., Oehr C., Surmenev R.A. Effect of silicate doping on the structure and mechanical properties of thin nanostructured RF magnetron sputter–deposited hydroxyapatite films // Surface & Coatings Technology. – 2015. –№ 275. –P. 176-184. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2015.05.021
(30) Сурменева М.A., Сурменев Р.А., Хлусов И.А., Пичугин В.Ф., Конищев М.Е., Эппле М. Кальций-фосфатные покрытия, созданные методом ВЧ магнетронного распыления гидроксиапатита: остеогенный потенциал in vitro и in vivo // Известия Томского политехнического университета. –2010. –№ 317(2). –C. 101-106.
(31) Сурменев Р.А., Сурменева М.А., Евдокимов К.Е., Пичугин В.Ф., Эппле М. Зависимость свойств магнетронных Ca-P покрытий, сформированных из плазмы ВЧ-разряда, от параметров напыления // Физика и xимия обработки материалов. –2010. –№ 4. –С.57-65.
(32) Surmeneva M. A., Surmenev R. A., Pichugin V. F., Koval’ N. N., Teresov A. D., Ivanova A. A., Grubova I. Yu., Ignatov V. P., Primak O., Epple M. Adhesion properties of a silicon containing calcium phosphate coating deposited by rf magnetron sputtering on a heated substrate // Journal of surface investigation. X–ray, synchrotron and neutron techniques. –2013. –№ 7(5). –P. 944-951 https://doi.org/10.1134/S102745101305039X
(33) Surmeneva M.A., Chaikina V., Zaikovskiy V. I., Pichugin V. F., Buck V., Prymak O., Epple M., Surmenev R. A. The structure of an RF-magnetron sputter-deposited silicate-containing hydroxyapatitebased coating investigated by high-resolution techniques // Surface & Coatings Technology. –2013. –№ 218. –P. 39-46. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.12.023
(34) Pichugin V. F., Surmeneva M. A., Surmeneva R. A., Khlusov I. A., Epple M. Study of physicochemical and biological properties of calcium phosphate coatings prepared by rf magnetron sputtering of silicon substituted hydroxyapatite // Journal of surface investigation. X-ray, synchrotron and neutron techniques. –2011. –№ 5. –P. 5-13 https://doi.org/10.1134/S1027451011090138
(35) Gorodzha S. N., Surmeneva M. A., Surmenev R. A., Gribennikov M. V., Pichugin V. F., Sharonova A. A., Pustovalova A. A., Prymack O., Epple M., Wittmar A., Ulbricht M., Gogolinskii K. V., Kravchuk K. S. Wettability of thin silicate–containing hydroxyapatite films formed by rf-magnetron sputtering // Russian Physics Journal. –2014. –№ 56(10). –P. 1163-1169 https://doi.org/10.1007/s11182-014-0157-2
(36) Stan G. E., Adherent functional graded hydroxylapatite coatings produced by sputtering deposition techniques // Journal of optoelectronics and advanced materials. –2009. –№ 11(8). –P. 1132- 1138.
(37) Nelea V., Morosanu C., Bercu M., Mihailescu I.N. Interfacial titanium oxide between hydroxyapatite and TiAlFe substrate// Mater. Sci. Mater. Med. –2007. –№ 18. –P. 2347-2355. https://doi.org/10.1007/s10856-007-3135-1
(38) Wal E., Oldenburg S.J., Heij T., Denier A.W., Brongersma H.H., Wolke J.G.C., Jansen J.A., Vredenberg A.M. Adsorption and desorption of Ca and PO4 species from SBFs on RF–sputtered calcium phosphate thin films // Appl. Surf. Sci. –2006. –№ 252. P. 3843-3849. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2005.06.006
(39) Mohseni E., Zalnezhad E., Bushroa A.R. Comparative Investigation on the Adhesion of Hydroxyapatite coating on Ti-6Al-4V Implant: A Review Paper // International Journal of Adhesion & Adhesives. –2014. –№ 48. –P. 238-257. https://doi.org/10.1016/j.ijadhadh.2013.09.030
(40) Vladescua A., Padmanabhan S.C., Azem F. A., Braic M., Titorencu I., Birlik I., Morris M.A., Braic V. Mechanical properties and biocompatibilityof the sputtered Ti doped hydroxyapatite // Mechanical behavior of biomedical materials. –2016. –№ 63. –P. 314-325. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2016.06.025
(41) Ivanova A.A., Surmeneva M.A., Surmenev R.A., Depla D. Influence of deposition conditions on the composition, texture and microstructure of RF– magnetron sputter-deposited hydroxyapatite thin films // Thin Solid Films. –2015. –№591 –P.368-374. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2015.03.058
(42) Yonggang Y., Wolke J.G.C., Yubao Li, Jansen J.A. The influence of discharge power and heattreatment on calcium phosphate coatings prepared by RF magnetron sputtering deposition // Mater Sci: Mater Med. –2007. –№ 18. –P. 1061-1069. https://doi.org/10.1007/s10856-007-0119-0
(43) Иевлев В.М., Домашевская Э.П., Терехов В.А., Кашкаров В.М., Вахтель В. М., Третьяков Ю.Д., Путляев В.И., Баринов С.М., Смирнов В. В., Белоногов Е.К., Костюченко А.В. Синтез нанокристаллических пленок гидроксиапатита // Конденсированные среды и межфазные границы. –2007. –№ 9(3) –C. 209-215.
(44) Мамаев А.И., Мамаева В.А. Сильнотоковые процессы в растворах электролитов. –Н.: Издательство СО РАН, 2005. –255 с.
(45) Суминов И.В., Белкин П.Ф., Эпельфельд А.В., Людин В.Б., Крит Б.Л., Борисов А.М. Плазменно-электролитическое модифицирование поверхности металлов и сплавов / Под общей ре- дакцией И.В. Суминова. –М.: Техносфера. –Т.1. – 464 с, –Т. 2. –512 с.
(46) Гордиенко П.С., Гнеденков С.В. Микродуговое оксидирование титана и его сплавов. В.: Дальнаука, 1997. –186 с.
(47) Zhang X., Yao Z., Jiang Z., Zhang Y., Liu X. Investigation of the plasma electrolytic oxidation of Ti-6Al-4V under single-pulse power supply // Corros. Sci. –2011. –№ 53. –P. 2253-2262. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2011.03.005
(48) Hussein R.O., Nie X., Northwood D.O., Yerokhin A., Matthews A. Spectroscopic study of electrolytic plasma and discharging behaviour during the plasma electrolytic oxidation (PEO) process // Phys. – 2010. –№ 43. –P. 105203-105216. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/10/105203
(49) Sankara T.S.N., Park I.S., Lee M.H. Strategies to improve the corrosion resistance of microarc oxidation coated magnesium alloys for degradable implants: prospects and challenges // Prog. Mater. Sci.2014. –№ 60. –P. 1-71. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2013.08.002
(50) Cui W.F., Jin L., Zhou L. Surface characteristics and electrochemical corrosion behavior of a pre-anodized microarc oxidation coating on titanium alloy // Mater. Sci. Eng. –2013. –№ 33. –P. 3775-3779. https://doi.org/10.1016/j.msec.2013.05.011
(51) Wang Y.M., Guo J.W., Zhuang J.P., Jing Y.B., Shao Z.K., Jin M.S. Development and characterization of MAO bioactive ceramic coating grown on micro patterned Ti–6Al–4V alloy surface // Appl. Surf. Sci. –2014. –№ 299. –P. 58-65. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2014.01.185
(52) Wang H., Zhu R., Lu Y., Xiao G., Ma X., Li Y. Structures and properties of layered bioceramic coatings on pure titanium using a hybrid technique of sandblasting and micro–arc oxidation // Appl. Surf. Sci. –2013. –№ 282. –P. 271-280. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.05.119
(53) Wang L., Shi L., Chen J., Shi Z., Ren L., Wang Y. Biocompatibility of Si-incorporated TiO2 film prepared by micro-arc oxidation // Mater. Lett. – 2014. –№ 116 –P. 35-38. https://doi.org/10.1016/j.matlet.2013.10.059
(54) Venkateswarlu K., Rameshbabu N., Sreekanth D., Sandhyarani M., Bose A.C., Muthupandi V. Role of electrolyte chemistry on electronic and in vitro electrochemical properties of micro–arc oxidized titania films on Cp Ti // Electrochim. Acta. –2013. –№ 105. –P. 468-480.
(55) Venkateswarlu K., Rameshbabu N., Sreekanth D., Bose A.C., Muthupandi V., Subramanian S. Fabrication and characterization of micro–arc oxidized fluoride containing titania films on Cp Ti // Ceram. Int. 2013. –№ 39. –P. 801-812. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2012.07.001
(56) Мамаева А.А., Паничкин А.В., Калипекова М.А., Кенжегулов А.К., Бахытулы Н. Получение кальций-фосфатных покрытий на титановой подложке в условиях микродуговой обработки // INDUSTRY 4.0. – Cофия, 2016. –С. 116–119.
(57) Snizhko L.O., Yerokhin A.L., Pilkington A., Gurevina N.L., Misnyankin D.O., Leyland A. Anodic processes in plasma electrolytic oxidation of aluminium in alkaline solutions // Electrochim. Acta. – 2004. –№ 49. –P. 2085-2095. https://doi.org/10.1016/j.electacta.2003.11.027
(58) Quan-ming Zh., Yang H., Liu Zh., Xiaofeng G., Cheng L., De-hong F. Fabrication of hydroxyapatite on pure titanium by micro-arc oxidation coupled with microwave-hydrothermal treatment // Materials in Medicine. –2015. –№ 26 –P. 2-8. https://doi.org/10.1007/s10856-015-5429-z
(59) Герк С.А., Шаркеев Ю.П., Голованова О.А., Куляшова К.С., Комарова Е.Г., Толкачева Т.В. Получение биомиметического кальций- фосфатного покрытия на титановом сплаве ВТ1-0 микродуговым методом // Вестн. Ом. ун-та. –2015. –№. 1. –С. 41-45.
(60) Шаркеев Ю.П., Легостаева Е.В., Хлусов И.А., Куляшова К.С., Комарова Е.Г. Физико- химические и биологические свойства микродуговых кальций-фосфатных покрытий на титане и цирконии // Физика и xимия обработки материалов. –2012. –№ 2. –C. 51-64.
(61) Fan X., Feng B., Di Y., Lu X., Duan K., Wang J. Preparation of bioactive TiO2 film on porous titanium by micro-arc oxidation // Appl. Surf. Sci. – 2012. –№ 258. –C. 7584-7588. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.04.093
(62) Sakine A., Hamid R. R. and Farhad G. Microstructure and Properties of Nanostructured Calcium Phosphate/Titania Porous Coatings via Micro Arc Oxidation // Characterization and Development of Biosystems and Biomaterials. –2013. –№ 29. –P. 227-234. https://doi.org/10.1007/978-3-642-31470-4_17
(63) Wensen J., Minghua Zh., Lei J., Jian Zh., Qing G., Min R., Qingyu F. Assessment of osteoinduction using a porous hydroxyapatite coating prepared by micro–arc oxidation on a new titanium alloy // International Journal of Surgery. –2015. –№ 24. –P. 51-56. https://doi.org/10.1016/j.ijsu.2015.08.030
(64) Shimin L., Baoe L., Chunyong L., Hongshui W., Zhixia Q., Formation mechanism and adhesive strength of a hydroxyapatite/TiO2 composite coating on a titanium surface prepared by micro-arc oxidation // Article Applied Surface Science. –2016. – № 362. –P. 109-114.
Teh T.H., Berkani A., Mato S., Skeldon P.,Thompson G.E., Habazaki H. Initial stages of plasma electrolytic oxidation of titanium // Corros. Sci. 2003. –№ 45. –P. 2757-2768. https://doi.org/10.1016/S0010-938X(03)00101-X
(66) Li L., Sankara T.S.N., Kim Y.K., Kong Y., Park I.S., Bae T.S. Deposition of microarc oxidation– polycaprolactone duplex coating to improve the corrosion resistance of magnesium for biodegradable implants // Thin Solid Films. –2014. –№ 562. –P. 561- 567. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2014.04.004
(67) Lin J.C., Liu M., Ju C. Structure and properties of hydroxyapatite–bioactive glass composites plasma sprayed on Ti6Al4V // Journal of Materials Science: Materials in Medicine. –1994. –№ 5. –P. 279- 283. https://doi.org/10.1007/BF00122397
(68) Lacefield W. Hydroxyapatite coatings // Annals of the New York Academy of Sciences. –1988. –№ 523. –P. 72-80. https://doi.org/10.1111/j.1749-6632.1988.tb38501.x
