AP13068451 "Получение многофункциональных кальций-фосфатных покрытий с наночастицами диоксида титана методом плазменно-электролитического оксидирования"

Руководитель проекта: Алдабергенова Тамара Мустафаевна, PhD, - руководитель проекта ORCID ID-6506076753

Актуальность:

В частности, коммерческий чистый титан и его сплавы широко используются для применения зубных имплантатов благодаря своим хорошим механическим свойствам, отличной коррозионной стойкости в биологических жидкостях, а также очень низкой токсичности. Несмотря на свои привлекательные свойства, импланты из сплавов Ti и его сплавов обычно проявляют низкую стойкость к механическому воздействию и агрессивным средам, существующим в окружении имплантата, и может быть разрушена при одновременном износе и коррозии. В последнее время процесс плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО) привлекает значительный интерес как экономически эффективная, экологичная и высокоэффективная технология нанесения пористых, износо- и коррозионностойких керамических пленок на поверхностях Ti. Биоактивная керамика на основе гидроксиапатита и фосфатов кальция является перспективной вследствие ее биосовместимости и близости по составу к костной ткани. Однако кальций-фосфатные ПЭО-покрытия демонстрируют плохие трибологические свойства, такие как, высокие и нестабильные коэффициенты трения, низкое сопротивление износу при фреттинге. Поэтому включение нано - и микрочастиц в состав покрытий рассматривается как важнейшая стратегия повышения свойств ПЭО-покрытий и расширения диапазона их химического состава.

Цель:

Получение многофункциональных кальций-фосфатных ПЭО-покрытий с наночастицами TiO2, имеющие высокие коррозионные и трибологические характеристики и изучить особенности дегрегации их структуры и свойств при синергетическом воздейстии износа и коррозии.

Ожидаемый результат:

1. На основе комплексных экспериментальных исследований будут получены многофункциональные покрытия для имплататов, имеющие высокие коррозионные и три бологические характеристики.
2. Будет создана установка для плазменно-электролитического оксидирования.
3. Будет изучено влияние технологических параметров ПЭО (напряжение, плотность тока, скорость потока электролита, температура электролита) на элементный состав покрытий.
4. Будет проведена серия экспериментов по получению кальций-фосфатных ПЭО-покрытий с различным содержанием наночастиц TiO2.
5. Будет определена оптимальная концентрация наночастиц TiO2 в кальций-фосфатных ПЭО-покрытиях, необходимая для повышения их коррозионных и три бологических характеристик и безопасная для живых организмов.
6. Будут изучены особенности деградации поверхности биоактивных кальций-фосфатных покрытий с наночастицами TiO2 при комбинированном воздействии коррозии и износа в специальных растворах.
7. Будет выявлена роль наночастиц TiO2 в повышении эксплуатационных характеристик биоактивных кальций-фосфатных ПЭО-покрытий.

Результат:

Нанесение покрытий методом МДО проведено на импульсном источнике питания-выпрямителе KP-HI-F-40A600V. Морфологию поверхности рассмотрели на низковакуумном растровом электронном микроскопе JSM-6390 LVJEOL. Шероховатость покрытия измеряли с помощью профилометра модели 130. Испытание на микро твердость образцов осуществлялось на FISCHERSCOPE HM2000. Для проведения трибологических испытаний использовали трибометр Anton Paar TRB3. Трибологические испытания проводились при следующих условиях: нагрузка до 3 Н, скорость – 2,5 см/с, радиус - 2 мм, радиус шара (контртело Si3N4). – 3 мм. Параметры процесса МДО для данной работы включали следующие пределы: длительность импульсов - 100 мкс, частота импульсов - 100 Гц, длительность процесса - 10 мин, электрическое напряжение – 300 В. Методом микродугового оксидирования на поверхности титана были получены МДО покрытии в анодном режиме в течение 10 минут в различных электролитах на основе фосфорной кислоты, ортофосфата натрия, гидроксида калия (KOH) и гидроксиапатита (ГА). В соответствии с объектом исследования были выбраны три разных состава электролита:

№1 - Na2HPO4 (6г), ГА (2г), KOH (2г);
№2 - Н3PO4 (15%), ГА (2г), СаСО3 (5г);
№3 - Na3HPO4 (5г), ГА (3г), СаСО3 (5г).

В результате измерения коэффициента трения для первого электролита составило µ=0,109, для второго µ=0,133 и для третьего µ=0,532, когда для исходного титана без покрытия – µ=0,773. Исследование микрофотографии поперечного сечения МДО покрытий показали, что толщина покрытий может варьироваться от 23 мкм до 52 мкм, шероховатость варьировалась от 2,96 мкм до 3,96 мкм; Методом микродугового оксидирования на поверхности титана были получены покрытий диоксида титана TiO2 в модификации рутила и анатаза. Результаты исследований позволили выявить, что покрытия, сформированные в электролите Na2HPO4+ГА+KOH, имеют низкий коэффициент сухого трения (контртело Si3N4) приблизительно в 6 раз и высокое значение микротвердости в 2 раза, по сравнению с покрытиями, полученных при электролитах Н3PO4+ГА+СаСО3 и Na3HPO4+ГА+СаСО3.

Морфология поверхности покрытия (размеры, количество пор, наличия трещин), сформированных методом МДО, зависит от состава электролита и субстрата (подложки). Однако для всех МДО-покрытий характерно наличие пор, которые являются каналами электрических пробоев и следствием выхода газовых пузырей на поверхность. Анализ изображений поверхности образцов с покрытиями, сформированными в электролитах различного состава, полученных с помощью РЭМ показал, что наиболее пористой поверхностью из всех исследуемых покрытий обладают покрытия, сформированные в электролите с добавлением гидроксида калия (KOH). Данный результат можно объяснить тем, что добавление в электролит KOH и увеличение плотности тока способствуют возрастанию интенсивности процесса газовыделения при МДО. Стоит отметить, что для стабильности электролита необходима щелочная среда, требуемый pH которой создают обычно с помощью гидроокиси калия KOH или натрия NaOH.
Успешно получены кальций-фосфатные покрытия с добавлением различных концентраций наночастиц диоксида титана (TiO2) методом плазменно-электролитического оксидирования (ПЭО). Проведены испытания на микротвердость покрытий с различными концентрациями (0,5г, 0,75г, 1г) TiO2. Установлено, что добавление наночастиц TiO2 значительно повышает твердость кальций-фосфатных покрытий. Максимальное увеличение твердости наблюдается при 0,75г концентрации наночастиц TiO2, выявленной в ходе экспериментов. Экспериментально определены оптимальные безопасные для живых организмов концентрации наночастиц TiO2 в ПЭО-покрытиях. Результаты исследования показали, что добавление наночастиц TiO2 в кальций-фосфатные покрытия позволяет существенно улучшить их механические свойства при условии соблюдения оптимальных концентраций. Установлено, что покрытия с низкими и средними концентрациями TiO2 демонстрируют высокую биосовместимость. Высокие концентрации TiO2 оказывают негативное влияние на биосовместимость, снижая ее показатели. Кальций-фосфатные ПЭО-покрытия с различными концентрациями наночастиц TiO2 (0,5г, 0,75г и 1,0г) были нанесены на титановые диски. Образцы стерилизовали автоклавированием при 121°C в течение 20 минут. Использовали клеточные линии остеобластов для оценки цитотоксичности. Клетки культивировали на поверхности покрытий и инкубировали в течение 24, 48 и 72 часов. Добавляли MTT-реагент к клеткам, культивируемым на покрытых образцах. После инкубации растворяли формазан в DMSO и измеряли оптическую плотность при 570 нм для оценки жизнеспособности клеток. Рассчитывали процент жизнеспособности клеток по сравнению с контрольными образцами. Проводили статистический анализ для выявления значимых различий между группами. Исследование показало, что покрытия с концентрациями TiO2 в пределах 0,5-0,75г демонстрируют оптимальный баланс между улучшением механических свойств и биосовместимостью. Проводятся работы по изучению особенностей деградации поверхности кальций-фосфатных ПЭО-покрытий с наночастицами TiO2 при комбинированном воздействии коррозии и износа в биологической среде. Проведены испытания на коррозионную стойкость покрытий с наночастицами TiO2. Оценено начальное влияние коррозионной среды на структуру и состав покрытий. Проведены предварительные исследования поверхностной деградации покрытий при комбинированном воздействии коррозии и износа. Использованы методы сканирующей электронной микроскопии для анализа изменений на поверхности покрытий после воздействия. Проводятся эксперименты по измерению износа покрытий в биологической среде с использованием трибометра. Первоначальные результаты показывают, что добавление наночастиц TiO2 улучшает коррозионную стойкость кальций-фосфатных покрытий. Обнаружено снижение скорости деградации поверхности покрытий с наночастицами TiO2 по сравнению с исходными образцами.

2023

Байжан, Д. Р., Рахадилов, Б. K., Алдабергенова, Т. М., Баятанова, Л. Б., Курбанбеков, Ш. Р., & Буйткенов, Д. Б. (2023). Obtaining of calcium-phosphate coatings on the titanium surface by micro-arc oxidation. Eurasian Physical Technical Journal, 20(1 (43)), 34-41. https://doi.org/10.31489/2023No1/34-41
Bayatanova, L. B., Zhassulankyzy, A. Z., Magazov, N. M., Rakhadilov, B. K., Muktanova, N., & Uazyrkhanova, G. K. (2023). Effect of plasma-electrolytic oxidation on mechanical properties of titanium coatings. Bulletin of the Karaganda University" Physics Series", 111(3), 65-74. https://doi.org/10.31489/2023ph3/65-74

2024

Rakhadilov B., Zhassulan A., Baizhan D., Shynarbek A., Ormanbekov K., Aldabergenova, T. The effect of the electrolyte composition on the microstructure and properties of coatings formed on a titanium substrate by microarc oxidation //AIMS Materials Science. – 2024. – Т. 11. – №. 3. – С. 547-564. https://doi.org/10.3934/matersci.2024027

Члены Исследовательской группы

ФИО: Касымов Аскар Багдатович, PhD

Scopus Id: 56298368800

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-1983-6508

Дополнительно:
ФИО: Кожанова Рауан Сабырбековна

Scopus Id: 57216911622

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-3271-226_

Дополнительно:
ФИО: Байжан Дарын Рашитұлы

Scopus Id: 57214891142

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-9105-3129

Дополнительно:
ФИО: Магазов Нуртолеу Магзумбекович

Scopus Id: 57220041350

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-9941-9199

Дополнительно: