CC BY
56
© С. Л. Старикова
УДК 616. 314-089. 843-092. 9
С. Л. Старикова
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕХОДНЫХ ГРУПП ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМПЛАНТАТОВ
Харьковская медицинская академия последипломного образования, (г. Харьков)
Данная работа является фрагментом НИР «Клінічний перебіг основних стоматологічних захворювань з урахуванням соматичної патології в умовах екологічно-небезпечних факторів довкілля, розробка схем профілактики лікування та реабілітації хворих з використанням вітчизняних матеріалів», № гос. регистрации 011011002440.
Вступление. В настоящее время разработано множество типов имплантатов. Для их изготовления применяют в основном металлы и реже керамику из-за ее высокой хрупкости [2, 3, 5, 6]. Используемые металлы должны обладать достаточно высокой коррозионной стойкостью, поэтому, как правило, выбор ограничен металлами четвертой и пятой групп Периодической системы: Ті, Zr, №, ЫЬ, Та. Высокая коррозионная стойкость этого круга металлов обеспечивается оксидными пленками, образующимися на их поверхности [1, 8]. Такие пленки имеют высокую сплошность, адгезионную и механическую прочность [7]. Усилить защитные свойства таких пленок можно путем анодного окисления, обеспечивающего принудительное увеличение их толщины, при воздействии высоких внешних электрических полей в газовых или жидких средах [1]. В связи высокой стоимостью и дефицитностью ряда металлов рассматриваемой группы целесообразно установить, какие из них демонстрируют максимальную пассивность к коррозии в биосредах для мотивации оптимального выбора металла для изготовления имплантата или покрытия для имплантата в различных конкретных условиях.
Цель работы - сравнительное исследование устойчивости металлов четвертой и пятой групп Периодической системы к электрохимической коррозии в исходном состоянии и после анодной обработки.
Объект и методы исследования. В качестве объекта исследований выступали пластины, моделирующие стоматологические имплантаты, из титана, циркония, гафния, ниобия и тантала. Все металлы были разделены на две группы из-за различия их кристаллического строения, так как это могло отразиться на конечных результатах. В первую группу вошли металлы с гексагональной плотноупакован-ной решеткой: титан, цирконий и гафний. Во вторую группу вошли металлы с объемно-центрированной кубической решеткой: ниобий и тантал. Таким образом, можно было сравнить металлы с одинаковой
кристаллическом решеткой в рамках одной группы, а также провести межгрупповое сравнение.
Металлические имплантаты исследовались как в исходном состоянии с толщиной естественных оксидов ~ 1 нм, так и после анодного окисления, когда толщина поверхностного оксида увеличивалась до 200 нм. Анодное окисление проводилось в 0,01 % - водном растворе ортофосфорной кислоты. В качестве противоэлектрода использовалась танталовая пластина [6].
Измерения электродных потенциалов металлов в исходном состоянии и после окисления проводились в электрохимической ячейке, заполненной физиологическим раствором (0,9 % - водный раствор ЫаС1), в паре со стандартным хпорсеребряным электродом [7].
Результаты исследований и их обсуждение. Величины электродных потенциалов исследуемых металлов в исходном состоянии в зависимости от массы атома представлены на рисунке 1.
Из рисунка 1 видно, что, наблюдается некоторое превосходство в способности к естественной пассивации у металлов с объемно-центрированной кристаллической решеткой - ниобия и тантала. Причем потенциал тантала даже без дополнительной обработки существенно приближен к потенциалам благородных металлов. Следует отметить, что активность металлов с ростом их атомарной массы снижается. Это можно объяснить большей начальной реагентной способностью тяжелых металлов,
т, а.е.
Рис. 1. Зависимость электродных потенциалов металлов от их атомной массы в исходном состоянии.
практически не поменялось, за исключением перестановки циркония и ниобия.
Полученные экспериментальные зависимости показывают, что для изготовления имплантатов или покрытий на них целесообразно использовать более тяжелые металлы как с одним, так и с другим типом кристаллической решетки. Единственное, что может ограничить такой выбор, будет необходимость изготовления имплантируемой конструкции значительных размеров. В этом случае общая масса имплантата может оказаться значительной (атомный вес гафния и тантала в два раза превышает атомный вес циркония и ниобия), что может вызвать дискомфорт у пациента. Выходом из данной ситуации может быть изготовление тонких покрытий на имплантатах из этих металлов с последующим их окислением. В этом случае пассивность имплантата будет максимальной, а изменение массы практически незаметным.
Металлы с кубической решеткой в основном демонстрировали более высокую пассивность, чем металлы с гексагональной решеткой. А если же учесть их более высокий модуль упругости, пластичность и отсутствие полиморфных превращений при нагреве, то можно заключить, что их использование более приоритетно.
Выводы. Использование ряда металлов переходных групп для изготовления имплантатов или покрытий на их поверхности представляет достаточно высокий интерес. По сравнению с широко использующимся в настоящее время титаном более тяжелые металлы обладают существенно большей способностью к пассивации. Выращивание анодных оксидных пленок на поверхности рассматриваемых металлов приближает их по устойчивости против коррозии к благородным металлам.
Перспективы дальнейших исследований. Будущие исследования будут связаны с проведением натурных испытаний имплантатов, изготовленных из различных металлов четвертой и пятой групп Периодической системы, на животных.
Литература
1. Байрачный Б. И. Электрохимия вентильных металлов / Б. И. Байрачный, Ф. К. Андрющенко. - Харьков : Высшая школа, 1985. - 144 с.
2. Вортингтон Ф. Остеоинтеграция в стоматологии / Ф. Вортингтон, Б. Р. Ланг, В. Е. Лавелле. - М.: Квинтэссенция, 1994. - 126 с.
3. Куцевляк В. И. Особенности электрохимического взаимодействия материалов имплантата и протеза / В. И. Куцевляк, С. Л. Старикова, В. В. Стариков // Современная стоматология. - 2005. - № 4. - С. 130-132.
4. Параскевич В. Л. Дентальная имплантология. Основы теории и практики / В. Л. Параскевич. - М.: Медицинское информационное агентство, 2006. - 400 с.
5. Суров О. Н. Зубное протезирование на имплантатах / О. Н. Суров. - М.: Медицина, 1993. - 204 с.
6. Kutsevlyak V. I. Influence of implant surface modification on integration with bone tissue / V. I. Kutsevlyak, V. V. Starikov, S. L. Starikova [et al.] // Journal of Biological Physics and Chemistry. - 2008. - Vol. 8. - P 147-150.
7. Starikov V. V. The application of niobium and tantalum oxides for implant surface passivation / V. V. Starikov, S. L. Starikova, A. G. Mamalis [et al.] // Journal of Biological Physics and Chemistry. - 2007. - Vol. 7. - P. 141-145.
8. Ungersboeck A. Tissue reaction to bone plates made of pure titanium: a prospective, quantitative clinical study / A. Ungers-boeck, V. Geret, О. Pohler, M. Schuetz, W. Wuest // J. Materials Science. Materials in Medicine. -1995. -Vol. 6. -№ 4. -P 223-229.
т, а.е.
Рис. 2. Зависимость электродных потенциалов металлов от их атомной массы после анодного окисления поверхности.
в том числе большей активностью при взаимодействии с кислородом, а, следовательно, более высокой скоростью естественной пассивации. Оксиды, растущие на поверхности таких металлов, имеют высокую сплошность и значительное удельное электрическое сопротивление и после своего образования практически полностью блокируют последующую электрохимическую коррозию.
После анодной обработки металлов толщина оксидных пленок на их поверхности увеличилась в 100 раз. На рисунке 2 представлено изменение величин потенциалов металлов после такой обработки.
Электродные потенциалы всех металлов сместились к положительным значениям. При этом характер зависимости потенциалов от атомарной массы сохранился: более тяжелые металлы пассивируются лучше. Несмотря на то, что величина такого смещения у металлов с гексагональной плотноу-пакованной решеткой (Т1, Zr, Ж) почти в 1,5-2 раза выше, чем у металлов с объемно-центрированной решеткой (ЫЬ, Та), соотношение зависимостей для металлов с разными кристаллическими решетками
УДК 616. 314-089. 843-092. 9
ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ МЕТАЛЛОВ ПЕРЕХОДНЫХ ГРУПП ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ИМПЛАНТАТОВ
Старикова С. Л.
Резюме. В работе проводится сравнительный анализ коррозионной стойкости металлов четвертой и пятой групп Периодической системы в исходном состоянии и после анодного окисления их поверхности. Рассматривается зависимость пассивности металлов от их атомной массы и типа кристаллической решетки.
Ключевые слова: имплантат, коррозия, пассивация, электродный потенциал, анодное окисление.
УДК 616. 314-089. 843-092. 9
ПЕРСПЕКТИВИ ЗАСТОСУВАННЯ МЕТАЛІВ ПЕРЕХІДНИХ ГРУП ДЛЯ ВИГОТОВЛЕННЯ ІМПЛАНТАТІВ
Старікова С. Л.
Резюме. В роботі проводиться порівняльний аналіз корозійної стійкості металів четвертої і п’ятої груп Періодичної системи у вихідному стані та після анодного окислення їх поверхні. Розглядається залежність пасивності металів від їх атомної маси та типу кристалічної решітки.
Ключові слова: імплантат, корозія, пасивація, електродний потенціал, анодне окислення.
UDC 616. 314-089. 843-092. 9
Prospects of Application of Transitive Groups Metals for Implants Manufacturing
Starikova S. L.
Summary. In the present time for implants manufacturing the metals from fourth and fifth groups (Ti, Zr, Hf, Nb, Ta) of Periodic System are applied usually. Their high corrosion stability is provided by oxide layers which are formed on metals surface. Such oxide films have high continuousness, adhesive and mechanical strength. To increase of protective properties of these films it is possible by additional anodic oxidation ensuring forced increase of their thickness.
The purpose of work - comparative research of stability of metals from fourth and fifth groups of Periodic System to electrochemical corrosion in initial state and after anodic oxidation.
As object of researches we used the plates made of titanium, zirconium, hafnium, niobium and tantalum which were analogues of dental implants. All samples were divided into two groups. The first group included metals with hexagonal highly-packed grating such as titanium, zirconium and hafnium. Second group included metals with body centered cubic lattice - niobium and tantalum. The metal implants were investigated in initial state with thickness of natural oxides ~ 1 nm and after anodic oxidation when the surface oxide thickness was increased to 200 nm.
The measurements of metals electrode potential in initial state and after anodic oxidation were conducted in an electrochemical cell filled with physiological fluid (0,9% aqueous solution of NaCl) and an AgCl reference electrode was used.
In initial state it was shown some superiority in ability to natural passivation for metals with body centered crystal lattice - niobium and tantalum. And the potential of tantalum even without after-treatment was essentially approximate to potentials of noble metals. It is necessary to mark that the activity of metals with increase of their atomic weight was reduced. It can be explain by greater initial reagent ability of heavy metals, including greater activity at interaction with oxygen and, therefore, by more high speed of natural passivation.
After anodic processing of metals the thickness of oxide layers on their surface was increased in 100 times. The electrode potentials of all metals shifted to positive values. Thus the nature of potentials dependence on atomic weight was kept: heavy metals were passivated better.
The obtained experimental dependences demonstrate that it is expedient to use heavy metals of both crystal lattice types for manufacturing of implants or implants coatings. The metals with a cubic lattice basically demonstrated higher passivity in comparison with metals with hexagonal lattice. And if to take into account them higher elasticity modulus, plasticity and absence of polymorphic transformations at heating it is possible to conclude that their use is more priority.
The more heavy metals have much greater ability to passivation in comparison with titanium that widely used now. The forming of anodic oxide layers on surface of considered metals approximates there corrosion stability to noble metals one.
The future researches will be connected to realization of full-scale tests of implants made of metals from fourth and fifth groups of Periodic System for animal.
Key words: implant, corrosion, passivation, electrode potential, anodic oxidation.
Рецензент - проф. Новіков В. М.
Стаття надійшла б. 06. 2013 р.
