Предисловие ..................................................... 5
Введение (Шаркеев Ю.П.) ........................................ 10
Глава 1. Биоинертные наноструктурные и ультрамелкозернистые
металлы для медицины
(Шаркеев Ю.П., Ерошенко А.Ю., Фортуна С.В., Легостаева Е.В.) ... 24
1.1 Получение и свойства наноструктурных
и ультрамелкозернистых металлов медицинского назначения ... 24
1.2 Микроструктура и механические свойства наноструктурных
и ультрамелкозернистых металлов ........................... 29
1.2.1 Микроструктура и механические свойства
(микротвердость) наноструктурного и
ультрамелкозернистого титана, полученного методом
интенсивной пластической деформации ................ 38
1.2.2 Термическая стабильность микроструктуры и
механических свойств наноструктурного
и ультрамелкозернистого титана ..................... 53
1.2.3 Механические свойства наноструктурного
и ультрамелкозернистого титана при статическом
и циклическом нагружении ........................... 60
1.2.4 Микроструктура, механические свойства циркония,
легированного ниобием, после интенсивной
пластической деформации ............................ 67
Литература ................................................ 77
Глава 2. Биопокрытия на основе биологического гидроксиапатита
(Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Псахье С.Г., Куляшова К.С.,
Комарова Е.Г., Яковлев В.И., Толкачева Т.В.) ................... 86
2.1 Основные кальцийфосфатные соединения и гидроксиапатит ..... 86
2.2 Методы формирования биопокрытий ........................... 90
2.3 Метод микродугового оксидирования для нанесения
кальцийфосфатных покрытий ................................. 94
2.3.1 Основные представления о механизме процесса
микродугового оксидирования ........................ 95
2.3.2 Реализация метода микродугового оксидирования
для формирования кальцийфосфатных покрытий на
титане ............................................ 110
2.3.3 Основные характеристики электролита на основе
биологического гидроксиапатита, режимы
микродугового оксидирования на установке
«MicroArc-3.0» .................................... 113
2.3.4 Морфология, микроструктура, фазовый и элементный
состав микродутовых кальцийфосфатных покрытий
на основе биологического гидроксиапатита на
поверхности ультрамелкозернистых титана и
цирконий-ниобиевого сплава ........................ 120
2.3.5 Сравнительное исследование физико-механических
характеристик микродутовых кальцийфосфатных
покрытий на основе биологического
гидроксиапатита на поверхности
ультрамелкозернистых титана и цирконий-
ниобиевого сплава ................................. 129
2.3.6 Взаимосвязь физических и механических свойств
микродутовых кальцийфосфатных покрытий на основе
биологического гидроксиапатита .................... 134
2.4 Метод детонационно-газового напыления для формирования
биопокрытий, содержащих биологический гидроксиапатит ..... 137
2.4.1 Реализация метода детонационно-газового
напыления в экспериментальной установке
«Катунь-М» ........................................ 137
2.4.2 Морфология, фазовый и элементный состав
кальцийфосфатных покрытий, полученных методом
детонационно-газового напыления ................... 149
2.4.3 Физико-механические характеристики
кальцийфосфатных покрытий, полученных методом
детонационно-газового напыления ................... 154
Литература ............................................... 158
Глава 3. Синтез биопокрытий на основе фосфатов кальция
(Шаркеев Ю.П., Легостаева Е.В., Гнеденков С.В., Псахье С.Т.,
Сергиенко В.И., Синебрюхов С.Л., Миронов И.В.,
Терлеева О.П., Куляшова К.С, Пузь А.В., Хрисанфова О.А.,
Егоркин B.C., Завидная А.Г., Слонова А.И.) .................... 167
3.1 Синтез гидроксиапатита ................................... 167
3.1.1 Методы синтеза гидроксиапатита .................... 167
3.1.2 Получение и свойства гидроксиапатита .............. 172
3.2 Микродуговые кальцийфосфатные покрытия на основе
синтезированного гидроксиапатита ......................... 179
3.2.1 Морфология и фазовый состав микродуговых
кальцийфосфатных покрытий на основе
синтезированного гидроксиапатита на поверхности
ультрамелкозернистых титана и цирконий-
ниобиевого сплава ................................. 179
3.2.2 Сравнительное исследование физико-механических
характеристик микродуговых кальцийфосфатных
покрытий на основе синтезированного
гидроксиапатита на поверхности
ультрамелкозернистых титана и цирконий-
ниобиевого сплава ................................. 184
3.3 Метод микроплазменного оксидирования для нанесения
кальцийфосфатных покрытий в растворах, содержащих
комплексные соединения кальция ........................... 188
3.3.1 Основные характеристики электролита на основе
истинных растворов, содержащих растворимые
комплексные соединения кальция, и режимы
микроплазменного оксидирования .................... 189
3.3.2 Структура и физико-механические свойства
микроплазменных кальцийфосфатных покрытий в
электролите на основе истинных растворов,
содержащих комплексные соединения кальция ......... 196
3.4 Метод плазменно-электролитического оксидирования
для формирования биопокрытий, содержащих
кальцийфосфатные соединения и гидроксиапатит ............. 211
3.4.1 Особенности метода плазменного
электролитического оксидирования при получении
оксидных слоев на металлах и сплавах .............. 212
3.4.2 Основные характеристики цитратсодержащего и
ацетатсодержащего электролитов и режимы
плазменного электролитического оксидирования ...... 220
3.4.3 Структура и физико-механические свойства
плазменно-электролитических кальцийфосфатных
покрытий в ацетатсодержащем и цитратсодержащем
электролитах ...................................... 225
Литература ............................................... 233
Глава 4. Электрохимическая, трибологическая и биологическая
деградация биокомпозита на основе ультрамелкозернистых
металлов и кальцийфосфатных покрытий
(Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Лямина Г.В., Хлусов И.А.,
Сергиенко В.И., Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л.,
Егоркин B.C., Куляшова К.С., Комарова Е.Г.) ................... 245
4.1 Коррозионное поведение титана и циркония в различных
средах ................................................... 245
4.1.1 Влияние структурного состояния титана и циркония
на коррозионное поведение в различных средах ...... 245
4.1.2 Влияние структурного состояния титана
на электрохимическое поведение в физиологических
солевых растворах ................................. 256
4.2 Коррозионное поведение кальцийфосфатных покрытий на
основе биологического гидроксиапатита в различных
средах ................................................... 264
4.3 Электрохимическое поведение кальцийфосфатных
покрытий на основе синтезированного гидроксиапатита ...... 274
4.4 Биодеградация кальцийфосфатных покрытий при растворении
в модельной биологической жидкости (in vitro) ............ 282
4.5 Биодеградация кальцийфосфатных покрытий в условиях
биомеханических нагрузок, имитирующих трение при
подкожной имплантации мышам (in vivo) .................... 287
4.6 Биодеградация кальцийфосфатных покрытий в условиях
трибонагружения с материалами, имитирующими костную
ткань (ex vivo) .......................................... 294
4.7 Взаимосвязь физико-химических и трибологических
параметров, определяющих поведение биокомпозита на
основе ультрамелкозернистого титана и кальцийфосфатного
покрытия в условиях растворения и трибонагружения ........ 301
Литература ............................................... 307
Глава 5. Моделирование физико-механических процессов,
контролирующих рост покрытий и их растворение в
биологической жидкости (Князева А.Г., Назаренко Н.Н.) ......... 312
5.1 Физико-химические явления, сопровождающие рост
покрытий в условиях микродугового оксидирования .......... 312
5.2 Кинетическая модель роста покрытия ....................... 317
5.3 Причины возникновения напряжений в растущем покрытии
и их оценка на основе кинетической модели ................ 321
5.3.1 Механические напряжения в растущем покрытии ....... 321
5.3.2 Задача о механическом равновесии образца
с покрытием ....................................... 322
5.3.3 Динамика изменения средних напряжений в растущем
покрытии .......................................... 326
5.4 Модель роста покрытия с подвижной границей раздела фаз ... 331
5.4.1 Задачи с подвижными границами ..................... 331
5.4.2 Модель роста покрытия в условиях микродугового
оксидирования ..................................... 332
5.4.3 Распределение механических напряжений в
окрестности границы раздела "подложка - растущее
покрытие" ......................................... 335
5.5 Разложение частиц природного фосфата в растворе
электролита .............................................. 340
5.5.1 Модель разложения частицы природного фосфата
в электромагнитном поле ........................... 341
5.5.2 Механические напряжения в частице ................. 347
5.5.3 Исследование массообменных процессов между
частицей, разлагающейся в электромагнитном поле,
и окружающей ее жидкостью ......................... 352
5.6 Растворение кальцийфосфатных образцов и покрытий
в биологических жидкостях ................................ 360
5.6.1 Процессы растворения в природных и технических
системах .......................................... 360
5.6.2 Растворение многослойного покрытия ................ 363
5.6.3 Растворение пластины .............................. 375
5.6.4 Механические напряжения в сферолитах в процессе
растворения кальцийфосфатных образцов ............. 380
Литература ............................................... 388
Глава 6. Исследование механических свойств кальцийфосфатных
покрытий (Псахье С.Г., Смолин А.Ю., Коноваленко И.С.) ......... 393
6.1 Методика моделирования граничной области
кость - покрытие - имплантат (эндопротез) ................ 393
6.2 Оценка механических свойств покрытий с различным
распределением кальция по глубине ........................ 403
6.3 Моделирование покрытий с учетом их пористого строения .... 408
6.3.1 Структурные элементы покрытия с порами одного
размера ........................................... 409
6.3.2 Структурные элементы покрытия с порами,
отличающимися в 2-5 раз (соизмеримые по размеру) .. 426
Литература ............................................... 439
Глава 7. Сравнительные биомедицинские аспекты различных
типов покрытий на металлической подложке (Хлусов И.А.,
Легостаева Е.В., Шаркеев Ю.П., Зайцев К.В., Хлусова М.Ю.,
Сергиенко В.И., Гнеденков С.В., Синебрюхов С.Л.,
Миронов И.В., Терлеева О.П., Яковлев В.И.) .................... 443
7.1 Биологические испытания in vivo (тест эктопического
костеобразования, "биореактор in vivo") .................. 443
7.2 Биологические испытания in vitro (клеточно-молекулярные
реакции на тестируемые экспериментальные образцы
имплантатов) ............................................. 460
7.3 Цитокиновые и метаболические реакции на тестируемые
экспериментальные образцы имплантатов .................... 478
7.4 Сравнительный анализ влияния кальцийфосфатных покрытий
на подложках титана и циркония на их биологические
свойства ................................................. 482
Литература ............................................... 497
Глава 8. Биокомпозиты на основе ультрамелкозернистого титана
и кальцийфосфатных покрытий в медицинской практике
(Шаркеев Ю.П., Белявская О.А., Поленичкин В.К, Куляшова К.С.,
Фортуна С.В., Кулаков А.А., Гветадзе Р.Ш., Хамраев Т.К.,
Абрамян С.В.) ................................................. 504
8.1 Внутрикостные винтовые дентальные имплантаты,
морфология поверхности, биопокрытия ...................... 504
8.2 Морфологические особенности имплантатов из
ультрамелкозернистого титана без покрытия и
с кальцийфосфатным покрытием ............................. 527
8.3 Изготовление имплантатов из ультрамелкозернистого
титана без покрытия и с кальцийфосфатным покрытием ....... 533
8.4 Анализ потребности в России в стоматологической
помощи с использованием дентальных имплантатов ........... 536
8.5 Комплект дентальных имплантатов из ультрамелкозернистого
титана с инструментами и принадлежностями ................ 539
8.6 Внутрикостные дентальные имплантаты из
ультрамелкозернистого титана без покрытия и
кальцийфосфатным покрытием в стоматологической практике .. 545
Литература ............................................... 559
Заключение (Шаркеев Ю.П.) ..................................... 565
Список сокращений ............................................. 574
Сведения об авторах ........................................... 576
Preface ......................................................... 5
Introduction (Sharkeev Yu.P.) .................................. 10
Chapter 1. Bioinert nanostructured and ultrafine-grained
metals for medical application (Sharkeev Yu.P.,
Eroshenko A.Yu., Fortuna S.V., Legostaeva E.V.) ................ 24
1.1 Production and properties of nanostructured and
ultrafine-grained metals for medical application .......... 24
1.2 Microstructure and mechanical properties of
nanostructured and ultrafine-grained metals ............... 29
1.2.1 Microstructure and mechanical properties
(microhardness) of nanostructured and ultrafine-
grained titanium produced by the severe plastic
deformation method ................................. 38
1.2.2 Thermal stability of microstructure and of
mechanical properties of nanostructured and
ultrafine-grained titanium ......................... 53
1.2.3 Mechanical properties of nanostructured and
ultrafine-grained titanium in static and cyclic
loading ............................................ 60
1.2.4 Microstructure and mechanical properties
of zirconium alloyed with niobium after severe
plastic deformation ................................ 67
References ................................................ 77
Chapter 2. Biocoatings based on biological hydroxyapatite
(Legostaeva E.V., Sharkeev Yu.P., Psakhie S.G.,
Kulyashova K.S., Komarova E.G., Yakovlev V.I.,
Tolkacheva T.V.) ............................................... 86
2.1 Basic calcium-phosphate compounds and hydroxyapatite ...... 86
2.2 Methods of biocoating formation ........................... 90
2.3 Micro-arc oxidation method for applying
calcium-phosphate coatings ................................ 94
2.3.1 Overview of the micro-arc oxidation process ........ 95
2.3.2 Implementation of micro-arc oxidation method
for the formation of calcium-phosphate coatings
on titanium ....................................... 110
2.3.3 Main characteristics of biological
hydroxyapatite-based electrolyte, modes of
micro-arc oxidation on the «MicroArc-3.0» device .. 113
2.3.4 The morphology, microstructure, phase and
elemental composition of micro-arc calcium-
phosphate coatings on the basis of biological
hydroxyapatite on the surface of ultrafine-
grained titanium and zirconium-niobium alloy ...... 120
2.3.5 Comparative study of the physical and mechanical
characteristics of micro-arc calcium-phosphate
coatings on the basis of biological
hydroxyapatite on the surface of ultrafine-
grained titanium and zirconium-niobium alloy ...... 129
2.3.6 The interrelation of physical and mechanical
properties micro-arc calcium-phosphate coatings
based on biological hydroxyapatite ................ 134
2.4 Detonation-gas spraying method for forming biocoatings
containing biological hydroxyapatite ..................... 137
2.4.1 Implementation of the detonation-gas spraying
method in the "Katun-M" test installation ......... 137
2.4.2 Morphology, phase and elemental composition
of calcium-phosphate coatings obtained by
detonation-gas spraying method .................... 149
2.4.3 Physical and mechanical properties of calcium-
phosphate coatings obtained by detonation-gas
spraying method ................................... 154
References ............................................... 158
Chapter 3. Synthesis of calcium phosphate-based biocoatings
(Sharkeev Yu.P., Legostaeva E.V., Gnedenkov S.V.,
Psakhie S.G., Sergienko V.I., Sinebryukhov S.L.,
Mironov I.V., Terleeva O.P., Kulyashova K.S., Puz' A.V.,
Khrisanfova O.A., Egorkin V.S., Zavidnaya A.G.,
Slonova A.I.) ................................................. 167
3.1 Synthesis of hydroxyapatite .............................. 167
3.1.1 Synthesis methods of hydroxyapatite ............... 167
3.1.2 Production and properties of hydroxyapatite ....... 172
3.2 Micro-arc calcium-phosphate coatings based
on the synthesized hydroxyapatite ........................ 179
3.2.1 Morphology and phase composition of micro-arc
calcium-phosphate coatings based on synthesized
hydroxyapatite on the surface of ultrafine-
grained titanium and zirconium-niobium alloy ...... 179
3.2.2 Comparative study of the physical and mechanical
characteristics of micro-arc calcium-phosphate
coatings based on synthesized hydroxyapatite on
the surface of ultrafine-grained titanium and
zirconium-niobium alloy ........................... 184
3.3 Microplasma oxidation method for applying calcium-
phosphate coatings in solutions containing complex
calcium compounds ........................................ 188
3.3.1 Main characteristics of electrolyte based on
true solutions containing soluble complex
calcium compounds and modes of microplasma
oxidation ......................................... 189
3.3.2 Structure and physical and mechanical properties
of microplasma calcium-phosphate coatings in
electrolyte based on true solutions containing
complex calcium compounds ......................... 196
3.4 Method of plasma electrolytic oxidation to form
biocoatings containing calcium-phosphate compounds and
hydroxyapatite ........................................... 211
3.4.1 Features of plasma electrolytic oxidation method
when producing oxide layers on metals and alloys .. 212
3.4.2 Main characteristics of citrate-containing and
acetate-containing electrolytes and modes of
plasma electrolytic oxidation ..................... 220
3.4.3 Structure and physical and mechanical properties
of plasma electrolytic calcium-phosphate
coatings obtained in acetate-containing and
citrate-containing electrolytes ................... 225
References ............................................... 233
Chapter 4. Electrochemical, tribological properties and
biological degradation of biocomposites based on ultrafine-
grained metals and calcium-phosphate coatings
(Legostaeva E.V., Sharkeev Yu.P., Lyamina G.V., Khlusov I.A.,
Sergienko V.I., Gnedenkov S.V., Sinebryukhov S.L.,
Egorkin V.S., Kulyashova K.S., Komarova E.G.) ................. 245
4.1 Corrosion behavior of titanium and zirconium in
different environments ................................... 245
4.1.1 Effect of the structural state of titanium and
zirconium on the corrosion behavior in different
environments ...................................... 245
4.1.2 Effect of the structural state of titanium
on the electrochemical behavior in physiological
salt solutions .................................... 256
4.2 Corrosion behavior of calcium-phosphate coatings based
on the biological hydroxyapatite in various
environments ............................................. 264
4.3 Electrochemical behavior of calcium-phosphate coatings
based on synthesized hydroxyapatite ...................... 274
4.4 Biodegradation of calcium-phosphate coatings
in a simulated biological fluid (in vitro) ............... 282
4.5 Biodegradation of calcium-phosphate coatings under
biomechanical loads simulating friction during
subcutaneous implantation in mouse (in vivo) ............. 287
4.6 Biodegradation of calcium phosphate coatings under
triboloading with materials imitating bone tissue (ex
vivo) .................................................... 294
4.7 The correlation of physical, chemical and tribological
parameters that determine the behavior of biocomposite
based on ultrafine-grained titanium and calcium-
phosphate coating under dissolution and triboloading ..... 301
References ............................................... 307
Chapter 5. Modeling of physical and mechanical processes
controlling the growth of coatings and their dissolution
in a biological fluid (Knyazeva A.G., Nazarenko N.N.) ......... 312
5.1 Physical and chemical phenomena accompanying the growth
of coatings under micro-arc oxidation .................... 312
5.2 Kinetic model of coating growth .......................... 317
5.3 Causes of stress in the growing coating and their
evaluation based on a kinetic model ...................... 321
5.3.1 Mechanical stresses in the growing coating ........ 321
5.3.2 The problem of mechanical balance of a coated
sample ............................................ 322
5.3.3 Dynamic pattern of average stress in the growing
coating ........................................... 326
5.4 Growth model of a coating with a moving boundary
interface ................................................ 331
5.4.1 Problems with moving boundaries ................... 331
5.4.2 Growth pattern of the coating under micro-arc
oxidation ......................................... 332
5.4.3 Stress distribution in the vicinity of the
interface "substrate - growing coating" ........... 335
5.5 Decomposition of natural phosphate particles in
electrolyte solution ..................................... 340
5.5.1 Decomposition model of natural phosphate
particle in EM field .............................. 341
5.5.2 Mechanical stresses in the particle ............... 347
5.5.3 Study of mass transfer processes between the
particle decaying in electromagnetic field and
its surrounding fluid ............................. 352
5.6 Dissolution of calcium-phosphate samples and coatings
in biological fluids ..................................... 360
5.6.1 Dissolution processes in natural and technical
systems ........................................... 360
5.6.2 Dissolution of the multilayer coating ............. 363
5.6.3 Dissolution of a plate ............................ 375
5.6.4 Mechanical stresses in the spherulites during
dissolution of calcium phosphate samples .......... 380
References ............................................... 388
Chapter 6. Study of mechanical properties of calcium-
phosphate coatings (Psakhie S.G., Smolin A.Yu.,
Konovalenko I.S.) ............................................. 393
6.1 Methods of modeling a boundary region bone-coating-
implant (endoprosthesis) ................................. 393
6.2 Evaluation of mechanical properties of coatings with
various calcium depth distribution ....................... 403
6.3 Simulation of coatings with regard to their porous
structure ................................................ 408
6.3.1 Structural elements of the coating with
one-sized pores ................................... 409
6.3.2 Structural elements of the coating with pores
differing by 2-5 times (comparable in size) ....... 426
References ............................................... 439
Chapter 7. Comparative biomedical aspects of different types
of coatings on a metal substrate (Khlusov I.A.,
Legostaeva E.V., Sharkeev Yu.P., Zaitsev К.V.,
Khlusova M.Yu., Sergienko V.I., Gnedenkov S.V.,
Sinebryukhov S.L., Mironov I.V., Terleeva O.P.,
Yakovlev V.I.) ................................................ 443
7.1 Biological tests in vivo (test of ectopic osteogenesis,
"bioreactor in vivo") .................................... 443
7.2 Biological tests in vitro (cell-molecular reactions
to tested experimental implant samples) .................. 460
7.3 Cytokine and metabolic responses to the tested
experimental implant samples ............................. 478
7.4 Comparative analysis of the effect of calcium-phosphate
coatings on titanium and zirconium substrates on their
biological properties .................................... 482
References ............................................... 497
Chapter 8. Biocomposites based on ultrafine-grained titanium
and calcium-phosphate coatings in medical practice
(Sharkeev Yu.P., Belyavskaya O.A., Polenichkin V.K.,
Kulyashova K.S., Fortuna S.V., Kulakov A.A., Gvetadze R.S.,
Khamraev Т.К., Abramian S.V.) ................................. 504
8.1 Intraosseous screw dental implants, surface morphology,
biocoatings .............................................. 504
8.2 Morphological features of the implants made of uncoated
ultrafine-grained titanium and coated with calcium
phosphate ................................................ 527
8.3 Production of uncoated ultrafine-grained titanium
implants and coated with calcium phosphate ............... 533
8.4 Analysis of the needs in the dental care with dental
implants in Russia ....................................... 536
8.5 Set of dental implants made of ultrafine-grained
titanium with tools and accessories ...................... 539
8.6 Intraosseous dental implants made of uncoated
ultrafine-grained titanium and with calcium-phosphate
coating in dental practice ............................... 545
References ............................................... 559
Conclusion (Sharkeev Yu.P.) ................................... 565
List of acronyms .............................................. 574
Information on authors ........................................ 576
|
