Comparative characterization of ARC-PVD ZrN and PEO hydroxyapatite coatings on pure Ti-6Al-4V substrates for biomedical applications

Abstract

The nanocrystalline films of zirconium nitride have been synthesized using ion-plasma vacuum-arc deposition technique on pure Ti-6Al-4V, whereas the hydroxyapatite coatings were deposited by the method of plasmaelectrolytic oxidation in alkaline electrolytes (hydroxyapatite + 1 М potassium hydroxide). Structure evaluation by X-ray diffraction analysis (XRD), scanning electron microscopy (SEM) with microanalysis (EDS) – were performed to study phase and chemical composition, surface morphology, microstructure of coatings. The formed HA PEO coatings with spheroidal structure contain the phases of CaTiO₃ calcium titanate, CaHPO₄ anhydrous dicalcium phosphate, and Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂ hydroxyapatite. It was revealed that ZrN single-phase coatings of cubic modification with finecrystalline grains of 20 nm in size were formed. This experimental study found that coating Ti-6Al-4V with ZrN and HA positively influences preosteoblast cell adhesion, which results in the almost complete coverage of the surface, along with a less number of cells grown on uncoated titanium surface.

Нанокристалічні плівки нітриду цирконію було синтезовано методом іонно-плазмового вакуумно-дугового осадження на підкладки з Ti-6Al-4V, а покриття з гідроксиапатиту наносили методом плазмоелектролітичного оксидування в лужних електролітах (гідроксиапатит + 1 М гідроксид калію). Для вивчення фазового та хімічного складу, морфології поверхні, мікроструктури покриттів проводили структурні дослідження: рентгеноструктурний аналіз (РСА), скануючу електронну мікроскопію (СЕМ) з мікроаналізом (ЕДС). Сформовані покриття HA PEO зі сфероїдальною структурою містять фази титанату кальцію CaTiO₃, безводного дикальційфосфату CaHPO₄ та гідроксиапатиту Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂. Виявлено, що утворюються однофазні покриття ZrN кубічної модифікації з дрібнокристалічними зернами розміром 20 нм. Експериментальне дослідження показало, що покриття ZrN і HA на Ti-6Al-4V позитивно впливають на адгезію клітин преостеобластів, що призводить до майже повного покриття поверхні, порівнянно із меншою кількістю клітин, вирощених на титановій поверхні без покриття.