Создание для травматологии и ортопедии имплантатов, биологически совместимых с живой тканью, является актуальной задачей в современной медицине. Анализ литературных данных показывает, что наибольший интерес в этой области представляет титан, основной чертой которого является способность к пассивации в биологических жидкостях организма (лимфе, плазме крови), что значительно снижает скорость коррозии и проникновение ионов металла в кровь и лимфу. Кроме того, величина электростатического потенциала, формирование двойного заряженного слоя в непосредственной близости к поверхности имплантата имеет важное значение, поскольку они влияют на трансформацию биологических молекул, адсорбирующихся на их поверхности (Thull, 1990, 1994).
Хотя пассивный слой, образующийся на титане и его сплавах и состоящий, в основном, из диоксида титана, находящегося в аморфном или гелеобразном состоянии, значительно снижает величину потенциала, он не обладает достаточной сдвиговой прочностью, поэтому при наличии механической нагрузки и микроперемещениях имплантата может легко разрушаться, что приводит к увеличению отрицательного потенциала и ускорению коррозии (Thull, 1982). В связи с этим большое внимание уделяется созданию на имплантатах покрытий, обладающих диэлектрическими свойствами и высокой механической прочностью. Наиболее подходящим материалом для покрытий может служить оксид титана, наносимый на поверхность титана или сплава с помощью специальных технологий (Thull, 1994). Преимущество оксида титана перед другими покрытиями определяется следующими свойствами:
Разработка технологии создания покрытий должна сопровождаться решением целого комплекса проблем, связанных с отработкой методики их первичного исследования, определения физических и механических характеристик, обнаружения дефектов в покрытиях, оценки их химического состава и структурного состояния, проведения токсикологических испытаний.
В настоящей работе представлены данные об исследовании покрытий на титане и его сплавах, нанесенных методами анодно-искрового и микродугового оксидирования.
Вольтамперная характеристика анодной обработки вентильных металлов. Обозначение напряжений: Uп, Uпп - начало и полная пассивация; Unp - пробой пассивной пленки; Uб, Unб - начало и полное формирование барьерной пленки; Uи - начало искрового режима; U'и - начало второго искрового режима; UД - возникновение дуги
По мере формирования барьерного слоя ток снижается до точки напряжения полной барьерной пассивации поверхности Uпб. Дальнейшее повышение напряжения до Uи не приводит к росту тока (участок II). При этом скорость образования барьерного слоя равна скорости его растворения.
Вся область от О до Uи является фарадеевской, так как количество выделившегося кислорода и окислившегося металла суммарно соответствуют количеству прошедшего электричества.
При напряжении Uи возникает первый искровой пробой. Это напряжение называется напряжением искрения. Первые пробои появляются в «слабых» местах барьерной пленки. Это могут быть посторонние включения и нарушения кристаллической решетки пленки, которые облегчают зарождение электронной лавины. В качестве таких центров могут выступать примеси анодируемого металла, а также анионы электролита, способные внедряться в пленку. Распределение «слабых» мест в пленке случайно, и значение Uи не воспроизводимо для одной и той же системы металл-электролит.
Барьерная пленка разрушается в месте пробоя. Образовавшийся кратер заполнен электролитом и достигает поверхности металла. Плотность тока на дне кратера максимальна благодаря отсутствию сопротивления оксида. Из-за большой плотности тока на дне кратера появляется электронная составляющая через границу металл-оксид-электролит (возникает искровой разряд). Несмотря на малое время жизни искры, температура на микроучастке поверхности металла на дне кратера повышается и достигает двух и более тысяч градусов. Это обеспечивает появление на дне кратера новой оксидной пленки, более толстой по сравнению с соседними участками. Так происходит «залечивание» места пробоя вследствие оплавления металла, взаимодействия его с водой, кислородом и электролитом, а также в результате быстрого охлаждения и образования утолщенного участка покрытия (Черненко и др., 1991).
Соседние с местом искрового пробоя участки барьерной пленки разогреваются, что ведет к снижению электрического сопротивления в них. Поэтому следующий пробой располагается по соседству со старым.
Постепенно на поверхности металла вместо тонкого барьерного оксидного слоя формируется более прочное и толстое анодно-искровое покрытие (АИП).
При дальнейшем росте напряжения электрический ток снижается (участок III), т.к. с ростом толщины анодно-искрового покрытия увеличивается сопротивление. Число искр уменьшается, но растут их размеры.
При определенном напряжении Uи может произойти новый искровой пробой уже сформировавшегося анодно-искрового покрытия и при больших напряжениях наступит новый этап анодно-искрового оксидирования (участок II). Он связан, по-видимому, с исчезновением низших степеней окисления металла в толще АИП, а также с изменением в связи с этим механизма проводимости. При этом качество покрытий в результате более мощных искровых пробоев снижается из-за возникновения пор, достигающих подложки.
Поэтому долгое время считалось, что полученные в режиме искрения оксидные покрытия обладают более низкими защитными и диэлектрическими свойствами, чем традиционные беспористые пленки, сформировавшиеся в фарадеевской области. Но в доискровом режиме нельзя получить пленки значительной толщины. Если анодно-искровое покрытие формировать в режиме участка III вольтамперной кривой, то получим покрытия, превосходящие по своим свойствам традиционные анодные пленки.
Анодно-искровой характер формирования покрытия на участке IV сохраняется вплоть до появления микродуг при напряжении Uд. Они также хаотично перемещаются по поверхности. Появление дуг вызывает разрушение анодно-искрового покрытия и даже металла подложки. В связи с резким падением электрического сопротивления на границе электролит-металл ток остается постоянно большим или даже возрастает.
А.В. Карпов, В.П. Шахов
Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики
Подберём Вам бесплатно нужного врача-специалиста