МОДИФИКАЦИЯ ПОВЕРХНОСТИ МИКРОДУГОВЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ДИАТОМИТА С ПОМОЩЬЮ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРОННОГО ОБЛУЧЕНИЯ

Рассмотрено влияние обработки низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками (НСЭП) на структуру и свойства керамикоподобных покрытий на основе диатомита с добавлением частиц оксидов циркония или титана. В качестве материала подложки использовали биорезорбируемый магниевый сплав МА2‑1пч. Для нанесения покрытий применяли метод микродугового оксидирования (МДО). В качестве основного вещества для синтезирования покрытий использовали диатомит ‒ органогенный материал на основе оксида кремния (SiO₂), состоящий из панцирей одноклеточных диатомовых водорослей. Поверхность сформированных покрытий подвергали импульсному воздействию электронного пучка с различной плотностью энергии – 2,5; 5,0 и 7,5 Дж/см². Полученные покрытия были исследованы с помощью методов сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС), рентгеновской дифрактометрии, скретч-тестирования и потенциодинамической поляризации. Исследованы внутренняя структура и морфология поверхности, фазовый и элементный составы, а также адгезионная прочность и коррозионная стойкость обработанных покрытий. В результате облучения поверхность покрытий претерпела значительные изменения (сформировалась уникальная морфология, характеризуемая гладкими возвышениями и пористыми углублениями). Установлено, что обработка поверхности покрытий с частицами ZrO₂ способствовала повышению их адгезионной прочности и коррозионной стойкости, так как критическая нагрузка увеличилась c 9,5 (для исходного покрытия) до 18 Н (для покрытия, подвергнутого НСЭП-обработке с плотностью энергии  7,5 Дж/см²), а плотность тока коррозии уменьшилась с 7,53 ∙ 10^‒7 до 1,12 ∙ 10^‒8 А/см². Для покрытий с частицами оксида TiO₂ наблюдалась обратная зависимость: после обработки НСЭП прочностные и коррозионные свойства ухудшались, что связано с различными теплофизическими свойствами оксидов циркония и титана.

1. Bairagi D., Mandal S. A comprehensive review on biocompatible Mg-based alloys as temporary orthopaedic implants: Current status, challenges, and future prospects. Journal of Magnesium and Alloys. 2022;10(3):627–669. https://doi.org/10.1016/j.jma.2021.09.005

2. Niranjan C.A., Raghavendra T., Rao M.P., Siddaraju C., Gupta M., Jain V. K.S., Aish-warya R. Magnesium alloys as extremely promising alternatives for temporary orthopedic implants-A review. Journal of Magnesium and Alloys. 2023;11(8):2688‒2718. https://doi.org/10.1016/j.jma.2023.08.002

3. Venkateswarlu B., Sunil B. R., Kumar R. S. Magnesium based alloys and composites: Revolutionized biodegradable temporary implants and strategies to enhance their performance. Materialia. 2023;27:101680.

4. https://doi.org/10.1016/j.mtla.2023.101680

5. Uppal G., Thakur A., Chauhan A., Bala S. Magnesium based implants for functional bone tissue regeneration–A review. Journal of Magnesium and Alloys. 2022;10(2):356‒386.

6. Shan Z., Xie X., Wu X., Zhuang S., Zhang C. Development of degradable magnesium-based metal implants and their function in promoting bone metabolism (A review). Journal of Orthopaedic Translation. 2022;36:184‒193.

7. https://doi.org/10.1016/j.jot.2022.09.013

8. Dong J., Lin T., Shao H., Wang H., Wang X., Song K., Li Q. Advances in degradation behavior of biomedical magnesium alloys: A review. Journal of Alloys and Compounds. 2022;908:164600. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.164600

9. Gonzalez J., Lamaka S. V., Mei D., Scharnagl N., Feyerabend F., Zheludkevich M. L., Willumeit‐Römer R. Mg biodegradation mechanism deduced from the local surface environment under simulated physiological conditions. Advanced Healthcare Materials. 2021;10(13):2100053. https://doi.org/10.1002/adhm.202100053

10. Al Alawi A. M., Al Badi A., Al Huraizi A., Falhammar H. Magnesium: The recent re-search and developments. Advances in Food and Nutrition Research. 2021;96:193‒218.

11. https://doi.org/10.1016/bs.afnr.2021.01.001

12. Fiorentini D., Cappadone C., Farruggia G., Prata C. Magnesium: biochemistry, nutrition, detection, and social impact of diseases linked to its deficiency. Nutrients. 2021;13(4):1136. https://doi.org/10.3390/nu13041136

13. Mathew A., Hassan H. W., Korostynska O., Westad F., Mota-Silva E., Menichetti L., Mirtaheri P. In Vivo Analysis of a Biodegradable Magnesium Alloy Implant in an Animal Model Using Near-Infrared Spectroscopy. Sensors. 2023;23(6):3063.

14. https://doi.org/10.3390/s23063063

15. Kawamura N., Nakao Y., Ishikawa R., Tsuchida D., Iijima M. Degradation and bio-compatibility of AZ31 magnesium alloy im-plants in vitro and in vivo: a micro-computed tomography study in rats. Materials. 2020;13(2):473.

16. https://doi.org/10.3390/ma13020473

17. Rogov A.B., Huang Y., Shore D., Matthews A., Yerokhin A. Toward rational design of ceramic coatings generated on valve metals by plasma electrolytic oxidation: The role of cathodic polarization. Ceramics International. 2021;47(24):34137‒34158. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2021.08.324

18. Simchen F., Sieber M., Mehner T., Lampke T. Characterisation Method of the Passivation Mechanisms during the pre-discharge Stage of Plasma Electrolytic Oxidation indicating the Mode of Action of Fluorides in PEO of Magnesium. Coatings. 2020;10(10):965.

19. https://doi.org/10.3390/coatings10100965

20. Dudareva N.Y., Gallyamova R.F., Deev V.B., Kolomeichenko A.V. Features of Coating Formation by Micro-Arc Oxidation on High-Silicon Aluminum Alloy. Journal of Surface Investigation: X-ray, Synchrotron and Neutron Techniques. 2022;16(6):1301‒1307.

21. https://doi.org/10.1134/S1027451022060350

22. Tang H., Wang M., Zhu B., He L. Growth process and dielectric breakdown of micro arc oxidation coating on AZ31 Mg alloy pretreated by alkali treatment. Protection of Metals and Physical Chemistry of Surfaces. 2020;56:156‒163. https://doi.org/10.1134/S2070205120010244

23. Bavya Devi K., Nandi S. K., Roy M. Magnesium silicate bioceramics for bone regeneration: a review. Journal of the Indian Institute of Science. 2019;99:261‒288

24. https://doi.org/10.1007/s41745-019-00119-7

25. Sedelnikova M., Bakina O., Ugodchikova A., Tolkacheva T., Khimich M., Uvarkin P., Kashin A., Miller A., Egorkin V., Schmidt J., Sharkeev Y. The Role of Microparticles of β-TCP and Wollastonite in the Creation of Biocoatings on Mg0. 8Ca Alloy. Metals. 2022;12(10):1647.

26. https://doi.org/10.3390/met12101647

27. Zadehnajar P., Mirmusavi M. H., Soleymani Eil Bakhtiari S., Bakhsheshi‐Rad H. R., Kar-basi S., RamaKrishna S., Berto F. Recent ad-vances on akermanite calcium‐silicate ceramic for biomedical applications. International Journal of Applied Ceramic Technology. 2021;18(6):1901‒1920. https://doi.org/10.1111/ijac.13814

28. Baghdadabad D.M., Baghdadabad A.R.M., Khoei S.M.M. Characterization of bioactive ceramic coatings synthesized by plasma electrolyte oxidation on AZ31 magnesium alloy having different Na2SiO3• 9H2O concentration. Materials Today Communications. 2020;25:101642. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2020.101642

29. Kashin A.D, Sedelnikova M.B., Chebodaeva V.V., Uvarkin P.V., Luginin N.A., Dvilis E.S., Kazmina O.V., Sharkeev Yu.P., Khlusov I.A., Miller A.A., Bakina O.V. Diatomite-based ceramic biocoating for magnesium implants. Ceramics International. 2022;48(19):28059‒28071. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.06.111

30. Fattah-alhosseini A., Babaei K., Molaei M. Plasma electrolytic oxidation (PEO) treatment of zinc and its alloys: A review. Surfaces and Interfaces. 2020;18:100441.

31. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100441

32. Zahajská P., Opfergelt S., Fritz S. C., Stadmark J., Conley, D. What is diatomite? Quaternary Research. 2020;96:48‒52.

33. https://doi.org/10.1017/qua.2020.14

34. Kashin A.D., Sedelnikova M.B., Uvarkin P.V., Ugodchikova A.V., Luginin N.A., Sharkeev Y.P., Khimich M.A., Bakina O.V. Functionalizing Diatomite-Based Micro-Arc Coatings for Orthopedic Implants: Influence of TiO2 Addition. Biomimetics. 2023;8(3):280.

35. https://doi.org/10.3390/biomimetics8030280

36. Озур Г.Е., Проскуровский Д. Источники низкоэнергетических сильноточных элек-тронных пучков с плазменным анодом. Новосибирск: Изд-во Сибирского отделения РАН, 2018:173.

37. https://doi.org/10.15372/Sources2018OGE

38. Ротштейн В.П., Проскуровский Д., Озур Г.Е., Иванов Ю.Ф. Модификация поверхностных слоев металлических материалов низкоэнергетическими сильноточными электронными пучками. Новосибирск: Новосибирское отделение издательства «Наука», 2019:348. https://doi.org/10.7868/978-5-02-038809-3

39. Sedelnikova M.B., Kashin A.D., Bakina O.V., Uvarkin P.V., Luginin N.A., Sharkeev Y.P., Khimich M.A., Kazmina O.V., Dvilis E.S., Ivanov K.V. Surface Modification of Diatomite-Based Micro-Arc Coatings for Magnesium Implants Using a Low-Energy High-Current Electron Beam Processing Technique. Metals. 2024;14(2):248. https://doi.org/10.3390/met14020248

40. Sedelnikova M.B., Kashin A.D., Uvarkin P.V., Tolmachev A.I., Sharkeev Y.P., Ugodchikova A.V., Luginin N.A., Bakina O.V. Porous biocoatings based on diatomite with incorporated ZrO2 particles for biodegradable magnesium implants. Journal of Functional Biomaterials. 2023;14(5):241. https://doi.org/10.3390/jfb14050241