СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОВ НИТРИДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛАГЕНА - Студенческий научный форум

IX Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2017

СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КОНДЕНСАТОВ НИТРИДОВ НА ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛАГЕНА

Стародумова Е.В. 1, Миронов М.М. 1
1Казанский национальный исследовательский технологический университет
 Комментарии
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение. Востребованным является изучение и улучшение качества материалов медицинского назначения, в частности материалов изделий, соприкасающихся с тканями организма и имплантируемых для замещения и реконструкции органов. В специфических условиях постоянного контакта таких изделий с биологическими жидкостями живого организма необходимо обеспечить их биологическую безопасность. Практический интерес в производстве протезной продукции представляют нетоксичные, антимикробные плазменные конденсаты нитридов гафния и титана на коллагеновом материале – коже ортопедической. Важной целью является исследование структуры и свойств нитридных конденсатов, а также последующее определение механизма взаимодействия материала покрытий с тканями живого организма и микрофлорой. Задачами данной работы являлись расчет скорости конденсации ионно-плазменного покрытия, экспериментальное исследование структуры и состава нитридных покрытий на кожевенном материале, исследование миграции ионов титана и гафния с нитридных покрытий в воду и выбор по этим результатам параметров покрытия для кожи ортопедической.

Аналитический обзор. Натуральная кожа – фибриллярный белковый полимер с активными группами NH2 и COOH в молекуле. Коллаген образует волокна и объемно-пористую наноструктуру дермы, как основу натуральных кожевенных материалов, задубленных биологически опасными (токсическими) соединениями хрома. Кожа содержит в химически связанном и адсорбированном виде до 16 % влаги . Снижение количества влаги до уровня 10 % и менее, а также нагрев до 100 °С и более приводит к конформационным безвозвратным изменениям в структуре коллагена и всех свойств [1]. Кожу ортопедическую используют в облицовке экзопротезов, стелек ортопедических, культеприемников протезов преимущественно огнестрельных и взрывных ампутаций. Кожа хромового дубления имеет в составе химический элемент – хром, являющийся аллергеном. Хром мигрирует к кожным покровам человека и вызывает токсические и аллергические реакции с нарастанием тенденций во времени . Коллаген является идеальным местом для развития патогенной микрофлоры – бактериальной и микрогрибковой. Исключение этих факторов антисептическими обработками и пропитками проблем токсичности и аллергических реакций не решают.

Установлено, что нитриды титана и гафния конденсированные из паро-плазменной фазы в атмосфере азота являются инертными для человеческого организма. Их состав отличается от стехиометрического. Нитрид титана и представляет собой фазу внедрения с широкой областью гомогенности, которая составляет от 14,9 до 22,6 % азота (по массе), для нитрида гафния – 5,4-7,8%. [2]. Это позволяет проводить их конденсацию совместно. За рубежом, нитридтитановые покрытия легируют серебром, придавая им бактерицидность и конденсируют на металлические имплантаты. Фирмы сохраняют повышенный уровень секретности технологии и состава[3]. Исследованы покрытия для медицинских инструментов [4], а также на натуральных кожевенных материалах [5]. Установлено, что покрытие на основе нитридов гафния и титана придает поверхности биосовместимые с тканями человека свойства и угнетает рост болезнетворной микрофлоры и патогенных микрогрибов [6]. Однако структура конденсатов на кожевенных материалах на микро- и наноуровне, определяющая основные свойства покрытия, до сих пор не ясна.

Объекты и методики. Исследовательский материал представлен «Кожей хромовой для протезов и деталей музыкальных инструментов» ГОСТ 3674-74. Для формирования покрытий из нитридов титана и гафния использовали технологию конденсации из паро-плазменной фазы в условиях ионной бомбардировки, известную как КИБ.

Нанесение покрытий осуществляли при испарении титана и гафния в вакуумной ионно-плазменной установке с тремя дуговыми испарителями. С целью предотвращения ухудшения вакуума в процессе конденсации нитридов на кожу ее предварительно выдерживали в вакуумной камере установки при давлении 0,01 Па. Синтез и конденсацию нитридов проводят в атмосфере азота при большем давлении в 0.2 Па. В основе синтеза лежит плазмохимическая реакция между металлической плазмой, образуемой в результате электродугового испарения материала катода, и реакционным газом – азотом. Затем происходит конденсация образовавшихся нитридов на поверхность подложки. Для нанесения покрытий на кожу необходимо создать низкотемпературный режим конденсации посредством периодического включения электродугового испарителя. Покрытие формировали на лицевой и бахтармяной стороне кожи, закрепив образцы на цилиндре-держателе и вращая перед испарителями. Как показали расчеты, ширина полоски кожевенного материала не должна превышать 550 мм.

Визуализацию структуры нитридных конденсатов проводили методом сканирующей электронной микроскопии на станции Auriga CrossBeam фирмы Carl Zeiss вторичными электронами. Состав покрытий исследовали методом рентгенофлуоресцентного анализа (РФА) и с помощью спектрометра энергетических дисперсий высокого разрешения INCA компании Oxford Instruments, а также спектроскопами фирмы Bruker «Tornado» и «S2 Picofox». Оценку свойств кожи ортопедической с конденсированными нитридными покрытиями проводили по стандартным методикам и в соответствии с требованиями ГОСТ 3674-74.

Для исследования миграции ионов металлов получали концентрации ионов путем выдержки в водной среде и изотоническом растворе (0,9 %) хлористого натрия металлических образцов с покрытием КИБ на разных сроках при нормальных условиях и температуре тела человека - 37 оС. Оценку скорости миграции ионов рассчитывали через концентрацию ионов соответствующего элемента в указанных средах с известной площадью поверхности.

Определение следовых концентраций химических элементов в растворе производили физическими методами – РФА с полным внешним отражением и масс-спектрографическим, характеризующимися предельными порогами достоверных измерений в области ppb-ppt. Использовали спектроскопы фирмы «Bruker», масс-спектрометр с индукционно связанной плазмой (ИПС-МС) «NexION 300D» фирмы «PerkinElmer».

Для РФА анализа методика подготовки пробы воды с мигрировавшими из медицинского имплантируемого винта для остеосинтеза ионами включала предварительную предстерилизационную обработку в 0,5% растворе перегидроля и моющего средства при температуре 50 оС в ультразвуковой ванне. Стерилизацию осуществляли кипячением в воде в течение одного часа. Винт изготовлен из титанового ванадийсодержащего высокопрочного сплава и имеет тонкопленочное защитное сверхтвердое покрытие толщиной 3-5 мкм из смеси нитридов титана и гафния. Покрытие многослойное, композиционное с толщиной слоев от 20 до 100 нм, с составом наружного слоя нитридов по массе гафния и титана в соотношении примерно 1:1. Винты в запаянной полимерной ампуле с водой находились в течение 28 дней при температуре 22-25 оС. Соотношение поверхности винтов (9,4 см2) и объема жидкости (10 мл) соответствовали рекомендациям ГОСТ ISO 10993-12-2011. Воду для исследований применяли инъекционную аптечную, регистрационный номер ЛСР-004532/07, в полимерной ампуле.

Методика подготовки вытяжек для масс-спектроскопии была аналогична предыдущей. Проводили стерилизацию образцов из пластин титана марки ВТ1-00 с указанными покрытиями, однако температурный режим выдержки образцов был приближен к температуре имплантатов в теле пациентов, т.е. 37 оС, а время выдержки в сверхчистой воде достигало 720 часов.

Расчет скорости конденсации. Проведен расчет скорости конденсации комбинированных покрытий на подложку, закрепленную на вращающемся цилиндре, при параллельной работе двух испарителей по методике [7]. По геометрическим ограничениям испарителя, область конденсации покрытия на подложке вращающегося цилиндра определяется углом 2 и имеет форму дорожки. В зависимости от телесного угла, от оси ионного потока скорость конденсации и толщина покрытия дорожки уменьшается согласно косинусоидальному закону. Схема формирования покрытия и схема геометрического расположения испарителя приведена на рис. 1.

Скорость конденсации покрытия на срезе телесного угла определяется по формуле:

V= (1)

= (2)

где –экспериментальная скорость по оси испарителя, k′ – коэффициент скорости при отклонении потока от оси на угол .

Начальная скорость конденсации определяется экспериментально на образце из поликорунда с комбинированным покрытием (Ti+Hf)N, путем соотношения толщины покрытия, измеренной на конфокальном лазерном сканирующем микроскопе и времени конденсации в условиях отсутствия вращения образца. Она находится в диапазоне от 2,80 мкм/час до 2,88 мкм/час с доверительной вероятностью 0,9.

Граничные условия для двух испарителей: R = 480 мм, n = 2,5 об/мин, = 180 мм, S = 170 мм, r = 125 мм, t = 24 с. Для расчетов принято = 0, 15, 30,45, тогда k′83, = 1,45, =0,7, =0,19. Последнее условие исключаем.

В результате расчетов скорость конденсации комбинированного покрытия при одновременной работе двух испарителей при меньшем значении доверительного интервала = 2,80 мкм/час в зависимости от угла распыла пароплазмы принимает значения =5,10 мкм/час, =4,06 мкм/час, =1,96 мкм/час. Толщина покрытия составляет 34 нм, 27 нм, 13 нм соответственно за один оборот цилиндра-подложкодержателя. При условии = 2,88 мкм/час – значения =5,27 мкм/час, =4,17 мкм/час, =2,02 мкм/час. Толщина покрытия составляет 35 нм, 27 нм, 13 нм соответственно. Это границы интервала.

Скорость конденсации покрытия (толщина) резко падает при углах распыла более 30° в 2 раза и более, это недопустимо. Следовательно, конденсация на подложку, закрепленную на вращающемся цилиндре, ограничена телесным углом ±30° от оси ионного потока.

Таким образом, при условии уменьшения толщины покрытия до 50%, ширину дорожки конденсируемого покрытия на подложкодержателе не следует устанавливать более 550 мм. Это максимальная ширина полосы кожевенного материала.

Результаты исследования. Топография поверхности нитридного покрытия на коже приведена на рис. 2 и она кардинально отличается от рельефа покрытий на металлах. Рельеф покрытия напоминает горный бугристый ландшафт в микроразмерах с элементами, имеющими условный размер 1-3 мкм. Изменение режима конденсации позволило выявить причину такого бугристого рельефа покрытия. В отсутствие напряжения смещения покрытие формируется из нитевидных кристаллов – вискеров длиной до 5-6 мкм и диаметром 40-80 нм (рис. 3), растущих с аномальной большой скоростью, а затем хаотично опадающих на поверхность и прилипающих к ней за счет сил Ван-дер-Ваальса, чему способствует вакуум. В дальнейшем они так же зарастают нитридной фазой, образуя характерный рельеф.

При ограничении времени конденсации, кристаллы растут фрагментарно – чешуйками. Они не связаны между собой и могут перемещаться относительно друг друга, удерживаясь только за эластичную коллагеновую основу (рис. 4). При этом кожа сохраняет паропроницаемость и эластичность. Чешуйки, благодаря своим размерам 0,1-1,0 мкм и упорядоченности, вызывают дифракцию падающего света. Это придает поверхности золотистый цвет, а при монотонном изменении размеров чешуек появляются радужные цветовые картины с характерным металлическим блеском.

Исследование чешуйчатой структуры покрытия на коже сканирующей электронной микроскопией на станции Auriga фирмы Carl Zeiss со спектрометром энергетических дисперсий высокого разрешения INCA позволило более достоверно рассмотреть структуру и состав отдельных фрагментов. Распределение элементов по электронному спектру энергии приведено на рис. 5. Состав наружного слоя чешуйчатого покрытия на глубинах в несколько атомных слоев показал наличие оксидов гафния и титана в соотношении 1:4. Вероятно, атмосферный кислород и вода коллагена окисляют наружные слои нитридов до оксидов в связи с большой разницей в величине стандартной энтальпии образования в 88 и 265 ккал/моль соответственно.

Исследование состава наноструктурированного титан-гафниевого нитридного покрытия на поликорундовой подложке РФА спектроскопами фирмы Bruker «Tornado» и «Picofox» на глубинах до 60 мкм показали соотношение гафния и титана в равных массовых долях с вариациями ±20%.

В структуре чешуек просматриваются столбчатые кристаллы, характерные для нитридных конденсатов. Кристаллы имеют длину в толщину покрытия и диаметр 20-50 нм. Рост кристаллов в столбчатом направлении не прерывается переходом от одной металлической паро-плазменной фазы к другой. Однако в электронном изображении видна тонкая граница раздела между фазами TiN и HfN (рис. 6).

Основные характеристики кожи с покрытиями приведены в табл. 1 и удовлетворяют требованиям ГОСТ 3674-74.

Таблица 1 – Свойства кожи с покрытием

Покрытие на коже

Температура сваривания, С

Предел прочности на растяжение, МПа

Относительное удлинение, %

Массовая доля влаги, %

Биологическая активность

(Hf+Ti)N

92,5

12,3

28,0

10,6

Биоактивна, нетоксична

TiN

92,0

12,0

42,5

8,8

Биоинертна

Из результатов исследований, приведенных в таблице видно, что нитридные покрытия c Hf практически не ухудшают основные свойства кожи, придавая при этом новые полезные антиаллергенные и антимикробные свойства.

РФА спектроскоп «S2 Picofox» перед измерениями тарировали по искомым элементам Hf, Ti, V, а также выбрали элементы-маркеры известных концентраций и редко встречаемые в пробах и не затеняющие спектры искомых элементов – это Se, а позже Ga. Кварцевый отражатель и вода для исследований были протестированы в контрольном эксперименте и показали наличие характерного флуоресцентного спектра от Si, Ar, маркера Ga и минимальных (не более 20 - 30 импульсов) от пылевых примесей Ca, K, Fe, Zn. Результаты, отраженные в протоколе исследований, приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Результаты РФА анализа пробы воды с мигрировавшими ионами

Element

Line

Conc. mg/l

Sigma, mg/l

RSD, %

LLD, mg/l

Net area

Backgr.

Chi

Cl

К12

2,00

0,12

6,0

0,05

1862

202

0,59

K

К12

0,226

0,021

9,2

0,018

529

198

1,07

Ca

К12

0,144

0,013

9,2

0,011

492

157

2,42

Ti

К12

0,235

0,015

6,4

0,005

1322

95

0,83

V

К12

0,012

0,003

23,2

0,004

82

91

2,78

Fe

К12

0,014

0,002

13,5

0,002

190

87

1,88

Zn

К12

0,008

0,001

14,0

0,001

216

153

1,14

Se

К12

0,040

0,002

6,1

0,001

1579

108

1,71

Br

K12

0,001

0,000

30,2

0,001

62

106

1,06

Hf

L1

0,147

0,008

5,4

0,002

2689

123

1,3

Анализ результатов с высокой достоверностью (дисперсия 5-7%) показывает наличие определяемых концентраций Hf , Ti в воде. Достоверность определения V низкая, однако, сверхмалая концентрация элемента может косвенно констатировать о защитных функциях покрытия и препятствию покрытия миграции токсичных ионов ванадия из имплантата в воду, а, следовательно, в ткани живого организма.

С целью установления удельной скорости миграции ионов с защитных покрытий на основе нитридов гафния и титана проведено определение концентрации гафния и титана в водных вытяжках из пластин титана марки ВТ1-00 с указанными покрытиями. В исследованиях использовали ИПС-МС «NexION 300D» с чувствительностью по гафнию выше 0,1 ppt, а по титану и хрому 0,1-1,0 ppt со свидетельством о поверке № 5074183. Методика определения концентраций – Standard. Начальный этап исследований касался определения качества особо чистой воды. Измерения концентраций интересующих элементов показали, что их концентрации ниже следовых в исходной воде и составляет от 4 нг/литр до 24 нг/литр, причем титан и гафний в протоколе были разбиты по изотопам.

Для сравнения на сроках выдержки 10 суток (240 часов) показано значение концентрации титана и гафния в изотонический раствор хлористого натрия, как имитатора плазмы крови. Также с увеличением поверхности образцов в 2 раза значение концентрации на одинаковом сроке выдержки растет примерно на один порядок. Один из образцов на сроке выдержки 10 суток (240 часов) имеет в составе покрытия исключительно нитрид гафния и однородную, не слоистую структуру. Этот образец дал в водной среде минимальную миграцию ионов, которая определяется на уровне 10-9 моль/литр. Еще меньшая концентрация получена от миграции ионов гафния в раствор хлорида натрия. Вероятно, хлорид натрия образует на поверхности нитридов стойкие малопроницаемые структуры.

Для наглядности зависимости концентрации и скорости миграции от сроков пребывания образцов в водной среде построены в виде графической взаимозависимость этих параметров (рис. 7).

 

Рис. 7 – Зависимость концентрации и скорости миграции от времени пребывания образцов в воде, где скорость миграции ионов: Ti из (Ti+Hf)N; Hf из (Ti+Hf)N; Hf из HfN; Hf из (Ti+Hf)N в NaCl; концентрация ионов: Ti из (Ti+Hf)N; Hf из (Ti+Hf)N; Hf из HfN; Hf из (Ti+Hf)N в NaCl

На основе данных взаимозависимости получена аналитическая зависимость изменения скорости миграции ионов гафния с комбинированного нитрид-титаногафниевого покрытия в воду от времени выдержки покрытия в водной среде. Поскольку при линейной и логарифмической аппроксимации с увеличением времени выдержки, значения скорости миграции переходят в отрицательную область, что невозможно, поэтому более реальной представляется степенная аппроксимационная зависимость с достоверностью R2=0,89. Зависимость имеет вид V=3∙10-12∙τ-1,36, где V – скорость миграции ионов гафния в водную среду, моль/(см2∙час), τ – время пребывания в часах.

Интересны результаты исследования защитных свойств нитрид-титаногафниевого тонкопленочного (около 200 нм) покрытия на поверхности кожи натуральной ортопедической. Защитные свойства покрытия определяли как понижение миграции хрома из кожи в воде. Так количество хрома в воде у кожи с двухсторонним покрытием нитридом гафния уменьшилось с 8,7 мг/литр до 0,25мг/литр, т.е. в 35 раз.

О химической структуре и связях мигрировавших в воду ионов гафния можно только предполагать, т.к. использованной аппаратурой они не диагностируются. Предположительно это гафниевые кислоты сольватированные водными оболочками и диссоциированные в один акт или кислотные остатки HfO- (TiO-) возможно проявляющие бимодальные свойства в отношении микроорганизмов [6,8,9,].

Таким образом, барьерные свойства наноструктурированного покрытия из нитридов титана и гафния проявляются замедлением миграции токсичных ионов хрома из кожи ортопедической и ванадия из титанового сплава. Зафиксированные сверхнизкая скорость миграции и барьерный эффект свидетельствуют о повышении биосовместимости кожевенного материала и титанового сплава. Чешуйчатая структура на коже покрытия не ухудшает влаго- и газопроницаемость кожи, что позволяет эксплуатировать ее как покровный материал для протезов. На основе данных результатов получен патент на полезную модель вкладной ортопедической стельки RUS № 118861, а также подана заявка на патент полезной модели культеприемника шинно-кожаного немодульного протеза № 2016145729 от 23.11.2016. Разработан технологический процесс нанесения биосовместимого наноструктурированного покрытия на кожу для протезов, реализуемый полностью на отечественном оборудовании – вакуумной ионно-плазменной установке ННВ 6.6 И1 и с использованием отечественных материалов – титана марки ВТ1-00 по ГОСТ 19807-91, гафния металлического по ТУ 001.402-2008.

Заключение. Впервые по анализу имеющихся информационных источников экспериментально зафиксирован рост вискероподобных и чешуйчатых структур на коллагеновом материале при конденсации нитридов титана и гафния из паро-плазменной фазы. Рост наноразмерных зародышей кристаллов начинается формированием чешуйчатой структуры с подвижными друг относительно друга фрагментами размером 0,1-1,0 мкм. Чешуйки имеют многослойную структуру с толщиной слоев 20-50 нм и не препятствуют влагопроницаемости кожи. Продолжение роста толщины покрытия происходит через образование вискеров диаметром 40-80 нм и длиной до 5-6 мкм, их слома и прилипания к поверхности с последующим зарастанием их жесткой и непроницаемой нитридной фазой и бугристой микротопографией поверхности. Среднемассовый состав покрытия включает титан и гафний примерно в равных соотношениях в виде нитридов и оксидов на поверхности .

Показана исключительно высокая коррозионная стойкость покрытий из нитридов титана и гафния в водной среде соответствующая уровню имплантационных медицинских материалов. Концентрации ионов гафния и титана с нитридного покрытия определяется в области нано- и пикомоль на литр. Исследования по барьерному эффекту покрытия, показали 35-кратное замедление миграции ионов хрома из кожи ортопедической в водную среду за 20 суток. Такой эффект от покрытия позволяет свидетельствовать о потенциальном уменьшении аллергического воздействия кожевенного материала протеза на кожу человека. Физико-механические свойства кожи с наноструктурированным биосовместимым покрытием позволяют ее использование во внутренней, соприкасающейся с кожными покровами инвалида, конструкциях протезно-ортопедических изделий, на которые оформлены охранные документы . Технология производства кожи ортопедической с биосовместимым покрытием базируется на отечественном оборудовании и материалах.

Литература

1. Миронов М.М. и др. Материал бактерицидного покрытия. Патент на изобретение № RU 2554773 от 27.06.2015.

2. Самсонов Г.В. Нитриды. – Киев: Наукова думка, 1978. – 356 с.

3. Nachhaltige Wirkung unserer antimikrobiellen Beschichtungen [Электронный ресурс] - Режим доступа: www.oerlikon.com/balzers, свободный.

4. Абдуллин И.Ш., Миронов М.М., Гарипова Г.И. Бактерицидные и биологически стойкие покрытия для медицинских имплантатов и инструментов // Медицинская техника. – 2004 – № 4. – С. 20-22

5. Гребенщикова М. М. Биологически безопасные кожевенные материалы протезно-ортопедического назначения, полученные с применением плазменных технологий : автореф. дис. ... канд. техн. наук / Казан. гос. технол. ун-т; М. М. Гребенщикова – Казань, 2012. – 22 с.

6. Вейнов В.П., Баязитова Л.Т., Халдеева Е.В., Миронов М.М., Гребенщикова М.М. Антимикробная активность покрытий с гафнием // Материалы научной сессия КНИТУ по итогам 2015 года. – Казань, 2016. – С. 489.

7. Кунченко Ю. В., Кунченко В. В. Модель формирования слоистой структуры покрытий, получаемых методом вакуумно-дугового осаждения // Харьковский физико-технический институт – ФИП, 2005. – Т. 3, № 3-4. – С. 199-207.

8. Шека И.А., Карлышева К.Ф. Химия гафния. – Киев: Наукова Думка, 1973. – 455 с.

9. Галль Л.М. Материя и жизнь. – С. Петербург: Амфора, 2015 – 320 с.

Просмотров работы: 517