Nanostrukturierte Glas-Keramik-Beschichtungen für orthopädische Anwendungen - Teil 4

3. ERGEBNISSE


3.1. Phasenzusammensetzung und Mikrostruktur von Beschichtungen

REM-Aufnahmen von HT- und SP-Beschichtungen sind in Abbildung 1 dargestellt. Auf der rauen Oberfläche der Beschichtungen (Abbildung 1a, c) sind viele Flecken zu sehen, die durch das Auftreffen der geschmolzenen Pulver auf die vorhandenen Beschichtungsschichten entstanden sind. Höhere Vergrößerungsansichten (1b, d) zeigen deutlich das Vorhandensein von Nanostrukturen auf den Beschichtungsoberflächen mit Korngrößen unter 50 nm. Die mit dem Oberflächenprofilometer gemessenen Werte für die Oberflächenrauheit (Ra) sind in Abbildung 2 dargestellt und zeigen, dass HT- und SP-Beschichtungen ähnliche Ra-Werte von etwa 7,5 µm aufweisen.

Die XRD-Muster der erhaltenen Pulver und der gespritzten Beschichtungen sind in 3 dargestellt. Die XRD-Muster der HT- und SP-Pulver bestehen aus vielen scharfen Peaks, die HT (JCPDS) entsprechen

Nein. 12-0453; Abb. 3a) und SP (JCPDS Nr. 11-0142; Abb. 3b) zeigen an, dass es sich bei den Sprühfuttermitteln um einphasige Pulver mit hoher Kristallinität handelt. XRD-Muster der Beschichtungen zeigen, dass einige Peaks sich überlappten oder verschwanden und ein Glaswulst auftauchte, aber mehrere aufgelöste Peaks können immer noch aus der Wölbungsschleife identifiziert werden. Dies deutet darauf hin, dass sowohl HT- als auch SP-Beschichtungen hauptsächlich aus Glasphasen (amorphen Phasen) zusammen mit einer bestimmten Menge kristalliner Phase zusammengesetzt waren. Dementsprechend wurden diese Beschichtungen Glas-Keramik-Beschichtungen genannt.


3.2. Grenzflächenbindung und Nanoindentation

Abbildung 4 zeigt die Querschnittsmorphologie von HT- und SP-Beschichtungen und ihre Haftfestigkeit

mit Ti-6Al-4V . Verglichen mit HT-Beschichtungen (Abbildung 4a) ist die Grenzflächenverbindung der SP-Beschichtungen besser (Abbildung 4b). Die Haftfestigkeit von SP-Beschichtungen (41,0 ± 3,5 MPa) ist deutlich höher als die von HT-Beschichtungen (27,0 ± 3,9 MPa; Abbildung 4c).

Die Werte der Vickers-Härte von HT- und SP-Überzügen betragen 539,8 ± 60,2 bzw. 567,2 ± 66,5 (Hv), wie in Abbildung 5 dargestellt. Bei einem p-Wert von weniger als 0,05 gibt es keine signifikanten Unterschiede bei Vickers Härte zwischen diesen beiden Beschichtungen.


3.3. Ionenfreisetzung und pH-Variation

Abbildung 6 zeigt die Veränderung des relativen Gehalts an Zusammensetzungselementen der HT- und SP-Beschichtungen vor und nach dem Eintauchen in HCl-Tris-gepufferte Lösung für 7 Tage. Nach dem Eintauchen nahmen die relativen Gehalte von Si und Zn in der HT-Beschichtung zu, während der von Ca abnahm (6a). Da die gepufferte Lösung frei von Si, Ca und Zn ist, ist der Anstieg der relativen Gehalte an Si und Zn auf die Abnahme des Ca-Gehalts in der HT-Beschichtung zurückzuführen. Bei SP-Beschichtungen war die Variation der relativen Gehalte an Ca und Si vor und nach dem Eintauchen geringer als bei HT-Beschichtungen (6b), während keine signifikante Änderung des Ti-Gehalts festgestellt wurde. Fig. 6c zeigt eine signifikante Zunahme des Si / Ca-Verhältnisses der HT- und SP-Beschichtungen nach dem Eintauchen in die gepufferte Lösung, wobei die HT-Beschichtung eine deutliche Zunahme gegenüber den SP-Beschichtungen zeigt, was die größere Fähigkeit der HT-Beschichtungen zur Freisetzung von Ca-Ionen als Si angibt Ionen in die gepufferte Lösung. Dementsprechend kann eine größere Variation der pH-Werte der gepufferten Lösung nach dem Eintauchen von HT-Überzügen beobachtet werden, verglichen mit der für SP-Überzüge (Abbildung 6d). Die freigesetzte Menge an Ca- und Si-Ionen aus HT-Beschichtungen nach 7 Tagen Eintauchen in gepufferte Lösung ist signifikant höher (p ≤ 0,05) als die aus der SP-Beschichtung (Tabelle 2), was mit den oben erwähnten EDS-Ergebnissen übereinstimmt. Darüber hinaus wurde auch eine bestimmte Menge an Zn-Ionen aus der HT-Beschichtung freigesetzt, die Freisetzung von Ti-Ionen aus der SP-Beschichtung war jedoch vernachlässigbar.


3.4 Azelluläre Mineralisierung in zellfreiem Kulturmedium

Die Oberflächenmorphologie der HT-Beschichtungen nach Inkubation in zellfreiem Medium ist in 7a, b dargestellt. Nach 5 Stunden Inkubation wurde eine signifikante Menge pilzartiger Ablagerungen auf der Oberfläche von HT-Beschichtungen gefunden (7a, b). Abbildung 7c, d zeigt die EDS-Ergebnisse der HT-Beschichtung vor der Mineralisierung und die nach der Mineralisierung auf der Oberfläche gebildeten Ablagerungen. Die Intensität der Ca-Peaks nahm stark zu, während die von Si im EDS der Ablagerungen stark abnahm (Abbildung 7d). Die Ca / Si- und Ca / Zn-Verhältnisse der HT-Beschichtungen vor und nach dem Eintauchen sind in Tabelle 3 aufgeführt. Sowohl die Ca / Si- als auch Ca / Zn-Verhältnisse der Ablagerungen sind signifikant höher als die der HT-Beschichtungen, was darauf schließen lässt, dass Ca eine der folgenden ist die wichtigsten Elemente der Einlagen. Neben diesen Peaks der zusammengesetzten Elemente der Beschichtungen wurde ein P-Peak mit einer dem Si-Peak ähnlichen Intensität beobachtet (7c), was auf das Vorhandensein von P in den Ablagerungen hindeutet.

Im Gegensatz dazu wurden nach 5 h Inkubation in zellfreiem Kulturmedium keine Ablagerungen auf den SP-Beschichtungen gefunden. Diese Ergebnisse zeigen, dass HT-Beschichtungen auf ihren Oberflächen eine Ausfällung von Ca- und P-Verbindungen verursachen können.


3,5. Zellanhaftung und -vermehrung auf den Beschichtungen

Die mikroskopischen Aufnahmen, die die Anheftung und Ausbreitung von HOBs zeigen, die für 2, 5 und 24 Stunden auf HT- und SP-Beschichtungen kultiviert wurden, sind in Abbildung 8 dargestellt. Bei HT-Beschichtungen hatten sich die HOBs bereits gut angeheftet und bildeten nach 2 Stunden Erweiterungen zur Erkundung der Beschichtungsoberflächen der Inkubation (Abbildung 8a). Nach 5 Stunden breiteten sich die Zellen weiter aus und wurden flacher, und Lamellipodien erstreckten sich vom Zytoplasma aus und wechselten mit den darunter liegenden Beschichtungen (8b). Bei näherer Betrachtung wurden HOBs beobachtet, die sich durch ihre Lamellipodien von einem erhabenen Bereich zu einem anderen niederdrückten (Abb. 8d).

Außerdem wurden am Rand der Lamellipodien einige Filopodien beobachtet (Abbildung 8d, Pfeile). Ein ähnliches Zellverhalten wurde nach 24-stündiger Kultur in HOBs beobachtet (8c, e). HOBs kultiviert auch auf SP-Beschichtungen

zeigte eine gute Befestigung und Verbreitung (Abbildung 9). HOBs auf SP-Beschichtungen zeigten jedoch mehr

verlängerte, aber weniger abgeflachte Morphologie zu Zeitpunkten von 2 h und 5 h (9a, b). Bei einer höheren Vergrößerung konnten leicht Lamellipodien gesehen werden, die sich entlang der Oberflächen der SP-Beschichtung erstrecken, es wurden jedoch keine offensichtlichen Filopodien beobachtet (9d, e).

Die Proliferationsraten von HOBs auf HT- und SP-Beschichtungen wurden mit der Kontrolle (Ti-6Al-4V-Scheibe) verglichen.

Die Ergebnisse zeigten, dass die HOB-Proliferationsrate auf HT-Beschichtungen im Vergleich am höchsten war (p, 0,05)

mit denen auf SP-Beschichtungen und Ti-6Al-4V-Scheiben nach 7 Tagen (10). Zellen auf den SP-Überzügen zeigten a

langsame Proliferationsrate in den anfänglichen 3 Tagen der Kultur, die danach anstiegen und an Tag 7 ein ähnliches Niveau wie Ti-6Al-4V-Scheiben erreichten. Diese Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich HOBs auf HT- und SP-Beschichtungen gut vermehren können.