Автоматичне зварювання, 2026, №05

2026 №05 (03)

2026 №05 (05)

Журнал «Автоматичне зварювання», № 5, 2026, с. 30-38

Підвищення довговічності титанових імплантатів шляхом модифікації поверхні (Огляд)

Ю.А. Курапов, О.В. Горностай, С.Г. Войнарович, С.М. Калюжний

ІЕЗ ім. Є.О. Патона НАН України. 03150, м. Київ, вул Казимира Малевича, 11. E-mail: gornostai.o.v@gmail.com

У статті наведено результати системного аналізу літературних джерел, присвячених модифікації поверхні стоматологічних та ортопедичних імплантатів, виготовлених із титанових сплавів. Розглянуто різні варіанти модифікації поверхні титанових імплантатів для підвищення корозійної стійкості, зносостійкості, біосумісності, остеоінтеграційного потенціалу та антибактеріальної активності. Особливу увагу приділено покриттям на основі танталу, його оксидів (Ta2O5), нітридів (TaN) і карбідів (TaC), а також порівнянню функціональних властивостей Ta-, Nb- і Zr-вмісних покриттів і відповідних оксидних систем. Показано, що ефективність таких покриттів визначається не лише хімічним складом, а й методом нанесення, товщиною, фазовим складом, пористістю, адгезією до титанової підкладки та морфологією поверхні. Обґрунтовано перспективність створення багатошарових систем типу Ti/Ta/Ag(Cu), у яких танталовий або оксидно-танталовий шар виконує роль біосумісного, корозійностійкого та остеоінтеграційно сприятливого покриття, тоді як нанорозмірні шари срібла або міді забезпечують додаткову антибактеріальну функціональність. Окремо розглянуто доцільність застосування методів електронно-променевого осадження у вакуумі та мікроплазмового напилення для модифікації різних функціональних зон ендо- та екзопротезів. Бібліогр. 34, рис. 3.
Ключові слова: тантал, нанопокриття, срібло, мідь, імплантати, електронно-променеве осадження у вакуумі (EBPVD), мікроплазмове напилення (МПН)

Отримано 02.07.2026
Отримано у переглянутому вигляді 08.09.2026
Підписано до друку 30.09.2026
Оприлюднено 20.10.2026

Список літератури

1. Pabinger, C., Lothaller, H., Portner, N., Geissler, A. (2018) Projections of hip arthroplasty in OECD countries up to 2050. HIP Intern., 28(5), 498–506. DOI: https://doi.org/10.1177/1120700018757940
2. Wang, W., Yeung, K.W.K. (2017) Bone grafts and biomaterials substitutes for bone defect repair: A review. Bioactive Mater., 2(4), 224–247. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2017.05.007
3. Galloway, R., Monnington, K., Moss, R. et al. (2024) Satisfaction rates, function, and return to activity following young adult total hip arthroplasty. Bone & Joint Open, 5(4), 304–311. DOI: https://doi.org/10.1302/2633-1462.54.BJO-2024-0005.R1
4. Abbas, S.M., Takhakh, A.M., Chiad, J.S. (2023) Review of exploring the future of prosthetics using osseointegration technology. Al-Nahrain J. for Eng. Sci., 26(3), 186–197. DOI: https://doi.org/10.29194/njes.26030186
5. Nobles, K., Janorkar, A.V., Roach, M.D. et al. (2024) In vitro evaluation of optimized PEEK surfaces for enhanced osseointegration. Coatings, 14(5), 518. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings14050518
6. Li, H., Ding, Y., Hu, X. et al. (2024) A comparative study of TiO2, Ta2O5 and Nb2O5 coated Ti6Al4V titanium alloy for biomedical applications. Ceramics Intern., 50(23(B)), 50444– 50453. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.09.390
7. Li, R., Qin, Y., Liu, G. et al. (2017) Tantalum nitride coatings prepared by magnetron sputtering to improve the bioactivity and osteogenic activity for titanium alloy implants. RSC Adv., 7(87), 55408–55417. DOI: https://doi.org/10.1039/c7ra09032c
8. Ronoh, K., Mwema, F., Dabees, S., Sobola, D. (2022) Advances in sustainable grinding of different types of the titanium biomaterials for medical applications: A review. Biomed. Eng. Adv., 100047. DOI: https://doi.org/10.1016/j.bea.2022.100047
9. Vajapey, S.P., Shah, V.M., Li, M., Estok, D.M. (2025) Cementless fixation in total joint arthroplasty: Factors impacting osseointegration. J. of Clinical Orthopaedics and Trauma, 61, 102871. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jcot.2024.102871
10. Song, J., Liu, T., Shi, H. et al. (2017) Time-frequency analysis of the tribological behaviors of Ti6Al4V alloy under a dry sliding condition. J. of Alloys and Compounds, 724, 752–762. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.07.097
11. Chen, X., Chen, S., Liang, L. et al. (2018) Electrochemical behaviour of EPD synthesized graphene coating on titanium alloys for orthopedic implant application. Proc. CIRP, 71, 322–328. DOI: https://doi.org/10.1016/j.procir.2018.05.035
12. Hauer, G., Rasic, L., Klim, S. et al. (2024) Septic complications are on the rise and aseptic loosening has decreased in total joint arthroplasty: An updated complication based analysis using worldwide arthroplasty registers. Archives of Orthopaedic and Trauma Surgery, 144, 5199–5204. DOI: https://doi.org/10.1007/s00402-024-05379-2
13. Janson, O., Gururaj, S., Pujari-Palmer, S. et al. (2019). Titanium surface modification to enhance antibacterial and bioactive properties while retaining biocompatibility. Mater. Sci. and Eng.: C, 96, 272–279. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2018.11.021
14. Badhe, R.V., Akinfosile,O., Bijukumar, D. et al. (2021) Systemic toxicity eliciting metal ion levels from metallic implants and orthopedic devices – A mini review. Toxicology Letters, 350, 213–224. DOI: https://doi.org/10.1016/j.toxlet.2021.07.004
15. Chudinova, E.A., Surmeneva, M.A., Timin, A.S. et al. (2019) Adhesion, proliferation, and osteogenic differentiation of human mesenchymal stem cells on additively manufactured Ti6Al4V alloy scaffolds modified with calcium phosphate nanoparticles. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 176, 130–139. DOI: https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2018.12.047
16. Wang, S., Zhao, X., Hsu, Y. et al. (2023) Surface modification of titanium implants with Mg-containing coatings to promote osseointegration. Acta Biomater., 169, 19–44. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2023.07.048
17. Balla, V.K., Banerjee, S., Bose, S., Bandyopadhyay, A. (2010) Direct laser processing of a tantalum coating on titanium for bone replacement structures. Acta Biomater., 6(6), 2329–2334. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actbio.2009.11.021
18. Van Hengel, I.A.J., Tierolf, M.W.A.M., Valerio, V.P.M. et al. (2020) Self-defending additively manufactured bone implants bearing silver and copper nanoparticles. J. of Mater. Chem. B, 8(8), 1589–1602. DOI: https://doi.org/10.1039/c9tb02434d
19. Bermúdez, M.-D., Carrión, F.J., Martínez-Nicolás, G., López, R. (2005) Erosion–corrosion of stainless steels, titanium, tantalum and zirconium. Wear, 258(1-4), 693–700. DOI: https://doi.org/10.1016/j.wear.2004.09.023
20. Shi, K., Zhang, Y., Zhang, J., Xie, Z. (2019) Electrochemical properties of niobium coating for biomedical application. Coatings, 9(9), 546. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings9090546
21. Zegtouf, H., Saoula, N., Azibi, M. et al. (2019) A study of properties of ZrO2 thin films deposited by magnetron sputtering under different plasma parameters: Biomedical application. J. of Electrical Eng., 70(7), 117–121. DOI: https://doi. org/10.2478/jee-2019-0052
22. Fernández-Lizárraga, M., García-López, J., Rodil, S.E. et al. (2022) Evaluation of the biocompatibility and osteogenic properties of metal oxide coatings applied by magnetron sputtering as potential biofunctional surface modifications for orthopedic implants. Mater., 15(15), 5240. DOI: https:// doi.org/10.3390/ma15155240
23. Li, X., Wang, L., Yu, X. et al. (2013) Tantalum coating on porous Ti6Al4V scaffold using chemical vapor deposition and preliminary biological evaluation. Mater. Sci. Eng.: C, 33(5), 2987–2994. DOI: https://doi.org/10.1016/j.msec.2013.03.027
24. Aimone, P., Hinshaw, E. (2001) Tantalum materials in the CPI for the next millennium. In: Corrosion 2001, 11-16 March 2001, Houston, TX. NACE Intern., C2001–01330. DOI: https://doi.org/10.5006/C2001-01330
25. Alontseva, D., Safarova (Yantsen), Y., Voinarovych, S. et al. (2024) Biocompatibility and corrosion of microplasma-sprayed titanium and tantalum coatings versus titanium alloy. Coatings, 14(2), 206. DOI: https://doi.org/10.3390/coatings14020206
26. Zhang, Y., Zheng, Y., Li, Y. et al. (2015) Tantalum nitride-decorated titanium with enhanced resistance to microbiologically induced corrosion and mechanical property for dental application. Plos One, 10(6), e0130774. DOI: https://doi.org/10.1371/journal.pone.0130774
27. Esmaeili, M.M., Mahmoodi, M., Imani, R. (2017) Tantalum carbide coating on Ti-6Al-4V by electron beam physical vapor deposition method: Study of corrosion and biocompatibility behavior. Intern. J. of Applied Ceramic Technol., 14(3), 374–382. DOI: https://doi.org/10.1111/ijac.12658
28. Latif, R., Jaafar, M.F., Aziz, M.F. et al. (2020) Influence of tantalum’s crystal phase growth on the microstructural, electrical and mechanical properties of sputter-deposited tantalum thin film layer. Intern. J. of Refract. Metal. Hard Mater., 92, 105314. DOI: https://doi.org/10.1016/j.ijrmhm.2020.105314
29. Ellis, E.A.I., Chmielus, M., Baker, S.P. (2018) Effect of sputter pressure on Ta thin films: Beta phase formation, texture, and stresses. Acta Mater., 150, 317–326. DOI: https://doi.org/10.1016/j.actamat.2018.02.050
30. Xiong, D., Lin, N., Hao, Y. et al. (2025) Research progress on preparation techniques, properties, and applications of tantalum (Ta) coatings: A review. Mater. Today Communications, 47, 113196. DOI: https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2025.113196
31. Li, J., Gong, Y., Xue, Y. et al. (2025) Magnetron sputtering to enhance bone integration of tantalum-coated titanium implants: an in vitro and in vivo analysis. BMC Biotechnol., 25, 94. DOI: https://doi.org/10.1186/s12896-025-01032-x
32. Movchan, B.A., Yakovchuk, K.Yu. (2012) Device and method of electron beam evaporation and directed deposition of vapor flow on substrate in vacuum. Pat. UA 98085, a2011 06568, publ. 10.04.2012 [in Ukrainian].
33. Khokhlov, M., Gornostai, O., Maksymchuk, I. et al. (2025) Magnesium-based alloys with functional silver and copper nanocoatings obtained by EB–PVD method for orthopedic applications. In: Proc. of 15th Int. Conf. on Nanomaterials: Appl. & Prop. (NAP), Bratislava, Slovakia, 2025, NRA13-1-NRA13-5. DOI: https://doi.org/10.1109/NAP68437.2025.11216241
34. Kuo, T.-Y., Chin, W.-H., Chien, C.-S., Hsieh, Y.-H. (2019) Mechanical and biological properties of graded porous tantalum coatings deposited on titanium alloy implants by vacuum plasma spraying. Surface and Coatings Technol., 372, 399–409. DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2019.05.003

Ця стаття у відкритому доступі за Creative Commons Attribution Non-Commercial 4.0 International (CC-BY-NC).