Формирование биокомпозита слоистого типа как перспективная основа металлокерамических костных имплантатов

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Исследование посвящено разработке слоистого биокомпозита в виде функционально-градиентного материала (ФГМ), сочетающего сплав Ti-6Al-4V и биокерамику на основе диоксида титана в составе с гидроксиапатитом, перспективного для использования в металлокерамических костных имплантатах. Представлен способ формирования ФГМ, преодолевающего ограничения составляющих его компонентов, такие как низкая механическая прочность биокерамики и отсутствие остеоиндуктивности у титановых медицинских сплавов. В работе использован метод искрового плазменного спекания для достижения прочного и неразъемного соединения между слоями керамики и сплавом. Результаты исследования показали, что фазовый состав обоих материалов остается стабильным в процессе их разогрева, а на границе контакта образуется промежуточный слой из β-Ti, что повышает механическую прочность соединения. Испытания на микротвердость подтвердили целостность композита с сохранением прочности на границе раздела керамики и сплава. Отсутствие дефектов и внутренних напряжений на границах сформированного соединения свидетельствует о его высокой механической стабильности и демонстрирует потенциал способа для возможного практического применения с целью создания современных конструкционно-прочных имплантатов с улучшенной функцией остеоинтеграции.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. А. Белов

Дальневосточный федеральный университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

О. В. Капустина

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

Э. С. Колодезников

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

О. О. Шичалин

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

А. Н. Федорец

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

С. К. Золотников

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

Е. К. Папынов

Дальневосточный федеральный университет

Email: belov_aa@dvfu.ru
Россия, п. Аякс, 10, о. Русский, Владивосток, 690922

Список литературы

  1. Ranjan N., Singh R., Ahuja I. // Proc. Inst. Mech. Eng., Part H: J. Eng. Med. 2019. V. 233. № 7. P. 754. https://doi.org/10.1177/0954411919852811
  2. Oltean-Dan D., Dogaru G.-B., Jianu E.-M. et al. // Micromachines. 2021. V. 12. № 11. P. 1352. https://doi.org/10.3390/mi12111352
  3. Logesh M., Ahn S.-G., Choe H.-C. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 33. P. 7620. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.114
  4. Hosseini M., Khalil-Allafi J., Safavi M.S. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 33. № August. P. 4055. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.081
  5. Nisar S.S., Arun S., Toan N.K. et al. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 31. № June. P. 1282. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.06.155
  6. Liu Y., Wang G., Zhao Y. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 5. P. 1995. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.063
  7. Zhou X., Han Y.H., Shen X. et al. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 466. P. 322. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.004
  8. Zhou X., Yang H., Chen F. et al. // Carbon N. Y. 2016. V. 102. P. 106. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.02.036
  9. Zhao X., Duan L., Liu W. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 16. P. 5473. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.08.013
  10. Zhao X., Duan L., Wang Y. // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 5. P. 1757. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.020
  11. Tatarko P., Grasso S., Saunders T.G. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. № 13. P. 3841. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.016
  12. Zhao X., Duan L., Liu W. et al. // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 17. P. 23111. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.005
  13. Zhou X., Han Y.-H., Shen X. et al. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 466. P. 322. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.004
  14. Tatarko P., Grasso S., Saunders T.G. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. № 13. P. 3841. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.016
  15. Rafiei M., Eivaz Mohammadloo H., Khorasani M. et al. // Heliyon. 2025. V. 11. № 2. P. E41813. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e41813
  16. Gabor R., Cvrček L., Causidu S. et al. // Surf. Interfaces. 2021. V. 25. № December. 2020. V. 101209. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101209
  17. Al-Kaisy H.A., Issa R.A.H., Faheed N.K. et al. // Rev. Compos. Mater. Av. 2024. V. 34. № 2. P. 125. https://doi.org/10.18280/rcma.340201
  18. Ramasamy P., Sundharam S. // J. Aust. Ceram. Soc. 2021. V. 57. № 2. P. 605. https://doi.org/10.1007/s41779-021-00561-w
  19. Lin Y., Balbaa M., Zeng W. et al. // J. Mater. Eng. Perform. 2023. V. 33. № 18. P. 9664. https://doi.org/10.1007/s11665-023-08632-8
  20. Asgarian R., Khalghi A., Kiani Harchegani R. et al. // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2021. V. 127. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00339-020-04188-9
  21. Rodrigues L.F., Tronco M.C., Escobar C.F. et al. // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 12. P. 14806. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.04.211
  22. Yang W., Han Q., Chen H. et al. // J. Mater. Sci. Technol. 2024. V. 188. P. 116. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.061
  23. Abdullah Naji F.A., Murtaza Q., Niranjan M.S. // Precis. Eng. 2024. V. 88. P. 81. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2024.01.019
  24. Qiu J., Ding Z., Yi Y. et al. // Mater. Today Commun. 2024. V. 38. P. 108146. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108146
  25. Navarro M., Michiardi A., Castaño O. et al. // J. R. Soc. Interface. 2008. V. 5. № 27. P. 1137. https://doi.org/10.1098/rsif.2008.0151
  26. Kumari R., Kumar S., Das A.K. et al. // Appl. Surf. Sci. Adv. 2024. V. 24. P. 100655. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2024.100655
  27. Pauline S.A., Karuppusamy I., Gopalsamy K. et al. // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2024. V. 166. Part 2. № January. P. 105576. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2024.105576
  28. Hussain M.A., Ul Haq E., Munawar I. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 10. P. 14481. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.341
  29. Fu Y., Mo A. // Nanoscale Res. Lett. 2018. V. 13. Art. 187. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2597-z
  30. Garcia-Lobato M.A., Mtz-Enriquez A.I., Garcia C.R. et al. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 484. P. 975. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.04.108
  31. Awad N.K., Edwards S.L., Morsi Y.S. // Mater. Sci. Eng. 2017. V. 76. P. 1401. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.02.150
  32. Papynov E.K., Shichalin O.O., Belov A.A. et al. // J. Funct. Biomater. 2023. V. 14. № 5. P. 259. https://doi.org/10.3390/jfb14050259
  33. Papynov E., Shichalin O., Buravlev I. et al. // J. Funct. Biomater. 2020. V. 11. № 2. P. 41. https://doi.org/10.3390/jfb11020041
  34. Apanasevich V., Papynov E., Plekhova N. et al. // J. Funct. Biomater. 2020. V. 11. № 4. P. 68. https://doi.org/10.3390/JFB11040068
  35. Tecu C., Antoniac A., Goller G. et al. // Rev. Chim. 2018. V. 69. № 5. P. 1272. https://doi.org/10.37358/RC.18.5.6306
  36. Ingole V.H., Sathe B., Ghule A.V. // Bioactive ceramic composite material stability, characterization, and bonding to bone, in: Fundam. Biomater. Ceram. Elsevier, 2018. P. 273. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102203-0.00012-3
  37. Luginina M., Angioni D., Montinaro S. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 13. P. 4623. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.061
  38. Rastgoo M.J., Razavi M., Salahi E. et al. // Bull. Mater. Sci. 2019. V. 42. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s12034-018-1698-8
  39. Nath S., Tripathi R., Basu B. // Mater. Sci. Eng. 2009. V. 29. № 1. P. 97. https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.05.019

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схема экспериментальной работы по получению образцов.

Скачать (252KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Гранулометрический анализ порошков TiO2, HAP, TiO2–HAP 20%, TiO2–HAP 50% и их фазовый состав.

Скачать (518KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Дилатометрические кривые образцов, полученных методом ИПС, отражающие следующие зависимости: а – усадку от времени; б – скорость усадки от времени; в – скорость усадки от температуры.

Скачать (290KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Дифрактограммы образцов, полученных методом ИПС.

Скачать (143KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Изображения РЭМ исходных порошковых материалов.

Скачать (807KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Изображения РЭМ (а) и ЭДС-анализ (б) керамических материалов состава TiO2–ГАП 20% и TiO2–ГАП 50%, полученных методом ИПС.

Скачать (619KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Изображения РЭМ, фазовый состав и ЭДС-анализ поперечного среза образца TiO2–HAP 20% и Ti-6Al-4V соединенного типа.

Скачать (978KB)
Метаданные
9. Рис. 8. График “ящик с усами” для значений микротвердости по Виккерсу, полученных на поверхности образцов биокерамик состава ГАП, TiO2–ГАП 20%, TiO2–ГАП 50% (а) и на поверхности поперечного среза образца Ti-6Al-4V, TiO2–ГАП 20% (б).

Скачать (247KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025