M onika Cieślik

1. Wpływ modyfikacji powierzchni implantów stalowych na szybkość uwalniania jonów metali ciężkich do organizmu Monika Cieślik Środowiskowe Studia Doktoranckie IMIM PAN – UJ Inżynieria Materiałowa promotor: dr hab. Andrzej Kotarba

2. Motywacja Statystyka (Polska): • tylko 1/6 z planowanych operacji jest zrealizowana • czas czekania na operację : ~ 3 lata • najbardziej popularny materiał na implanty metalowe– tytan • koszt implantu metalowego: ~ 1 000 zł – 10 000 zł Stopy na implanty metalowe: stal nierdzewnazawiera: Fe, Cr, Ni, Mo, … stopy na bazie kobaltu stopy tytanu stopy z pamięcią kształtu Periodic table of elements

3. Główny problem Ucieczka jonów metali z powierzchni implantu do organizmu Płyn fizjologiczny Płyn Hanksa Fe2+ Cr3+ Ni2+ M  Mn++ne- Powłoka parylenowa powierzchnia Powłoka silanowa Fe Cr Ni Implant Stal nierdzewna Metaloza – toksyczny wpływ implantów na otaczające tkanki Fe – toksyczny, karcenogennyCr – toksyczny, jony Cr (VI) rakotwórcze Ni – toksyczny, rakotwórczy Jak zablokować proces? → Zastosować powłoki !!!

4. Strategia badań Obróbka powierzchni Stal nierdzewna Powłoki polimerowe Problemy do rozwiązania Uwalnianie jonów metali Odporność korozyjna Zmiany na powierzchni Rodzaje metod analitycznych Pomiary elektrochemiczne Długoterminowe testy in vitro Charakterystyka powierzchni

5. Strategia badań próbki informacje metody mikroskopia SEM, CM Zmiany na powierzchni Praca wyjścia Odporność korozyjna XPS sztuczne płyny fizjologiczne Elektrochemiczna spektroskopia impedancyjna Testy uwalniania jonów Potencjał w obwodzie otwartym Atomowa spektroskopia adsorpcyjna

6. Materiały Materiały i płyny - Stainless steel 316L BA - Powłoki polimerowe - μm grubość Silane A174 + Parylene N - Płyn Hanksa + H2O2 Fe2+ + H2O2→Fe3+ + OH- + OH. Katalaza

7. Materiały Powłoka parylenowa: • tworzenie powłoki bezpośrednio na powierzchni osadzania • w temperaturze pokojowej - bez naprężeń • chemicznie i biologicznie obojętna • ciągła i oddająca dobrze kształt pokrywanego przedmiotu • dobre właściwości mechaniczne • monomer całkowicie penetruje powierzchnie do 0.01mm • hydrofobowa • niska przepuszczalność cieczy i gazów • dobre właściwości dielektryczne • transparentna • stabilna w dużym zakresie temperatur (-200 'C to +200 'C) Para Tech company

8. Wyniki – testy elektrochemiczne Powierzchnia stali – pomiary EIS Bode plot Hanks Hanks+H2O2 Gdzie: IZI = Z’ + jZ’’ IZI – Impedancja (Ω) Nyquist plot Z’ – rzeczywista część impedancji Z’’ – część urojona impedancji

9. Wyniki – testy elektrochemiczne + morfologia powierzchnia stali niepokryta powierzchnia pokryta silanem Hanks Hanks Hanks+H2O2 Hanks+H2O2 powierzchnia pokryta parylenem N powierzchnia pokryta silanem+parylen N Hanks Hanks Hanks+H2O2 Hanks+H2O2

10. Wyniki – testy elektrochemiczne Płyn Hanksa Stal pokryta powłoką silanowo-parylenową ? Impedancja/ Om płyn Hanksa z H2O2 Płyn Hanksa Stal niepokryta Płyn Hanksa z H2O2 czas/ godziny M. Cieślik et al. Corros. Sci 51 (5) (2009) 1157

11. Wyniki – charakterystyka powierzchni po 9 dniach testów EIS w płynie Hanks przed testami EIS po 9 dniach testów EIS w płynie Hanksa +H2O2 Zdjęcia z mikroskopu elektronowego SEM próbek stali pokrytych podwójną warstwą silanowo-parylenową przed i po testach elektrochemicznych EIS

12. Model degradacji powłoki w obecności H2O2 płyn Hanksa z H2O2 1 2 3 1 2 3 1h 1dzień 7dni

13. Wyniki – testy uwalniania jonów – in vitro próbka 1 pokryta powłoką parylenową niepokryta pokryta powłoką silanowo-parylenową Całkowita ilość uwolnionych jonów metali po 4 – ech tygodniach testów in vitro 0,8 0,6 0.4 a) 0,2 Płyn Hanksa 0 Fe > Ni >> Cr Ilość uwalnianych jon ów / µg cm-2 10 8 6 Płyn Hanksa +H2O2 b) 4 Fe > Cr > Ni 2 0 M. Cieślik et al. Corros. Sci (2010)

14. Wnioski: • powłoki parylenowe mogą służyć do ochrony powierzchni implantów metalowych przed procesami korozyjnymi • w celu skutecznej ochrony powierzchni metalowej należy zoptymalizować parametry powłoki (grubość, rodzaj parylenu, elastomer) • obecność nadtlenku wodoru ma negatywny wpływ na właściwości ochronne warstwy polimerowej • pomiary EIS pozwoliły opracować model degradacji powłoki ochronnej Obecnie: Długotrwałe testy uwalniania jonów metali z próbek stali pokrytychpowłokami silanowo-parylenowymi o różnej grubości

15. Projekt jest wykonywany we współpracy z: Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej , PAN Wydział Chemii, Uniwersytet JagiellońskiKIMAB Polymeric Materials DepartmentKTH Corrosion Science Division LfC Sp. z o.o. Para Tech Projekt realizowany w ramach programu Ventures Fundacji na rzecz Nauki Polskiej współfinansowanego ze środków Unii Europejskiej – Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego Dziękuje za uwagę