AP13068451 "Плазма-электролиттік тотықтау арқылы титан диоксидінің нанобөлшектері бар көпқызметті кальций-фосфатты қабылдауларды алу"

Жоба жетекшісі: Алдабергенова Тамара Мустафаевна, PhD, - жоба жетекшісі ORCID ID - 6506076753

Өзектілігі:

Атап айтқанда,коммерциялық таза титан және оның қорытпалары жақсы механикалық қасиеттеріне, биологиялық сұйықтықтардағы тамаша коррозияға төзімділігіне және өте төмен уыттылығына байланысты стоматологиялық имплантациялар үшін кеңінен қолданылады. Тартымды қасиеттеріне қарамастан, Ti және оның қорытпаларынан жасалған имплантаттар әдетте имплантация ортасында болатын механикалық кернеуге және агрессивті ортаға төзімділігі төмен және бір мезгілде тозу мен коррозиямен жойылуы мүмкін. Жақында плазмалық электролиттік тотығу (PEO) процесі Ti беттеріне кеуекті, тозуға және коррозияға төзімді керамикалық пленкаларды тұндыру үшін үнемді, экологиялық таза және жоғары тиімді технология ретінде айтарлықтай қызығушылық тудырды. Гидроксиапатит және кальций фосфаттары негізіндегі биоактивті керамика оның биоүйлесімділігімен және құрамы бойынша сүйек тінімен ұқсастығымен перспективалы болып табылады. Дегенмен, кальций фосфатты PEO жабындары үйкелістің жоғары және тұрақсыз коэффициенттері және төмен тозуға төзімділік сияқты нашар трибологиялық қасиеттерді көрсетеді. Сондықтан нано және микробөлшектерді жабындар құрамына қосу PEO-жабындардың қасиеттерін жақсарту және олардың химиялық құрамының ауқымын кеңейту үшін ең маңызды стратегия ретінде қарастырылады.

Мақсаты:

Жоғары коррозиялық және трибологиялық сипаттамалары бар TiO2 нанобөлшектері бар көп функциялы кальций-фосфатты ПЭО-жабындарын алу және тозу мен коррозияның синергетикалық әсерлері кезінде олардың құрылымы мен қасиеттерінің дегрегациялану ерекшеліктерін зерттеу.

Күтілетін нәтиже:

1. Кешенді тәжірибелік зерттеулердің негізінде жоғары коррозия және трибологиялық сипаттамалары бар имплантаттар үшін көп функционалды жабындар алынады.
2. Плазма-электролиттік тотығу қондырғысы жасалады.
3. ПЭО технологиялық параметрлерінің (кернеу, токтың тығыздығы, электролит шығыны, электролит температурасы) жабындардың элементтік құрамына әсері зерттеледі.
4. Әртүрлі TiO2 нанобөлшектері бар кальций фосфатты PEO жабындарын алу үшін бірқатар тәжірибелер жүргізілетін болады.
5. Кальций фосфаты ПЭО жабындарындағы TiO2 нанобөлшектерінің оңтайлы концентрациясы анықталады, бұл олардың коррозияға қарсы және трибологиялық сипаттамаларын жақсарту үшін қажет және тірі организмдер үшін қауіпсіз.
6. Арнайы ерітінділерде коррозия мен тозудың біріккен әсерінен TiO2 нанобөлшектері бар биоактивті кальций фосфатты жабындарының бетінің деградациясының ерекшеліктері зерттеледі. TiО2 нанобөлшектерінің биоактивті кальций фосфаты ПЭО жабындарының өнімділігін арттырудағы рөлі ашылады.

Қол жеткізілген нәтиже:

MДТ әдісін қолданатын жабындарды қолдану KP-HI-F-40A600V коммутациялық қуат көзі-түзеткіш көмегімен жүзеге асырылды. Беттік морфология JSM-6390 LVJEOL төмен вакуумды сканерлеуші электронды микроскоптың көмегімен зерттелді. Қаптаманың кедір-бұдырлығы үлгілердің 130 профильометрі арқылы өлшенді, үлгілердің микроқаттылығын сынау FISCHERSCOPE HM2000 құрылғысында жүргізілді. Трибологиялық сынақтарды жүргізу үшін Anton Paar TRB3 трибометрі пайдаланылды.Трибологиялық сынақтар келесі шарттарда жүргізілді: жүктеме 3 Н дейін, жылдамдық – 2,5 см/с, радиус – 2 мм, шар радиусы (Si3N4 қарсы дене). – 3 мм. Бұл жұмыс үшін МДТ процесінің параметрлері келесі шектерді қамтыды: импульс ұзақтығы - 100 мкс, импульс жиілігі - 100 Гц, процестің ұзақтығы - 10 мин, электр кернеуі - 300 В. Микродоғалық тотығуды қолдана отырып, MДТ жабындары фосфор қышқылы, натрий ортофосфаты, калий гидроксиді (KOH) және гидроксиапатит (ГА) негізіндегі әртүрлі электролиттерде анодтық режимде 10 минут бойы титан бетінде алынды. Зерттеу объектісіне сәйкес үш түрлі электролит құрамы таңдалды:

No 1 - Na2HPO4 (6г), HA (2г), KOH (2г);
No2 - H3PO4 (15%), HA (2г), СаСО3 (5г);
No3 - Na3HPO4 (5г), HA (3г), CaCO3 (5г).
Үйкеліс коэффициентін өлшеу нәтижесінде бірінші электролит үшін μ=0,109, екінші үшін μ=0,133 және үшінші үшін μ=0,532 болды, ал қапталмаған бастапқы титан үшін μ=0,773 болды. МДТ жабындарының көлденең қимасының микросуреттерін зерттеу жабындардың қалыңдығы 23 мкм-ден 52 мкм-ге дейін өзгеруі мүмкін екенін көрсетті, кедір-бұдыр 2,96 мкм-ден 3,96 мкм-ге дейін өзгерді; Титан бетіндегі микродоғалық тотығуды қолдана отырып, рутил және анатаза түріндегі титан диоксиді TiO2 жабындары алынды. Зерттеу нәтижелері Na2HPO4 + HA + KOH электролитінде түзілген жабындардың H3PO4 + HA + CaCO3 электролиттері мен электролиттерімен алынған жабындармен салыстырғанда құрғақ үйкеліс коэффициенті (Si3N4 қарсы дене) шамамен 6 есе және микроқаттылықтың жоғары мәні 2 есе болатынын көрсетті. Na3HPO4+HA+CaCO3. МДТ әдісімен түзілетін жабын бетінің морфологиясы (көлемі, кеуектер саны, сызаттардың болуы) электролит пен субстраттың (субстрат) құрамына байланысты. Дегенмен, барлық MДТ жабындары электрлік бұзылулар үшін арналар және газ көпіршіктерінің бетіне шығуының салдары болып табылатын кеуектердің болуымен сипатталады. SEM көмегімен алынған әртүрлі құрамдағы электролиттерде түзілген жабындары бар үлгілердің бетінің кескіндерін талдау калий гидроксиді (КОН) қосылған электролитте түзілген жабындардың барлық зерттелген жабындардың ішіндегі ең кеуекті беті бар екенін көрсетті. Бұл нәтижені электролитке КОН қосу және ток тығыздығының жоғарылауы МДТ кезінде газдың бөліну процесінің қарқындылығының артуына ықпал ететіндігімен түсіндіруге болады. Айта кету керек, электролиттің тұрақтылығы үшін сілтілі орта қажет, оның қажетті рН әдетте калий гидроксиді KOH немесе натрий NaOH көмегімен жасалады.

Әртүрлі концентрациядағы титан диоксиді (TiO2) нанобөлшектері қосылған кальций фосфатты жабындары плазмалық электролиттік тотығу (ПЭО) арқылы сәтті дайындалды. Микроқаттылық сынақтары әртүрлі концентрациялары (0,5г, 0,75г, 1г) TiO2 жабындарында жүргізілді. TiO2 нанобөлшектерін қосу кальций фосфаты жабындарының қаттылығын айтарлықтай арттыратыны анықталды. Тәжірибе кезінде анықталған TiO2 нанобөлшектерінің 0,75 г концентрациясында қаттылықтың максималды өсуі байқалады. Тірі организмдер үшін қауіпсіз жабындардағы TiO2 нанобөлшектерінің оңтайлы концентрациясы эксперименталды түрде анықталды. Зерттеу нәтижелері кальций фосфатты жабындарына TiO2 нанобөлшектерін қосу оңтайлы концентрациялар сақталған жағдайда олардың механикалық қасиеттерін айтарлықтай жақсартуға болатынын көрсетті. TiO2 төмен және орташа концентрациясы бар жабындар жоғары биоүйлесімділікті көрсететіні анықталды. TiO2 жоғары концентрациясы биоүйлесімділікке теріс әсер етіп, оның өнімділігін төмендетеді. Титан дискілеріне TiO2 нанобөлшектерінің (0,5г, 0,75г және 1,0г) әртүрлі концентрациясы бар кальций фосфаты PEO жабындары қолданылды. Үлгілер автоклавта 121°С температурада 20 минут бойы зарарсыздандырылды. Цитоуыттылықты бағалау үшін остеобласт жасушаларының желілері пайдаланылды. Жасушалар жабындардың бетінде өсірілді және 24, 48 және 72 сағат бойы инкубацияланды. МТТ реагенті қапталған үлгілерде өсірілген жасушаларға қосылды. Инкубациядан кейін формазан DMSO-да ерітілді және жасуша өміршеңдігін бағалау үшін сіңіру 570 нм-де өлшенді. Жасушаның өміршеңдігінің пайызы бақылау үлгілерімен салыстырғанда есептелді. Топтар арасындағы елеулі айырмашылықтарды анықтау үшін статистикалық талдау жүргізілді. Зерттеу TiO2 концентрациясы 0,5-0,75 г аралығындағы жабындар жақсартылған механикалық қасиеттер мен биоүйлесімділік арасындағы оңтайлы тепе-теңдікті көрсететінін көрсетті. Биологиялық ортада коррозия мен тозудың біріккен әсерінен TiO2 нанобөлшектері бар кальций фосфаты ПЭО жабындарының бетінің деградациясының ерекшеліктерін зерттеу бойынша жұмыстар жүргізілуде. TiO2 нанобөлшектері бар жабындардың коррозияға төзімділігіне сынақтар жүргізілді. Коррозиялық ортаның жабындардың құрылымы мен құрамына бастапқы әсері бағаланады. Коррозия мен тозудың бірлескен әсерінен жабындардың бетінің деградациясының алдын ала зерттеулері жүргізілді. Экспозициядан кейінгі жабын бетіндегі өзгерістерді талдау үшін сканерлеуші электронды микроскопия әдістері қолданылды. Трибометр көмегімен биологиялық ортада жабындардың тозуын өлшеу бойынша тәжірибелер жүргізілуде. Бастапқы нәтижелер TiO2 нанобөлшектерін қосу кальций фосфаты жабындарының коррозияға төзімділігін жақсартатынын көрсетеді. Бастапқы үлгілермен салыстырғанда TiO2 нанобөлшектері бар жабындардың бетінің деградация жылдамдығының төмендеуі анықталды.

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

Зерттеу тобының мүшелері

Аты-жөні: Касымов Аскар Багдатович, PhD

Scopus Id: 56298368800

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-1983-6508

Қосымша:
Аты-жөні: Кожанова Рауан Сабырбековна

Scopus Id: 57216911622

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-3271-226_

Қосымша:
Аты-жөні: Байжан Дарын Рашитұлы

Scopus Id: 57214891142

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-9105-3129

Қосымша:
Аты-жөні: Магазов Нуртолеу Магзумбекович

Scopus Id: 57220041350

Researcher Id: ---

ORCID: 0000-0002-9941-9199

Қосымша: