脉冲电流频率和阳极氧化时间对用电解法抛光的表面性质和Nonelectropolished钛基板

文摘

阳极的表面特征电影用电解法抛光和nonelectropolished钛基板上形成评估在室温下使用不同的阳极氧化参数。表面被光学显微镜分析,拉曼光谱,扫描电镜,x射线衍射。TiO的形成₂锐钛矿相才发现nonelectropolished基质,似乎有一个更大数量的锐钛矿样品电镀;因此,最小的晶体得到最高频率的脉冲电流。EIS结果表明没有区别的紧密度层厚度。

1。介绍

钛及其合金已广泛应用于生物医学设备、牙科、骨科植入物等。为了提高骨科植入物的骨整合过程,最近已经提出多种化学和地形修改。一些作者观察到表面修改使用方法如抛光、电解抛光、腐蚀,阳极氧化,和等离子电解氧化能够提高骨整合过程的速度和质量,从而增加骨沉积和缩短维修周期1- - - - - -6]。

一些修改揭示纳米特性,可以提高间充质细胞和成骨细胞的增长和附件由于生物活性面积的增加(7,8]。许多方法被用来改善界面性能和植入物的一生。此外,在高电压阳极氧化是由于一个简单而有趣的和可复制的过程,可以影响化学成分,形态学,阳极膜的厚度。它可以将一个非晶态氧化膜氧化结晶;因此,植入物表面形成纳米,从而有利于成骨细胞的细胞生长,导致一个更有效的骨整合过程(8,9]。

根据姚明et al。10),纳米功能可以更好地模拟蜂窝环境通过提供更大的表面积和反应网站最初的蛋白质相互作用,可以调节成骨细胞粘附。金等。11)发现一个阳极氧化层相对较厚,比形成更均匀的自然提高耐腐蚀和磨损,从而显著提高碱性磷酸酶活性。

Shokuhfar et al。2]分析了成骨细胞之间的交互和无定形和结晶二氧化钛和得出结论,高的表面润湿性是由于结晶度对细胞施加更大的影响蔓延。亲水表面蛋白质吸附还显示高于疏水表面,对细胞的生长产生积极的影响。在TiO的结晶阶段₂、锐钛矿和金红石溶于生理液体低于非晶薄膜,形成一个更耐腐蚀被动氧化层(12]。

阳极膜的结晶机制提出了陈和周13),考虑到非晶态、锐钛矿和金红石TiO的阶段₂出现一个类似于网状TiO的结构₆八面体单元可以通过分享他们的边缘耦合(有利于锐钛矿结构)或他们的顶点(金红石的情况)。这个过程是由脱水(Ti(哦)₆]²⁻,这取决于羟基离子和电解质温度的数量,从而影响Ti的溶解度^{4 +}离子在水中。

锐钛矿可以促进磷灰石的成核速度更快的增长比金红石由于其更好地与磷灰石晶体晶格匹配(14]。TiO的进步的结晶₂可以观察到的样本是电镀的。通过改变阳极氧化参数如电压和电解液组成、钛衬底上的阳极膜可以形成(15- - - - - -17]。

一项研究[18]表明,脉冲电流阳极氧化的扮演着一个很重要的角色,修改植入物表面,提高细胞反应,导致细胞数量增加,对于医疗和牙科手术带来的好处,并导致更快和更有效的骨整合过程。在这种背景下,目前的工作旨在创建一个更可以使表面的生物相容性通过锐钛矿的形成在不同的频率和脉冲电流阳极氧化过程的室温。

2。材料和方法

工业纯钛(等级2)表( 毫米)被使用400机械磨损,600年和1200年金刚砂的论文。然后,床单被分为几组,报两个抛光方法:一些样品被自动抛光和用电解法抛光使用电解蚀刻比勒Electromet 4,和另一个部分样本与自动旋转抛光机抛光钻石悬挂(盟军了预科3)。样品在电镀0.1厘米⁻²脉冲电流和最大电压30 V通过使用数字示波器(由Minipa MO2061制造)和一个方波脉冲整流器(GI21P-10/30通用逆变器)。每个样本工作电极、钛铜盘反电极,和2.5 mol / L H₃阿宝₄作为电解液。

阳极氧化过程发生在两个阶段中,阳极氧化的影响在15期,30和60分钟,100赫兹的频率,和40%的责任周期进行了第一个,而60分钟的阳极氧化时间定在每个工作周期在不同频率(10 1和0.33赫兹)在第二个。

氧化钛薄膜被确定使用Horiba科学T64000拉曼光谱仪通过与激发波长514纳米的激光辐射梁(10倍60秒曝光获得每个光谱)。电镀样品的表面形貌进行了分析,利用扫描电子显微镜(SEM、蔡司DSM 940)。电镀表面的晶体结构是由使用低角x射线衍射(D8进步,力量有限公司)。横截面层厚度是评价通过使用光学显微镜蔡司Axio成像仪Z2m与圆形微分干涉对比(C-DIC)。测量的电化学阻抗谱(EIS)在0.9%的氯化钠溶液含有氯离子浓度在血浆(类似于发现19]。电化学测量是由PGSTAT302稳压器(生态。化学b . V。,Utrecht, Netherlands). A thermostatic cell (37°C1°C)是使用三个电极,其中每个电镀样品工作电极。Pt线是作为对电极和潜力都是测量饱和Ag / AgCl /电极。EIS光谱被记录在开路电位((OCP)通过应用10 mV潜在正弦频率从100千赫至10 mHz。数据拟合是由联邦铁路局软件(4.9频率响应分析器,生态。化学b . V。,Utrecht, Netherlands).

3所示。结果与讨论

图1显示瞬时脉冲电流的值(脉冲频率在100赫兹)后30 - 55分钟的阳极氧化时间,使得用电解法抛光的比较(图1(一))和nonelectropolished(图1 (b))表面。其他实验条件获得这些价值在这两种情况下是一样的。根据这些图表,方波只有观察而抛光表面电镀。理想方波交替两个层次之间的定期,最大和最小。对于这样一个过程,三个参数应该调整:脉冲电流持续时间(),电流脉冲之间的时间(),电流脉冲大小。之间的关系和确定工作周期(dc)和频率()的过程中,它被定义为 和 (20.]。

拉曼光谱(图2(一个)和2 (b)显示弱的乐队成为更强的结果增加了阳极氧化时间至于用电解法抛光基质。缺乏强烈和明确的峰值表明电影主要是无定形或纳米晶体,但它也可以是由于这样的事实,这部电影是非常薄的21,22]。60分钟的阳极氧化后,一场激烈的峰值为147厘米⁻¹和三个明确的乐队对抛光样品观察,这是符合文学的锐钛矿相(23]。更大的结晶度是由于阳极氧化时间长,这是符合观察邢et al。24]。XRD谱(图3)表明,钛阳极膜的抛光表面主要由锐钛矿。高强度峰值接近25度是锐钛矿的另一个象征。

图4描述了阳极氧化钛薄膜的SEM图像形成30 V和不同的抛光基板电流脉冲的频率。这部电影形态没有明显改变通过减少频率从100到0.33赫兹,但晶粒尺寸的增加,数量,孔隙大小是观察到的在较低的频率。增加结晶颗粒的平均尺寸同样可以解释为晶体生长在降水过程中从过饱和溶液。降水由两个不同的事件:成核,或较小的初始形成稳定的晶体,其后续发展。更大的晶体形成当晶体生长速率超过成核率。

类似的结构,如一个如花似玉或nodule-like结构,建议在文献[24),主要由水晶TiO₂谷物和可以与电影相关介质击穿特性。光学显微镜图5显示了一个横断面阳极层的抛光样品,这显示,氧化膜是20μ米厚,似乎并没有钛衬底上的不连续。

无定形氧化物形成的机制,以及其过渡到氧化结晶,被几位作者报道15,17,25- - - - - -28]。TiO的形成₂通过阳极氧化从金属氧化和分解的水在金属/电解质界面。应用电场指导^{4 +}离子的电解质,而O²⁻噢,⁻离子对阳极。毛孔的迁移和氧化形成O²⁻沿着TiO离子₂矩阵,这是积累的形式₂泡沫。锐钛矿相是已知比无定形TiO更好的导电性₂在阳极氧化,从而有利于电荷转移过程,而阴极反应降低H的数量⁺离子。

图6尼奎斯特格式的说明了EIS光谱获得的钛阳极氧化后在不同电流脉冲频率,通过扭曲电容半圆形可以观察到图6(一)。通过复平面显示实验数据块的一个缺点是应用信号频率的阻抗依赖没有直接显示。因此,波德图所示的数字6 (b)和6 (c)。模量和相移的频率依赖每个实验条件非常相似,这表明阳极电影的形态是相似的。图表显示了不同直径的重叠电容弧小阻抗模量和相位角的变化在低频段,这可能表明,不改变形态的电影,甚至在阳极氧化过程中通过改变当前的脉冲频率。这些差异是由于晶体核的数量和分布对电镀表面。

这些图表的解释与等效电路拟合过程获得的软件,和安装数据叠加显示在每个各自的曲线为实线。

等效电路最初是基于一个两层的结构模型图7(一)威廉姆森提出,et al。12和蟑螂等。14),是无报酬的欧姆电阻,否则称为溶液电阻。并行协会(和)代表外部多孔层和电子元素(和)象征着一种内在的阻挡层绑定到华宝扩散元素钛衬底附近。因为真正的固体电极总是不均匀,表面的电化学行为表示调查电影对金属的保护属性使用简单的等效电路并不可行。可能的缺陷和特征的电影被使用EIS可能常常被归结为一个不完美的细胞几何,这导致了非均匀电流分布,因为腐蚀过程发生在非齐次的表面缺陷。和是固定相的元素用于拟合数据而不是电容和相关非均匀电流分布由于表面粗糙度或不均匀性。包含固定相的元素()的等效电路提供参数对应于光谱失真度或表面粗糙度。

表1和2显示,使用等效电路模型参数拟合实验结果中描述数据7(一)和7 (b)。低值,10的顺序⁻³的总和,即二次实验和计算数据之间的偏差,观察了两种电路模型,表明他们可能适合解释的阻抗谱。

不像威廉姆森et al。12和蟑螂等。14这里,内外层电阻(和 ,(表)非常相似1)。这个结果表明,没有区别的紧密度层厚度。因此,选择一个更简单的等效电路模型,考虑到这部电影应该由一个层,极化电阻()可以被视为电影阻力。值(表2与实验数据图)更连贯6目前的模型。因此,目前10赫兹脉冲形成的阳极膜是最耐腐蚀。

另一个明显矛盾的结果对最复杂的等效电路的选择这一事实值低于获得(表1)。此外,各自值大于0.9(典型的均匀和紧凑的表面)而发现的是约0.7(通常用来代表一个粗糙表面),一旦预期 的事实指的是大多数多孔层。

在两个电路模型,获得了最好的数据拟合后插入一个华宝扩散元素,那里表明通过氧化层发生扩散过程。如上所述,罗奇et al。14),纳米孔隙网络似乎互连外层与内层;因此,电解质到达钛衬底。

4所示。结论

这项工作旨在研究锐钛矿形成钛用低压电流脉冲阳极氧化过程在室温下。发现锐钛矿的电影只是nonelectropolished钛表面形成的。锐钛矿相的比例似乎更增加了阳极氧化时间,和最小的晶体得到最高的电流脉冲的频率。非晶或纳米晶体薄膜形成用电解法抛光钛表面在同一实验条件的nonelectropolished钛表面。大约20的阳极膜厚度μm, EIS结果显示没有区别在沿着氧化膜厚度的紧密程度,因此建议单层的形成。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

这项工作是支持FAPESP,必须占州政府由于是由于多用户实验室先进的光学光谱,由,l·r·o·海因博士SEM图像和DRX光谱。

引用

1. j .左x, x中et al .,”比较研究三个纯钛板的影响具有不同微和nanotopographic表面preosteoblast行为,”《生物医学材料研究的一部分,卷101,不。11日,第3284 - 3278页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
2. t . Shokuhfar a . Hamlekhan J.-Y。崔Chang c . k . c . Sukotjo和c·弗里德里希·“生物物理评价细胞nanotubular表面:原子排序和化学的影响,“国际期刊的纳米9卷,第3748 - 3737页,2014年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
3. g . Polizzi f . Gualini b·弗里,“双中心回顾性分析tiunite,植入的长期临床和影像学数据放置在相同的嘴,“国际期刊的假牙修复术,26卷,不。4、350 - 358年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
4. e . Rieger a . Dupret-Bories l . Salou et al .,“控制植入纳米表面修改/软组织交互的三维多孔钛植入,”纳米级,7卷,不。21日,第9918 - 9908页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
5. d·l·托雷斯m·c·佩雷拉j·w·j·席尔瓦,e . n . Codaro和h·a·Acciari”磷酸浓度和氧化时间对钛阳极的性质的电影,”工程科学与技术杂志》上,10卷,不。7,841 - 848年,2015页。视图:谷歌学术搜索
6. s . a . Yavari b s Necula l . e . Fratila-Apachitei j . Duszczyk i Apachitei,“摘要介绍表面等离子电解氧化钛生物医学合金,”表面工程,32卷,不。6,411 - 417年,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
7. g . Doroudian m·w·柯蒂斯a .帮派和b·罗素“循环应变占主导地位在调节细胞骨架微貌和粘着斑重塑人类间充质干细胞,”生物化学和生物物理研究通信,卷430,不。3、1040 - 1046年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
8. M.-H。金,K.-H k .公园。崔et al .,“细胞粘附和体内骨整合的喷砂/酸蚀刻/阳极氧化牙科植入物,”国际分子科学杂志》上,16卷,不。5,10324 - 10336年,2015页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
9. r·s·威廉姆森,j . Disegi j . a . Griggs m·d·罗奇,“纳米孔形成商业纯钛表面氧化的4级使用脉冲在硫酸阳极化方法,”材料科学杂志:材料在医学,24卷,不。10日,2327 - 2335年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
10. c .姚明,e . b . Slamovich, t·j·韦伯斯特”增强成骨细胞功能在阳极氧化钛nanotube-like结构,”《生物医学材料研究的一部分,卷85,不。1,第166 - 157页,2008。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
11. k金,一个。李,X.-H。朴,周宏儒。钟,Y.-J。金”,表面阳极化处理的特点和生物活性钛表面,”牙周&植入科学》杂志上,43卷,不。4、198 - 205年,2013页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
12. r·s·威廉姆森,j . Disegi a . v . Janorkar j . a . Griggs和m·d·罗奇”责任周期的影响结晶度,孔隙尺寸、表面粗糙度和耐腐蚀的钛阳极氧化膜表面,”表面涂层技术卷,277年,第288 - 278页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
13. z陈和k .周”,阳极氧化膜的表面形貌、相结构和财产演变钛在水蒸气接触,”表面涂层技术卷,263年,第65 - 61页,2015年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
14. m·d·罗奇r·s·威廉姆森i . p .布莱克和l . m .迪迪埃,”调优锐钛矿和金红石相比率和纳米级表面特征通过阳极化处理到钛衬底表面,”生物材料科学与工程C:材料的应用58卷,第223 - 213页,2016年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
15. m .风扇和f . La Mantia阳极处理的钛表面形貌的影响,“电化学通讯37卷,第95 - 91页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
16. a . Nazari和美国Saedodin多孔阳极氧化铝涂层pool-boiling性能的优化,“表面工程卷,844年,页1 - 6,2016。视图:谷歌学术搜索
17. c .傅h .梁m . Yu j . Liu和s·李,“酒石酸浓度对钛合金阳极行为,”电化学科学的国际期刊,10卷,不。4、3431 - 3441年,2015页。视图:谷歌学术搜索
18. l·m·r·Vasconcellos m . f . l . Villaca-Carvalho r·f·普拉多et al .,”研究细胞活动通过脉冲电流、阳极氧化膜Ti-6Al-4V”工程科学与技术杂志》上,12卷,不。5,1240 - 1252年,2017页。视图:谷歌学术搜索
19. t . Kokubo和h Takadama,“SBF预测体内骨生物活性是有用的?”生物材料,27卷,不。15日,第2915 - 2907页,2006年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
20. n . n . Regone c·m·a . Freire, m . Ballester”Al-based阳极氧化膜结构使用场发射枪扫描电子显微镜观察,“材料加工技术杂志》上,卷172,不。1,第151 - 146页,2006。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
21. 中情局Alhomoudi和g . Newaz”在锐钛矿TiO残余应力和拉曼位移关系₂薄膜,”薄固体电影,卷517,不。15日,第4378 - 4372页,2009年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
22. H.-Y。如果,Z.-H。太阳,x Kang裴伟伟。子,H.-L。张”,压敏电阻器形态、润湿性和阳极多孔二氧化钛薄膜的光电流响应,“微孔和介孔材料,卷119,不。1 - 3、75 - 81年,2009页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
23. p v c . Nettikaden h . Liu Skeldon,和g·e·汤普森“多孔阳极膜的形成及合金在硫酸,”腐蚀科学卷,57 49-55,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
24. j .兴z夏,j . Hu y,和l .钟”的增长和结晶时间依赖性阳极氧化钛薄膜在恒电势的模式中,”腐蚀科学卷,75年,第219 - 212页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
25. d . Regonini c·r·鲍恩A . Jaroenworaluck和r·史蒂文斯的增长机制,阳极氧化膜的结构和结晶度TiO₂纳米管。”材料科学与工程:R:报告,卷74,不。12日,第406 - 377页,2013年。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
26. j·l·罗莎·a·罗宾r . z(靠,m·b·里贝罗m . p . Piassa和m·b·席尔瓦”形成的二氧化钛纳米管阵列阳极氧化:DOE方法,”表面工程,30卷,不。2、115 - 122年,2014页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
27. l . Giorgi e . Salernitano t Dikonimos Makris et al .,“二氧化钛纳米管电化学阳极化自组装:半导体和电化学性质,“薄固体电影卷。601年,28-34,2016页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索
28. c . Jaeggi m . Parlinska-Wojtan, p . Kern”的相关性electrolyte-derived夹杂物的结晶钛阳极氧化膜生长的早期阶段,“薄固体电影,卷520,不。6,1804 - 1808年,2012页。视图:出版商的网站|谷歌学术搜索

版权

版权©2018年维多利亚da Costa Marba等。这是一个开放分布式下文章知识共享归属许可,它允许无限制的使用、分配和复制在任何媒介,提供最初的工作是正确引用。