Beier, Silvio

Köster, Stephan

Pinnekamp, Johannes

Schröder, Horst Friedrich

Veltmann, Katrin

Прямушко, Т. С.

Грубова, Ирина Юрьевна

Иванова, Анна Александровна

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 6: Материаловедение ВЛИЯНИЕ МОДИФИЦИРОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ТИТАНА ВТ 1-0 ПЕРЕД НАПЫЛЕНИЕМ СЕРЕБРОСОДЕРЖАЩЕГО ГИДРОКСИАПАТИТА  НА ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА Прямушко Т.С., Грубова И.Ю., Иванова А.А. Научный руководитель: Р. А. Сурменев, старший научный сотрудник, доцент, к.ф.-м.н.  Томский политехнический университет, 634050, Россия, г.Томск, пр. Ленина, 30 E-mail: tatyana.pryamushko@mail.ru Проблема отторжения имплантата организмом человека является актуальной [1], т. к. до сих пор в медицине остается ряд постоперационных проблем, связанных с имплантацией. Особую роль при интеграции имплантата с живыми тканями играют свойства его поверхности [2]. Модифицирование поверхности имплантата путем механического или химического модифицирования ведет к увеличению площади контакта поверхности имплантата с костной тканью. Желание ускорить процесс остеоинтеграции имплантата привело к идее создания биосовместимого магнетронного покрытия на основе гидроксиапатита (ГА, Ca2(PO4)6OH2), который является естественным минеральным компонентом зубов и костей. Высокочастотное (ВЧ-) магнетронное напыление позволяет получать тонкие покрытия с контролируемым элементным и фазовым составом и высокой адгезией [1].  Целью данной работы является исследование влияния модификации поверхности сплава технически чистого титана на топографию и физико-химические свойства сформированного покрытия. В качестве подложки был выбран сплав технически чистого титана марки ВТ1-0. Для достижения развитого микрорельефа титановых образцов были подготовлены два типа подложек с помощью механической и химической обработок: 1 – пескоструйная обработка корундом (Al2O3=250-320μм) при различных давлениях Р=0,45 МПа и Р=0,61 МПа; 2 – химическое травление во фторсодержащем растворе (1ml HF + 2 ml HNO3 + 2,5ml H2O, t=10 сек). Для удаления продуктов травления проводилась очистка в ультразвуковой ванне. Затем для придания образцам биосовместимых свойств проводилось напыление покрытия из серебросодержащего ГА (Ag-ГА) методом ВЧ-магнетронного распыления. Способ получения Ag-ГА покрытия методом ВЧ-магнетронного распыления состоит из трех основных стадий: 1 – синтез порошка ГА; 2 – приготовление мишени для распыления по керамической технологии; 3 – формирование покрытия. Для напыления использовалась полностью автоматизированная установка 08ПХO–100T-005 с ВЧ-магнетронным источником (ВЧ-генератор COMDEL13,56 МГц). Покрытия напылялись при мощности 250 Вт в атмосфере аргона в течение 180 минут при заземленном подложкодержателе.  Для исследования топографии использовался профилометр Talysurf 5М (Tyler-Hobson). Свободную энергию поверхности (СЭП) определяли методом краевых углов смачивания на приборе EasyDrop фирмы KRUSS. При этом выделяли полярную и дисперсионную составляющие суммарной поверхностной энергии, которые рассчитывали по уравнению Оуэнса-Вендта. Модифицирование поверхности титановых образцов при давлении Р=0,45 МПа приводит к увеличению шероховатости на 22% (Ra возросло с 0,9 до 1,11 µм). Нанесение ГА-покрытия в данном случае приводит к росту показателя шероховатости с 1,11 до 1,14 µм, при этом относительно исходной подложки произошло увеличение на 26%. Модифицирование поверхности титановых подложек при давлении Р=0,61 МПа приводит к росту показателя Ra с 0,9 до 1,27µм (41%). Исследования образцов с покрытием показали, что шероховатость в данном случае уменьшилась на 0,07µм относительно модифицированных образцов без нанесенного покрытия, но при этом возросла на 0,3 µм (33%) относительно исходных образцов (таблица 1). Исследования смачиваемости показали, что она слабо зависит от Ra. В первой группе (Р=0,45 МПа) смачиваемость возрастает после пескоструйной обработки и химического травления (угол уменьшился с 74,35° до 55,05°), а СЭП возрастает в 2 раза (с 32,68 до 65,68 мН/м), причем за счет своей полярной составляющей. После напыления покрытия угол возрастает в 2 раза относительно обработанной поверхности (с 55,05° до 116,50°), то есть поверхность становится гидрофобной. СЭП  в данном случае уменьшается до 7,54 мН/м. В случае второй группы (Р=0,61 МПа) – с уменьшением шероховатости угол возрастает. После напыления покрытия на модифицированную титановую подложку шероховатость снижается на 0,07µм, а угол возрастает на 30,8° (с 65,3° до 96,10°), при этом СЭП уменьшается с 40,88 до 14,58 мН/м (больший вклад вносит полярная составляющая). Как видно из представленных результатов, поверхностная энергия протравленных образцов определяется полярной составляющей (таблица 1). Следует отметить, что чем больше краевой угол смачивания, тем больший вклад в СЭП вносит дисперсионная составляющая, то есть о гидрофобности поверхности можно судить по дисперсионной составляющей СЭП. На рисунке 1 83 XХ Международная научно-практическая конференция «СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ» Секция 6: Материаловедение представлена зависимость краевого угла смачивания от полярной составляющей СЭП. Данный график показывает, что чем больше полярная составляющая у СЭП, тем ниже контактный угол смачивания.  Таблица 1. Физико-химические характеристики поверхности титана после модификации Рисунок 1. Зависимость краевого угла смачивания от полярной составляющей СЭП Модифицирование поверхности напылением тонкого покрытия приводит к уменьшению полярной составляющей и к росту дисперсной, что свидетельствует о снижении полярных групп на поверхности (таблица 1), следовательно, поверхность становится более гидрофобной.  Известно, что гидрофильная поверхность является предпочтительной при использовании ее для изготовления имплантатов в области ортопедии, т. к. данные материалы будут лучше взаимодействовать с клеточными организмами и биологическими жидкостями (кровь, плазма и т.д.). Однако для лучшей остеоинтеграции клетки должны не только растекаться на поверхности, но и прикрепиться к ней, то есть иметь возможность «сцепления» с поверхностью. Это доказывает, что развитый рельеф также важен для улучшения адгезии клеток к поверхности [3]. Благотворное влияние гидрофильной поверхности на адгезию было исследовано во многих работах, однако  из некоторых исследований также видно, что для лучшей адгезии клеток к поверхности имплантата большую роль играет шероховатость поверхности [3].  Таким образом, исследование различных методов подготовки поверхности перед напылением биосовместимых ВЧ-магнетронных покрытий показало, что обработка поверхности при давлениях Р=0,45 МПа и Р=0,61 МПа приводит к повышению или к незначительному повышению шероховатости поверхности, а также к снижению поверхностного натяжения, в большей степени за счёт его полярной составляющей. В ходе исследования лучший результат показали образцы, обработанные при давлении Р=0,61 МПа, т.к. не смотря на то, что угол смачивания подложки на 10° выше, чем у обработки при давлении Р=0,45 МПа (55,05°), напыление Ag-ГА покрытия приводит к повышению угла смачивания на 47%, что в 2,4 раза ниже чем у образцов, обработанных при меньшем давлении. Данный факт говорит о том, что поверхность образцов, обработанных при большем давлении умеренно гидрофобна, что очень важно для взаимодействия с биологическими жидкостями для скорейшей остеоинтеграции. Авторы выражают благодарность проф. Шаркееву Ю.П. за содействие в пескоструйной обработке поверхности подложек, зав. лаб. ИФВТ ТПУ Игнатову В.П. за помощь в травлении подложек титана.  СПИСОКЛИТЕРАТУРЫ 1. Сурменев Р.А., Сурменева М.А.,  Пичугин В.Ф., Эппле М. ВЧ-магнетронные кальций-фосфатные покрытия на материалах медицинских имплантатов. //. Известия ТПУ 2009; Т.315. №2:с. 139-141; 2. Esposito М., Hirsch J.M., Lekholm U., Thomsen P. Biological factors contributing to failures of osseointegrated oral implants. //. Etiopathogenesis. Eur J Oral Sci 1998; 106:721-764; 3. Xavier S.P., Carvalho P.S.P., Beloti M.M. et al. Response of rat bone marrow cells to commercially pure titanium submitted to different surface treatments. J. Dent. 2003; 31: 173–80.   Ra(µм)  θ вода(° ) θ глицерин(° ) СЭП(мН/м) СЭПd(мН/м)  СЭПp(мН/м)  Титан Исходный 0,9 74,35 79,05 32,68 3,31 29,37 Давление Р=0,45 МПа, без покрытия 1,11 55,05 72,97 65,68 0,67 65,01 Давление Р=0,45 МПа, с покрытием 1,14 116,50 109,50 7,54 5,94 1,60 Давление Р=0,61 МПа, без покрытия 1,27 65,30 72,10 40,88 2,50 38,38 Давление Р=0,61 МПа, с покрытием 1,20 96,10 93,80 14,58 5,20 9,38 0 10 20 30 40 50 60 705060708090100110120Краевой угол смачивания, °СЭПполярная, мН/м84 

Влияние модифицирования поверхности титана ВТ 1-0 перед напылением серебросодержащего гидроксиапатита на физико-химические свойства

RWTH Publications

Treatment of hospital wastewater effluent by nanofiltration and reverse osmosis

Publikationsserver der RWTH Aachen University

Влияние модифицирования поверхности титана ВТ 1-0 перед напылением серебросодержащего гидроксиапатита на физико-химические свойства

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Electronic archive of Tomsk Polytechnic University

RWTH Publications

Publikationsserver der RWTH Aachen University