’žA R T I C L E I N P R E S S
B i o m a t e r i a l s 2 5 ( 2 0 0 4 ) 2 5 3 3 2 5 3 8
H y d r o x y a p a t i t e c o a t i n g o n t i t a n i u m s u b s t r a t e w i t h t i t a n i a b u f f e r
l a y e r p r o c e s s e d b y s o l g e l m e t h o d
H a e - W o n K i m , Y o u n g - H a g K o h , L o n g - H a o L i , S o o k L e e , H y o u n - E e K i m *
S c h o o l o f M a t e r i a l s S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g , S e o u l N a t i o n a l U n i v e r s i t y , S e o u l 1 5 1 - 7 4 2 , S o u t h K o r e a
R e c e i v e d 3 1 M a r c h 2 0 0 3 ; a c c e p t e d 4 S e p t e m b e r 2 0 0 3
A b s t r a c t
H y d r o x y a p a t i t e ( H A ) w a s c o a t e d o n t o a t i t a n i u m ( T i ) s u b s t r a t e w i t h t h e i n s e r t i o n o f a t i t a n i a ( T i O 2 ) b u f f e r l a y e r b y t h e s o l g e l
m e t h o d . T h e H A l a y e r w a s e m p l o y e d t o e n h a n c e t h e b i o a c t i v i t y a n d o s t e o c o n d u c t i v i t y o f t h e T i s u b s t r a t e , a n d t h e T i O 2 b u f f e r l a y e r
w a s i n s e r t e d t o i m p r o v e t h e b o n d i n g s t r e n g t h b e t w e e n t h e H A l a y e r a n d T i s u b s t r a t e , a s w e l l a s t o p r e v e n t t h e c o r r o s i o n o f t h e T i
s u b s t r a t e . T h e H A l a y e r c o a t e d o v e r t h e T i O 2 s h o w e d a t y p i c a l a p a t i t e p h a s e a t 4 0 0 C a n d t h e p h a s e i n t e n s i t y i n c r e a s e d a b o v e
4 5 0 C . T h e s o l g e l d e r i v e d H A a n d T i O 2 f i l m s , w i t h t h i c k n e s s e s o f a p p r o x i m a t e l y 8 0 0 a n d 2 0 0 n m , r e s p e c t i v e l y , a d h e r e d t i g h t l y t o
e a c h o t h e r a n d t o t h e T i s u b s t r a t e . T h e b o n d i n g s t r e n g t h o f t h e H A / T i O 2 d o u b l e l a y e r c o a t i n g o n T i w a s m a r k e d l y i m p r o v e d w h e n
c o m p a r e d t o t h a t o f t h e H A s i n g l e c o a t i n g o n T i . T h e h i g h e s t s t r e n g t h o f t h e d o u b l e l a y e r c o a t i n g w a s 5 5 M P a a f t e r h e a t t r e a t m e n t
a t 5 0 0 C . T h e i m p r o v e m e n t i n b o n d i n g s t r e n g t h w i t h t h e i n s e r t i o n o f T i O 2 w a s a t t r i b u t e d t o t h e r e s u l t i n g e n h a n c e d c h e m i c a l a f f i n i t y
o f T i O 2 t o w a r d t h e H A l a y e r , a s w e l l a s t o w a r d t h e T i s u b s t r a t e . H u m a n o s t e o b l a s t - l i k e c e l l s , c u l t u r e d o n t h e H A / T i O 2 c o a t i n g
s u r f a c e , p r o l i f e r a t e d i n a s i m i l a r m a n n e r t o t h o s e o n t h e T i O 2 s i n g l e c o a t i n g a n d o n t h e p u r e T i s u r f a c e s . H o w e v e r , t h e a l k a l i n e
p h o s p h a t a s e a c t i v i t y o f t h e c e l l s o n t h e H A / T i O 2 d o u b l e l a y e r w a s e x p r e s s e d t o a h i g h e r d e g r e e t h a n t h a t o n t h e T i O 2 s i n g l e c o a t i n g
a n d p u r e T i s u r f a c e s . T h e c o r r o s i o n r e s i s t a n c e o f T i w a s i m p r o v e d b y t h e p r e s e n c e o f t h e T i O 2 c o a t i n g , a s c o n f i r m e d b y a
p o t e n t i o d y n a m i c p o l a r i z a t i o n t e s t .
r 2 0 0 3 E l s e v i e r L t d . A l l r i g h t s r e s e r v e d .
K e y w o r d s : H y d r o x y a p a t i t e c o a t i n g ; T i t a n i a b u f f e r l a y e r ; T i t a n i u m s u b s t r a t e ; S o l g e l m e t h o d ; B o n d i n g s t r e n g t h ; C e l l r e s p o n s e ; C o r r o s i o n r e s i s t a n c e
1 . I n t r o d u c t i o n l o a d - b e a r i n g i m p l a n t s o v e r a p r o l o n g e d p e r i o d o f t i m e
[ 7 , 8 ] . I n p r a c t i c e , t h e v e r y t h i n ( a t m o s t s e v e r a l t e n s o f
T i t a n i u m ( T i ) a n d i t s a l l o y s h a v e l o n g b e e n u s e d a s n a n o m e t e r s ) o x i d e f i l m o n t h e T i s u r f a c e , w h i c h i s
i m p l a n t m a t e r i a l s i n d e n t a l a n d o r t h o p e d i c a p p l i c a t i o n s f o r m e d i n a n a q u e o u s e n v i r o n m e n t , p l a y s a d e c i s i v e r o l e
[ 1 ] . T o i m p r o v e t h e i m p l a n t - t i s s u e o s s e o i n t e g r a t i o n , m u c h i n d e t e r m i n i n g t h e b i o c o m p a t i b i l i t y a n d c o r r o s i o n
e f f o r t h a s g o n e i n t o t h e m o d i f i c a t i o n o f t h e T i s u r f a c e [ 2 b e h a v i o r o f t h e T i i m p l a n t [ 9 ] . S i n c e t h e c o r r o s i o n
4 ] . A m o n g t h e v a r i o u s a t t e m p t s w h i c h h a v e b e e n m a d e t o r e s i s t a n c e i s k n o w n t o i n c r e a s e w i t h t h e t h i c k n e s s o f t h e
i m p r o v e t h e o s s e o i n t e g r a t i o n , h y d r o x y a p a t i t e ( H A , o x i d e l a y e r [ 1 0 , 1 1 ] , m a n y a t t e m p t s h a v e b e e n m a d e t o
C a 1 0 ( P O 4 ) 6 ( O H ) 2 ) c o a t i n g s o n T i i m p l a n t s h a v e s h o w n f o r m a t h i c k T i O 2 l a y e r o n t h e T i s u b s t r a t e u s i n g v a r i o u s
g o o d f i x a t i o n t o t h e h o s t b o n e a n d i n c r e a s e d b o n e m e t h o d s , s u c h a s a n o d i z a t i o n , t h e r m a l o x i d a t i o n , a n d
i n g r o w t h t o t h e i m p l a n t [ 5 ] . T h e i m p r o v e d b i o c o m p a t - t h e s o l g e l p r o c e s s [ 1 2 1 6 ] .
i b i l i t y p r o v i d e d b y t h e H A c o a t i n g s i s d u e t o t h e c h e m i c a l T h e r e f o r e , t h i s s t u d y w a s p e r f o r m e d t o f a b r i c a t e a n
a n d b i o l o g i c a l s i m i l a r i t y o f H A t o h a r d t i s s u e s , a n d i t s H A / T i O 2 d o u b l e l a y e r c o a t i n g o n t h e T i s u b s t r a t e , i n
c o n s e q u e n t d i r e c t b o n d i n g t o h o s t b o n e s [ 6 ] . o r d e r t o o p t i m i z e t h e b i o c o m p a t i b i l i t y o f t h e T i i m p l a n t .
P a r a l l e l w i t h t h i s d e v e l o p m e n t , t i t a n i a ( T i O 2 ) c o a t i n g s T h e H A l a y e r i s e x p e c t e d t o e n h a n c e t h e b i o a c t i v i t y a n d
o n T i h a v e b e e n u s e d t o i m p r o v e t h e c o r r o s i o n o s t e o c o n d u c t i v i t y d u r i n g t h e i n i t i a l s t a g e f o l l o w i n g
r e s i s t a n c e o f T i , w h i c h o t h e r w i s e r e s t r i c t e d i t s u s a g e i n i m p l a n t a t i o n , b y a c t i n g a s a n o u t e r c o a t i n g l a y e r ; t h e
i n n e r T i O 2 l a y e r i s d e s i g n e d t o p r e v e n t t h e T i s u b s t r a t e
f r o m b e c o m i n g c o r r o d e d , e v e n a f t e r t h e H A l a y e r h a s
* C o r r e s p o n d i n g a u t h o r . T e l . : + 8 2 - 0 2 - 8 8 0 - 7 1 6 1 ; f a x : + 8 2 - 0 2 - 8 8 4 -
b e e n c o m p l e t e l y d i s s o l v e d d u e t o b i o l o g i c a l p r o c e s s e s .
1 4 1 3 .
M o r e i m p o r t a n t l y , t h e T i O 2 l a y e r , p l a c e d b e t w e e n t h e
E - m a i l a d d r e s s : k i m h e @ s n u . a c . k r ( H . - E . K i m ) .
0 1 4 2 - 9 6 1 2 / $ - s e e f r o n t m a t t e r r 2 0 0 3 E l s e v i e r L t d . A l l r i g h t s r e s e r v e d .
d o i : 1 0 . 1 0 1 6 / j . b i o m a t e r i a l s . 2 0 0 3 . 0 9 . 0 4 1
A R T I C L E I N P R E S S
2 5 3 4 H . - W . K i m e t a l . / B i o m a t e r i a l s 2 5 ( 2 0 0 4 ) 2 5 3 3 2 5 3 8
H A a n d t h e T i , i s e x p e c t e d t o i m p r o v e t h e b o n d i n g p e l l e t s w e r e r e s u s p e n d e d a n d d i s r u p t e d b y a p r o c e s s o f
c a p a b i l i t y o f t h e H A l a y e r w i t h r e s p e c t t o t h e T i r e p e a t e d f r e e z i n g a n d t h a w i n g . T h e c e l l l y s a t e s , w h i c h
s u b s t r a t e . S i n c e t h e b o n d i n g s t r e n g t h o f H A c o a t i n g s o n w e r e o b t a i n e d , w e r e q u a n t i f i e d u s i n g a B i o R a d D C
T i h a s b e e n r e p o r t e d t o b e r e l a t i v e l y l o w ( 2 0 3 0 M P a ) , p r o t e i n a s s a y k i t a n d a s s a y e d c o l o r i m e t r i c a l l y b y t h e i r
i m p r o v i n g t h e a d h e s i v e p r o p e r t i e s o f t h e H A / T i s y s t e m r e a c t i o n w i t h p - n i t r o p h e n y l p h o s p h a t e u s i n g a s p e c t r o -
i s e s s e n t i a l f o r i t t o b e u s e d i n l o a d - b e a r i n g i m p l a n t s . A s p h o t o m e t e r . T o o b s e r v e t h e c o r r o s i o n b e h a v i o r o f t h e
r e g a r d s t h e c o a t i n g m e t h o d , i n t h e c u r r e n t s t u d y , t h e m a t e r i a l , a p o t e n t i o d y n a m i c p o l a r i z a t i o n t e s t w a s
s o l g e l m e t h o d w a s e m p l o y e d f o r b o t h t h e H A a n d T i O 2 c o n d u c t e d u s i n g a p o t e n t i o s t a t ( m o d e l 2 7 3 , E G &