OCENA WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNYCH

Anna KRÓL, SKN Inżynierii Biomateriałów „Synergia”, Katedra Biomateriałów i Inżynierii
Wyrobów Medycznych, Politechnika Śląska, Zabrze
Witold WALKE, Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Politechnika
Śląska, Zabrze
Marcin BASIAGA, Katedra Biomateriałów i Inżynierii Wyrobów Medycznych, Politechnika
Śląska, Zabrze
Paweł KARASIŃSKI, Katedra Optoelektroniki, Politechnika Śląska, Gliwice
OCENA WŁASNOŚCI FIZYKOCHEMICZNYCH WARSTWY SiO2
W WARUNKACH ODKSZTAŁCENIA
THE EVALUATION OF THE PHYSICAL AND CHEMICAL
PROPERTIES OF SiO2 LAYER IN THE CONDITION OF
DEFORMATION
Słowa kluczowe: Ni-Ti, SiO2, odkształcenie, własności mechaniczne, własności
elektrochemiczne
1. WSTĘP
Chirurgia kostna to dziedzina medycyny w której Ni-Ti znalazło najszersze zastosowanie
głównie ze względu na swoje własności. Stopy te mimo wysokiej biokompatybilności
i odporności korozyjnej zawierają w swoim składzie nikiel, który może być pierwiastkiem
alergicznym. W celu polepszenia własności fizykochemicznych nanosi się na powierzchnię
stopu warstwy słabo rozpuszczalne w środowisku płynów fizjologicznych człowieka.
Warstwy te mają za zadanie ograniczenie reakcji implantu ze środowiskiem tkankowym
[1,2]. Istotnym czynnikiem wpływającym na trwałość warstw w warunkach użytkowych jest
ich podatność na odkształcenie zachodzące podczas procesu implantacji wszczepu ze stopu
Ni-Ti. Stąd też zakres badań prowadzonych dla implantów wykonanych z tego rodzaju
biomateriału o zmodyfikowanej powierzchni powinien uwzględniać warunki odkształcenia
rzeczywistego. Autorzy pracy w celu ograniczenia zjawisk zachodzących na granicy faz
zaproponowali modyfikacje powierzchni stopu Ni-Ti poprzez naniesienie warstwy SiO2
metodą zol-żel do kontaktu z tkanką kostną. Wcześniejsze doświadczenia autorów prac [3,4]
pozwoliły z kolei na ustalenie prawidłowych warunków obróbki powierzchniowej dla tego
rodzaju biomateriałów metalowych do kontaktu z krwią.
2. MATERIAŁ I METODYKA BADAŃ
Do badań zastosowano stop Ni-Ti (53-57 % Ti) z naniesioną na powierzchnię metodą zol
– żel warstwą SiO2. Próbki przed badaniami zostały poddane procesowi sterylizacji parą
wodną pod ciśnieniem w autoklawie. Następnie część próbek poddano odkształceniu o 11%
i porównano je z własnościami próbek nieodkształconych. Dla wszystkich próbek
przeprowadzono obserwację mikro- i makroskopową powierzchni, a następnie poddano
badaniom własności mechanicznych (pomiary nanotwardości oraz adhezji warstwy do
XIII Konferencja Naukowa Majówka Młodych Biomechaników im. prof. Dagmary Tejszerskiej
s. 74
podłoża). W celu określenia własności elektrochemicznych naniesionych warstw
przeprowadzono badania potencjodynamiczne i impedancyjne. Pomiary przeprowadzono
w roztworze Ringera (T = 37 ± 1°C, pH = 6,8 ± 0,2). Dodatkowo przeprowadzono również
pomiary kąta zwilżania.
3. PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ
Uzyskane w ramach badań mechanicznych wyniki pomiaru nanotwardości dla próbek
odkształconych i nieodkształconych kolejno wynosiły: 1150 MPa i 890 MPa . Całkowita
delaminacja warstwy SiO2 następowała średnio przy wartości LC2 = 15,3 N dla próbek
prostych i LC2 = 11,9 N dla próbek odkształconych. Charakterystyczne wielkości opisujące
odporność na korozję wżerowa uzyskane w ramach badań potencjodynamicznych zestawiono
w Tabeli 1., natomiast badań impedancyjnych w Tabeli 2.
Rodzaj próbki
Prosta
Odkształcona
Rodzaj próbki
Prosta
Odkształcona
Tabela 1. Wyniki badań potencjodynamicznych
Rp, kΩ∙cm2
ikor , µΩ/cm2
77
0,338
736
0,035
Ekor, mV
-133
-226
Rs, Ω
26
26
Rpore, kΩ
9
4
Tabela 2. Wyniki badań impedancyjnych
Cpore, µF
Rct, MΩ
Cdl, µF
356
4
381
339
8
526
Otrzymane podczas badań wyniki wykazały, że próbki zarówno przed jak i po
odkształceniu charakteryzują się całkowitą odpornością na korozję wżerową. Odkształcenie
o wartość 11% nie spowodowało uszkodzenia warstwy SiO2 co jest zjawiskiem korzystnym.
Uzyskane wartości obciążeń krytycznych podczas badań adhezji wykazały bardzo dobre
przyleganie warstwy SiO2 do powierzchni stopu Ni-Ti w stosunku do innych biomateriałów
metalowych, takich jak stal AISI 316L czy stop Ti-6Al-7Nb [4]. Natomiast wartości kąta
zwilżania dla poszczególnych próbek nie różniły się istotnie, oba średnie wyniki pomiarów
wynosiły 49,7 ÷ 0,5 deg.
LITERATURA
[1] S. Yang, F. Zhou, T. Xiao, D. Xu, Z. Li, Z. Xiao, Z. Xiao, Surface modification with
SiO2 coating on biomedical TiNi shape memory alloy by sol–gel method, Transactions
of Nonferrous Metals Society of China, Vol. 25, 2015.
[2] A. Smieszek, A.Donesz-Sikorska, J. Grzesiak, J. Krzak, K. Marycz, Biological effects of
sol-gel derived ZrO2 and SiO2/ZrO2 coatings on stainless steel surface--In vitro model
using mesenchymal stem cells, Journal of Biomaterials Applications, 2014.
[3] W. Walke, Z. Paszenda, P. Karasiński, J. Marciniak, M. Basiaga, Investigations of
mechanical properties of SiO2 coatings deposited by sol-gel method on cpTi and Ti-6Al7Nb alloy, Journal of Materials: Design and Applications, 2015.
[4] W. Walke, Z. Paszenda, M. Basiaga, P. Karasiński, M. Kaczmarek, EIS study of SiO2
oxide film on 316L stainless steel for cardiac implants, Information technologies in
biomedicine, 2014, vol. 4.