Đặc tính ăn mòn sinh học của hợp kim Ti–3Cu trong dung dịch chứa ion F và dung dịch axit cùng khả năng tương thích sinh học

Rare Metals - Tập 38 - Trang 503-511 - 2019
Dian-Geng Cai1, Mian-Mian Bao1, Xiao-Yan Wang2, Lei Yang1, Gao-Wu Qin1, Ren-Xian Wang3, Da-Fu Chen3, Er-Lin Zhang1
1School of Materials Science and Engineering, Key Laboratory for Anisotropy and Texture of Materials, Education Ministry of China, Northeastern University, Shenyang, China
2School of Metallurgy, Northeastern University, Shenyang, China
3Laboratory of Bone Tissue Engineering, Beijing Laboratory of Biomedical Materials, Beijing Research Institute of Orthopaedics and Traumatology, Beijing JiShuiTan Hospital, Beijing, China

Tóm tắt

Hợp kim Ti–3Cu đã cho thấy điểm nóng chảy thấp và tính chất kháng khuẩn mạnh mẽ đối với S. aureus và E. coli, do đó có khả năng ứng dụng tiềm năng như vật liệu nha khoa cũng như trong ứng dụng chỉnh hình. Trong bài báo này, các đặc tính ăn mòn của hợp kim Ti–3Cu trong năm loại dung dịch mô phỏng đã được nghiên cứu so sánh với cp-Ti (titan thương phẩm nguyên chất) bằng công nghệ điện hóa và thí nghiệm ngâm. Kết quả điện hóa cho thấy hợp kim Ti–3Cu biểu hiện tiềm năng ăn mòn cao hơn, mật độ dòng điện ăn mòn thấp hơn và khả năng kháng ăn mòn cao hơn so với cp-Ti trong tất cả các dung dịch, đặc biệt là trong dung dịch nước bọt-pH6.8+0.2F và nước bọt-pH3.5, cho thấy rằng hợp kim Ti–3Cu có tính chất chống ăn mòn tốt hơn rất nhiều so với cp-Ti. Kết quả ngâm cũng cho thấy rằng ion Ti và ion Cu đã được giải phóng từ Ti–3Cu, đặc biệt trong dung dịch nước bọt-pH6.8+0.2F và nước bọt-pH3.5. Cả dữ liệu điện hóa và kết quả ngâm đều cho thấy tỷ lệ ăn mòn cao và tỷ lệ giải phóng ion kim loại cao được phát hiện trong dung dịch chứa ion F và dung dịch có pH thấp, cho thấy rằng F− và pH thấp có tác động rất mạnh đến cp-Ti và hợp kim Ti–3Cu. Hình thái bề mặt bị ăn mòn đã được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét (SEM), và độ nhám đã được thử nghiệm ở phần cuối. Khả năng kháng ăn mòn tốt của hợp kim Ti–3Cu kháng khuẩn gợi ý tiềm năng lớn của nó trong ứng dụng y sinh lâu dài.

Từ khóa


Tài liệu tham khảo

Niinomi M. Recent research and development in titanium alloys for biomedical applications and healthcare goods. Sci Technol Adv Mater. 2003;4(5):445. Rack HJ, Qazi JI. Titanium alloys for biomedical applications. Mater Sci Eng C-Biomim Supramol Syst. 2006;26(8):1269. Wilches LV, Uribe JA, Toro A. Wear of materials used for artificial joints in total hip replacements. Wear. 2008;265(1–2):143. Elias CN, Lima JHC, Valiev R, Meyers MA. Biomedical applications of titanium and its alloys. JOM. 2008;60(3):46. Tamilselvi S, Raman V, Rajendran N. Corrosion behaviour of Ti–6Al–7Nb and Ti–6Al–4V ELI alloys in the simulated body fluid solution by electrochemical impedance spectroscopy. Electrochim Acta. 2006;52(3):839. Vasilescu C, Drob P, Vasilescu E, Demetrescu I, Ionita D, Prodana M, Drob SI. Characterisation and corrosion resistance of the electrodeposited hydroxyapatite and bovine serum albumin/hydroxyapatite films on Ti–6Al–4V–1Zr alloy surface. Corrosion Sci. 2011;53(3):992. Al-Mayouf AM, Al-Swayih AA, Al-Mobarak NA, Al-Jabab AS. Corrosion behavior of a new titanium alloy for dental implant applications in fluoride media. Mater Chem Phys. 2004;86(2–3):320. Pulikkottil VJ, Chidambaram S, Bejoy P, Femin P, Paul P, Rishad M. Corrosion resistance of stainless steel, nickel-titanium, titanium molybdenum alloy, and ion-implanted titanium molybdenum alloy archwires in acidic fluoride-containing artificial saliva: an in vitro study. J Pharm Bioallied Sci. 2016;8(S1):S96. Nakagawa M, Matsuya S, Koich U. Corrosion behavior of pure titanium and titanium alloys in fluoride-containing solutions. Dent Mater J. 2001;20(4):305. Huang H-H. Effect of fluoride and albumin concentration on the corrosion behavior of Ti–6Al–4V alloy. Biomaterials. 2003;24(2):275. Huang HH. Effects of fluoride concentration and elastic tensile strain on the corrosion resistance of commercially pure titanium. Biomaterials. 2002;23(1):59. Souza J, Barbosa S, Ariza E, Celis JP, Rocha L. Simultaneous degradation by corrosion and wear of titanium in artificial saliva containing fluorides. Wear. 2012;292:82. Luo P, Wang S, Zhao T, Li Y. Surface characteristics, corrosion behavior, and antibacterial property of Ag-implanted NiTi alloy. Rare Met. 2013;32(2):113. Shirai T, Tsuchiya H, Shimizu T, Ohtani K, Zen Y, Tomita K. Prevention of pin tract infection with titanium-copper alloys. J Biomed Mater Res B Appl Biomater. 2009;91(1):373. Zhang E, Li F, Wang H, Liu J, Wang C, Li M, Yang K. A new antibacterial titanium–copper sintered alloy: preparation and antibacterial property. Mater Sci Eng, C. 2013;33(7):4280. Zhang E, Ren J, Li S, Yang L, Qin G. Optimization of mechanical properties, biocorrosion properties and antibacterial properties of as-cast Ti–Cu alloys. Biomed Mater. 2016;11(6):065001. Zhang E, Wang X, Chen M, Hou B. Effect of the existing form of Cu element on the mechanical properties, bio-corrosion and antibacterial properties of Ti–Cu alloys for biomedical application. Mater Sci Eng, C. 2016;69:1210. Ren L, Ma Z, Li M, Zhang Y, Liu W, Liao Z, Yang K. Antibacterial properties of Ti–6Al–4V–xCu alloys. J Mater Sci Technol. 2014;30(7):699. Chern Lin JH, Moser JB, Taira M, Greener EH. Cu–Ti, Co–Ti and Ni–Ti systems: corrosion and microhardness. J Oral Rehabil. 1990;17(4):383. Liu J, Li F, Liu C, Wang H, Ren B, Yang K, Zhang E. Effect of Cu content on the antibacterial activity of titanium-copper sintered alloys. Mater Sci Eng C-Mater Biolog Appl. 2014;35:392. Taira M, Moser JB, Greener EH. Studies of Ti alloys for dental castings. Dent Mater. 1989;5(1):45. Bai B, Zhang E, Dong H, Liu J. Biocompatibility of antibacterial Ti–Cu sintered alloy: in vivo bone response. J Mater Sci-Mater Med. 2015;26(12):265. Liu J, Zhang X, Wang H, Li F, Li M, Yang K, Zhang E. The antibacterial properties and biocompatibility of a Ti–Cu sintered alloy for biomedical application. Biomed Mater. 2014;9(2):25013. Takahashi M, Kikuchi M, Takada Y, Okuno O. Mechanical properties and microstructures of dental cast Ti–Ag and Ti–Cu alloys. Dent Mater J. 2002;21(3):270. Kikuchi M, Takada Y, Kiyosue S, Yoda M, Woldu M, Cai Z, Okuno O, Okabe T. Mechanical properties and microstructures of cast Ti–Cu alloys. Dent Mater. 2003;19(3):174. Ohkubo C, Shimura I, Aoki T, Hanatani S, Hosoi T, Hattori M, Oda Y, Okabe T. Wear resistance of experimental Ti–Cu alloys. Biomaterials. 2003;24(20):3377. Kikuchi M, Takahashi M, Okabe T, Okuno O. Grindability of dental cast Ti–Ag and Ti–Cu alloys. Dent Mater J. 2003;22(2):191. Hattori M, Kaku S, Hasegawa K, Kawada E, Oda Y, Okabe T. Casting accuracy of experimental Ti–Cu alloys. J Dent Res. 2000;79:416. Mutlu I, Oktay E. Characterization of 17-4 PH stainless steel foam for biomedical applications in simulated body fluid and artificial saliva environments. Mater Sci Eng, C. 2013;33(3):1125. Bao M, Liu Y, Wang X, Yang L, Li S, Ren J, Li S, Yang L, Qin G, Zhang E. Optimization of mechanical properties, biocorrosion properties and antibacterial properties of wrought Ti–3Cu alloy by heat treatment. Bioact Mater. 2018;3(1):28. Chaturvedi T. An overview of the corrosion aspect of dental implants (titanium and its alloys). Indian J Dent Res. 2009;20(1):91. Tomashov N, Altovsky R, Chernova G. Passivity and corrosion resistance of titanium and its alloys. J Electrochem Soc. 1961;108(2):113. Hickman J, Gulbransen E. Oxide films formed on titanium, zirconium, and their alloys with nickel, copper, and cobalt. Anal Chem. 1948;20(2):158. Virtanen S, Milošev I, Gomez-Barrena E, Trebše R, Salo J, Konttinen Y. Special modes of corrosion under physiological and simulated physiological conditions. Acta Biomater. 2008;4(3):468. Morcillo M, Diaz I, Chico B, Cano H, de la Fuente D. Weathering steels: from empirical development to scientific design. A review. Corros Sci. 2014;83:6. Sun Q, Yu Z, Zhu R. Dynamic fracture toughness of Ti–2.5Cu alloy strengthened with nano-scale particles at room and low temperatures. Mater Sci Eng, A. 2008;483:131. Liu J, Li F, Liu C, Wang H, Ren B, Yang K, Zhang E. Effect of Cu content on the antibacterial activity of titanium–copper sintered alloys. Mater Sci Eng, C. 2014;35:392. Osório WR, Cremasco A, Andrade PN, Garcia A, Caram R. Electrochemical behavior of centrifuged cast and heat treated Ti–Cu alloys for medical applications. Electrochim Acta. 2010;55(3):759. Davis JR. Copper and Copper Alloys. Cleveland: ASM International; 2001. 13. Santo CE, Lam EW, Elowsky CG, Quaranta D, Domaille DW, Chang CJ, Grass G. Bacterial killing by dry metallic copper surfaces. Appl Environ Microbiol. 2011;77(3):794. Cakmak H, Taylor HS. Implantation failure: molecular mechanisms and clinical treatment. Hum Reprod Update. 2011;17(2):242. Brewer GJ. Risks of copper and iron toxicity during aging in humans. Chem Res Toxicol. 2010;23(2):319. Cao B, Zheng Y, Xi T, Zhang C, Song W, Burugapalli K, Yang H, Ma Y. Concentration-dependent cytotoxicity of copper ions on mouse fibroblasts in vitro: effects of copper ion release from TCu380A vs TCu220C intra-uterine devices. Biomed Microdevice. 2012;14(4):709. Bennett MR, Anglin S, Mcewan JR, Jagoe R, Newby AC, Evan GI. Inhibition of vascular smooth muscle cell proliferation in vitro and in vivo by c-myc antisense oligodeoxynucleotides. J Clin Investig. 1994;93(2):820. Gérard C, Bordeleau LJ, Barralet J, Doillon CJ. The stimulation of angiogenesis and collagen deposition by copper. Biomaterials. 2010;31(5):824. Zhang E, Zheng L, Liu J, Bai B, Liu C. Influence of Cu content on the cell biocompatibility of Ti–Cu sintered alloys. Mater Sci Eng, C. 2015;46:148.