Oxidické vrstvy na titanových slitinách pro lékařské aplikace

Abstract

Slitina titanu s hliníkem (Al) a vanadem (V) (TiAlV) patří v současné době k nejčastěji užívanému materiálu pro výrobu implantátů. Prvky Ti s Al a V zlepšují mechanické vlastnosti materiálu hlavně pak modul pružnosti. Současně se jedná o materiál vysoce biokompatibilní. Při dlouhodobé expozici implantátu na bázi slitiny TiAlV však bylo prokázáno patogenní uvolňování Al a V do organismu. Recentně byla proto navržena náhrada Al a V za niob (Nb), který je z hlediska fyziologického neškodný. Slitina Ti39Nb (39 hm.% Nb) s β – strukturou (β-TiNb) má dále vhodné mechanické vlastnosti pro danou aplikaci. V této práci se zabývám jednak chováním tohoto specifického (PVD - physical vapour deposition) povlaku Ti39Nb na základních materiálech Ti, TiAlV a Fe. Dále vlivem chemického složení definovaně oxidovaného povrchu slitiny β-TiNb na jeho osteointegraci a kluzné vlastnosti. Oxidické vrstvy byly připraveny jednak anodickou oxidací v elektrolitu s fluoridovými ionty (pro nanostrukturování TiO2), následně pak porovnávány s termicky oxidovanou vrstvou. Výsledky získané pro slitinu β-TiNb jsou porovnány s analogicky opracovanými povrchy čistého Ti, TiAlV a TiNb. Z osteointegračních experimentů plyne pozitivní vliv přítomnosti Nb v povrchové vrstvě vzorku. K hodnocení byly použity počty buněk ve třech časových intervalech (1., 3. a 7. den po nasazení). Bylo prokázáno, že přítomnost Nb zlepšila počáteční adhezi a proliferaci kostních MG 63 buněk.

The titanium alloy with aluminum (Al) and vanadium (V), TiAlV, is one of the most used materials in implants production. The Ti, Al and V species are improving mechanical properties of the material, especially the modulus of elasticity. This material is highly bio-compatible as well. However, the patogenous realeasing of Al and V was proven, when the TiAlV-based material is in longer exposition with human body. That is why the substituting element of Nb, which is physiologically harmless, (instead of Al and V) was suggested. The alloy Ti39Nb (39 wt.% of Nb) with β structure (β-TiNb) have also appropriate mechanical properties for such application. This work deals with the behavior of this specific (physical vapor deposition – PVD) Ti39Nb coating on Ti, TiAlV and Fe substrates. It also deals with the influence of chemical composition of oxidized surface of the Ti39Nb alloys on its osseointegration and tribological properties. The oxide layers were prepared by anodic oxidation in electrolyte with fluorine ions (designated for nano-structuring of TiO2) and compared with layer prepared by thermic oxidation. The results obtained for β-TiNb are compared with analogically prepared surfaces of Ti, TiAlV and TiNb. The osseointegration experiments are indicating on a positive effect of Nb presence in surface layer of the sample. The evaluation was based on the number of cells in three intervals (1st, 3rd and 7th day after their seeding). It was proven that presence of Nb improved intial adhesion and proliferation of bone MG 63 cells.