Оценка антибактериальных свойств монослойных покрытий Cu-Nb и Cu-Ta на биомедицинском сплаве Ti-6Al-4V
DOI:
https://doi.org/10.52889/1684-9280-2024-1-71-14-20Ключевые слова:
биомедицинский сплав, магнетронное распыление, антибактериальное покрытие, перипротезная инфекцияАннотация
Цель исследования: Оценка антибактериальных свойств двухкомпонентных металлических покрытий на основе Cu-Ta и Cu-Nb нанесенных на образцы из биомедицинского сплава Ti-6Al-4V методом магнетронного напыления.
Методы. Двухкомпонентные металлические покрытия на основе Cu-Ta и Cu-Nb были получены методом магнетронного напыления при совместном распылении мишеней из чистых металлов Cu, Nb, Ta. Оценка антибактериальных и противомикробных свойств покрытий проводилась in vitro с использованием метода дисковой диффузии, также известного как метод радиальной диффузии в агар.
Результаты. Было установлено, что покрытия толщиной 10 мкм продемонстрировали различную степень
антимикробной эффективности в течение трех дней тестирования: максимальная зона ингибирования покрытия Ta-Cu достигала 24,0 мм для S. Aureus и 17,0 мм для C. Albicans. Для покрытия Nb-Cu максимальная зона ингибирования достигала 25,0 мм для of S. Aureus и 15,5 мм для C. Albicans.
Выводы. Подобраны режимы магнетронного напыления постоянного тока антибактериальных тонких пленок Ta-Cu Nb-Cu на подложки из сплава Ti-6Al-4V. Антимикробное действие покрытий Ta-Cu и Nb-Cu более эффективно против бактерий, чем против грибков, и при одинаковой толщине покрытия Ta-Cu лучше подходят для защиты эндопротеза от микробных инфекций, чем покрытия Nb-Cu. Покрытия Ta-Cu и Nb-Cu перспективны для производства эндопротезных имплантатов с повышенной устойчивостью поверхности как к бактериям, так и к грибкам. Полученные результаты перспективны для развития технологий получения покрытий для медицинских имплантатов с повышенными бактерицидными и биосовместимыми свойствами поверхности.
Библиографические ссылки
Wilson J. 1 - Metallic biomaterials: State of the art and new challenges. Fundamental Biomaterials: Metals. Woodhead
Publishing Series in Biomaterials. 2018; 1–33.
Nicholson J.W. Titanium Alloys for Dental Implants: A Review. Prosthesis 2. 2020; 2(2): 100–116.
Gepreel M.A., Niinomi M. Biocompatibility of Ti alloys for long term implantation. J Mech Behav Biomed Mater. 2013; 20: 407-415.
Kaur M., Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Mater Sci Eng C. 2019; 102: 844–862.
Apostu D., Lucaciu O., Lucaciu G.D.O., Crisan B. et al. Systemic drugs that influence titanium implant osseointegration.
Drug Metab Rev. 2017; 49: 92–104.
Saini M., Singh Y., Arora P., Arora V. et al. Implant biomaterials: A comprehensive review. World J Clin Cases. 2015; 3: 52–57.
Cizek J., Matejicek J. Medicine Meets Thermal Spray Technology: A Review of Patents. J Therm Spray Tech. 2018; 27(8): 1251–1279.
Civantos A., Dominguez C., Pino R.J., Setti G. et al. Designing bioactive porous titanium interfaces to balance mechanical
properties and in vitro cells behavior towards increased osseointegration. Surf Coat Technol. 2019; 368: 162–174.
Liu W., Liu S., Wang L. Surface Modification of Biomedical Titanium Alloy: Micromorphology, Microstructure Evolution and Biomedical Applications. Coatings. 2019; 9(4): 249.
Sola A., Belluci D., Cannillo V. Functionally graded materials for orthopedic applications-an update on design and
manufacturing. Biotechnol Adv. 2016; 34(5): 504–531.
Ke D., Vu A.A., Bandyopadhyay A., Bose S. Compositionally graded doped hydroxyapatite coating on titanium using
laser and plasma spray deposition for bone implants. Acta Biomater. 2019; 84: 414–423.
Ataee A., Li Y., Wen C. A comparative study on the nanoindentationbehavior, wear resistance and in vitro biocompatibility of SLM manufactured CP–Ti and EBM manufactured Ti64 gyroidscaffolds. Acta Biomaterialia. 2019; 97:587-
John A.A., Jaganathan S.K., Supriyanto E., Manikandan A. Surface modification of titanium and its alloys for the
enhancement of osseointegration in orthopaedics. Curr Sci. 2016; 111: 1003–1015.
Murr L.E. Strategies for creating living, additively manufactured, open-cellular metal and alloy implants by promoting
osseointegration, osteoinduction and vascularization: An overview. J Mater Sci Technol. 2019; 35(2): 231–241. ]
Zhao L., Chu P.K., Zhang Y., Wu Z. Antibacterial coatings on titanium implants. J Biomed Mater Res B Appl Biomater.
; 91(1): 470–480.
Мелешко А.А., Афиногенова А.Г., Афиногенов Г.Е., Спиридонова А.А. и др. Антибактериальные неорганические
агенты: эффективность использования многокомпонентных систем // Инфекция и иммунитет. – 2020. – Т. 10. - №4.
– С. 639-654.
Meleshko A.A., Afinogenova A.G., Afinogenov G.E., Spiridonova A.A. i dr. Antibakterial'nye neorganicheskie agenty:
effektivnost' ispol'zovaniia mnogokomponentnykh sistem (Antibacterial inorganic agents: effectiveness of using multicomponent systems) [in Russian]. Infektsiia i immunitet. 2020; 10(4): 639-654.
Moore C., Di C.T. Environmental Microbiology Enciclopedia. 2002: 10 р. Electronic resource. [Cited 11 Dec 2023].
Available from URL: https://www.researchgate.net/publication/284504093_Encyclopedia_of_Environmental_Microbiology
Wang A., Jones I.P., Landini G., Mei J. et al. Backscattered electron imaging and electron backscattered diraction in the
study of bacterial attachment to titanium alloy structure. J Microsc. 2018; 270: 53–63.
Кадыржанов К.К., Комаров Ф.Ф., Погребняк А.Д., Русаков В.С. и др. Ионно-лучевая и ионно-плазменная модификация материалов. – М.: Изд-во МГУ. - 2005. – С. 640.
Kadyrzhanov K.K., Komarov F.F., Pogrebniak A.D., Rusakov V.S. i dr. Ionno-luchevaia i ionno-plazmennaia modifikatsiia
materialov (Ion-beam and ion-plasma modification of materials) [in Russian]. – M.: Izd-vo MGU. 2005; 640.
Плотников С.В., Ердыбаева Н.К., Погребняк А.Д., Соболь О.В. Физические основы ионно-лучевых технологий /
Учебно-методическое пособие. - Усть-Каменогорск. - 2017. – С. 350.
Plotnikov S.V., Erdybaeva N.K., Pogrebniak A.D., Sobol' O.V. Fizicheskie osnovy ionno-luchevykh tekhnologii (Physical
basis of ion beam technologies) [in Russian] Uchebno-metodicheskoe posobie. - Ust'-Kamenogorsk. 2017; 350 р.
Журавина В., Батаев И.А., Руктуев А.А., Алхимов А.П. и др. Вневакуумная электронно-лучевая наплавка порошков системы титан-тантал-ниобий на титан ВТ1-0 // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2012. – №1(54). – С. 90-95.
Zhuravina V., Bataev I.A., Ruktuev A.A., Alkhimov A.P. i dr. Vnevakuumnaia elektronno-luchevaia naplavka poroshkov sistemy titan-tantal-niobii na titan VT1-0 (Extra-vacuum electron beam surfacing of powders of the titanium-tantalum-niobium system on titanium VT1-0) Obrabotka metallov (tekhnologiia, oborudovanie, instrumenty) [in Russian]. 2012;1(54): 90-95.
Шморгун В.Г., Слаутин О.В., Евстропов Д.А., Таубе А.О. и др. Структура и механические свойства металло-интерметаллидных композитов системы Ti-Cu // Вестник СибГИУ. - 2014. - №1(7):3-6.
Shmorgun V.G., Slautin O.V., Evstropov D.A., Taube A.O. i dr. Struktura i mekhanicheskie svoistva metallo-intermetallidnykh
kompozitov sistemy Ti-Cu (Structure and mechanical properties of metal-intermetallic composites of the Ti-Cu system) [in
Russian]. Vestnik SibGIU. 2014; 1(7):3-6.
Володин В.Н., Тулеушев Ю.Ж., Жаканбаев Е.А. Строение и некоторые свойства сплавов бета-тантала с медью в пленках // Доклады Национальной академии наук Республики Казахстан. – 2013. - №05. - С. 32-36.
Volodin V.N., Tuleushev Iu.Zh., Zhakanbaev E.A. Stroenie i nekotorye svoistva splavov beta-tantala s med'iu v plenkakh
(Structure and some properties of beta-tantalum alloys with copper in films) [in Russian]. Doklady Natsional'noi akademii nauk Respubliki Kazakhstan. 2013; 05: 32-36.
Тулеушев Ю.Ж., Володин В.Н, Жаканбаев Е.А. Наноразмернолегированные медью покрытия из бета-тантала: получение, структура и свойства // Физика металлов и металловедение. - 2013. - Т. 114. - №7. – С. 625.
Tuleushev Iu.Zh., Volodin V.N, Zhakanbaev E.A. Nanorazmernolegirovannye med'iu pokrytiia iz beta-tantala: poluchenie,
struktura i svoistva (Nanosized copper-alloyed beta-tantalum coatings: preparation, structure and properties) [in Russian].
Fizika metallov i metallovedenie. 2013; 114(7): 625.
Глезер А.М., Пермякова И.Е. Перспективные материалы на основе системы Cu-Nb: получение, свойства,
применение / Перспективные материалы и технологии. – Витебск. - 2017. - Т. 2. - С. 54-72.
Glezer A.M., Permiakova I.E. Perspektivnye materialy na osnove sistemy Cu-Nb: poluchenie, svoistva, primenenie
(Promising materials based on the Cu-Nb system: preparation, properties, application) [in Russian]. Perspektivnye materialy i tekhnologii. – Vitebsk. 2017; 2: 54-72.
Зайцев Е.Ю., Спирин А.В., Заяц С.В., Кайгородов А.С. и др. Исследование механических свойств компактных
и волокнистых материалов на основе наноструктурного медь-ниобиевого композита // Физика. Технологии.
Инновации: тезисы докладов X Международной молодежной научной конференции, посвященной 120-летию со дня
рождения академиков И.В. Курчатова и А.П. Александрова. - Екатеринбург: Издательство АМБ. - 2023. - C. 736-738.
Zaitsev E.Iu., Spirin A.V., Zaiats S.V., Kaigorodov A.S. i dr. Issledovanie mekhanicheskikh svoistv kompaktnykh i voloknistykh
materialov na osnove nanostrukturnogo med'-niobievogo kompozita (Study of the mechanical properties of compact and
fibrous materials based on nanostructured copper-niobium composite) [in Russian]. Fizika. Tekhnologii. Innovatsii: tezisy
dokladov X Mezhdunarodnoi molodezhnoi nauchnoi konferentsii, posviashchennoi 120-letiiu so dnia rozhdeniia akademikov I.V. Kurchatova i A.P. Aleksandrova. - Ekaterinburg: Izdatel'stvo AMB. - 2023. - C. 736-738.
Deng L., Han K., Hartwig K.T., Siegrist T.M. et al. Hardness, electrical resistivity, and modeling of in situ Cu–Nb microcomposites. Journal of Alloys and Compounds. 2014; 602: 331-338.
Bahrami A., Álvarez J., Depablos-Rivera O., Mirabal-Rojas R. et al. Compositional and Tribo‐Mechanical Characterization of Ti‐Ta Coatings Prepared by Confocal Dual Magnetron Co‐Sputtering. Advanced Engineering Materials. 2018; 20(3): 1700687.
Bahrami A., Onofre Carrasco C.F., Cardona A.D., Huminiuc T. et al. Mechanical properties and microstructural stability
of CuTa/Cu composite coatings. Surface and Coatings Technology. 2019; 364: 22-31.
Ding Z., Zhou Q., Wang Y., Ding Z. et al. Microstructure and properties of monolayer, bilayer and multilayer Ta2O5-
based coatings on biomedical Ti-6Al-4V alloy by magnetron sputtering. Ceramics International. 2021; 47: 1133-1144.
Zhao S., Liu S., Xue Y., Li N. et al. Microstructure and Properties of Monolayer Ta and Multilayer Ta/Ti/Zr/Ta Coatings
Deposited on Biomedical Ti-6Al-4V Alloy by Magnetron Sputtering. Coatings. 2023; 13(7): 1234.
Stranak V., Wulf H., Rebl H., Zietz C. et al. Hippler Deposition of thin titanium–copper films with antimicrobial effect
by advanced magnetron sputtering methods. Materials Science and Engineering. 2011; 31: 1512–1519.
Stranak V., Wulff H., Ksirova P., Zietz C. et al. Hippler, Ionized vapor deposition of antimicrobial Ti–Cu films with
controlled copper release. Thin Solid Films. 2014; 550: 389–394.
Pogrebnjak A.D., Kimossov R., Myakinin A., Plotnikov S.V. et al. Physical and Biological Properties of TiNbTa Alloy. 2018 IEEE 8th International Conference Nanomaterials: Application & Properties (NAP). 2018; 1-3.
Gunzel R., Mandl S., Richter E., Liu A. et al. Corrosion protection of titanium by deposition of niobium thin films. Surface & Coatings Technology. 1999; 116: 1107-1110.
Olivares-Navarrete R., Olaya J.J., Ramirez C., Rodil S.E. Biocompatibility of Niobium Coatings. THE Coatings. 2011; 1(1): 72-87.
Hee A.C. Wear and corrosion resistance of tantalum coating on titanium alloys for biomedical implant applications. PhD Thesis. 2017; 184.
Смирнов С.В., Чистоедова И.А., Литвинова В.А. Структура и свойства тонких пленок тантала, полученных
магнетронным распылением // Доклады Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники. 2005; 4(12): 80-83.
Smirnov S.V., Chistoedova I.A., Litvinova V.A. Struktura i svoistva tonkikh plenok tantala, poluchennykh magnetronnym
raspyleniem (Structure and properties of thin tantalum films obtained by magnetron sputtering) [in Russian]. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta sistem upravleniia i radioelektroniki. 2005; 4(12): 80-83.
Kalisz M., Grobelny M., Mazur M., Wojcieszak D. et al. Mechanical and electrochemical properties of Nb2O5, Nb2O5:Cu
and graphene layers deposited on titanium alloy (Ti6Al4V). Surface & Coatings Technology. 2015; 271: 92-99.
Senocak T.C., Ezirmik K.V., Aysin F., Simsek Ozek N. et al. Niobium-oxynitride coatings for biomedical applications:
Its antibacterial effects and in-vitro cytotoxicity. Materials science & engineering. C, Materials for biological applications. 2020; 120: 111662.
Ramirez G., Rodil S.E., Arzate H., Muhl S. et al. Niobium based coatings for dental implants. Applied Surface Science. 2011; 257(7): 2555-2559.
Цимбалистов А.В., Быстров Ю.А., Ласка В.Л. и др. Лечение больных с непереносимостью акрилатов
методом изоляции протезов тонкими вакуумными пленками окиси тантала // Труды VI съезда Стоматологической
ассоциации России. - Москва. – 2000. - С. 285–287.
Tsimbalistov A.V., Bystrov Iu.A., Laska V.L. i dr Lechenie bol'nykh s neperenosimost'iu akrilatov metodom izoliatsii protezov
tonkimi vakuumnymi plenkami okisi tantala (Treatment of patients with intolerance to acrylates by isolating prostheses with thin vacuum films of tantalum oxide) [in Russian]. Trudy VI s"ezda Stomatologicheskoi assotsiatsii Rossii. - Moskva. 2000; 285–287.
Михайлова Е.С. Использование покрытий оксида тантала для лечения непереносимости стоматологических конструкционных материалов // Вестник Северо-Западного государственного медицинского университета им. И.И. Мечникова. 2013; 5(1): 18-23.
Mikhailova E.S. Ispol'zovanie pokrytii oksida tantala dlia lecheniia neperenosimosti stomatologicheskikh konstruktsionnykh materialov (Use of tantalum oxide coatings to treat intolerance to dental structural materials) [in Russian]. Vestnik Severo-Zapadnogo gosudarstvennogo meditsinskogo universiteta im. I.I. Mechnikova. 2013; 5(1): 18-23.
Norambuena G.A., Patel R., Karau M.J., Wyles C.C. et al. Antibacterial and Biocompatible Titanium-Copper Oxide Coating May Be a Potential Strategy to Reduce Periprosthetic Infection: An In Vitro Study. Clinical Orthopaedics and Related
Research. 2017; 475(3): 722-732.
Vella J.B., Mann A.B., Kung H.H., Chien C.L. et al. Mechanical properties of nanostructured amorphous metal multilayer thin films. Journal of Materials Research. 2004; 19(6): 1840-1848.
Guo C., Zhou J., Yu Y., Wang L. et al. Microstructure and tribological properties of Ti–Cu intermetallic compound coating. Materials & Design. 2012; 36: 482-489.
Sharma G., Sharma V., Mishra M.C., Dhaka M.S. et al. Electron momentum density distribution in TiCu. Intermetallics. 2011; 19: 666-670.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution» («Атрибуция») 4.0 Всемирная.
