Transcript "Wpływ modyfikacji powierzchni implantów stalowych na szybkość

Wpływ modyfikacji powierzchni
implantów stalowych
na szybkość uwalniania
jonów metali ciężkich do organizmu
Monika Cieślik
Środowiskowe Studia Doktoranckie IMIM PAN – UJ
Inżynieria Materiałowa
promotor: dr hab. Andrzej Kotarba
Motywacja
Statystyka (Polska):
• tylko 1/6 z planowanych operacji jest zrealizowana
• czas czekania na operację : ~ 3 lata
• najbardziej popularny materiał na implanty metalowe – tytan
• koszt implantu metalowego: ~ 1 000 zł – 10 000 zł
Stopy na implanty metalowe:
Periodic table of elements
stal nierdzewna
zawiera: Fe, Cr, Ni, Mo, …
stopy na bazie kobaltu
stopy tytanu
stopy z pamięcią kształtu
Główny problem
Ucieczka jonów metali z powierzchni implantu do organizmu
Płyn fizjologiczny
Fe2+
M  Mn++ne-
Cr3+
Ni2+
Płyn Hanksa
Powłoka parylenowa
powierzchnia
Powłoka silanowa
Implant
Fe
Cr
Ni
Stal nierdzewna
Metaloza – toksyczny wpływ implantów na otaczające tkanki
Fe – toksyczny, karcenogenny
Cr – toksyczny, jony Cr (VI) rakotwórcze
Ni – toksyczny, rakotwórczy
Jak zablokować proces? → Zastosować powłoki !!!
Strategia badań
Obróbka
Surface
powierzchni
finishing
Stal
Stainless
nierdzewna
steel
Polymer
Powłoki
coating
polimerowe
Problemy do rozwiązania
Odporność
korozyjna
Uwalnianie jonów
metali
Zmiany na
powierzchni
Rodzaje metod analitycznych
Pomiary
elektrochemiczne
Długoterminowe
testy in vitro
Charakterystyka
powierzchni
Strategia badań
próbki
analiza
materiały
informacje
metody
mikroskopia
SEM, CM
Zmiany na
powierzchni
Praca
wyjścia
sztuczne płyny
fluids
fizjologiczne
Odporność
korozyjna
XPS
Elektrochemiczna
spektroskopia
impedancyjna
Testy
uwalniani
a jonów
Potencjał w
obwodzie
otwartym
Atomowa
spektroskopia
adsorpcyjna
Materiały
Materiały i płyny
BA
- Stainless steel 316L
Fe
C
Cr
Ni
Mo
Mn
Si
S
P
N
base
0,08
16 - 18
10 - 14
2-3
max 2
0,75
max 0,03
0 – 0,045
max 0,1
- Powłoki polimerowe
Silane A174
- Płyn Hanksa
+
-
μm grubość
Parylene N
+ H 2 O2
NaCl
CaCl2
MgSO4*7H2O
KCl
KH4PO4
NaHCO3
Na2HPO4*2H2O
Glucose
0.8 g
0,02g
0,02g
0,04g
0,01g
0,127g
0,01g
0,2g
Fe2+ + H2O2 → Fe3+ + OH- + OH.
Katalaza
Materiały
Powłoka parylenowa:
• tworzenie powłoki bezpośrednio na powierzchni osadzania
w temperaturze pokojowej - bez naprężeń
• chemicznie i biologicznie obojętna
• ciągła i oddająca dobrze kształt pokrywanego przedmiotu
• dobre właściwości mechaniczne
• monomer całkowicie penetruje powierzchnie do 0.01mm
• hydrofobowa
• niska przepuszczalność cieczy i gazów
• dobre właściwości dielektryczne
• transparentna
• stabilna w dużym zakresie temperatur (-200 'C to +200 'C)
Para Tech company
Wyniki – testy elektrochemiczne
Powierzchnia stali – pomiary EIS
106
Bode plot
105
|Z|
-400000
104
103
102
101
10-2
Hanks
10-1
100
101
102
103
104
103
104
Frequency (Hz)
-300000
-100
Hanks+H2O2
theta
Z''
-75
-200000
-50
-25
0
10-2
Gdzie:
IZI = Z’ + jZ’’
10-1
101
102
Frequency (Hz)
-100000
IZI – Impedancja (Ω)
Z’ – rzeczywista część impedancji
Z’’ – część urojona impedancji
100
Nyquist plot
0
0
100000
200000
Z'
300000
400000
Wyniki – testy elektrochemiczne + morfologia
-500000
powierzchnia
stali niepokryta
-400000
powierzchnia pokryta
silanem
-500000
-400000
Hanks
Hanks
-300000
Z''
Z''
-300000
Hanks+H2O2
-200000
-200000
-100000
-100000
Hanks+H2O2
0
0
0
100000
200000
0
300000
100000
-500000
Hanks
Hanks+H2O2
-400000
200000
300000
Z'
Z'
powierzchnia pokryta
parylenem N
-500000
Hanks+H2O2
-400000
Z''
-300000
Z''
-300000
-200000
-200000
-100000
-100000
0
powierzchnia pokryta
silanem+parylen N
Hanks
0
0
100000
200000
Z'
300000
0
100000
200000
Z'
300000
Wyniki – testy elektrochemiczne
1,E+10
Płyn Hanksa
1,E+09
Impedancja/ Om
Stal pokryta powłoką
silanowo-parylenową
1,E+08
1,E+07
?
płyn Hanksa z H2O2
Płyn Hanksa
1,E+06
Stal niepokryta
1,E+05
Płyn Hanksa z H2O2
1,E+04
0
50
100
150
200
250
czas/ godziny
M. Cieślik et al. Corros. Sci 51 (5) (2009) 1157
Wyniki – charakterystyka powierzchni
przed testami EIS
po 9 dniach testów EIS w płynie Hanks
po 9 dniach testów EIS w płynie Hanksa
+H2O2
Zdjęcia z mikroskopu
elektronowego SEM próbek stali
pokrytych podwójną warstwą
silanowo-parylenową przed i po
testach elektrochemicznych EIS
Model degradacji powłoki w obecności H2O2
płyn Hanksa z H2O2
1
2
3
1
1h
2
1dzień
3
7dni
Wyniki – testy uwalniania jonów – in vitro
próbka
1
Całkowita ilość uwolnionych 0,25
jonów metali po 4 – ech
0,80,2
tygodniach testów in vitro
niepokryta
pokryta
powłoką
parylenową
pokryta
powłoką
silanowo-parylenową
a)
Płyn Hanksa
Fe > Ni >> Cr
b)
Płyn Hanksa +H2O2
Fe > Cr > Ni
Ilość uwalnianych jon ów / µg cm-2
0,15
0,6
0.40,1
0,2
0,05
00
1
2
1
2
3
1010
88
66
44
22
00
3
M. Cieślik et al. Corros. Sci (2010)
Wnioski:
• powłoki parylenowe mogą służyć do ochrony powierzchni implantów
metalowych przed procesami korozyjnymi
• w celu skutecznej ochrony powierzchni metalowej należy zoptymalizować
parametry powłoki (grubość, rodzaj parylenu, elastomer)
• obecność nadtlenku wodoru ma negatywny wpływ na właściwości ochronne
warstwy polimerowej
• pomiary EIS pozwoliły opracować model degradacji powłoki ochronnej
Obecnie:
Długotrwałe testy uwalniania jonów metali z próbek stali pokrytych
powłokami silanowo-parylenowymi o różnej grubości
Projekt jest wykonywany we współpracy z:
Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej , PAN
Wydział Chemii, Uniwersytet Jagielloński
KIMAB Polymeric Materials Department
KTH Corrosion Science Division
LfC Sp. z o.o.
Para Tech
Projekt realizowany w ramach programu Ventures Fundacji na rzecz Nauki Polskiej
współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej – Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
Dziękuje za uwagę