electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

10
Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants A. Stoch a, * , A. Broz Çek a , G. Kmita a , J. Stoch b , W. Jastrze Îbski a , A. Rakowska a a Faculty of Materials Science and Ceramics, University of Mining and Metallurgy, Al. Mickiewicza 30, 30-059 Krako Âw, Poland b Institute of Catalysis and Surface Chemistry, Polish Academy of Sciences, ul. Niezapominajek 8, 30-239 Krako Âw, Poland Received 22 December 2000; revised 26 February 2001; accepted 26 February 2001 Abstract Electrophoretic deposition was applied to obtain hydroxyapatite coatings on titanium implants. A joint intermediate layer of silica or calcium±silica by dip-withdrawing technique was placed directly on the titanium sheet and hardened by heating. Then, the sample was coated with hydroxyapatite by electrophoresis from the ethanol suspension. It was found that the electrodeposi- tion combined with formation of the joint layer could be successfully employed to covering of the medical metal implants with apatite coatings. Improvement of their usefulness is connected with formation of silica and titania compounds in the interface region. q 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. Keywords: Apatite layer; Titanium; Electrophoretic deposition; Joint layer 1. Introduction Metals still account for a substantial percentage of clinically used materials and for many medical applications. They have the attributes of strength, stiffness, toughness and impact resistance, proper- ties, which are particularly important for load bearing applications, such as total joint replace- ments. Major implant materials used in medical and dental applications include commercially pure titanium cpTi) and its alloys. However, after their application, a bond with living bone often does not develop or the integration of the implants with bone tissue takes generally several months [1,2]. Hence, there is a growing interest in shortening the process toward osseointegration, and thereby, reducing the surgical restrictions. In the past three decades, research in this ®eld has been oriented towards coating titanium implants with hydroxyapatite. Many coating procedures have been documented, but all have shortcomings [3]. Plasma spraying, which is most often used to obtain HAP) coatings for implant ®xation, for extreme high temperatures of the plasma ¯ame acting on HAP, results in the formation of resorb- able molten phases. Unfortunately, they degrade in a short time after implantation, decreasing the Journal of Molecular Structure 596 2001) 191±200 0022-2860/01/$ - see front matter q 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved. PII: S0022-286001)00716-5 www.elsevier.com/locate/molstruc * Corresponding author. Tel.: 148-12-617-2524; fax: 148-12- 633-1593. E-mail address: [email protected] A. Stoch).

Upload: a-stoch

Post on 02-Jul-2016

214 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Page 1: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

������������� ����� �� ������������ �� �������������

�� �������� �� ��������� �� ������ � ����!� "� ������#!������ $���%����

�������� � ���� ��� �� ���� ��� ����� ��� �� ���� �� � � �� ��� ���������� ��� �� �� ��� ���

���� ! "����#�� $�����!%��� ���� � ������� � ��� ������ �&�� ����� $�� �& ������� � �� ������ ��� ' ���(�� ��)�� *�

���+�! "����#�� $�����

$���&�� '' (����!�� ')))* ��&��� '+ ,�!����� '))-* �������� '+ ,�!����� '))-

��������

������������� �������� %�� ������ �� �!��� ������������ ����� � �� ������ �������� � .��� ���������� ����� ��

���� �� ������/���� !� ��0%����%� ����1�� %�� ������ ������� �� �� ������ ���� ��� ������� !� ���� � 2���

�� ������ %�� ������ %� ������������ !� ������������� ���� �� ������ ���������� 3� %�� ����� ��� �� ������������0

��� ���!��� %� �������� �� �� .��� ����� ����� !� ������������ �������� �� ��&��� �� �� ������ ����� ������� %�

������ ����� �� 3����&����� �� ��� ���������� � ��������� %� �������� �� ���� ��� ����� ��������� � �� ��������

�� ��� � '))- ����&�� ������ ��4� ��� � �� �����&���

"�������5 ������ �����* 2�����* ������������� ��������* ��� �����

� ���� ������

6����� ���� ������� ��� � ��!������� �������� �

�� �������� ���� �������� ��� ��� ���� ������

����������� 2�� �&� �� ����!���� �� ����� ��

��������� ��� ���� ��� ����� ���������� ������0

���� %� ��� ����������� �������� ��� ����

!���� ����������� ��� �� ����� .��� �������0

������ 6�.�� ������ �������� ���� � ������

��� ������ ���������� ������ �����������

���� ������ 7��28 ��� �� ������� 9�%�&���

����� ��� ���������� � !��� %� �&� !���

����� ���� ��� ��&���� �� �� ��� ����� �� ��

������� %� !��� ����� ����� �������� ��&����

����� :-�';� 9����� ���� � � ��%� ������� �

������� �� ������� ��%��� �������� ������

��� ����!�� ������ �� ��� ��� ����������� 3�

�� ���� ���� �������� ������� � �� <��� ��

!��� ������� ��%���� ����� ������ �������

%� ������������� 6��� ����� ����������

�&� !��� ����������� !�� ��� �&� �������� �

:=;�

>����� ������ � %� � ���� ����� ���� ��

�!��� 79�>8 ����� � ��� ������ <������ ���

������� ������������ �� �� ������ ?���

���� �� 9�>� ������� � �� �������� �� �����!0

�!�� ������ ������ @������������� ��� �� ���� �

� ���� ��� ����� ����������� �������� ��

������ �� 6�������� ��������� AB+ 7'))-8 -B-/'))

))''0'C+)D)-DE 0 ��� ����� ������ � '))- ����&�� ������ ��4� ��� � �� �����&���

>335 �))''0'C+)7)-8))F-+0A

%%%�����&������D������D��������

� G���������� ������ 2���5 �HC0-'0+-F0'A'H* ���5 �HC0-'0

+==0-AB=�

,��� � �������- �����I ���������� ������� 7�� ����8�

Page 2: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

������ �� 9�> ����� �� �� ��������� !���� ��

%��� �� �� �� ����� ��!������ :H;� 2� !������

����� %� �������� !��� ?��� �������� � ���

��!�������� � � ��% ��� ������ ����� ��

������ ���������� !������ �� �� ��� ��������

:A�+;�

������������� �������� �� ������������ � �

��%0���� ?��!�� ����1��� ���� !�� � ���0���0��

� � ����� �������� � ��� !� ���� �� �� ������

�������� �� �������&� ��!������� �&�� ��� �������

���� �� ������� � :F/B;� ������������� �����0

����� �&��&�� �� � ����� �� ��� �� ��������

��%���� �� ������� ��� �� ���������� ���� %�

�� �������� ������� (������� ����� �� �� ��� �0

����� �� �������� �� � ����� ����� ������������� ���

������� �� ����� � %� � !���� ������� ���� ����

��� - �� �� ���� ��� A)) �� %�� ��������

����� &���� ���� ������� �� ������ &�� ����

������� �&�� �� ������� ��� ������� � �� ��

����� ��

2� ��� �� �������� �� !� �������� !� �� �������0

������ � ��������� ����������� ���� �� ��������

���� !� <�� ���� �� ����� � ��������� ����

�� ����� �������� 2� �1�� ����� ���� ��

������� �� �������� ���� ������������� �����0

��� ���� �&� � �������� �������� ��� &�� �����0

�&� ����� ������������ ��� ������������ ���� !�

�������� ���!�� � ��� ������

2� �� �� ��������� %��� %�� �� ������� ������

����� � �� ����������� ���� ������ !� �������0

������� 2� ����&� �� ������ �� 9�> ����� ��

�������� ���� �� 9�> ���������������� ������

������� %�� �����&���� %� ���� �� ������ ����

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+��-B'

, � '� 7�8 ,23$ ������� �� 9�> ���� ��� �� ��������� ���������� ��� 7!8 9�> ����� ��������������� ���� �� -')�G�

, � -� ������������� ��<����� �� 9�> �������� �� ������

���� ������ ��� ���������� ����������

Page 3: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

���/ �� <��� 2� ������ ������� %��� ��� ������� �

� ��������� ��!� ������� � ?�%� �� ��� ������

������ �������� �� 2� ���&�� � !����&� ��������

��� ������� � &&� �� !��� !���� ����� ��

%� ����%� ��� �� ����� !��� �������� �� ��

�������

� ������������

+�2� ���� ���

5����6��(�� �� (����� �������� !� G���0����0

������ G��� $�����J%� 2� ��%��� %�� �����������

������������ ��� K0��� (�������� ��� ,23$

������������� ��� ������ ��&����� �� ������ ����0

������ ��������� �� �������������

7 ��� �� (������ ����������� ���� 7�� 28� 7�����

��&�6�� ���� 77,8�8 ��� ���� �� � ����� ��� ��

���������� �� ���� ��� ������ ���� 7G�8 ����

,�&����� G'9AL9 7�!������8�

+�+� ���(��� �� (��(���� �� ��� ���������(�� � ��

���� �� ����� �� �� ������������� ��<�����

7, � -8 ��%� ������ �� ���� ������&�

��� �������� ������� � %�� ����� ��� ������

����������� ��������� ��� ������������� �����0

��� %�� �������� !� ��������� � ����� �� 9�>

��%��� � ������� 2� ��� ��� �� 9�> %��

!���% )�A��� 9�> �������� ��1���� ����&� ��� �

��� ��� �������� �������� �� �� �������

����� ��������� ���������� ������ ������

%��� ��������� %� ���� �� ������/���� ���

!� ��0 %����%� ����1��� 2����� ������

%� ���� �������� � %��� ���� �� -')�G ��

���� ��� �������� �� +))�G� 2�� !�� �� ���0

���� ��� %��� ������� � �� �������������

���� %� ��������� ��� 9�> ��������� 2�

������� %�� ������ �� ���� ������������ G������

���������� ��� ��� �� �������� ���������� ��

������� �� �� ��%� ������

2� ������ ������ %� ������������ ����� M��

��������N %��� ��������� ����&�� ���� �� !���

���� � �� %��� �� ��� ��� �������� ��

F))/C))�G ��� ' � �� �� ����������

+��� ��&��� � ������ �

,����� 2�������� 3������� ������������ 7,23$8

��� K0��� (�������� 7K$(8 ������� %��� ���� ���

���� ������� �� �� ������� ������� �� ���� �� G�

�������� � �� ������ ��!������ ����� ������� %��

������ !� K0��� >����������� ������������ 7K>�8�

6������ � �� 9�> ������ ��� ������D�����

!������� �� ������ ����� ������� %�� �!���&��

��� ������ �������� 6�������� 7��6D�(�8�

>��������� ���&�� %��� ����� ��� �� �������������

�� �������&� 1������ �� 9�> ����� ��

� ������� �� ���������

2� ���� ������ ��������� ��� ���������

�� 9�> �������� � �� ������ ��������� ���

���������� �� �� �������� � �� ��� ��&���� � ��

�� ������������� ��������� 2� �����������

������� �� ������������� %�� ����� ���<���� !� ��

,23$ ������� 7, � '8�

>��� �� �� ���������������� ������ ��!������

%�� ��&���� %� ���� �� ������/���� �������0

� �� 2��� .��� ������ %��� ����� �� +))�G��� =) �� � �� �� ��������� ��� �� ������ �

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+�� -B=

, � =� 2 '� ������� �� ����/������ �������� �� ��� ����

���� �� �� 2 '�=D'5 7-8 HAH�- �4� 7'8 HA+�= �4 ��� 7=8 HAC�+ �4�

2�!�� -

G�D� ���� � �� ������� �� G� ��������

G� �������� ���������

(��� 9�����

)�-C )�CA

Page 4: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

,��� K>� ������� � ����� !� ������� ��� %��

M�� ����&��N� ���� �� ����/������ �������

��&���� �� ������ ������� %� ������ �&��0

������� ���� ���� � �� ������������� � �'�

��� L-� !���� %��� -)=�= ��� A==�) �4 �����

�� �� �������� �� �� ���� �L' � ��� � �������

%� ��� ���� ����� �� ���� ������� �!����� !�

���/ �� ����� :-);� "�� ������� ���� %��

����&�� !� ��!��1���� ���� %� �� �� ���

7H �4� F) ��8� �� 2 '� !��� �������� � ��

�������� ���� ������ � �� �������� �� ���

2� �������� �������� ������� ��?���� &�����

�� �� ������ ���������� � �� �� ��� @��

�� ���������� �!����� ���� �� �������� 2L'

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+��-BH

, � H� 7�8 ,23$ �������� �� 9�> �������� ����� � �������� �� C))�G ��� -') �� 7��8 %� G� �������� ���� �� -')�G ��� 7!8 ,23$

�������� �� 9�> �������� ����� �������� �� F))�G ��� -') �� 7��8 %� ���� �������� ����� �� +))�G ��� =) ���

Page 5: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

������� � %�� ����!�� �� ��������� �� ����0

���� �� ���� 2 '� ���!���� %� 2 '�=D' ����� ��

HAH�-� HA+�= ��� HAC�+ �4� �������&���� >���� ��

HAH�- ��� HA+�= �4 ��� !� ��� ��� �� 2'� ��

2=� ���� ���� �� &���� �� HAB�) �4 � �� ����

��� 2L'� � ����� ��� �� ���� �� HAC�+ �4 ���

!� ��� ��� �� � ������� !������ � �� ���� ��

���� �&������� ���� �����/������ ���������

����� !� �������� 7, � =8� � ����� ������ ��

������ ����� !� �����&�� � ����� ��!������

� � �LH ���������� ��� � �� ���� �� �����

������� !�� ���� �� �� �� 2 '�=D' !� �!��� ' �4

����� !� �� ��� � %�� �������� :--;�

2� K>� ������� 7, � =8 ��% ��� � ��

�����0�&������� �������� ������ ����� ��� �

�������� ������ ������ ��� ��� � �����

������ ��������� !��%��� ������ ������

��� ���� ����� ������ 3� ����� ��� �� ������

���� ��!����� ���� ��� ��������� ��� ��������

�����&� ��� ��������� �� ���� !���� ����� ��0

����� ��� �������� :-';�

3� �� ���� �� ������/���� �&������� !�����

�� ������� �� ������� � ������ � �����

������� �� ������� ��!��1���� �������

������ � ������ �������� %� ������

��� �� � �� ��������� �� �� ������� �����

��%���� �1�������� �� ������ ��� �����

������� ��?����� � K>� ������� 72�!�� -8�

���������� �� �� �������� �����!����� ���� �

�� � '� !���� ������� �������� �� � ��%

������0��� ����������

G������� �������� �� ����� !���� ����0

����� G�2L= ��� G��L= ��� ����!�� ��������

�������� ��� �� ������!��� %� �������0

������ >������ >LH ��� ��� !� ����� ��

������!�� !� G�'� �� �� ������� �� �������

�� ������ ������ ���������

�� � �����%� ���� �� �!�������/��?�����

,23$ �������� 7, � H� ��� !8 �� <��� 9�>

����� �� G� ��!����� 7���� ����8 � ��������

�� ���������� ������������ 7, �� H� ��� A8

%�� ������� �� ,23$ �������� 7, � H!8� ��

<��� 9�> ����� �� ���� ���������� 7����� ��

+))�G8 ���� ������� ����� ������ �� �������

��� ���!�������

,��� K$( ������� ��%� � , � A� � � ���� ���

�� <��� �������� 9�> ����� %� G� �������� �

�������� �� ���������� 9�>� ����� ��� ������ ���0

�����

6������ � �� �� !�� �������� 9�> ������

� ��%� � , � +� ��� !� 3� ��� !� ������ ���

����������� ������� �� �� ��!����� %� 9�>

��������������� ����� 7�8 �������� �� <���

����� %� %�� ���� ����� ��� ������� 2�

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+�� -BA

, � A� K$( ������� �� 9�> �������� ����� � �������� �� C))�G ��� -') �� 7��8 %� G� �������� ���� �� -')�G�

Page 6: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

9�> �������� � ��������� ��� <�� ��� �� � �����

��� ��� ����!�� �� ��� �� ����� �������

��� �������� ��� ������� ���� ����� ���

2� ������� �� ����� �� ��������� �� �������

��������� %� �� ��!������ � &��� ��������

������ !������ � �������� �������� �� ��

��!������� 3� �� ����� �� ��!������ ������� %��

��������� !� � ����������� �� ����������

���&�� �� 9�> ����� � � )�)A 6 O�G� �1�����

������� %� �� ��� �� ���&������� �������0

����� ������ 2� O�G� ������� %�� ���������

%� �� ���

2� ���������� ���&�� ��� <��� �������� 9�>

������ %� ���� �� ������ ���� ��!������ ���

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+��-B+

, � +� 6������ � �� 9�> �������� ����� � �������� �� C))�G ��� -') �� 7��8 %� G� �������� ���� �� -')�G 7�8 ��� ������� � ��

9�> �������� ����� �������� �� F))�G ��� -') �� 7��8 %� ���� �������� ����� �� +))�G ��� =) ���

Page 7: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

��������� � , �� F ��� C� 2� ������� ��% ���

������� �� �� ���������� ������� %��� !���%

-)�H �D��' !�� ������ �������� � �� ��������

��� � ���� �!��� �)�AA) �� -A)) �4� 3� � ��

��� � �� ����&�� �� �� ������ 2� ��% �������

������ � ������ ���������� !� �� ������ ��

������� � �� ����� � 2� 9�> ������ �� ��

G� �������� 7, � C8 ��� ���� ������ ��� !�����

�������� ������ � ���� �������� ��� �� 9�>

������ �� ���� �������� 7, � F8� >��������

���� �� ���� �� G� �������� � �� +))�G����&�� �� ����<����� �� �� <��� ��������

�� �� 9�> ������ 2��� �!���&����� ��% ���

9�> �������� ����� ��%��� ������� � �����0

��� ���� �� �������

6������� ��� ����� ������� %� ������������

���<��� �� �� >� G�� 2 ��������� � , �� B ��� -)

��%� ��� �� 9�> ����� � �����&��� ������ ���

����� %��� ����&� �� �� ��!������� 2� ���� ��

������/���� ��!������ ���� � .��� ����� !������

������ %� ����� ��!������ ��� ����&� ������

������&� ������!��� %� 9�> ������ �� �� ����

��� &� � ��� ����������� �� %��� ��������

������

� �����������

������������� �������� ��� !� ������������

�������� ��� �� ���������� �� �������� 9�> ����0

� � �� �� ������ �������� 2� ��������� ���� ���

��� � �� ������������ �� �� ���� ������������

��%����

2� ���� �� ������/���� ������� �������� ��

�� ������ ������� ���� �� �� ����������������

������ �� 9�> ����� ����� ��!��1����

������� ��� ������ �� ������ �� �� �����

��!������� 2��� �������� � ���� �� ���� �� .���

������ !��%��� �� 9�> ������ ��� �� ������

��!�������

9 ��� �D���� ���� �� �� ������ ��������

��&��� ���� �������� �� 9�> ������ 2�� �� ������0

��� ��� �&� ��� ���%� ��%�� �� �� �������!��

���������

������������� �������� ����� � �� 9�> ������

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+�� -BF

, � F� >��������� ���&�� � )�)A 6 O�G� ��� �� ������ ����� 7�8*

������ %� ���� �������� 7+))�G8 7!8* ������ %� 9�>

�������� ����� 7F))�G8 ��� ���� �������� 7-')�G8 7�8* ���0

��� %� 9�> �������� ����� 7F))�G8 %� ���� ��������

7+))�G8�

, � C� >��������� ���&�� � )�)A 6 O�G� ��� �� ������ ����� 7�8*

������ %� �G �������� 7+))�G8 7!8* ������ %� 9�>

�������� ����� 7C))�G8 ��� �G �������� 7-')�G8 7�8* ������

%� 9�> �������� ����� 7C))�G8 %� �G �������� 7+))�G8�

Page 8: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+��-BC

, � B� 6������ � �� �������� ��� ����� ������ ��� ������������ ���<��� �� �� >� G�� 2 �� ������������� 9�> �������� ����� �

�������� �� C))�G� 7��8 ��� -') �� %� G� �������� ���� �� -')�G�

Page 9: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+�� -BB

, � -)� 6������ � �� �������� ��� ����� ������ ��� ������������ ���<��� �� �� >� G�� 2 �� ������������� 9�> �������� ����� �

�������� �� F))�G� 7��8 ��� -') �� %� ���� �������� 7+))�G8�

Page 10: Electrophoretic coating of hydroxyapatite on titanium implants

�� ������ ������ ��� ���� � �������&� ���� �� ��

!����� � ���� ���������

�������� �������

2� %��� %�� �������� ��������� !� �����<�

$������ G������� 7��O8� ������ %� �� ����

(� 6� G����J��� ��� �� K$( �������������

����������

:-; >� P� >� (������� � ������ 6����� $��� H- 7-BBC8 =H-�

:'; 9��� "��� �$� �� ".�� ,�Q� G�� �� �� ������ ����������

-B 7-BBC8 '-A�

:=; "�$� P���<���� 9������������� ����� �� �5 >� (�������

��� P����� 7����8� ���������5 6������� G�����������

4����� � 4&� ���&��� &��� A'=� O�% R��� ������� ��

������� O�% R���� -BCC� ��� F=/C)�

:H; �G� ���%���� �� ������ G�G� ������� "� ���<����

���������� -F 7-BB+8 -+�

:A; "�0S� R��� 2� O�������� �� ��%���!�� �� O� ��� 6�

L��� 2� ����!�� ���������� -C 7-BFF8 --CA�

:+; �� ����� "� ������#!��� �� �������� �� 2��!������ 6�

G����J���� �� �����%���� � 6��� ������� A--/A-' 7-BBB8

'CF�

:F; >� (������� �� $���� 6� 9�� �!����� �G� 9�� �!�����

���������� -- 7-BB)8 'HH�

:C; �� ����� �� ������� >���� 2�� ����0G������ = 7-BB=8

F=�

:B; � G������ �� (� �J����� �� ����� "� ���� (� �J��� ��

�������� �� ����� �� � � �������� -) 7')))8 C�

:-); �� ����� � ����� ����� 3�������� ����� -B 7-BB'8 HCF�

:--; �� ����� � ����� 6����� G��� + 7-BC-8 ==A�

:-'; �� ����� � ����� �� $���%���� ����� 3�������� ����� ='

7-BBH8 'H'�

�� ����& �� ��� . /������ � �������� ��������� !0 1+��23 2!24+��'))