;..' 60 lat Wydziału Mechaniczna Technologicznego Politechniki Śląskiej w Gliwicach JANUSZ SZEWCZENKO, JAN MARCINIAK Instytut Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych, Politechnika Śląska Wpływ elektrostymulacji zrostu kostnego na proces korozji implantów W pracy przedstawiono wyniki badań wpływu różnych metod elektrostymulacji zrostu kostnego na przebieg korozji implantów ze stali Cr-Ni-Mo, pokrytych warstwą pasywną i pasywno-węglową. Elektrostymulację przeprowadzano przez 28 dni wpłynie fizjologicznym Tyrode'a o temperaturze 37 ± 1 C, ph zmiennym w przedziale 7,6+8,6. Do elektrostymulacji wykorzystano prąd stały, stały przerywany oraz sinusoidalny. Dla poszczególnych metod oceniano ubytki masy implantów oraz uszkodzenia korozyjne powstałe na ich powierzchni. Przedstawiono ponadto wyniki badań nad infiltracją produktów korozji implantów powstałych w wyniku stymulacji prądem stałym metodą inwazyjną. Stopień infiltracji produktów korozji oceniano przy pomocy mikroanalizatora rentgenowskiego. Słowa kluczowe: korozja implantów, warstwy pasywne i pasywno-węglowe, elektrostymulacja Influence of electrostimulation of bonę union on implant corrosion behaviour The paper presents the investigation results ofthe influence ofvarious methods of bonę union electrical stimulation on the corrosion progress of implants madę of Cr-Ni-Mo steel, coated with passive and passive-carbon layers. The electrical stimulation was carried outfor 28 days in Tyrode 's physiological solution at a temperaturę of 37 ± 1 C, within a 7.6^8.6 ph rangę. Direct, pulsating, and sinusoidal currents were used for the electrical stimulation. Mass reductions of implants and corrosion damage developed on their surfaces were evaluatedfor the particular methods of electrical stimulation. Moreover, the infiltration of implant corrosion products, resulting from the stimulation of a bonę union with the direct electrical current using the invasive method was investigated. The infiltration degree of the corrosion products was evaluated using an X-ray microprobe analyzer. Key words: implant corrosion, passive andpassive-carbon layers, electricalstimulation 1. Wprowadzenie Stosowane obecnie zewnętrzne metody stabilizacji odłamów kostnych, do których zaliczyć można ZESPÓL i POLFIX, charakteryzują się elastycznością zespolenia. Cecha ta ma umożliwić przemieszczanie się odłamów kostnych w dopuszczalnym przedziale (poniżej 3 mm), ograniczając jednocześnie wielkość powstałych w wyniku docisku odłamów naprężeń do 4 N/mm" [1]. Zespolenie takie prowadzi do aktywizacji zrostu kostnego dzięki wykorzystaniu efektów elektromechanicznych, polegających na generacji potencjałów elektrycznych w następstwie przyłożonego obciążenia, co z kolei powoduje przepływ prądów czynnościowych przez obszar złamania. Przepływ prądu wymusza transport substancji mineralnych, przyczyniając się w ten sposób do aktywizacji zrostu kostnego. Stalowe wkręty kostne pokryte najczęściej warstwą pasywną, umożliwiają przepływ wytworzonych w efektach elektromechanicznych prądów czynnościowych poprzez elementy stabilizatora (wkręty i płytkę), obniżając wartość prądu przepływającego przez szczelinę złamania. Efekt ten jest następstwem większej rezystancji tkanki kostnej i mięśniowej niż tworzywa metalicznego. Zmniejsza to możliwy wskutek przepływu prądów czynnościowych transport składników mineralnych do obszaru odbudowy struktury kostnej. Z tego powodu w systemie stabilizacyjno-manipulacyjnym POLFIX na wkręty kostne naniesiono warstwę węglową, która jest izolatorem i posiada bardzo dużą rezystancję (zależną od grubości oraz struktury). Ponadto wytworzenie na powierzchni elementów stabilizatora POLFIX warstwy węglowej eliminuje lub minimalizuje możliwość wystąpienia odczynów okołowszczepowych, powstających w wyniku wprowadzenia implantu z biomateriału metalicznego do środowiska tkankowego [2]. Zastosowane na wkrętach kostnych powłoki węglowe zwiększają 3-krotnie odporność tworzywa metalicznego stali Cr- Ni-Mo na korozję wżerową, przez co minimalizuje się lub wyklucza, zależnie od jakości techniki operacyjnej, rozwój korozji, metalozy, a w konsekwencji powikłań odczynowych [2, 3, 4, 5]. Warstwa węglowa jest odczynowo obojętna dla tkanek i blokuje ich kontakt z tworzywem metalicznym. W przypadku stanów patologicznych będących następstwem złamania kości, a objawiających się w postaci stawów rzekomych, zrostów opóźnionych, zalecane jest stosowanie elektrostymulacji. Elektrostymulacja zrostu kostnego ma na celu zastąpienie prądów czynnościowych generowanych w tkance kostnej, w wyniku jej cyklicznego odkształcania, poprzez prądy zewnętrzne generowane przez elektrostymulator [6, 7, 8]. Badania eksperymentalne i kliniczne nad elektrostymulacja osteogenezy z wykorzystaniem prądów jednokierunkowych stałych 186
lub przerywanych wykazały, że tworzenie tkanki kostnej obserwowane jest zwłaszcza w pobliżu katody [9], chociaż osteogenezę stwierdzano również w pobliżu anody [10]. Nierównomierność rozkładu nowopowstałej tkanki kostnej została wyeliminowana po zastosowaniu prądów zmiennych [11, 12]. Niekorzystnym objawem, który jest następstwem elektrostymulacji zrostu kostnego prądem jednokierunkowym oprócz gromadzenia się nowopowstałej tkanki kostnej głównie wokół katody oraz występowania ubytków tkanki wokół anody przy elektrostymulacji metodą inwazyjną były przebarwienia okostnej. Dotychczas autorzy prac dotyczących elektrostymulacji zrostu kostnego nie analizowali procesu korozji implantów metalicznych. Wcześniejsze badania Marciniaka i Szczurka [2, 13] wykazały, że w konsekwencji rozwoju korozji powstaje w pobliżu implantu torebka łącznotkankowa z odczynami fagocytarnymi i pomnażaniem włókien kolagenowych, ich szkliwienie oraz metaloza. W tkankach organów miąższowych (wątrobie) jony metali wbudowują się do białek cytoplazmy hepatocytów, powstają zaburzenia w enzymach utleniających, wskutek czego następuje wzrost zawartości glikogenu prowadzący do stłuszczenia wątroby. Kontrowersyjnym więc staje się problem korzyści wynikających ze stosowania elektrostymulacji zrostu kostnego. Wymaga on szczegółowego wyjaśnienia od strony możliwych procesów korozyjnych zachodzących na elektrodach, w zależności od zastosowanych parametrów prądowych i metod elektrostymulacji. Temu właśnie celowi podporządkowane zostały przeprowadzone badania. Należy zaznaczyć, że stabilizator POLFIX stwarza bardzo dogodne warunki do stymulacji inwazyjnej poprzez wykorzystanie wkrętów kostnych z warstwą węglową lub z częściowo odsłoniętą w obszarze warstwy korowej kości warstwą pasywną, co umożliwia sterowanie przepływem prądu. 2. Metodyka i zakres badań W przeprowadzonych badaniach bazowano na następujących metodach elektrostymulacji zrostu kostnego: nieinwazyjnej, polegającej na wykorzystaniu dwu elektrod zewnętrznych, które przykłada się do skóry po dwóch przeciwległych stronach szczeliny złamania, półinwazyjnej, w której wykorzystuje się elektrodę wewnętrzną (katodę) oraz zewnętrzną (anodę), umieszczone najczęściej po przeciwległych stronach szczeliny złamania; czasami elektrodę wewnętrzną umieszcza się w szczelinie złamania, «inwazyjnej, która z kolei wymaga zastosowania dwóch elektrod wewnętrznych, za pomocą których doprowadza się prąd w obszar złamania. Do badań wykorzystano próbki ze stali Cr-Ni-Mo, gatunek E wg PN-ISO 5832-1. Stal ta pod względem składu chemicznego i fazowego, stopnia zanieczyszczenia wtrąceniami niemetalicznymi, struktury, wielkości ziarna oraz odporności na korozję międzykrystaliczną spełniała wymagania tej normy. W celu uzyskania założonych własności fizykochemicznych powierzchni wykonano następujące zabiegi [14]: szlifowanie mechaniczne, polerowanie elektrochemiczne, pasywacja powierzchni, nanoszenie warstwy węglowej. Szlifowane próbki poddano procesowi polerowania elektrolitycznego przeprowadzonego w roztworze fosforanowosiarczanowym. Po zakończeniu polerowania próbki poddano czyszczeniu w wodzie destylowanej oraz alkoholu etylowym w płuczce ultradźwiękowej. Pasywację polerowanych próbek przeprowadzono w roztworze kwasu azotowego. Po tych operacjach uzyskano chropowatość powierzchni R a <0,16 urn, która jest wymagana w normach dla implantów metalowych. W badaniach wykorzystano ponadto korowe wkręty kostne o długości 55 mm, wykonane z tego samego materiału. Obróbka elektrochemiczna ich powierzchni była przeprowadzona analogicznie jak powierzchni próbek. Na powierzchnię spasywowanych próbek oraz wkrętów kostnych naniesiono warstwę węgla, pozostawiając niewielką powierzchnię pasywną rys. 1. Pozostawienie powierzchni pasywnej miało na celu ukierunkowanie przepływu prądu. Syntezę warstwy węgla przeprowadzono wykorzystując proces rozkładu metanu w polu elektrycznym wysokiej częstotliwości (Radio Freąuency Plasma Activated Chemical Yapour Deposition -RFPACVD)[3]. W celu przeprowadzenia badań opracowano i wykonano stanowisko badawcze, umożliwiające przeprowadzenie elektrostymulacji różnymi metodami w warunkach zbliżonych do fizjologicznych [15]. Powierzchnia pasywna Powierzchnia z naniesioną warstwą węglową wykorzy- Rys. 1. Postać próbek z warstwą pasywno-węglową stywanych do badań Badania elektrostymulacji przeprowadzono w następujących warunkach: temperatura roztworu Tyrode'a T = 36,6 ± 1 C, ph roztworu zmienne w zakresie 7,6 -s- 8,6,» odległość pomiędzy próbkami 40 mm, co odpowiada najmniejszemu rozstawowi stabilizatora w systemie stabilizacyjno-manipulacyjnym POLFIX, stosując: prąd stały o natężeniu 40 ua, prąd jednokierunkowy przerywany o amplitudzie 80 ua i częstotliwości 29 Hz z jednakowym czasem trwania sygnału i przerwy, prąd jednokierunkowy przerywany o amplitudzie 80 JA i częstotliwości 5 Hz z jednakowym czasem trwania sygnału i przerwy, prąd sinusoidalny o amplitudzie 40 (J.A i częstotliwości 20 Hz, e prąd sinusoidalny o amplitudzie 40 (la i częstotliwości 35 khz, ciąg impulsów naprzemiennych A exp-(t/t 0 ) o amplitudzie 80 (la, stałej czasowej 1 0 = 0,2 s, oraz częstotliwości l Hz. Elektrostymulacja dla każdego wariantu powierzchni oraz przebiegu prądowego trwała po 28 dni i obejmowała 18 próbek. Przeprowadzana była w sposób ciągły (24 h/dobę), jednakże periodycznie przerywana co 7 dni. Po każdym siedmiodniowym cyklu określano wpływ elektrostymulacji na przebieg korozji. Próbki ważono z dokładnością 5x10" 5 g oraz obserwowano ich powierzchnię na mikroskopie skaningowym DSM-940, firmy OPTON. Po przeprowadzonym procesie elektrostymulacji z próbek wykonano zgłady metalograficzne, które poddano obserwacjom na mikroskopie świetlnym AXIOVERT 405 M. Badania topografii powierzchni warstwy pasywno-węglowej wytworzonej na powierzchni próbek przeprowadzono, wykorzystując mikroskop sił atomowych (AFM). W badaniach wykorzystano mikroskop NanoScape E firmy Digital Instrument. Był on zaopatrzony w standardowe ostrze z azotku krzemu (Si 3 N 4 ) na sprężystej dźwigni o stałej sprężystości 0,6 N/m. Głowica skanująca podczas pojedynczego pomiaru umożliwiała obserwację obszaru o maksymalnych rozmiarach 12x12 u;m. W celu określenia stopnia infiltracji tkanki kostnej przez produkty korozji w badaniach wykorzystano 12 kości cielęcych z umieszczonymi w nich wkrętami kostnymi pokrytymi warstwą pasywno-węglową. Stymulacja prądem stałym metodą inwazyjną trwała 28 dni i podzielona została na 7 dniowe cykle. Po każdym 187
cyklu wyłączano z badań trzy kości, mierzono ubytki masy elektrod z dokładnością 5xlO~ 5 g oraz prowadzono obserwacje ubytków korozyjnych na powierzchni wkrętów w mikroskopie skaningowym. Po 28 dniowej stymulacji pobierano fragmenty kości z okolic anody i katody. Próbki napylone zostały węglem, po czym przeprowadzono badania składu chemicznego kości w mikroanalizatorze rentgenowskim. Badania prowadzono w mikroskopie skaningowym Hitachi S4200, wyposażonym w spektrometr rentgenowski EDS YOYAGER, firmy NORAN INSTRUMENTS. Badania wykonano przy napięciu przyspieszającym 15 kv i czasie pomiaru jednego punktu 30 s. W analizie uwzględniono następujące pierwiastki: Si, P, Ca, Cr, Mo, Ni i Fe. najniższego wynosiła 281 nm. Wartość średnia głębokości wytrawień określona na podstawie dwudziestu pomiarów wyniosła 200±15 nm. Przykładowe uszkodzenie warstwy węglowej oraz profil poprzeczny powierzchni przedstawia rys. 3. 3. Elektrostymulacja prądem jednokierunkowym stałym i przerywanym Na podstawie pomiarów masy próbek z warstwą pasywną i pasywno-węglową nie stwierdzono zmiany masy próbek wykorzystywanych w nieinwazyjnej i półinwazyjnej metodzie elektrostymulacj i. a) c) - S B Rys. 3. Uszkodzenia warstwy pasywno-węglowej po 28 dniach elektrostymulacji metodą półinwazyjną. Analizowana powierzchnia próbki 10x10 (im (AFM): a) obraz powierzchni w ujęciu aksonometrycznym, obraz powierzchni próbki, c) liniowy profil uszkodzeń [im Rys. 2. Powierzchnia próbki po 28 dniach elektrostymulacji metodą nieinwazyjną, mikroskop skaningowy: a) obszar przejściowy, po lewej warstwa węglowa, po prawej warstwa pasywna, obszar wytrawień na powierzchni pasywnej Przeciętna powierzchnia próbek z warstwą pasywną i pasywnowęglową po badaniach w warunkach elektrostymulacji zrostu kostnego metodą nieinwazyjną i półinwazyjną nie uległa zmianie. Jednakże obserwacje powierzchni próbek z wykorzystaniem mikroskopu skaningowego po siedmiodniowej elektrostymulacji ujawniły obecność miejscowych wytrawień. Powierzchnia wytrawień powiększała się z upływem czasu, jednakże po upływie 28 dni elektrostymulacji stanowiła znikomą część powierzchni próbki. Wytrawienia zlokalizowane były najczęściej w pobliżu krawędzi próbki i występowały głównie na powierzchni pasywnej (rys. 2). Opisane zmiany miały charakter wyłącznie powierzchniowy. Badania topografii warstwy węglowej za pomocą mikroskopu sił atomowych ujawniły obecność miejscowych uszkodzeń w postaci wytrawień. Maksymalna głębokość wytrawień mierzona wzdłuż wybranej linii od najwyższego punktu badanego obszaru do Dla próbek z warstwa pasywną i pasywno-węglową wykorzystywanych jako katody w inwazyjnej metodzie elektrostymulacji zrostu kostnego nie stwierdzono zmiany masy. Na ich powierzchniach obserwowano wytrawienia, których wielkość, lokalizacja oraz charakter były analogiczne do obserwowanych na próbkach stosowanych w nieinwazyjnej i półinwazyjnej metodzie elektrostymulacji. Na powierzchni próbek stanowiących anody w elektrostymulacji zrostu kostnego metodą inwazyjną, obserwowano obecność produktów korozji w formie zwartej czaszy, zlokalizowanych nad powstającym uszkodzeniem (rys.4). Uszkodzenia korozyjne występowały zarówno na powierzchni pasywno-węglowej, jak i pasywnej. Wokół wżerów powstałych na powierzchni z naniesioną warstwą węglową zaznaczał się proces uszkodzeń warstwy. Kształt powierzchni oraz lokalizacja uszkodzeń warstwy odpowiadały kształtom powierzchni i lokalizacji czaszy produktów korozji występujących na próbce. Wżery powstałe na powierzchni pasywnej posiadały mniejsze rozmiary powierzchniowe w stosunku do występujących na warstwie węglowej. Uszkodzenia korozyjne powierzchni anody stosowanej w metodzie inwazyjnej zrostu kostnego po usunięciu produktów korozji przedstawia rys. 5. Obserwacje uszkodzeń korozyjnych próbek z warstwą pasywną wykazały obecność dużych wżerów z licznymi drobnymi zlokalizowanymi na jego obrzeżach. Głębokości dużych wżerów osiągała 2 mm (rys. 6). 188
wykazały, iż proces ten przyczyniał się do zmniejszania masy próbek. Zmiany wielkości ubytków masy obu rodzajów anod w funkcji czasu trwania elektrostymulacji są zgodne z prawem Faraday'a. Po 28 dniowej elektrostymulacji ubytki masy wynosiły około 0,025 g. Wartość stałej elektrochemicznej dla stali, z której wykonane zostały próbki, wynosiła k = 0,952 g/ah. a) Rys. 4. Produkty korozji na powierzchni anody z warstwą pasywną, mikroskop skaningowy 400 ira 350 urn Rys. 5. Uszkodzenia korozyjne anody w strefie przygranicznej warstwa pasywna - warstwa pasywno-węglową (odpowiednio prawa i lewa strona) po 28 dniach elektrostymulacji, mikroskop skaningowy a ) l Rys. 7. Uszkodzenia korozyjne anody z warstwą pasywnowęglową po 28 dniach elektrostymulacji: a) powierzchnia anody, mikroskop skaningowy, struktura poprzeczna wżeru, mikroskop świetlny 4. Elektrostymulacja prądem sinusoidalnym i ciągiem impulsów naprzemiennych Na podstawie pomiarów masy próbek, z warstwą pasywną oraz pasywno-węglową nie stwierdzono stosowaną precyzją pomiarową zmiany masy żadnej z próbek. Obserwacje próbek zarówno z warstwą pasywną, jak i pasywnowęglową po 7 dniach elektrostymulacji ujawniły na powierzchni miejscowe wytrawienia. Charakter i lokalizacja wytrawień był analogiczny do obserwowanych na próbkach po elektrostymulacji prądem jednokierunkowym stałym i przerywanym z wykorzystaniem metody nieinwazyjnej i półinwazyjnej - rys. 2 i 3. Powierzchnia wytrawień stanowiła znikomą część całkowitej powierzchni próbki. 5. Uszkodzenia powierzchni wkrętów kostnych umieszczonych w kości w warunkach elektrostymulacji 200 im Rys. 6. Uszkodzenia korozyjne anody z warstwą pasywną po 28 dniach elektrostymulacji: a) powierzchnia anody, mikroskop skaningowy, struktura poprzeczna wżeru, mikroskop świetlny Uszkodzenia korozyjne powstałe na powierzchni warstwy węglowej charakteryzowały się większymi rozmiarami i mniejszą głębokością (ok. l,5 mm) w porównaniu z uszkodzeniami występującymi na powierzchniach z warstwą pasywną (rys. 7). Pomiary masy próbek z powierzchnią pasywną oraz węglową, które stanowiły anody w inwazyjnej metodzie elektrostymulacji Obserwacje powierzchni wkrętów kostnych, które stanowiły anody w inwazyjnej metodzie stymulacji zrostu kostnego, wykazały obecność rozległych uszkodzeń korozyjnych powierzchni (rys. 8). Zaobserwowano je zarówno na powierzchni pokrytej warstwą pasywną, jak i pasywno-węglową. Uszkodzenia powierzchni pokrytej warstwą pasywno-węglową posiadały większe rozmiary powierzchniowe i charakteryzowały się mniejszą głębokością w porównaniu z uszkodzeniami powierzchni pokrytej warstwą pasywną (rys. 9). Na powierzchni wkrętów stanowiących katody stwierdzono jedynie niewielkie powierzchniowe wytrawienia. Wytrawienia te występowały wyłącznie na powierzchni pokrytej warstwą pasywną. W pomiarach masy anod stwierdzono ubytki korozyjne. Wielkość ubytków rosła wraz z wydłużaniem czasu trwania elektrostymulacji zgodnie z prawem Faraday'a. Masa katod nie uległa zmianie. 189
a) v przecięciu kości stwierdzono całkowitą destrukcję strefy gąbczastej. Badania składu chemicznego strefy zbitej kości, pobranej z okolic katody, nie wykazały obecności pierwiastków metalicznych. Natomiast analiza składu chemicznego wycinka kości pobranego ze strefy przylegającej do anody wykazała duże stężenie atomowe pierwiastków metalicznych. W celu określenia rozmiaru obszaru infiltracji produktów korozji przeprowadzono mikroanalizę ilościową, punktową kości wzdłuż zewnętrznej krawędzi, co 250 (im. Rysunki 10-5-13 przedstawiają krzywe segregacji pierwiastków metalicznych w funkcji odległości od powierzchni anody odpowiednio dla: Cr, Fe, Mo i Ni. Dodatni kierunek osi X odpowiadał kierunkowi przepływu prądu. Obszar zawarty pomiędzy liniami przerywanymi, widocznymi na wykresach, odpowiada 95 % poziomu ufności uzyskanych wyników. Maksymalne stężenie atomowe Cr wynosiło 23,65 % i występowało w odległości 500 im w kierunku przeciwnym względem płynącego prądu. Maksymalna odległość przemieszczenia atomów Cr wynosiła 4000 ^m i 5000 [im, odpowiednio dla kierunku zgodnego i przeciwnego względem płynącego prądu - rys. 10. -Cr Rys. 8. Uszkodzenia korozyjne wkrętów kostnych po 28 dniach elektrostymulacji, mikroskop skaningowy: a) powierzchnia anody z warstwą pasywną, powierzchnia anody z warstwą pasywnowęglową a) -A A, -6000-3000 O 3000 6000 Odległość, u.m Rys. 10. Krzywa segregacji Cr w kości zbitej w funkcji odległości Maksymalne stężenie atomów Fe, wynoszące 17,07 %, występowało w kierunku przepływu prądu w odległości 1400 J.m. Jony Fe w kierunku zgodnym z przepływem prądu występowały do 7000 im od anody, zaś na kierunku przeciwnym do 11000 im - rys. 11. B l LJ Rys. 9. Uszkodzenia korozyjne wkrętów kostnych po 28 dniach elektrostymulacji, zgład poprzeczny, mikroskop świetlny: a) anoda z warstwą pasywną, anoda z warstwą pasywno-węglową 6. Wyniki mikroanalizy rentgenowskiej Po implantowaniu wkrętów do kości stwierdzono w pobliżu anody ciemne przebarwienia warstwy korowej. Przy katodzie nie zaobserwowano zauważalnych zmian w strukturze kości. Po 190-12000 -9000-6000 -3000 O 3000 Odległość, ^m Rys. 11. Krzywe segregacji Fe w kości zbitej w funkcji odległości W odległości 1000 )J.m w kierunku przeciwnym do przepływającego prądu stwierdzono maksymalne stężenie atomowe Mo, osiągające 3,5 %. Jony Mo występowały po obydwu stronach anody, osiągając odległość 5500 im - rys. 12. Jony Ni występowały w kierunku przepływu prądu do 2000 im, zaś w kierunku przeciwnym do 7500 (J,m. Maksymalne stężenie atomowe Ni wynosiło 2,1 % i stwierdzono je w kierunku przepływającego prądu w odległości 1500 o,m - rys. 13.
Mo -12000-9000 -6000-3000 O 3000 6000 9000 Odległość, un Rys. 12. Krzywe segregacji Mo w kości zbitej w funkcji odległości 4. stymulacja zrostu kostnego prądami ze składową stałą metodą inwazyjną prowadzi do powstania uszkodzeń korozyjnych na powierzchni wkrętów kostnych, stosowanych jako anody. Na powierzchniach katody zaobserwowano tylko powierzchniowe wytrawienia, 5. obserwowane przebarwienia w strefie kości zbitej są efektem infiltracji produktów korozji z anody. Maksymalne stężenia atomowe pierwiastków metalicznych osiągają Cr - 23,65%, Fe - 17,07%, Mo-3,5%, Ni - 2,1%. Odległość infiltracji tkanki kostnej produktami korozji w kierunku przepływu prądu osiąga 7 mm, natomiast w kierunku przeciwnym 11 mm. Ubytki korozyjne na powierzchni anody oraz produkty korozji z anody w tkance kostnej wskazują, iż stosowanie tej metody stymulacji do aktywizacji zrostu kostnego prądem stałym z wykorzystaniem jako elektrod wkrętów kostnych ze stali Cr-Ni-Mo pokrytych warstwą pasywno-węglową jest bardzo niekorzystne i może prowadzić do poważnych powikłań odczynowych. Literatura -i l y 12000 9000 6000 3000 O 3000 6000 9000 Odległość, On Rys 13 Krzywe segregaqi Ni w kości zbitej w funkcji odległości 6. Wnioski Na podstawie przeprowadzonych badań sformułowano następu]ące uogólnienia 1 elektrostymulacja zrostu kostnego metodą nieinwazyjną oraz pohnwazyjną z wykorzystaniem prądów jednokierunkowych stałego i przerywanego, zmiennego sinusoidalnego oraz ciągu impulsów naprzemiennych me powoduje zmiany masy próbek z warstwą pasywną oraz pasywno-węglową Charakter zaobserwowanych zmian na powierzchni próbek wskazuje, iż te metody mogą być stosowane do elektrostymulacji zrostu kostnego Obecność stref zmatowiałych na powierzchni próbek pasywno-węglowych wyłącznie w obszarze pasywnym dowodzi, iż warstwa pasywno-węglową w dobry sposób zabezpiecza powierzchnię próbki przed niekorzystnym wpływem środowiska, 2 brak ubytków masy w próbkach z warstwą pasywną oraz pasywno-węglową wykorzystywanych w inwazyjnej metodzie elektrostymulacji zrostu kostnego prądami bez składowej stałej oraz występowanie jedynie minimalnych miejscowych zmatowień powierzchni próbek wskazuje na przydatność również te metody, 3 stosowanie elektrostymulacji zrostu kostnego metodą inwazyjną prądem jednokierunkowym stałym oraz przerywanym powoduje ubytki masy anod zarówno próbek z warstwą pasywną, jak i pasywno-węglową, są one zgodne co do wielkości z prawem Faraday'a Z tych względów metoda inwazyjna jest klinicznie niedopuszczalna zarówno z wykorzystaniem elektrod pokrytych warstwą pasywną, ak i pasywno-węglową W badaniach wykazano, ze w tej metodzie problematyczne jest ukierunkowanie przepływającego prądu poprzez strefę powierzchni nie pokrytej warstwą węglową, 1. W. Ramotowski, The Zespól and Polfix piąte stabilizers, The Zebra Publishing Agency, Kraków, 1999. 2. J. Marciniak, Projekt badawczy KBN 4 1738 91 01, Politechnika Śląska, Gliwice 1991794. 3. J. Marciniak, et al., High technology in Poland, Hi-Tech, Co Ltd, Warsaw, (1995) 102. 4. J. Marciniak, et al., Werkstoffe und Korrosion, 44 (1993) 379. 5. J. Marciniak, Biomateriały, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice, 2002. 6. E. Goodman, et al 8th Annual Meeting of the Bioelectrical Repair and Growth Society, Washington. 1988. 7. L. Zicher, Elektrostimulation des Knoches. Eine tierexperimentelle und klinische Studie. Enke Verl., Stuttgart, 1984. 8. P. J. Cundy, et al. Clin. Orthop., 259 (1990) 216. 9. D. L. Forsted, et al. Radiology, 128 (1978) 629. 10. K. Kostrzewski, et al., Chirurgia Narządu Ruchu Ortopedia Polska, 2(1979) 121, 11. C. T. Brighton, et al., Clinical Orthopaedics and Related Research, 321 (1995)223. 12. K. P Rijal., et al., Journal of Orthopaedic Research, 12, (1994) 262. 13. J. Marciniak, et al. Proceedings of the Biomechanics Conference. Gdańsk, (1987) 537. 14. J. Szewczenko, Praca doktorska, Gliwice 2001. 15. J. Szewczenko, et al. Engineering of Biomaterials, 7,8 (1999) 21 Informacje o Autorach: Prof. dr hab. inż. Jan Marciniak - kierownik Zakładu Inżynierii Materiałów Biomedycznych w Instytucie Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej, jest specjalistą z dziedziny inżynierii materiałowej oraz inżynierii biomedycznej. Od szeregu lat zajmuje się zagadnieniami kształtowania struktury i własności warstw powierzchniowych implantów metalicznych oraz nowymi postaciami konstrukcyjnymi implantów do elastycznej współpracy z tkankami, e-mail: Jan.Marciniak@polsl.pl Dr inż. Janusz Szewczenko - adiunkt w Zakładzie Inżynierii Materiałów Biomedycznych Instytutu Materiałów Inżynierskich i Biomedycznych Politechniki Śląskiej. Obszar zainteresowań Autora obejmuje: proces korozji implantów metalicznych w środowisku tkanek i płynów ustrojowych, uszlachetnianie powierzchni implantów metalicznych, wpływ pola elektromagnetycznego na organizm, e-mail: Janusz.Szewczenko@polsl.pl 191