„Modyfikacja warstwy wierzchniej nanokrystalicznych stopów tytanu

„Modyfikacja warstwy wierzchniej nanokrystalicznych stopów
tytanu do zastosowań na implanty”
Grzegorz Adamek
Stypendysta projektu pt. „Wsparcie stypendialne dla doktorantów na kierunkach uznanych za
strategiczne z punktu widzenia rozwoju Wielkopolski”, Poddziałanie 8.2.2 Programu
Operacyjnego Kapitał Ludzki
Biomateriały to substancje, które stanowią substytut żywych tkanek. Jedną z
większych grup biomateriałów są te przeznaczone na implanty tkanek twardych. Schorzenia
układu
mięśniowo-szkieletowego
są
najbardziej
rozpowszechnionymi
problemami
zdrowotnymi społeczeństwa. W ostatnich latach znacznie wzrosła liczba zabiegów
wszczepienia endoprotez stawu biodrowego i kolanowego, a także zabiegów rewizji. Wzrasta
również popyt na implanty dentystyczne. Światowym trendem jest rozwój implantów
długoterminowych łączonych z kością w tzw. sposób bezcementowy (bardziej skuteczny niż
przy użyciu cementów kostnych).
Obiektem badań w mojej pracy doktorskiej jest warstwa wierzchnia wytworzona na
nanokrystalicznych stopach tytanu: Ti-6Al-4V, Ti-15Zr-4Nb i Ti-6Zr-4Nb.
Tytan i jego stopy ze względu na wysoką wytrzymałość właściwą, niski moduł
sprężystości, dobrą odporność korozyjną i biozgodność stanowią grupę najlepszych
biomateriałów metalicznych stosowanych na implanty stawowe i dentystyczne. Na
szczególną uwagę zasługują stopy tytanu z pierwiastkami takimi jak cyrkon, niob czy tantal.
Stanowią one grupę stopów nowej generacji o szerokim zainteresowaniu specjalistów z
inżynierii materiałowej na całym świecie. W praktyce, w dalszym ciągu mimo dobrze znanych
wad, często stosowany jest stop Ti-6Al-4V.
Największy
postęp
w
tematyce
biomateriałów
dokonuje
się
za
sprawą
nanotechnologii i inżynierii powierzchni. Poprzez zmniejszenie wielkości ziarna do rozmiarów
właściwych dla nanomateriałów można wytworzyć nowe materiały o zmienionych
właściwościach nieosiągalnych dla materiałów mikrokrystalicznych o takim samym składzie
chemicznym.
Wszystkie badane w pracy stopy wytworzyłem za pomocą procesu mechanicznej
syntezy
i
metalurgii
proszków
–
niekonwencjonalnej
technologii
wytwarzania
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
nanomateriałów.
Otrzymane
materiały
poddałem
trawieniu
elektrochemicznemu
w
elektrolitach na bazie kwasu fosforowego i fluorowodorowego. Skutkuje to wytworzeniem
warstwy porowatej o szerokim zakresie wielkości porów (od kilku nanometrów do ok. 70
mikrometrów). Rozwinięcie powierzchni, zarówno w mikro- i nanoskali, stanowi istotny
czynnik stymulujący komórki kostne do tworzenia nowej tkanki. Bardzo ważny, w przypadku
implantów, jest również skład chemiczny powierzchni. Dobre efekty daje pokrywanie
implantów powłokami fosforanowo-wapniowymi. Obecność ceramiki Ca-P na powierzchni
sprzyja procesowi trwałego łączenia implantu z kością. Istnieje potrzeba opracowania
technologii, która pozwoli na taką modyfikację powierzchni w stosunkowo prosty i
ekonomiczny sposób. Perspektywiczne wydaje się zastosowanie metod elektrochemicznej
obróbki stopów tytanu z grupy materiałów nanokrystalicznych. Warstwę bioaktywną
naniesiono za pomocą procesu elektrochemicznego osadzania z roztworu zawierającego
jony wapnia i fosforu. Otrzymane powłoki zbudowane są z dwóch faz: hydroksyapatytu (HA) i
dwuortofosforanu trójwapnia (TCP). Obecność zarówno HA i TCP może wskazywać, że jest
to tworzywo kompozytowe o perspektywicznym znaczeniu dla medycyny. W pracy
przeprowadziłem szereg badań m.in: strukturalne z użyciem mikroskopów elektronowych,
badania odporności korozyjnej a także badania biozgodności in vitro. Opracowane
dotychczas nowe materiały wydają się być dobrymi kandydatami na tworzywa implantów
tkanek twardych.
Analiza obowiązujących teorii i modeli polityki innowacyjnej oraz specyfiki
Wielkopolski jako regionu zakłada między innymi konieczność rozwijania innowacji
związanych z poprawą jakości życia. Wzrost poziomu i średniej długości życia oraz
konieczność poprawy jego warunków w pewnej części odbywać się może poprzez
wprowadzenie do organizmu implantów. Dla inżynierii materiałowej oznacza to konieczność
postępu w takich dziedzinach jak nanotechnologie i nanomateriały. Moja praca doktorska, w
której opracowuję nowe nanomateriały na implanty, stanowić będzie podstawę wiedzy o
technologii ich wytwarzania. Uważam, że wpisuje się ona w założenia Regionalnej Strategii
Innowacji.
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego
Układ do elektrochemicznych badan odporności korozyjnej materiałów przeznaczonych na
implanty – komora korozyjna EG&G umieszczona na mieszadle magnetycznym z płytą
grzejną. Aparatura znajduje się w Centrum Mechatroniki, Biomechaniki i Nanoinżynierii
Politechniki Poznańskiej. (fot. G. Adamek)
Praca doktorska współfinansowana ze środków Unii Europejskiej w ramach
Europejskiego Funduszu Społecznego