streszczenie rozprawy doktorskiej

Streszczenie
Protezoplastyka jest zabiegiem rekonstrukcji stawu biodrowego z użyciem wszczepu
ortopedycznego, pozwalającego na przywrócenie funkcji stawu biodrowego z zachowaniem
jego pełnej mobilności. Powszechnie używane w ortopedii są wszczepy metalowe na osnowie
tytanu.
W pracy przedstawiono wyniki badań powierzchni nowych opracowanych
biomateriałów na bazie stopu tytanu typu Ti15Mo5Zr2Fe – x wag. % bioszkło. Obiektem
badań były próbki pozyskane z trzpienia powszechnie stosowanej bezcementowej
endoprotezy stawu biodrowego. Analizie poddano topografię powierzchni, chropowatość,
skład chemiczny
i odporność korozyjną w roztworze Ringera. Oceniana była również
morfologia komórek ludzkich osteoblastów za pomocą przeprowadzonych testów
cytotoksyczności.
Podłożem protezy jest 2-fazowy stop na bazie tytanu typu Ti6Al4V, którego fragment
warstwy wierzchniej został pokryty bioaktywną powłoką zbudowaną z natryskanego
plazmowo tytanu oraz naniesionego metodą elektrochemiczną apatytu. Materiał badawczy
stanowiły lite próbki w postaci wyciętych krążków ze stosowanego w praktyce wszczepu
endoprotezy typu Ti6Al4V oraz materiał otrzymany w pracy typu Ti15Mo5Zr2Fe.
Celem badań była niezależna ocena naniesionej powłoki oraz podłoża protezy.
Jak wykazano w niniejszej pracy naniesiona powłoka jest porowata i niejednorodna pod
względem grubości i składu chemicznego. Analiza EDS składu chemicznego powłoki
trzpienia bezcementowej endoprotezy stawu biodrowego wykazuje, że stosunek jonów Ca:P
wynosi 0,013. Nie otrzymano hydroksyapatytu, dla którego wartość Ca:P równa się 1,67.
Niezależnie w pracy doktorskiej zaprojektowano nowy stop na bazie tytanu typu β
(Ti15Mo5Zr2Fe), oraz nanokompozyty Ti15Mo5Zr2Fe – x wag. % bioszkło i zbadano wpływ
składu chemicznego, mikrostruktury na właściwości mechaniczne, korozyjne i biologiczne.
Zastosowano technologię mechanicznej
syntezy i
konsolidacji
proszków do
wytworzenia nanokompozytów typu Ti15Mo5Zr2Fe – x wag. % bioszkło.
Proces mechanicznej syntezy umożliwia syntezę materiałów o składach fazowych
nieosiągalnych metodami tradycyjnymi i otrzymanie materiałów o nanokrystalicznej
wielkości ziaren. Otrzymane nanokompozyty charakteryzują się większą twardością w
porównaniu do mikrokrystalicznego stopu Ti6Al4V (badany trzpień bezcementowy).
Dla nanokompozytów Ti15Mo5Zr2Fe – 5 wag. % bioszkło zaobserwowano spadek
wartości modułu sprężystości w porównaniu z modułem sprężystości uzyskanym dla
mikrokrystalicznego stopu Ti6Al4V.
Badania korozyjne dowiodły, że modyfikacja warstwy wierzchniej nanokompozytu
Ti15Mo5Zr2Fe – 5 wag. % bioszkło metodami trawienia anodowego oraz katodowego
osadzania hydroksyapatytu znacznie poprawia jego odporność korozyjną.
Prąd korozyjny wyznaczony dla nanokompozytów z hydroksyapatytem jest trzy rzędy
wartości mniejszy w porównaniu z mikrokrystalicznym tytanem.
Wprowadzenie do struktury Ti15Mo5Zr2Fe – 5 wag. % bioszkło hydroksyapatytu ma
pozytywny wpływ na tworzenie się tkanki kostnej oraz wpływa na zwiększenie udziału
komórek na powierzchni nanokompozytów.
Opracowana metodyka pozwoliła zsyntetyzować biomateriały, które mogą w przyszłości
zostać wykorzystane do produkcji elementów endoprotez stawowych. Rozwój nowych
biomateriałów zapewnia wzrost biokompatybilności, biotolerancji, odporności korozyjnej
i zgodności biologicznej. Wymienione czynniki mogą przyczynić się do poprawy komfortu
życia pacjenta. Wstępne badania właściwości mechanicznych otrzymanych nanokompozytów
Ti15Mo5Zr2Fe – x wag. % bioszkło wykazały, że właściwości te można w pewnym zakresie
zmieniać tak, by zbliżyć się do właściwości mechanicznych kości.
Summary
Total hip replacement is a surgical procedure that needs orthopaedic implants. Total hip
replacement
gives possibility to restore limb function with a proper range of motion.
Commonly used orthopaedic implants are made from titanium alloys.
The research presents the results of titanium alloy biomaterial surface modifications
Ti15Mo5Zr2Fe-x wt % bioglass. The object of the studies were samples obtained from the
uncemented femoral stem.
The following were analysed: topography of the surface, roughness, chemical composition
and corrosion resistance in Ringer solution and the morphology of the human osteoblast cells
with the use of cytotoxicity tests. The basis of the femoral stem is a two-phase titanium-based
alloy, type Ti6AI4V, a section of which surface was covered with a bioactive layer composed
of plasma sprain titanium and electrochemically deposited – apatite.
As for the experimental materials there were solid samples used in the form of discs and
cut from used in practice femoral stem Ti6AI4V and also the material obtained from work
typed Ti15Mo5Zr2Fe.
The aim of the study was to evaluate independently the applied layer and the prosthesis base.
As presented in this study, the applied layer is porous and inhomogeneous regarding
thickness and chemical composition. EDS analysis of the chemical composition of the
uncemented femoral stem surface shows that the ratio of Ca:P is 0,013. No hydroxyapatite
was obtained for which value of Ca:P equals 1,67.
Irrespective of work a new titanium – based alloy type β (Ti15Mo5Zr2Fe) was designed
along with nanocomposites Ti15Mo5Zr2Fe - x w. % bioglass. Furthermore, chemical
composition influence, microstructure and mechanical, corrosive and biological properties
were examined.
The process of mechanical synthesis allows the synthesis of materials, which phase
systems are unattainable with the use of traditional methods, and obtaining the grain size
nanocrystalline materials. The received nanocomposites are characterised with greater
hardness in comparison to microcrystalline alloy Ti6AI4V (examined implant).
For nanocomposites Ti15Mo5Zr2Fe - 5 wt. % bioglass there is a decrease in the value of
the resilience module in comparison to resilience module obtained for the microcrystalline
alloy Ti6AI4V.
Corrosive researches proved that the modification of the surface layer of the nanocomposite
Ti15Mo5Zr2Fe - 5 wt. % bioglass with the use of digestion anode methods and cathode
precipitation of hydroxyapatite improve significantly its corrosion resistance. Corrosive
current established for nanocomposites with hydroxyapatite is three orders lower than with
microcrystalline titanium.
Introduction of hydroxyapatite to the structure of Ti15Mo5Zr2Fe - 5 wt. % bioglass has a
positive influence on the bone tissue formation and it increases the share of cells on the
nanocomposites surface.
The developed methodology allowed to synthesize biomaterials, which may be used in the
future for the production of joint endoprostheses. The advance of new biomaterials provides
the increase of biocompatibility, biotoleration, corrosion resistance and biocompatibility. The
above mentioned factors can contribute to improving the quality of the life of the patient.
Preliminary tests of mechanical properties of the nanocomposites Ti15Mo5Zr2Fe - x weights
% bioglass showed that these properties can be changed to a certain extend so as to get closer
to the bone mechanical properties.