Композитное коррозионностойкое биоактивное покрытие для Ni-Ti сплавов

Использование NiTi в качестве материала для имплантатов возможно, благодаря его биоинертности. Но при этом необходимо обеспечить ему, во-первых, дополнительную защиту, так как при взаимодействии с живыми тканями NiTi подвергается коррозии, а во-вторых, усилить биоактивность поверхности, чтобы ускорить регенерацию поврежденной ткани. Поэтому для решения данной задачи было изготовлено методами магнетронного и плазменно-ассистированного ВЧ-распыления двуслойное покрытие, одна часть которого препятствует коррозии, а вторая повышает биоактивность. Установлено, что сформировавшееся кальций-фосфатное покрытие имеет плотную и беспоровую структуры, а само покрытие включает в себя элементы кальция, фосфора и кислорода. Данные об элементном составе хорошо коррелируют с данными рентгеноструктурного анализа дифракции, согласно которому покрытие состоит из гидроксиапатита гексагональной сингонии. MTT-тест, проведенный с группами образцов без и с кальций-фосфатным покрытием показал, что процент умерших клеток составляет 11 ± 4% и 12 ± 3% соответственно. Предварительное in vitro исследование свидетельствует в пользу остеогенной активности образцов с покрытием. Полученные результаты показывают, что в перспективе данные материалы могут быть использованы для изготовления костных имплантатов, так как сформировавшийся гидроксиапатит имеет наибольшую схожесть с биологическим. При этом необходимо в дальнейшем расширить исследования остеогенеза на данных покрытиях, чтобы убедиться в способности положительно влиять на процесс образования костной ткани.

1. Hench L. L. Bioceramics: From concept to clinic. J. Am. Ceram. Soc. 1991; 74:1487–1510. DOI: 10.1111/j.1151-2916.1991. tb 07132.x.

2. Kravanja K. A., Xhanari K., Marevci M. K., Maver U., Finšgar M. Ketoprofen-loaded PLGA-based bioactive coating prepared by supercritical foaming on a TiAl6V4 substrate for local drug delivery in orthopedic applications. Prog. Org. Coat. 2024; 186:108026. DOI: 10.1016/j.porgcoat.2023.108026.

3. Garrido B., Martin-Morata A., Dosta S., Cano I.G. Improving the bond strength of bioactive glass coatings obtained by atmospheric plasma spraying. Surf. Coat. Technol. 2023; 470:129837. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2023.129837

4. Hiromoto S. Self-healing property of hydroxyapatite and octacalcium phosphate coatings on pure magnesium and magnesium alloy. Corros. Sci. 2015; 100:284–294. DOI: 10.1016/j.corsci.2015.08.001

5. Zhang Y., Roux C., Rouchaud A., Meddahi-Pellé A., Gueguen V., Mangeney C. et al. Recent advances in Fe-based bioresorbable stents: Materials design and biosafety. Bioact. Mater. 2024; 31:333–354. DOI: 10.1016/j.bioactmat.2023.07.024.

6. Choi D. H., Kim H. T., Kim Y., Park K., Kim M. S., Lee J. H. et al. Nature-derived, biocompatible silibinin based bioresorbable neuromorphic device for implantable medical electronics. Appl. Surf. Sci. 2023; 621:156814. DOI: 10.1016/j.apsusc.2023.156814.

7. Shtin V., Novikov V., Chekalkin T., Gunther V., Marchenko E., Choynzonov E. et al. Repair of Orbital Post-Traumatic Wall Defects by Custom-Made TiNi Mesh Endografts. J. Funct. Biomater. 2019 27;10(3):27. DOI: 10.3390/jfb10030027.

8. Song D., Yu C., Zhang C., Kang G. Superelasticity degradation of NiTi shape memory alloy in wide ranges of temperature and loading level: Experimental observation and micromechanical constitutive model. Int. J. Plast. 2023; 161:103487. DOI: 10.1016/j.ijplas.2022.103487

9. Zhang J., Wang S., Hu P., Zhang Y., Ding H., Huang Y. A novel strategy for fabricating phase transforming NiTi shape memory alloy via multiple processes of severe plastic deformation. Mater. Lett. 2023:135439. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.135439.

10. Ohtsu N., Yamasaki K., Taniho H., Konaka Y., Tate K. Pulsed anodization of NiTi alloy to form a biofunctional Ni-free oxide layer for corrosion protection and hydrophilicity. Surf. Coat. Technol. 2021; 412:127039. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2021.127039.

11. Gyunter V. E., Marchenko E. S., Gyunter S. V., Baigonakova G. A. The Influence of the Surface Layer on the Combination of Properties of Thin TiNi Alloy Wires. Tech. Phys. Lett. 2018; 44:811–813. DOI: 10.1134/S1063785018090195.

12. Kazemi M., Ahangarani S., Esmailian M., Shanaghi A. Investigation on the corrosion behavior and biocompatibility of Ti-6Al-4V implant coated with HA/TiN dual layer for medical applications. Surf. Coat. Technol. 2020; 397:126044. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2020.126044.

13. Jin S., Zhang Y., Wang Q., Zhang D., Zhang S. Influence of TiN coating on the biocompatibility of medical NiTi alloy. Colloids Surf. B. 2013; 101:343–349. DOI: 10.1016/j.colsurfb.2012.06.029.

14. Baigonakova G. A., Marchenko E. S., Yasenchuk Yu. F., Kokorev O. V., Vorozhtsov A. B., Kulbakin D. E. Microstructural characterization, wettability and cytocompatibility of gradient coatings synthesized by gas nitriding of three-layer Ti/Ni/Ti nanolaminates magnetron sputtered on the TiNi substrate. Surf. Coat. Technol. 2022; 436:128291. DOI: 10.1016/j.surfcoat.2022.128291.

15. Jankowska E., Makowiecka M., Jurczyk M. Electrochemical performance of sealed Nisingle bondMH batteries using nanocrystalline TiNi-type hydride electrodes. Renew. Energy. 2008; 33(2):211–215. DOI: 10.1016/j.renene.2007.05.026

16. Wang C. S., Lei Y. Q., Wang Q. D. Effects of Nb and Pd on the electrochemical properties of a Ti-Ni hydrogen-storage electrode. J. Power Sources. 1998;70(2):222– 227. DOI: 10.1016/S0378-7753(97)02674-8

17. Liu J., Gao X., Song D., Yunshi Z., Shihai Y. The characteristics of the microencapsulated Ti–Ni alloys and their electrodes. J. Alloys Compd. 1995; 231(1– 2):852–855. DOI: 10.1016/0925-8388(95)01771-2

18. Hosni B., Khaldi C., ElKedim O., Fenineche N., Lamloumi J. Electrochemical properties of Ti2Ni hydrogen storage alloy. Int. J. Hydrogen Energy. 2017; 42(2):1420–1428. DOI: 10.1016/j.ijhydene.2016.04.032

19. Ribeiro R. M., Lemus L. F., dos Santos D. S. Hydrogen AbsorptionStudy of Ti-Base Alloys Performed by Melt-Spinning. Mater. Res. 2013; 16:679–682. DOI: 10.1590/S1516-14392013005000049

20. Balcerzak M., Jurczyk M. Influence of Gaseous Activation on Hydrogen Sorption Properties of TiNi and Ti2Ni Alloys. J. Mater. Eng. Perform. 2015; 24(4):1710– 1717. DOI: 10.1007/s11665-015-1445-x

21. Wu T., Lu T., Shi H., Wang J., Ye J. Enhanced osteogenesis, angiogenesis and inhibited osteoclastogenesis of a calcium phosphate cement incorporated with strontium doped calcium silicate bioceramic. Ceram. Int. 2023; 49(4):6630–6645. DOI: 10.1016/j.ceramint.2022.10.142

22. Shirdar M. R., Sudin I., Taheri M. M., Keyvanfar A., Yusop M. Z. M., Kadir M. R. A. A novel hydroxyapatite composite reinforced with titanium nanotubes coated on Co-Cr-based alloy. Vacuum 2015; 122:82–89. DOI: 10.1016/j.vacuum.2015.09.008.

23. Narayanan R., Seshadri S. K., Kwon T. Y., Kim K. H. Calcium Phosphate-Based Coatings on Titanium and Its Alloys. J. Biomed. Mater. Res. B Appl. Biomater. 2008;85(1):279-299. DOI: 10.1002/jbm.b.30932.