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ITMI20071083A1 - PROCESS FOR COATING A SURFACE OF A METAL ELEMENT TO INCREASE THE OSTEOINTEGRATION AND PROSTHETIC DEVICE THAT INCLUDES THAT ELEMENT - Google Patents

PROCESS FOR COATING A SURFACE OF A METAL ELEMENT TO INCREASE THE OSTEOINTEGRATION AND PROSTHETIC DEVICE THAT INCLUDES THAT ELEMENT Download PDF

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Publication number
ITMI20071083A1
ITMI20071083A1 IT001083A ITMI20071083A ITMI20071083A1 IT MI20071083 A1 ITMI20071083 A1 IT MI20071083A1 IT 001083 A IT001083 A IT 001083A IT MI20071083 A ITMI20071083 A IT MI20071083A IT MI20071083 A1 ITMI20071083 A1 IT MI20071083A1
Authority
IT
Italy
Prior art keywords
collagen
process according
deposition
electrolytic
hydroxyapatite
Prior art date
Application number
IT001083A
Other languages
Italian (it)
Inventor
Luca Claudio De
Fede Sergio Di
Silvia Manara
Massimo Marcaccio
Francesco Paolucci
Daniele Pressato
Norberto Roveri
Anna Tampieri
Original Assignee
Fin Ceramica Faenza Spa
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fin Ceramica Faenza Spa filed Critical Fin Ceramica Faenza Spa
Priority to IT001083A priority Critical patent/ITMI20071083A1/en
Priority to PCT/IB2008/001229 priority patent/WO2008146113A2/en
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Description

DESCRIZIONE DESCRIPTION

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo: Attached to a patent application for INDUSTRIAL INVENTION entitled:

“Processo per rivestire una superficie di un elemento metallico per aumentarne l'osteointegrazione e dispositivo protesico che include detto elemento” "Process for coating a surface of a metal element to increase osseointegration and prosthetic device that includes said element"

La presente invenzione si riferisce ad un processo per rivestire almeno un elemento metallico di un dispositivo protesico, allo scopo di ottenere un'elevata integrazione ossea tra la superficie dell'elemento metallico e la struttura ossea ricevente, ed al dispositivo protesico che include tale elemento metallico rivestito. The present invention refers to a process for coating at least one metal element of a prosthetic device, in order to obtain a high bone integration between the surface of the metal element and the receiving bone structure, and to the prosthetic device that includes this metal element coated.

I dispositivi protesici sono ad esempio: impianti, mezzi di sintesi, sistemi di fissazione esterna, sistemi di stabilizzazione, gabbie di fusione, impianti dentali, viti, da impiegarsi a scopo clinico/chirurgico in campo ortopedico, maxillofacciale e neurochirurgico. Prosthetic devices are for example: implants, means of synthesis, external fixation systems, stabilization systems, fusion cages, dental implants, screws, to be used for clinical / surgical purposes in the orthopedic, maxillofacial and neurosurgical fields.

L’osso umano è tra gli esempi più complessi di materiale biomineralizzato esistenti in natura. Esso è prevalentemente costituito da componenti inorganiche quali idrossiapatite (HA) ed acqua (70-80%) e da componenti organiche quali collagene di tipo I, proteoglicani e altre proteine non collageniche (20-30%). Durante la formazione ossea nanocristalli di idrossiapatite si accumulano in intimo contatto con fibrille di collagene di tipo I generando un insieme ordinato composito nano strutturato a struttura gerarchica con determinate caratteristiche meccaniche ed elastiche in grado di conferire al sistema scheletrico proprietà strutturali in grado di sostenere tutti gli organi del corpo umano. Tale intimo meccanismo di deposizione di nanocristalli di idrossiapatite allinte di fibrille di collagene viene mediato da cellule competenti quali fibroblasti e osteoblasti. La perdita di sostanza ossea con conseguente necessità di ripristino del volume mancante o l’esigenza di un aumento di volume osseo già esistente rappresenta una delle maggiori problematiche in campo ortopedico, maxillo-facciale e neurochirurgico. Numerose soluzioni sono state proposte per far fronte alla mancanza di volume osseo, in particolare sono state impiegate varie sostanze di derivazione naturale, inorganica sintetica o solo sintetica con funzioni di sostituto osseo. Tuttavia, lo straordinario comportamento meccanico dell’osso naturale reso proprio dalla sua struttura gerarchica nanocomposita è stato dimostrato da numerosi autori essere difficilmente raggiungibile con qualsiasi altro tipo di biomateriale. Pertanto, il sostituto osseo ideale rimane l’osso autologo prelevato dallo stesso paziente da sito-donatore. Questa pratica tuttavia non è esente da rischi per il paziente che molto spesso si traducono in riassorbimento dell’impianto osseo stesso e frequente comparsa di sintomatologia dolorosa nel sito dove l’innesto osseo è stato prelevato. Human bone is among the most complex examples of biomineralized material existing in nature. It is mainly made up of inorganic components such as hydroxyapatite (HA) and water (70-80%) and of organic components such as type I collagen, proteoglycans and other non-collagenic proteins (20-30%). During bone formation hydroxyapatite nanocrystals accumulate in intimate contact with type I collagen fibrils, generating an ordered composite nano structured hierarchical structure with certain mechanical and elastic characteristics capable of giving the skeletal system structural properties capable of supporting all the organs of the human body. This intimate deposition mechanism of hydroxyapatite nanocrystals attached to collagen fibrils is mediated by competent cells such as fibroblasts and osteoblasts. The loss of bone substance with the consequent need to restore the missing volume or the need for an increase in existing bone volume is one of the major problems in the orthopedic, maxillofacial and neurosurgical fields. Numerous solutions have been proposed to cope with the lack of bone volume, in particular various substances of natural origin, synthetic inorganic or only synthetic with functions of bone substitute have been used. However, the extraordinary mechanical behavior of natural bone made precisely by its nanocomposite hierarchical structure has been shown by numerous authors to be difficult to reach with any other type of biomaterial. Therefore, the ideal bone substitute remains the autologous bone taken from the same patient from the donor site. However, this practice is not free from risks for the patient which very often result in resorption of the bone implant itself and frequent appearance of painful symptoms in the site where the bone graft was removed.

Studi recenti hanno dimostrato che l’impiego di osso allogenico da banca dei tessuti di derivazione umana, processato e reso inerte attraverso processi chimico-fisici, può rappresentare un'alternativa all’impiego dell’osso autologo. Tuttavia, anche in questa pratica, possono sussistere rischi legati alla contrazione di malattie infettive o reazioni di tipo immunitario. Recent studies have shown that the use of allogeneic bone from a human-derived tissue bank, processed and rendered inert through chemical-physical processes, can represent an alternative to the use of autologous bone. However, even in this practice, there may be risks associated with the contraction of infectious diseases or immune-type reactions.

Nuovi biomateriali con funzioni di sostituti dell’osso sono stati studiati e proposti per uso clinico, alcuni hanno evidenziato esiti positivi in seguito ad indagini cliniche sull’uomo. Tali materiali non presentano semplicemente elevate proprietà di biocompatibilità (biomateriali inerti), ma posseggono caratteristiche biomimetiche, cioè proprietà chimico e chimico-fisiche simili all’osso umano in grado di attivare meccanismi biologici (bioattività) con i tessuti ossei riceventi e le componenti cellulari in essi contenuti, promuovendo i processi di neo-formazione e consolidamento osseo. Una volta ultimata la loro funzione di stimolo della neo-formazione ossea. Questi materiali in alcuni casi vanno incontro a completo riassorbimento lasciando spazio esclusivamente all’osso neoformato. New biomaterials with the function of bone substitutes have been studied and proposed for clinical use, some have shown positive results following clinical investigations on humans. These materials do not simply have high biocompatibility properties (inert biomaterials), but possess biomimetic characteristics, i.e. chemical and chemical-physical properties similar to human bone capable of activating biological mechanisms (bioactivity) with the receiving bone tissues and cellular components in they contained, promoting the processes of neo-formation and bone consolidation. Once their function of stimulating new bone formation has been completed. In some cases, these materials undergo complete resorption, leaving space exclusively for the newly formed bone.

La cinetica di formazione dell’osso ed il suo consolidamento richiedono tempi piuttosto prolungati e nell’immediato ed intermedio postoperatorio, in particolare nella ricostruzione di alcune strutture ossee come le ossa lunghe, non è possibile accedere al carico immediato in mancanza di sostegno meccanico. The kinetics of bone formation and its consolidation require quite prolonged times and in the immediate and intermediate postoperative period, particularly in the reconstruction of some bone structures such as long bones, it is not possible to access immediate loading in the absence of mechanical support.

Per questa ragione vengono spesso impiegati mezzi complementari di stabilizzazione e fissazione meccanica di origine metallica che assicurano un carico immediato. L’impiego di strutture complementari metalliche nelle procedure di ricostruzione ossea non si limita esclusivamente alle ricostruzioni in assenza di un carico meccanico immediato, ma molto spesso costituiscono parte integrante della rigenerazione ossea come ad esempio in campo odontoiatrico/maxillo facciale dove il posizionamento di viti di titanio diventa nel tempo corpo unico con l’osso ricevente dando origine ad un sistema anatomico in grado di alloggiare elementi dentali artificiali per il ripristino di perdita di elementi dentali. For this reason, complementary means of stabilization and mechanical fixation of metallic origin are often used which ensure immediate loading. The use of complementary metal structures in bone reconstruction procedures is not limited exclusively to reconstructions in the absence of an immediate mechanical load, but very often they are an integral part of bone regeneration such as in the dental / maxillofacial field where the placement of screws Over time, titanium becomes a single body with the recipient bone, giving rise to an anatomical system capable of housing artificial dental elements to restore the loss of dental elements.

L’uso di dispositivi metallici a base di leghe di cromo-cobalto o più diffusamente di leghe di titanio, ha consentito di ottenere risultati buoni in termini di osteointegrazione, dove per osteointegrazione (concetto introdotto da Branemark fin dagli anni '60 e successivamente approfondito negli anni '80 con l’avvento di nuove tecniche istologiche) si intende la congiunzione diretta strutturale e funzionale tra l’osso vitale ricevente e la superficie di un dispositivo protesico sottoposto al carico. La realizzazione ed il mantenimento dell'osteointegrazione dipendono dalla capacità di guarigione, riparazione e rimodellamento dell'osso. The use of metal devices based on chromium-cobalt alloys or more widely titanium alloys, has allowed to obtain good results in terms of osseointegration, where for osseointegration (concept introduced by Branemark since the 1960s and subsequently deepened in the 1980s with the advent of new histological techniques) means the direct structural and functional conjunction between the receiving vital bone and the surface of a prosthetic device subjected to loading. The realization and maintenance of osseointegration depends on the ability of the bone to heal, repair and remodel.

È evidente quanto sia importante la completa osteointegrazione del metallo con l’osso del ricevente, in quanto da essa dipendono i risultati anatomici e morfofunzionali di molti interventi di ricostruzione ossea. Ad esempio in campo odontoiatrico se non si ottiene una perfetta osteointegrazione con l’osso sano vi è il rischio di mobilizzazione di impianti protesici. It is clear how important the complete osseointegration of the metal with the recipient's bone is, as the anatomical and morphofunctional results of many bone reconstruction operations depend on it. For example, in the dental field, if perfect osseointegration with healthy bone is not achieved, there is a risk of mobilization of prosthetic implants.

Le leghe di titanio (prevalentemente leghe di TiéAUV e leghe di Ti6Al7Nb) vengono preferite ad altre leghe metalliche non solo per la facilità di lavorazione, ma specialmente per l’elevata biocompatibilità, per l’elevata resistenza meccanica, per la resistenza alla corrosione, per la ridotta propensione ad indurre un riassorbimento osseo e per le proprietà elastiche che, rispetto alle altre leghe metalliche, si avvicinano di più a quelle dell’osso umano (modulo elastico relativamente contenuto corrispondente a 100 GPa rispetto agli oltre 200 GPa dei materiali alternativi, gli acciai inossidabili e le leghe di cobalto). Vi sono numerosi fattori che risultano determinanti nell’ ottenimento di una buona osteointegrazione di dispositivi impiantabili in campo chirurgico ortopedico, neurochirurgico e maxillo-facciale: oltre a fattori biomeccanici legati alla geometria ed alla forma dell’impianto, è importante la natura topografica e chimica della superficie dell’impianto stesso che si interfaccia con il tessuto osseo sano ed i suoi componenti costitutivi il connettivo, primo tra tutti la componente cellulare. Il meccanismo di formazione ossea sulla superficie dell’impianto inizia con una chemiotassi cellulare verso l’interfaccia osso impianto e migrazioni di altri fattori (macromolecole, mediatori chimici, proteine, nutrienti ecc.) con formazione inizialmente di un coagulo e successivamente di tessuto di granulazione in grado di preparare un letto ideale per la trasformazione di cellule progenitrici indifferenziate (cellule mesenchimali presenti nel midollo osseo) in cellule mature in grado di sintetizzare nello stadio finale di neossificazione la matrice ossea minerale. Infine, il risultato di una buona osteointegrazione passa inevitabilmente attraverso una perfetta qualità dell’osso ricevente. Sovente infatti si notano fallimenti di impianti metallici alloggiati in pazienti affetti da forma osteoporotica sia senile che secondaria o da altre malattie degenerative a carico del sistema scheletrico. Titanium alloys (mainly TiéAUV alloys and Ti6Al7Nb alloys) are preferred to other metal alloys not only for their ease of processing, but especially for their high biocompatibility, high mechanical strength, corrosion resistance, the reduced propensity to induce bone resorption and due to the elastic properties which, compared to other metal alloys, are closer to those of human bone (relatively low modulus of elasticity corresponding to 100 GPa compared to over 200 GPa of alternative materials, stainless steels and cobalt alloys). There are numerous factors that are decisive in obtaining a good osseointegration of implantable devices in orthopedic, neurosurgical and maxillofacial surgery: in addition to biomechanical factors related to the geometry and shape of the implant, the topographical and chemical nature of the implant is important. surface of the implant itself that interfaces with healthy bone tissue and its constituent components the connective tissue, first of all the cellular component. The mechanism of bone formation on the implant surface begins with a cellular chemotaxis towards the implant bone interface and migrations of other factors (macromolecules, chemical mediators, proteins, nutrients, etc.) with the formation initially of a clot and subsequently of granulation tissue able to prepare an ideal bed for the transformation of undifferentiated progenitor cells (mesenchymal cells present in the bone marrow) into mature cells capable of synthesizing the mineral bone matrix in the final stage of neossification. Finally, the result of good osseointegration inevitably passes through a perfect quality of the recipient bone. In fact, often failures of metal implants housed in patients suffering from both senile and secondary osteoporosis or other degenerative diseases affecting the skeletal system are noted.

Ad oggi, si dispone di tecniche e trattamenti particolari in grado di implementare le proprietà di osteointegrazione quindi di stabilità duratura degli impianti metallici, attraverso la modifica delle caratteristiche di superficie (es. modifica della rugosità) grazie a processi chimici o fisici che permettono la deposizione, sulle superfici di contatto con l’osso, di sottili film ceramici. Tali trattamenti, oltre a conferire una maggiore osteointegrazione ed una stabilità prolungata, possono conferire anche maggiore biocompatibilità della protesi limitando il fenomeno del rilascio di ioni metallici dovuto allo stress meccanico ed agli attriti. Particolare attenzione è stata riservata al trattamento superficiale di protesi di ginocchio e di anca dove i sistemi di fissazione devono possedere una macro rugosità e delle geometrie particolari, mentre per ridurre lo "stress shielding" le superfici delle protesi stesse devono essere trattate con speciali coating compresi riporti di titanio nitruro (TiN) o TiNbNi ceramizzato. Tali particolari trattamenti superficiali nel primo caso si ottengono mediante sabbiatura o lavorazioni meccaniche, oppure mediante deposizione di microparticelle di materiale ceramico o metallico grazie a specifici processi di rivestimento (Ti-plasma spray, deposizione di microsfere sinterizzate di HA, fiber mesh metalliche). Nel caso di rivestimenti esterni di superfici metalliche che si interfacciano con altre superfici articolari, essi vengono ottenuti grazie a processi chimico-fisici come il CVD (Chemical Vapor Deposition) ed il PVD (Physical Vapor Deposition) che consentono rivestimenti ultrasottili (ordine di grandezza qualche decina di nm) e resistenti, in grado di ammortizzare le sollecitazioni meccaniche dovute allo sfregamento di superfici articolari adiacenti eludendo il rilascio di ioni che possono indurre reazioni infiammatorie sui tessuti adiacenti. To date, special techniques and treatments are available that are able to implement the properties of osseointegration and therefore of lasting stability of metal implants, through the modification of the surface characteristics (e.g. modification of roughness) thanks to chemical or physical processes that allow deposition , on the surfaces in contact with the bone, of thin ceramic films. These treatments, in addition to conferring greater osseointegration and prolonged stability, can also confer greater biocompatibility of the prosthesis by limiting the phenomenon of the release of metal ions due to mechanical stress and friction. Particular attention was paid to the surface treatment of knee and hip prostheses where the fixation systems must have a macro roughness and particular geometries, while to reduce "stress shielding" the surfaces of the prostheses themselves must be treated with special coatings including coatings of titanium nitride (TiN) or ceramic coated TiNbNi. In the first case, these particular surface treatments are obtained by sandblasting or mechanical processing, or by depositing microparticles of ceramic or metal material thanks to specific coating processes (Ti-plasma spray, deposition of sintered HA microspheres, metal fiber mesh). In the case of external coatings of metal surfaces that interface with other joint surfaces, they are obtained thanks to chemical-physical processes such as CVD (Chemical Vapor Deposition) and PVD (Physical Vapor Deposition) which allow ultra-thin coatings (some order of magnitude). ten nm) and resistant, able to cushion the mechanical stresses due to the rubbing of adjacent joint surfaces, avoiding the release of ions that can induce inflammatory reactions on adjacent tissues.

Se da un lato queste tecniche possono garantire un’osteointegrazione primaria in tempi più rapidi (ad es. in ambito chirurgico maxillo-facciale 3-6 mesi), a lungo termine possono essere intrinsecamente soggette a rischi di "debridement" che possono alterare le proprietà meccaniche e superficiali del dispositivo metallico, pregiudicandone la biocompatibilità, la stabilità e l’osteointegrazione (infiammazione all 'interfaccia protesi connettivo, con formazione di lacune superficiali e osteolisi). While these techniques can guarantee primary osseointegration in a shorter time (for example in maxillofacial surgery 3-6 months), in the long term they can be intrinsically subject to risks of "debridement" which can alter the properties mechanical and superficial properties of the metal device, compromising its biocompatibility, stability and osseointegration (inflammation at the connective prosthesis interface, with the formation of superficial gaps and osteolysis).

Altri sistemi, terapie e tecniche complementari possono essere impiegate per favorire l’osteointegrazione (laser terapia, ultrasuoni ecc.) attraverso una stimolazione ossea in grado di far proliferare e differenziare le cellule progenitrici in cellule competenti alla sintesi di matrice ossea. Other complementary systems, therapies and techniques can be used to promote osseointegration (laser therapy, ultrasound, etc.) through bone stimulation capable of proliferating and differentiating progenitor cells into cells competent for bone matrix synthesis.

E noto che la nucleazione diretta in soluzione acquosa di nanocristalli di idrossiapatite (HA) all’intemo di fibre collageniche consente di ottenere un composito biomimetico con caratteristiche analoghe a quelle dell’osso umano. La nucleazione dell’HA aH’intemo di fibre di collagene induce la carbonatazione di nanocristalli di HA in posizione B con sostituzione dello ione P04con lo ione C03in maniera simile a come avviene nel processo di deposizione dell’apatite umana prevenendo la carbonatazione in posizione A dove lo ione C03<2->sostituirebbe il gruppo OH come avviene nella carbonato apatite sintetica. La stretta analogia in termini di microstruttura e composizione chimica del nanocomposito collagene-apatite con l’osso umano può portare alla realizzazione di una struttura bioattiva che depositata su una superficie metallica è in grado di modulare la cinetica di neoformazione e rimodellamento osseo. I compositi nano-strutturati calcio-fosfati/collagene si prestano ad essere depositati su superfici metalliche. Tuttavia, le metodologie di rivestimento tradizionali come il plasma spray, il CVD (Chemical Vapour Deposition) ed il PVD (Physical Vapour Deposition) non sono applicabili per questa tipologia di materiale particolarmente a causa della forma fibrosa del collagene. It is known that direct nucleation in aqueous solution of hydroxyapatite (HA) nanocrystals within collagen fibers allows to obtain a biomimetic composite with characteristics similar to those of human bone. The nucleation of HA within collagen fibers induces the carbonation of HA nanocrystals in position B with replacement of the P04 ion with the C03 ion in a similar way to how it occurs in the deposition process of human apatite, preventing carbonation in position A where the C03 <2-> ion would replace the OH group as occurs in synthetic carbonate apatite. The close analogy in terms of microstructure and chemical composition of the collagen-apatite nanocomposite with human bone can lead to the creation of a bioactive structure which, deposited on a metal surface, is able to modulate the kinetics of bone neoformation and remodeling. Nano-structured calcium-phosphate / collagen composites are suitable for deposition on metal surfaces. However, traditional coating methods such as plasma spray, CVD (Chemical Vapor Deposition) and PVD (Physical Vapor Deposition) are not applicable for this type of material particularly due to the fibrous form of the collagen.

Come descritto in letteratura, numerose difficoltà sono state riscontrate nel rendere uniformi ed omogenei rivestimenti di composito calciofosfato/collagene su superfici e supporti metallici mediante deposizione elettrolitica. As described in the literature, numerous difficulties have been encountered in making uniform and homogeneous coatings of composite calcium phosphate / collagen on metal surfaces and supports by electrolytic deposition.

Ad esempio, nell'articolo di H. Schliephake et al, "Biological performance of biomimetic calcium phosphate coating of titanium implants in thè dog mandible" pubblicato in J Biomedi. Mater. Res., (2003) 64, pag. 225-234., viene riportato uno studio sugli effetti in vivo di impianti in titanio rivestiti con vari materiali. In particolare sono stati utilizzati impianti protesici in titanio rivestiti con un multistrato di calcio-fosfato/collagene bioattivo, ottenuto mediante elettro-cristallizzazione di una soluzione di fosfato di calcio su un elettrodo di titanio sulla cui superficie in precedenza era stato depositato collagene tramite integrazione parziale di quest'ultimo all'intemo di uno strato di ossidi ottenuti per elettrodeposizione anodica. L'integrazione del collagene è stata ottenuta in condizioni galvanostatiche utilizzando un elettrolita contenente collagene in condizioni quasi fisiologiche (pH 7,4 a 37°C), e successiva immersione in una soluzione di collagene per 10 min, così da ottenere uno strato di collagene avente spessore di circa 40 nm. Come riportato dagli autori stessi, lo spessore complessivo del multistrato (circa 500 nm) ed il grado di mineralizzazione del collagene erano molto bassi. For example, in the article by H. Schliephake et al, "Biological performance of biomimetic calcium phosphate coating of titanium implants in the dog mandible" published in J Biomedi. Mater. Res., (2003) 64, p. 225-234., A study on the in vivo effects of titanium implants coated with various materials is reported. In particular, titanium prosthetic implants were used coated with a bioactive calcium-phosphate / collagen multilayer, obtained by electro-crystallization of a calcium phosphate solution on a titanium electrode on the surface of which collagen had previously been deposited through partial integration. of the latter within a layer of oxides obtained by anodic electrodeposition. The integration of the collagen was obtained under galvanostatic conditions using an electrolyte containing collagen in almost physiological conditions (pH 7.4 at 37 ° C), and subsequent immersion in a collagen solution for 10 min, so as to obtain a layer of collagen having a thickness of about 40 nm. As reported by the authors themselves, the overall thickness of the multilayer (about 500 nm) and the degree of mineralization of the collagen were very low.

Nell'articolo di Y. Fan et al "A composite coating by electrolysis-induced collagen self-assembly and calcium phosphate mineralization", pubblicato in Biomaterials, (2004) 26, pag. 1623-1632, vengono descritti altri tentativi di deposizione elettrochimica di rivestimenti multistrato di collagene e calcio fosfato. In particolare, viene descritta la deposizione elettrolitica su un substrato di silicio di un primo strato di spessore di circa 100 pm di fosfato di calcio ed un secondo strato in forma di gel di spessore di circa 100 pm costituito da un composito di fibrille di collagene con fosfato ottacalcico (OCP). La deposizione elettrolitica è stata condotta in una soluzione di Ca(N03)2e NH4H2P04addizionata con una soluzione di NaOH 1 M così da ottenere un pH di 4, 8-5.3, a cui è stato successivamente aggiunto collagene di tipo I in soluzione acida, seguito da un riaggiustamento del pH ai valori indicati sopra. La deposizione elettrolitica è stata condotta ad un potenziale costante al catodo di -1, -2 o -3V rispetto al catodo di riferimento (elettrodo saturo di calomelano, SCE). In the article by Y. Fan et al "A composite coating by electrolysis-induced collagen self-assembly and calcium phosphate mineralization", published in Biomaterials, (2004) 26, pag. 1623-1632, other attempts at electrochemical deposition of multilayer coatings of collagen and calcium phosphate are described. In particular, the electrolytic deposition on a silicon substrate of a first layer with a thickness of about 100 µm of calcium phosphate and a second layer in the form of a gel with a thickness of about 100 µm consisting of a composite of collagen fibrils with octacalcic phosphate (OCP). The electrolytic deposition was carried out in a solution of Ca (N03) 2 and NH4H2P04 added with a 1 M NaOH solution so as to obtain a pH of 4.8-5.3, to which type I collagen in acid solution was subsequently added, followed by by a readjustment of the pH to the values indicated above. The electrolytic deposition was carried out at a constant potential at the cathode of -1, -2 or -3V with respect to the reference cathode (calomel saturated electrode, SCE).

La Richiedente si è posta il problema di aumentare la capacità di osteointegrazione di dispositivi protesici che includono almeno un elemento metallico tramite un processo di rivestimento della superficie di quest'ultimo con almeno uno strato di un materiale ad elevata biocompatibilità, tale da ottenere un'interfaccia con la struttura ossea che consenta una più rapida neoformazione ossea ed un'osteointegrazione che si consolida nel tempo. The Applicant has raised the problem of increasing the osseointegration capacity of prosthetic devices that include at least one metal element by means of a process of coating the surface of the latter with at least one layer of a highly biocompatible material, such as to obtain an interface with the bone structure that allows faster bone formation and osseointegration that consolidates over time.

La Richiedente ha trovato che tale problema può essere risolto tramite un processo secondo le rivendicazioni che seguono, in cui sulla superficie dell'elemento metallico destinata a venire a contatto con la struttura ossea viene depositato per via elettrochimica un composito di collagene con un calciofosfato in condizioni di processo tali per cui le fibre di collagene si autoassemblano con la componente inorganica calcio-fosfatica in prossimità della superficie metallica, precipitando su quest'ultima in un'unica fase minerale a base di HA, senza l'aggiunta nel bagno elettrolitico di composti alcalini. The Applicant has found that this problem can be solved by a process according to the following claims, in which a collagen composite with a calcium phosphate is electrochemically deposited on the surface of the metal element intended to come into contact with the bone structure under conditions process such that the collagen fibers self-assemble with the inorganic calcium-phosphate component near the metal surface, precipitating on the latter in a single HA-based mineral phase, without adding alkaline compounds to the electrolytic bath .

Secondo un primo aspetto, la presente invenzione riguarda pertanto un processo per rivestire una superficie di un elemento metallico, che comprende: predisporre un bagno elettrolitico comprendente almeno un collagene, ioni calcio e ioni fosfato; According to a first aspect, the present invention therefore relates to a process for coating a surface of a metal element, which comprises: providing an electrolytic bath comprising at least one collagen, calcium ions and phosphate ions;

immergere in detto bagno elettrolitico almeno un catodo ed almeno un anodo, detto almeno un catodo comprendendo l'elemento metallico da rivestire; far passare corrente elettrica continua attraverso detto bagno elettrolitico così da ottenere su detta superficie una co -deposizione elettrolitica del collagene con un composto calcio-fosfato comprendente idrossiapatite. immersing in said electrolytic bath at least one cathode and at least one anode, said at least one cathode comprising the metal element to be coated; passing a direct electric current through said electrolytic bath so as to obtain on said surface an electrolytic co-deposition of the collagen with a calcium-phosphate compound comprising hydroxyapatite.

Secondo un ulteriore aspetto, la presente invenzione riguarda un dispositivo protesico comprendente almeno un elemento metallico, detto elemento metallico avendo almeno una superficie rivestita con almeno uno strato ottenibile per codeposizione elettrolitica di un collagene con un composto calcio-fosfato comprendente idrossiapatite. According to a further aspect, the present invention relates to a prosthetic device comprising at least one metal element, said metal element having at least one surface coated with at least one layer obtainable by electrolytic co-deposition of a collagen with a calcium-phosphate compound comprising hydroxyapatite.

Secondo una forma preferita di realizzazione, all'inizio della co-deposizione il bagno elettrolitico ha un pH compreso tra 3,0 e 4,5, preferibilmente tra 3,5 e 4,0, detto pH innalzandosi in prossimità del catodo ad un valore superiore a 8, generalmente compreso tra 10 e 12, durante il processo di co-deposizione senza aggiunta di composti alcalini. Al termine del processo di co-deposizione elettrolitica, il bagno elettrolitico ha un pH generalmente compreso tra 4,0 e 6,0, preferibilmente tra 4,5 e 5,5. According to a preferred embodiment, at the beginning of the co-deposition the electrolytic bath has a pH between 3.0 and 4.5, preferably between 3.5 and 4.0, said pH rising near the cathode to a value higher than 8, generally between 10 and 12, during the co-deposition process without adding alkaline compounds. At the end of the electrolytic co-deposition process, the electrolytic bath has a pH generally comprised between 4.0 and 6.0, preferably between 4.5 and 5.5.

Secondo una forma preferita di realizzazione, la co-deposizione elettrolitica viene condotta con una corrente continua sostanzialmente costante. Preferibilmente la corrente continua viene mantenuta a valori relativamente bassi onde evitare distacchi del materiale depositato causati da un eccessivo sviluppo di idrogeno gassoso al catodo. Generalmente la corrente continua ha un valore compreso tra 10 e 60 mA, più preferibilmente tra 30 e 40 mA. According to a preferred embodiment, the electrolytic co-deposition is carried out with a substantially constant direct current. Preferably the direct current is kept at relatively low values in order to avoid detachments of the deposited material caused by an excessive development of gaseous hydrogen at the cathode. Generally the direct current has a value comprised between 10 and 60 mA, more preferably between 30 and 40 mA.

Preferibilmente, il collagene è di tipo I. Preferibilmente, il collagene viene preventivamente sottoposto ad una fase di digestione enzimatica allo scopo di rimuovere i telopeptidi presenti sulle molecole di collagene che possono ostacolare l'autoassemblaggio della proteina sulla superficie metallica. Preferably, the collagen is of type I. Preferably, the collagen is previously subjected to an enzymatic digestion step in order to remove the telopeptides present on the collagen molecules which can hinder the self-assembly of the protein on the metal surface.

Preferibilmente, il collagene nel bagno elettrolitico è presente in forma di sospensione ed ha in genere una concentrazione iniziale compresa tra 0,005 e 0,05% peso/volume, preferibilmente tra 0,01 e 0,02% peso/volume. Preferably, the collagen in the electrolytic bath is present in the form of a suspension and generally has an initial concentration of between 0.005 and 0.05% weight / volume, preferably between 0.01 and 0.02% weight / volume.

Preferibilmente, gli ioni calcio vengono aggiunti al bagno elettrolitico sottoforma di un sale solubile nelle condizioni di reazione, ad esempio calcio nitrato. La concentrazione iniziale degli ioni calcio nel bagno elettrolitico è generalmente compresa tra 0,01 e 0,1 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,06 moli/litro. Preferably, the calcium ions are added to the electrolytic bath in the form of a salt that is soluble under the reaction conditions, for example calcium nitrate. The initial concentration of the calcium ions in the electrolytic bath is generally comprised between 0.01 and 0.1 moles / liter, preferably between 0.02 and 0.06 moles / liter.

Preferibilmente, gli ioni fosfato vengono aggiunti al bagno elettrolitico sottoforma di un sale solubile nelle condizioni di reazione, ad esempio ammonio diidrogeno fosfato . Preferably, the phosphate ions are added to the electrolytic bath in the form of a salt that is soluble under the reaction conditions, for example ammonium dihydrogen phosphate.

La concentrazione iniziale degli ioni fosfato nel bagno elettrolitico è generalmente compresa tra 0,01 e 0,10 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,04 moli/litro. Nell'ambito della presente invenzione, il termine "ioni fosfato" include sia gli ioni fosfato P04<3->, sia gli ioni idrogeno- ed diidrogeno-fosfato HP04e H2P04eventualmente presenti in equilibrio con gli ioni P04in quantità variabili in funzione del pH. The initial concentration of the phosphate ions in the electrolytic bath is generally comprised between 0.01 and 0.10 mol / liter, preferably between 0.02 and 0.04 mol / liter. Within the scope of the present invention, the term "phosphate ions" includes both the phosphate ions P04 <3->, and the hydrogen- and dihydrogen-phosphate ions HP04 and H2P04 possibly present in equilibrium with the P04 ions in varying quantities according to the pH.

Preferibilmente, l'elemento metallico comprende titanio od una sua lega, ad esempio leghe Ti6Al4V oppure leghe Ti6Al7Nb. Preferably, the metal element comprises titanium or an alloy thereof, for example Ti6Al4V alloys or Ti6Al7Nb alloys.

Attuando il processo secondo la presente invenzione è possibile variare lo spessore dello strato di collagene ed idrossiapatite entro ampi margini, passando da uno spessore di pochi nm, ad esempio da 10 nm a 500 nm, fino a spessori più consistenti, generalmente compresi tra 50 pm e 500 pm, preferibilmente tra 100 pm e 200 pm. Lo spessore dello strato di collagene ed idrossiapatite è preferibilmente non superiore a 500 pm, in quanto spessori più elevati possono provocare fenomeni di delaminazione che causerebbero irregolarità superficiali inficiando la capacità di osteointegrazione della superficie trattata, Preferibilmente, il composto calcio-fosfato comprende almeno il 90% in peso, più preferibilmente almeno il 95% in peso, di idrossiapatite. Preferibilmente, l'idrossiapatite è presente sottoforma di cristalli aventi morfologia lanceolata appiattita (morfologia biomimetica), aventi dimensioni medie del lato più lungo inferiori a 300 nm, più preferibilmente comprese tra 100 e 200 nm. By carrying out the process according to the present invention it is possible to vary the thickness of the collagen and hydroxyapatite layer within wide margins, passing from a thickness of a few nm, for example from 10 nm to 500 nm, up to more consistent thicknesses, generally comprised between 50 pm and 500 pm, preferably between 100 pm and 200 pm. The thickness of the collagen and hydroxyapatite layer is preferably not greater than 500 pm, as higher thicknesses can cause delamination phenomena that would cause surface irregularities, affecting the osseointegration capacity of the treated surface. Preferably, the calcium-phosphate compound comprises at least 90 % by weight, more preferably at least 95% by weight, of hydroxyapatite. Preferably, the hydroxyapatite is present in the form of crystals having a flattened lanceolate morphology (biomimetic morphology), having average dimensions of the longest side of less than 300 nm, more preferably between 100 and 200 nm.

Lo strato ottenuto per co-deposizione elettrolitica secondo la presente invenzione generalmente comprende: dal 10 a 90% in peso di idrossiapatite e dal 10 al 90% in peso di collagene. Più preferibilmente detto strato comprende: dal 60 a 70% in peso di idrossiapatite e dal 30 al 40% in peso di collagene. The layer obtained by electrolytic co-deposition according to the present invention generally comprises: from 10 to 90% by weight of hydroxyapatite and from 10 to 90% by weight of collagen. More preferably, said layer comprises: from 60 to 70% by weight of hydroxyapatite and from 30 to 40% by weight of collagen.

La presente invenzione verrà ora illustrata tramite alcuni esempi di realizzazione, i quali vengono fomiti a puro titolo esemplificativo ma non limitativo della portata dell'invenzione stessa. The present invention will now be illustrated by means of some embodiment examples, which are provided purely by way of example but not limitative of the scope of the invention itself.

Le figure allegate alle presente descrizione illustrano: The figures attached to this description illustrate:

Fig. 1: una rappresentazione schematica di un dispositivo per realizzare la codeposizione elettrolitica secondo l’invenzione; Fig. 1: a schematic representation of a device for carrying out the electrolytic codeposition according to the invention;

Fig. 2: immagine SEM del rivestimento ottenuto per co-deposizione di collagene ed idrossiapatite secondo l'invenzione dopo 5 min. di elettrodeposizione; Fig. 2: SEM image of the coating obtained by co-deposition of collagen and hydroxyapatite according to the invention after 5 min. of electrodeposition;

Fig. 3: immagini TEM del rivestimento ottenuto per co-deposizione di collagene ed idrossiapatite secondo l'invenzione: (a) e (b) dopo 5 min. di elettrodeposizione, (c) e (d) dopo 30 min. di elettrodeposizione; Fig. 3: TEM images of the coating obtained by co-deposition of collagen and hydroxyapatite according to the invention: (a) and (b) after 5 min. of electrodeposition, (c) and (d) after 30 min. of electrodeposition;

Fig. 4: spettro FTIR del rivestimento ottenuto per co-deposizione di collagene ed idrossiapatite secondo l'invenzione dopo 30 min. di elettrodeposizione (spettro A), a confronto con lo spettro FTIR di un tessuto osseo (spettro B); Fig. 5: diffrattogramma a raggi-X del rivestimento ottenuto per co-deposizione di collagene ed idrossiapatite secondo l'invenzione dopo 30 min. di elettrodeposizione; nell'inserto viene riportata per confronto una porzione di un diffrattogramma a raggi-X di un tessuto osseo; Fig. 4: FTIR spectrum of the coating obtained by co-deposition of collagen and hydroxyapatite according to the invention after 30 min. of electrodeposition (spectrum A), compared with the FTIR spectrum of a bone tissue (spectrum B); Fig. 5: X-ray diffractogram of the coating obtained by co-deposition of collagen and hydroxyapatite according to the invention after 30 min. of electrodeposition; in the insert a portion of an X-ray diffractogram of a bone tissue is reported for comparison;

Fig. 6: immagini SEM delle fibre di collagene auto-assemblate secondo l'invenzione, dopo decalcificazione con EDTA/aldeide glutarica. Fig. 6: SEM images of the self-assembled collagen fibers according to the invention, after decalcification with EDTA / glutaric aldehyde.

ESEMPIO 1. EXAMPLE 1.

Materiali impiegati. Materials used.

Tutti i reagenti erano Chemical grade. All reagents were Chemical grade.

Il collagene di tipo I utilizzato negli esperimenti è stato estratto da tendine equino utilizzando un metodo di produzione standard dove i tessuti animali ed il tessuto grezzo derivato venivano sottoposto a rigorosi controlli medicoveterinari. Dopo aver rimosso completamente la membrana sinoviale il tessuto veniva sminuzzato finemente e sospeso in soluzione acquosa di HC1 a pH 2.5 e quindi digerito con pepsina per 24h. Dopo digestione enzimatica il collagene veniva precipitato innalzando il pH a 5.5 per aggiunta di soluzione di NaOH e successivamente sottoposto a lavaggi con acqua distillata e successivamente trattato con NaOH 1M per Ih in modo da rimuovere qualsiasi residuo glicosidico ed assicurare la completa inattivazione virale. Al termine della procedura veniva trattato in ambiente a pH 5.5 per aggiunta di HC1. Poco prima del processo di deposizione le fibre collagene venivano omogeneamente risospese ( 1% w/w) in acido acetico 0.3% (w/v). The type I collagen used in the experiments was extracted from equine tendon using a standard production method where animal tissues and derived raw tissue were subjected to rigorous veterinary medical controls. After having completely removed the synovial membrane, the tissue was finely chopped and suspended in aqueous solution of HCl at pH 2.5 and then digested with pepsin for 24h. After enzymatic digestion, the collagen was precipitated by raising the pH to 5.5 by adding a NaOH solution and subsequently washed with distilled water and subsequently treated with 1M NaOH for 1h in order to remove any glycosidic residue and ensure complete viral inactivation. At the end of the procedure it was treated in an environment at pH 5.5 by adding HCl. Shortly before the deposition process, the collagen fibers were homogeneously resuspended (1% w / w) in 0.3% (w / v) acetic acid.

Le lamine di titanio al 99,7% sono state ottenute da Sigma (cod. 267503-25.2G) e successivamente tagliate in strisele di dimensioni 15 mm x 25 mm. The 99.7% titanium sheets were obtained by Sigma (code 267503-25.2G) and subsequently cut into strips of dimensions 15 mm x 25 mm.

Condizioni di processo. Process conditions.

I processi di deposizione elettrolitica di seguito descritti venivano condotti con un sistema elettrochimico a due elettrodi illustrato schematicamente in Figura 1, che comprende un bagno elettrolitico (1) in cui sono presenti ioni calcio, ioni fosfato e collagene in forma di sospensione nel mezzo acquoso; nel bagno elettrolitico (1) sono immersi un catodo (2) ed un anodo (3), tra i quali passa corrente elettrica continua controllata attraverso un potenziostato (4), utilizzato come galvanostato (Amel model 552-Potenziostat/Amel model 721-Integrator). II catodo era costituito da una lamina di titanio delle dimensioni di 15mm x 25 mm. Prima della deposizione elettrolitica, la lamina di titanio veniva pulita mediante trattamento ad ultrasuoni in bagno di acetone e successivamente in acqua distillata al fine di rimuovere ogni residuo. The electrolytic deposition processes described below were carried out with a two-electrode electrochemical system illustrated schematically in Figure 1, which comprises an electrolytic bath (1) in which calcium ions, phosphate ions and collagen are present in the form of a suspension in the aqueous medium; a cathode (2) and an anode (3) are immersed in the electrolytic bath (1), between which direct electric current passes through a potentiostat (4), used as a galvanostat (Amel model 552-Potenziostat / Amel model 721-Integrator ). The cathode consisted of a titanium sheet measuring 15mm x 25mm. Before the electrolytic deposition, the titanium sheet was cleaned by ultrasonic treatment in an acetone bath and subsequently in distilled water in order to remove any residue.

II bagno elettrolitico è stato preparato sciogliendo in acqua distillata Ca(N03)2e NH4H2P04fino ad ottenere una concentrazione 42 mM di [Ca ] e 25 mM di P04<3->. Una sospensione di collagene di tipo I preparata come descritto sopra veniva addizionata al bagno elettrolitico alla concentrazione di 0.012% w/v. Il pH iniziale del bagno elettrolitico era di circa 4,0. Al termine della codeposizione il pH del bagno elettrolitico era di circa 5, 0-5, 5. The electrolytic bath was prepared by dissolving Ca (N03) 2 and NH4H2P04 in distilled water until obtaining a concentration of 42 mM of [Ca] and 25 mM of P04 <3->. A type I collagen suspension prepared as described above was added to the electrolytic bath at a concentration of 0.012% w / v. The initial pH of the electrolytic bath was about 4.0. At the end of the codeposition the pH of the electrolytic bath was about 5.0-5.5.

Durante la deposizione elettrolitica, la cella elettrochimica con all’interno il bagno elettrolitico veniva mantenuta a temperatura ambiente applicando una corrente sostanzialmente costante di 34 mA. Le prove di durata del processo di deposizione del rivestimento composito collagene/ΉΑ veniva stabilita in 5 secondi, 30 secondi, 5 minuti, 30 minuti. During the electrolytic deposition, the electrochemical cell with the electrolytic bath inside was kept at room temperature by applying a substantially constant current of 34 mA. The duration tests of the deposition process of the collagen / ΉΑ composite coating were established in 5 seconds, 30 seconds, 5 minutes, 30 minutes.

In considerazione degli elettroliti presenti in soluzione, le principali reazioni che si generano al catodo di titanio al passaggio della corrente attraverso gli elettrodi sono le seguenti:: In consideration of the electrolytes present in solution, the main reactions that are generated at the titanium cathode when the current passes through the electrodes are the following:

1) 1)

2) 2)

3) 3)

4) 4)

5) 5)

Si ritiene che tali reazioni siano in grado di aumentare il valore di pH nella zona catodica così da creare le condizioni adatte alla co-deposizione del collagene con l'idrossiapatite senza aggiunta di composti alcalini. Si può pertanto supporre che il collagene inizi ad auto-assemblarsi solo in vicinanza del catodo, dove si ottiene un innalzamento locale del pH per effetto del processo elettrochimico, e non in tutta la massa del bagno per effetto di ioni OH<->aggiunti. It is believed that these reactions are able to increase the pH value in the cathode zone so as to create the conditions suitable for the co-deposition of collagen with hydroxyapatite without the addition of alkaline compounds. It can therefore be assumed that the collagen begins to self-assemble only in the vicinity of the cathode, where a local increase in pH is obtained due to the electrochemical process, and not in the whole mass of the bath due to the effect of added OH <-> ions.

Il pH iniziale del bagno elettrolitico viene aggiustato ad un valore inferiore al punto isoelettrico del collagene in modo da consentire la migrazione al catodo della molecola caricata positivamente. Le reazioni al catodo illustrate sopra, producendo ioni OH-, portano al superamento del punto isoelettrico del collagene ed allo stesso tempo generano le condizioni adatte alla deposizione del calcio fosfato, con conseguente simultaneo auto-assemblaggio del collagene ed associazione dello stesso con la fase minerale, così da deporre sulla superficie del catodo il composito desiderato. The initial pH of the electrolytic bath is adjusted to a value below the isoelectric point of the collagen in order to allow the positively charged molecule to migrate to the cathode. The reactions at the cathode illustrated above, producing OH- ions, lead to the overcoming of the isoelectric point of the collagen and at the same time generate the conditions suitable for the deposition of calcium phosphate, with consequent simultaneous self-assembly of the collagen and association of the same with the mineral phase , so as to deposit the desired composite on the cathode surface.

Caratterizzazione dei rivestimenti. Characterization of coatings.

Vari campioni ottenuti secondo l'Esempio 1 sono stati caratterizzati come segue. Gli spettri a microscopia ad infrarosso (FTIR) sono stati ottenuti mediante spettrofotometro infrarosso Perkin-Elmer mod. Spectrum One FT-IR con annesso microscopio Perkin-Elmer (Perkin-Elmer Autoimage microscope). La risoluzione degli spettri era di 4 cm<"1>, la risoluzione spaziale era di 100x100 pm mentre lo spettro era il risultato di 32 scansioni. La linea base dello spettro era ottenuta da una regione in assenza di campione. Le aree specifiche da sottoporre ad analisi venivano identificate mediante visione con telecamera posizionata sul microscopio. Various samples obtained according to Example 1 were characterized as follows. The infrared microscopy (FTIR) spectra were obtained by means of an infrared spectrophotometer Perkin-Elmer mod. Spectrum One FT-IR with attached Perkin-Elmer microscope (Perkin-Elmer Autoimage microscope). The resolution of the spectra was 4 cm <"1>, the spatial resolution was 100x100 pm while the spectrum was the result of 32 scans. The baseline of the spectrum was obtained from a region in the absence of a sample. The specific areas to be subjected to during analysis they were identified by viewing with a camera positioned on the microscope.

Le immagini al microscopio a scansione (SEM) sono state ottenute mediante microscopio Philips 515. La lamina di titanio sottoposta al rivestimento elettrochimico veniva opportunamente posizionata e trattata con coating di oro colloidale in un range temporale compreso tra 30 e 180 secondi ad un voltaggio di 30 mV. The scanning microscope (SEM) images were obtained using a Philips 515 microscope. The titanium sheet subjected to the electrochemical coating was suitably positioned and treated with colloidal gold coating in a time range between 30 and 180 seconds at a voltage of 30 mV.

L’analisi al microscopio elettronico a trasmissione (TEM) veniva eseguita con un microscopio Philips 420T. Un campione del rivestimento polverizzato veniva sospeso in acqua bi-distillata ed una goccia di sospensione così ottenuta veniva depositata su una lamina forata di carbonio supportata da una micro-griglia di rame. Transmission electron microscope (TEM) analysis was performed with a Philips 420T microscope. A sample of the pulverized coating was suspended in bi-distilled water and a drop of suspension thus obtained was deposited on a perforated carbon foil supported by a copper micro-grid.

La difrattometria a raggi X è stata impiegata per la determinazione del grado di cristallinità usando un difrattometro Analytical X’Pert Pro impiegando una radiazione a CuK generata a 40 kV e 40 mA. Lo strumento veniva configurato 1° di divergenza e 0.2 mm di fessura ricevente. Il grado di cristallinità è stato valutato applicando la formula: X-ray diffractometry was used to determine the degree of crystallinity using an Analytical X'Pert Pro difractometer using a CuK radiation generated at 40 kV and 40 mA. The instrument was configured 1 ° divergence and 0.2 mm receiving slot. The degree of crystallinity was evaluated by applying the formula:

La dimensione del singolo cristallo è stata determinata applicando la formula di Scherrer’s: The size of the single crystal was determined by applying Scherrer's formula:

dove 0 rappresenta l’angolo di diffrazione, ΔΓ e Δ0l’ampiezza in radianti dell’angolo di riflessione a metà altezza rispettivamente per il picco di riferimento del prodotto finale e dell’idrossiapatite, a λ=1.5405 À. where 0 represents the diffraction angle, ΔΓ and Δ0 the amplitude in radians of the reflection angle at half height respectively for the reference peak of the final product and hydroxyapatite, at λ = 1.5405 À.

Commenti ai risultati ottenuti. Comments on the results obtained.

L’osservazione al SEM del rivestimento ottenuto dopo una elettrodeposizione della durata di 5 minuti (vedi Fig. 2) mostra la presenza di una fase minerale intimamente associata alle fibrille di collagene. DaH'immagine si può intuire il ruolo importante di consolidamento della componente inorganica da parte del network fibroso collagenico. The SEM observation of the coating obtained after an electrodeposition lasting 5 minutes (see Fig. 2) shows the presence of a mineral phase intimately associated with the collagen fibrils. From the image it is possible to understand the important role of consolidation of the inorganic component by the collagenic fibrous network.

Aumentando il tempo di elettrodeposizione a 30 minuti, all’immagine SEM le fibre collagene si presentano come completamente immerse nella fase inorganica nano-cristallina. By increasing the electrodeposition time to 30 minutes, in the SEM image the collagen fibers appear as completely immersed in the nano-crystalline inorganic phase.

L’analisi dello spettro FTIR dello stesso rivestimento (vedi Fig. 4) mostra i picchi di massimo assorbimento del collagene e dell’idrossiapatite. Da notare la presenza nello spettro A di un picco a 1422 cm<_1>del tutto simile a quello presente nel tessuto osseo (spettro B), tipicamente presente nell'idrossiapatite di tessuti mineralizzati come conseguenza di una carbonatazione di tipo B. Analysis of the FTIR spectrum of the same coating (see Fig. 4) shows the maximum absorption peaks of collagen and hydroxyapatite. Note the presence in the A spectrum of a peak at 1422 cm <_1> quite similar to that present in the bone tissue (spectrum B), typically present in the hydroxyapatite of mineralized tissues as a consequence of a type B carbonation.

La deposizione delle fibrille collageniche a differente grado di mineralizzazione riscontrata dalle immagini TEM (vedi Fig. 3), evidenzia come vi siano nanocristalli di idrossiapatite associati alla struttura fibrillare collageneica, le dimensioni dei quali cambiano in funzione del tempo di deposizione. I nanocristalli nella fase iniziale di deposizione (tempo di deposizione 5 sec., immagini (a) e (b)) risultano di dimensione 40±10 nm e presentano una forma irregolare. Dopo un tempo di deposizione di 30 minuti i cristalli di idrossiapatite assumono un aspetto aghiforme di lunghezza 160±20 nm e di larghezza e 60±10 nm (immagini (c) e (d)). Durante la prima fase di deposizione del coating, i cristalli sembrano localizzati all’interno delle fibrille collageniche nella zona meno mineralizzata del campione mentre nell’area più mineralizzata si verifica il fenomeno inverso cioè la mineralizzazione avviene all’esterno delle fibrille collageniche. Questo fenomeno lascia supporre che la fase di auto-assemblaggio delle molecole di collagene I private dei telopeptidi, per precipitare poi in forma fibrillare avviene contemporaneamente alla fase di nano-cristallizzazione della carbonato-idrossiapatite. Durante questo processo, la nucleazione dei nanocristalli di idrossiapatite e la loro deposizione all’interno della fibrille di collagene (processo di calcificazione) avviene solamente nel corso della prima fase, mentre la nucleazione dell’apatite sulla superficie delle fibrille avviene in una fase successiva. Questi due differenti processi di mineralizzazione delle fibre di collagene riproducono sostanzialmente il processo osservato durante la preparazione di fibre collagene/nanocristalli di idrossiapatite auto-assemblate in soluzione acquosa. Tuttavia, impiegando il processo di elettrodeposizione è possibile non solo controllare il processo ma anche modulare e localizzare la deposizione sulla superficie del substrato. The deposition of collagen fibrils with different degrees of mineralization found in the TEM images (see Fig. 3), highlights how there are hydroxyapatite nanocrystals associated with the collagen fibrillar structure, the dimensions of which change as a function of the deposition time. The nanocrystals in the initial deposition phase (deposition time 5 sec., Images (a) and (b)) are 40 ± 10 nm in size and have an irregular shape. After a deposition time of 30 minutes, the hydroxyapatite crystals take on a needle-like appearance with a length of 160 ± 20 nm and a width of 60 ± 10 nm (images (c) and (d)). During the first deposition phase of the coating, the crystals appear to be located within the collagen fibrils in the less mineralized area of the sample while the reverse phenomenon occurs in the more mineralized area, i.e. mineralization occurs outside the collagen fibrils. This phenomenon suggests that the self-assembly phase of the collagen I molecules deprived of telopeptides, to then precipitate in fibrillar form occurs simultaneously with the nano-crystallization phase of the carbonate-hydroxyapatite. During this process, the nucleation of hydroxyapatite nanocrystals and their deposition inside the collagen fibrils (calcification process) occurs only during the first phase, while the nucleation of the apatite on the surface of the fibrils occurs in a subsequent phase. These two different mineralization processes of collagen fibers substantially reproduce the process observed during the preparation of self-assembled collagen fibers / hydroxyapatite nanocrystals in aqueous solution. However, by employing the electrodeposition process it is possible not only to control the process but also to modulate and localize the deposition on the substrate surface.

L’analisi diffrattometrica a raggi X (vedi Fig. 5) del rivestimento ottenuto secondo la presente invenzione dopo 30 min. di elettrodeposizione mostra i picchi caratteristici della fase minerale HA in corrispondenza dei valori 2 Theta = 32 e 26. In Fig. 5, nell'inserto è riportata una porzione del dififattogramma di un tessuto osseo ad evidenziare un andamento del tutto simile ai campioni ottenuti secondo l'invenzione. X-ray diffractometric analysis (see Fig. 5) of the coating obtained according to the present invention after 30 min. of electrodeposition shows the characteristic peaks of the mineral phase HA at the 2 Theta = 32 and 26 values. the invention.

Al fine di verificare la morfologia delle fibrille collageniche depositate all’elettrodo di titanio dopo 30 minuti, alcuni campioni venivano decalcificati in soluzione di EDTA al 10% per 24 ore. Questo processo consente la completa rimozione della fase minerale che avvolge le fibre permettendo una migliore caratterizzazione e quantificazione delle stesse. Le immagini SEM relative al rivestimento sulla lamina di titanio sottoposte a processo di decalcificazione sono rappresentate in Figura 6. Le fibre di collagene si presentano depositate in maniera omogenea sulla superficie di titanio senza alcun orientamento preferenziale; questo lascia intendere che il processo di mineralizzazione non modifichi sostanzialmente la morfologia tipica di questa molecola. In order to verify the morphology of the collagen fibrils deposited on the titanium electrode after 30 minutes, some samples were decalcified in 10% EDTA solution for 24 hours. This process allows the complete removal of the mineral phase that surrounds the fibers allowing a better characterization and quantification of the same. The SEM images relating to the coating on the titanium sheet subjected to the decalcification process are shown in Figure 6. The collagen fibers are homogeneously deposited on the titanium surface without any preferential orientation; this suggests that the mineralization process does not substantially modify the typical morphology of this molecule.

Claims (18)

RIVENDICAZIONI 1. Processo per rivestire una superficie di un elemento metallico, che comprende: predisporre un bagno elettrolitico comprendente almeno un collagene, ioni calcio e ioni fosfato; immergere in detto bagno elettrolitico almeno un catodo ed almeno un anodo, detto almeno un catodo comprendendo l'elemento metallico da rivestire; far passare corrente elettrica continua attraverso detto bagno elettrolitico così da ottenere su detta superficie una co-deposizione elettrolitica del collagene con un composto calcio-fosfato comprendente idrossiapatite. CLAIMS 1. Process of coating a surface of a metal element, which includes: providing an electrolytic bath comprising at least one collagen, calcium ions and phosphate ions; immersing in said electrolytic bath at least one cathode and at least one anode, said at least one cathode comprising the metal element to be coated; passing a direct electric current through said electrolytic bath so as to obtain on said surface an electrolytic co-deposition of the collagen with a calcium-phosphate compound comprising hydroxyapatite. 2. Processo secondo la rivendicazione 1, in cui all'inizio della codeposizione il bagno elettrolitico ha un pH compreso tra 3,0 e 4,5, preferibilmente tra 3,5 e 4,0, detto pH innalzandosi in prossimità del catodo ad un valore superiore a 8, preferibilmente compreso tra 10 e 12 durante il processo di co-deposizione senza aggiunta di composti alcalini. 2. Process according to claim 1, in which at the beginning of the codeposition the electrolytic bath has a pH between 3.0 and 4.5, preferably between 3.5 and 4.0, said pH rising in proximity of the cathode to a value higher than 8, preferably between 10 and 12 during the co-deposition process without adding alkaline compounds. 3. Processo secondo la rivendicazione 2, in cui al termine del processo di co-deposizione il bagno elettrolitico ha un pH compreso tra 4,0 e 6,0, preferibilmente tra 4,5 e 5,5. Process according to claim 2, wherein at the end of the co-deposition process the electrolytic bath has a pH between 4.0 and 6.0, preferably between 4.5 and 5.5. 4. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui la co-deposizione elettrolitica viene condotta con una corrente continua sostanzialmente costante. Process according to any one of the preceding claims, in which the electrolytic co-deposition is carried out with a substantially constant direct current. 5. Processo secondo la rivendicazione 4, in cui la corrente continua ha un valore compreso tra 10 e 60 mA, preferibilmente tra 30 e 40 mA. Process according to claim 4, wherein the direct current has a value comprised between 10 and 60 mA, preferably between 30 and 40 mA. 6. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un collagene è un collagene di tipo I. Process according to any one of the preceding claims, wherein said at least one collagen is a type I collagen. 7. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un collagene viene preventivamente sottoposto ad una fase di digestione enzimatica. 7. Process according to any one of the preceding claims, in which said at least one collagen is previously subjected to an enzymatic digestion step. 8. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detto almeno un collagene è presente nel bagno elettrolitico con una concentrazione iniziale compresa tra 0,005 e 0,05% peso/volume, preferibilmente tra 0,01 e 0,02% peso/volume. Process according to any one of the preceding claims, wherein said at least one collagen is present in the electrolytic bath with an initial concentration comprised between 0.005 and 0.05% weight / volume, preferably between 0.01 and 0.02% weight / volume . 9. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli ioni calcio sono presenti nel bagno elettrolitico con una concentrazione iniziale compresa compresa tra 0,01 e 0,1 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,06 moli/litro. Process according to any one of the preceding claims, wherein the calcium ions are present in the electrolytic bath with an initial concentration comprised between 0.01 and 0.1 mol / liter, preferably between 0.02 and 0.06 mol / liter . 10. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui gli ioni fosfato sono presenti nel bagno elettrolitico con una concentrazione iniziale compresa tra 0,01 e 0,10 moli/litro, preferibilmente tra 0,02 e 0,04 moli/litro. Process according to any one of the preceding claims, in which the phosphate ions are present in the electrolytic bath with an initial concentration of between 0.01 and 0.10 mol / liter, preferably between 0.02 and 0.04 mol / liter. 11. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'elemento metallico comprende titanio od una sua lega. 11. Process according to any one of the preceding claims, wherein the metallic element comprises titanium or an alloy thereof. 12. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui dalla co-deposizione del collagene e del composto calcio-fosfato si ottiene uno strato avente uno spessore compreso tra 10 nm e 500 nm. Process according to any one of the preceding claims, in which a layer having a thickness between 10 nm and 500 nm is obtained from the co-deposition of the collagen and the calcium-phosphate compound. 13. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 11, in cui dalla co-deposizione del collagene e del composto calcio-fosfato si ottiene uno strato avente uno spessore compreso 50 pm e 500 pm, preferibilmente tra 100 pm e 200 pm. Process according to any one of claims 1 to 11, wherein a layer having a thickness of between 50 µm and 500 µm, preferably between 100 µm and 200 µm, is obtained from the co-deposition of the collagen and the calcium-phosphate compound. 14. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui il composto calcio-fosfato comprende almeno il 90% in peso, preferibilmente almeno il 95% in peso, di idrossiapatite. Process according to any one of the preceding claims, wherein the calcium-phosphate compound comprises at least 90% by weight, preferably at least 95% by weight, of hydroxyapatite. 15. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui l'idrossiapatite è presente sottoforma di cristalli aventi morfologia lanceolata appiattita, aventi dimensioni medie del lato più lungo inferiori a 300 nm, preferibilmente comprese tra 100 e 200 nm. Process according to any one of the preceding claims, in which the hydroxyapatite is present in the form of crystals having a flattened lanceolate morphology, having average dimensions of the longest side of less than 300 nm, preferably between 100 and 200 nm. 16. Processo secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui lo strato ottenuto per co-deposizione elettrolitica comprende: dal 10 a 90% in peso, preferibilmente dal 60 a 70% in peso, di idrossiapatite, e dal 10 al 90% in peso, preferibilmente dal 30 a 40% in peso, di collagene. Process according to any one of the preceding claims, wherein the layer obtained by electrolytic co-deposition comprises: from 10 to 90% by weight, preferably from 60 to 70% by weight, of hydroxyapatite, and from 10 to 90% by weight , preferably from 30 to 40% by weight, of collagen. 17. Dispositivo protesico comprendente almeno un elemento metallico, detto elemento metallico avendo almeno una superficie rivestita con almeno uno strato ottenibile per co-deposizione elettrolitica di un collagene con un composto calcio-fosfato comprendente idrossiapatite. 17. Prosthetic device comprising at least one metal element, said metal element having at least one surface coated with at least one layer obtainable by electrolytic co-deposition of a collagen with a calcium-phosphate compound comprising hydroxyapatite. 18. Dispositivo secondo la rivendicazione 17, in cui la co-deposizione elettrolitica è definita secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 16.Device according to claim 17, wherein the electrolytic co-deposition is defined according to any one of claims 1 to 16.
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