Formation of layered biocomposite as a promising basis for metal-ceramic bone implants

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

The research is devoted to the development of a layered biocomposite in the form of a functional-gradient material (FGM) combining Ti-6Al-4V alloy and bioceramics based on titanium dioxide with hydroxyapatite, promising for use in metal-ceramic bone implants. The method of FGM formation overcoming the limitations of its components, such as low mechanical strength of bioceramics and lack of osteoinductivity in titanium medical alloys, is presented. In this work, a spark plasma sintering (SPS) technique was utilized to achieve a strong and unbreakable bond between the ceramic and alloy layers. The results showed that the phase composition of both materials remained stable during the heating process, and an intermediate layer of β-Ti was formed at the contact interface, which improved the mechanical strength of the joint. Microhardness tests confirmed the integrity of the composite with preservation of strength at the interface between the ceramic and alloy. The absence of defects and internal stresses at the boundaries of the formed joint testify to its high mechanical stability and demonstrate the potential of the method for possible practical application in order to create modern structurally strong implants with improved osseointegration function.

About the authors

A. A. Belov

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

O. V. Kapustina

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

E. S. Kolodeznikov

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

O. O. Shichalin

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

A. N. Fedorets

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

S. K. Zolotnikov

Far Eastern Federal University

Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

E. K. Papynov

Far Eastern Federal University

Author for correspondence.
Email: belov_aa@dvfu.ru
10 Ajax Bay, Russky Island, Vladivostok, 690922 Russia

References

  1. Ranjan N., Singh R., Ahuja I. // Proc. Inst. Mech. Eng., Part H: J. Eng. Med. 2019. V. 233. № 7. P. 754. https://doi.org/10.1177/0954411919852811
  2. Oltean-Dan D., Dogaru G.-B., Jianu E.-M. et al. // Micromachines. 2021. V. 12. № 11. P. 1352. https://doi.org/10.3390/mi12111352
  3. Logesh M., Ahn S.-G., Choe H.-C. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 33. P. 7620. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.11.114
  4. Hosseini M., Khalil-Allafi J., Safavi M.S. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 33. № August. P. 4055. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.10.081
  5. Nisar S.S., Arun S., Toan N.K. et al. // J. Mater. Res. Technol. 2024. V. 31. № June. P. 1282. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2024.06.155
  6. Liu Y., Wang G., Zhao Y. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2022. V. 42. № 5. P. 1995. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2021.12.063
  7. Zhou X., Han Y.H., Shen X. et al. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 466. P. 322. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.004
  8. Zhou X., Yang H., Chen F. et al. // Carbon N. Y. 2016. V. 102. P. 106. https://doi.org/10.1016/j.carbon.2016.02.036
  9. Zhao X., Duan L., Liu W. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 16. P. 5473. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.08.013
  10. Zhao X., Duan L., Wang Y. // J. Eur. Ceram. Soc. 2019. V. 39. № 5. P. 1757. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2019.01.020
  11. Tatarko P., Grasso S., Saunders T.G. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. № 13. P. 3841. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.016
  12. Zhao X., Duan L., Liu W. et al. // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 17. P. 23111. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.08.005
  13. Zhou X., Han Y.-H., Shen X. et al. // J. Nucl. Mater. 2015. V. 466. P. 322. https://doi.org/10.1016/j.jnucmat.2015.08.004
  14. Tatarko P., Grasso S., Saunders T.G. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2017. V. 37. № 13. P. 3841. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2017.05.016
  15. Rafiei M., Eivaz Mohammadloo H., Khorasani M. et al. // Heliyon. 2025. V. 11. № 2. P. E41813. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2025.e41813
  16. Gabor R., Cvrček L., Causidu S. et al. // Surf. Interfaces. 2021. V. 25. № December. 2020. V. 101209. https://doi.org/10.1016/j.surfin.2021.101209
  17. Al-Kaisy H.A., Issa R.A.H., Faheed N.K. et al. // Rev. Compos. Mater. Av. 2024. V. 34. № 2. P. 125. https://doi.org/10.18280/rcma.340201
  18. Ramasamy P., Sundharam S. // J. Aust. Ceram. Soc. 2021. V. 57. № 2. P. 605. https://doi.org/10.1007/s41779-021-00561-w
  19. Lin Y., Balbaa M., Zeng W. et al. // J. Mater. Eng. Perform. 2023. V. 33. № 18. P. 9664. https://doi.org/10.1007/s11665-023-08632-8
  20. Asgarian R., Khalghi A., Kiani Harchegani R. et al. // Appl. Phys. A: Mater. Sci. Process. 2021. V. 127. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s00339-020-04188-9
  21. Rodrigues L.F., Tronco M.C., Escobar C.F. et al. // Ceram. Int. 2019. V. 45. № 12. P. 14806. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.04.211
  22. Yang W., Han Q., Chen H. et al. // J. Mater. Sci. Technol. 2024. V. 188. P. 116. https://doi.org/10.1016/j.jmst.2023.10.061
  23. Abdullah Naji F.A., Murtaza Q., Niranjan M.S. // Precis. Eng. 2024. V. 88. P. 81. https://doi.org/10.1016/j.precisioneng.2024.01.019
  24. Qiu J., Ding Z., Yi Y. et al. // Mater. Today Commun. 2024. V. 38. P. 108146. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2024.108146
  25. Navarro M., Michiardi A., Castaño O. et al. // J. R. Soc. Interface. 2008. V. 5. № 27. P. 1137. https://doi.org/10.1098/rsif.2008.0151
  26. Kumari R., Kumar S., Das A.K. et al. // Appl. Surf. Sci. Adv. 2024. V. 24. P. 100655. https://doi.org/10.1016/j.apsadv.2024.100655
  27. Pauline S.A., Karuppusamy I., Gopalsamy K. et al. // J. Taiwan Inst. Chem. Eng. 2024. V. 166. Part 2. № January. P. 105576. https://doi.org/10.1016/j.jtice.2024.105576
  28. Hussain M.A., Ul Haq E., Munawar I. et al. // Ceram. Int. 2022. V. 48. № 10. P. 14481. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2022.01.341
  29. Fu Y., Mo A. // Nanoscale Res. Lett. 2018. V. 13. Art. 187. https://doi.org/10.1186/s11671-018-2597-z
  30. Garcia-Lobato M.A., Mtz-Enriquez A.I., Garcia C.R. et al. // Appl. Surf. Sci. 2019. V. 484. P. 975. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2019.04.108
  31. Awad N.K., Edwards S.L., Morsi Y.S. // Mater. Sci. Eng. 2017. V. 76. P. 1401. https://doi.org/10.1016/j.msec.2017.02.150
  32. Papynov E.K., Shichalin O.O., Belov A.A. et al. // J. Funct. Biomater. 2023. V. 14. № 5. P. 259. https://doi.org/10.3390/jfb14050259
  33. Papynov E., Shichalin O., Buravlev I. et al. // J. Funct. Biomater. 2020. V. 11. № 2. P. 41. https://doi.org/10.3390/jfb11020041
  34. Apanasevich V., Papynov E., Plekhova N. et al. // J. Funct. Biomater. 2020. V. 11. № 4. P. 68. https://doi.org/10.3390/JFB11040068
  35. Tecu C., Antoniac A., Goller G. et al. // Rev. Chim. 2018. V. 69. № 5. P. 1272. https://doi.org/10.37358/RC.18.5.6306
  36. Ingole V.H., Sathe B., Ghule A.V. // Bioactive ceramic composite material stability, characterization, and bonding to bone, in: Fundam. Biomater. Ceram. Elsevier, 2018. P. 273. https://doi.org/10.1016/B978-0-08-102203-0.00012-3
  37. Luginina M., Angioni D., Montinaro S. et al. // J. Eur. Ceram. Soc. 2020. V. 40. № 13. P. 4623. https://doi.org/10.1016/j.jeurceramsoc.2020.05.061
  38. Rastgoo M.J., Razavi M., Salahi E. et al. // Bull. Mater. Sci. 2019. V. 42. № 1. P. 1. https://doi.org/10.1007/s12034-018-1698-8
  39. Nath S., Tripathi R., Basu B. // Mater. Sci. Eng. 2009. V. 29. № 1. P. 97. https://doi.org/10.1016/j.msec.2008.05.019

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».