Full Text

Известно, что биоматериалы должны соответствовать трем основным критериям: 1) биофункциональность, т.е. соответствие физических и химических свойств замещаемым тканям; 2) биосовместимость, заключающаяся в отсутствии отрицательного взаимодействия материалов с биологической средой; 3) инертность по отношению к биологической среде или системе [1]. В последние годы использование материалов на основе углерода в медицинских целях становится все более распространенным. Углеродные материалы были созданы в качестве наиболее выгодных субстратов для крепления и роста нескольких типов клеток in vitro по сравнению с титановыми и кобальтовыми сплавами, тефлоновыми, лавсановыми волокнами и полимерами [2]. Углеродные волокна и графитовые материалы - наиболее часто используемые материалы на основе углерода. Анализ современной литературы показал, что очень ограниченное количество исследований in vivo направлено на изучение влияния структуры и ориентации углеродного материала на расположение остеобластических компонентов и протекание пролиферативных процессов. Ряд исследователей выявили закономерность, заключающуюся в изменении количества остеобластов в зависимости от шероховатости поверхности образцов [3-6]. В обзоре [7] особое внимание уделяется структуре и химии поверхности материала, обусловливающих локально-селективную адгезию и рост клеток, а также влиянию нано- и микромасштабной шероховатости поверхности на поведение клеточных структур. Результаты исследований [4] показали, что все шероховатые поверхности гидроксиапатита, независимо от микротопографии, биосовместимы и обеспечивают закрепление остеобластов, пролиферацию и формирование коллагеновых волокон I типа. По сравнению с титановыми сплавами наномасштабные углеродные волокна и наночастицы способствуют появлению наибольшего количества и росту остеобластов на поверхности имплантируемых материалов [8]. Кроме того, в работе [2] сообщается, что количество закрепленных гладкомышечных клеток, фибробластов и хондроцитов уменьшается с увеличением поверхностной энергии углеродных нановолокон или изменением химии углеродных нановолокон. Несмотря на то что графит и углеродные волокна являются химически инертными и биосовместимыми, все же имеются различия в их структуре, которые могут повлиять на их взаимодействие с окружающей средой. Таким образом, подготовка поверхности, ее модифицирование с последующим формированием на ней углеродных кластерных структур является актуальной задачей и имеет определенные перспективы в применении таких материалов в имплантологии. Цель настоящей работы заключалась в поиске и сравнительном анализе различных способов обработки титановых поверхностей для осаждения углеродных наноструктур, как перспективных биосовместимых материалов. Методики эксперимента и исследований. В первой части эксперимента использована методика пескоструйной обработки титановых образцов из сплава ВТ1-0. Подготовка поверхности титановых образцов проведена посредством пескоструйной обработки на установке «Град» при давлении сжатого воздуха 2,5 кгс/см2 в течение 2 и 4 мин с использованием абразивного материала (электрокорунд белый с зерном 0,6-0,9 мм, F36, ГОСТ Р 52381). Образцы фиксировались в парафиновом блоке для исключения воздействия частиц абразивного материала на боковые поверхности. После пескоструйной обработки образцы извлекались из парафинового блока, обезжиривались этанолом и подвергались травлению в 12,5%-ном растворе едкого натра на водяной бане в течение 60 мин для удаления остатков корунда с поверхности образцов. Для удаления остатков щелочи с поверхности образец промывался 10%-ным раствором азотной кислоты в дистиллированной воде, затем чистый образец высушивался при 100 °С. Вторая часть эксперимента - обработка титановых образцов микродуговым оксидированием (МДО) состояла из следующих стадий [9-11]: 1. На стадии обычного анодирования существует прямой контакт раствора электролита с поверхностью тонкой диэлектрической пленки, в которой создается высокая напряженность электрического поля, обеспечивающая ионную проводимость в пленке и протекание окислительных процессов. 2. При определенной толщине пленки (0,5-1,0 мкм) возникает искрение с одновременным протеканием двух процессов: электрохимического окисления и разрыхления искрами образующейся пленки. 3. Микродуговое оксидирование для каждой конкретной комбинации металла и электролита осуществляется в определенной области значений напряжения и тока. При достижении некоторого предельного значения напряжения микродуговые разряды сменяются дуговыми. Структуру поверхности изучали с помощью автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа Ultra 55 (Carl Zeiss), совмещенного с энергодисперсионным спектрометром Inca Energy 450 (Oxford Instruments). Результаты и их обсуждение. Наиболее простым способом увеличения шероховатости и площади поверхности титана является пескоструйная обработка. В зависимости от скорости частиц и длительности обработки достигаются существенные изменения в микрорельефе поверхности, вследствие абразивного действия частиц на подложку увеличивается удельная площадь поверхности. Анализ структуры поверхности, выполненный с помощью сканирующей электронной микроскопии, совмещенной с энергодисперсионным рентгеноспектральным анализом, показал, что на поверхности обработанных образцов остаются частицы абразивного материала (рис. 1, таблица). Локально частицы, указанные на рис. 1 стрелками, расположены глубоко во впадинах и закреплены там достаточно жестко. Рис. 1. Поверхность титанового образца после пескоструйной обработки Химический состав абразивных частиц, мас. % Спектр O Al 1 51,91 48,09 2 53,63 46,37 3 51,36 48,64 Данный метод позволяет только увеличить шероховатость, а поверхность впадин со средним размером 10-25 мкм представляет собой открытый металл, не защищенный оксидной пленкой. Кроме того, поверхность настолько хаотично разрушена, что наносимый раствор предкатализатора трудно распределить. Вследствие этого на такую поверхность сложно равномерно внедрить многослойные углеродные нанотрубки (МУНТ). Наилучшей альтернативой указанному методу является метод микродугового оксидирования, который позволяет создавать на поверхности титановой подложки пористый слой оксида с постоянным размером пор. На рис. 2 представлена оксидированная поверхность титанового образца при различном увеличении. а б Рис. 2. Поверхность титанового образца после микродугового оксидирования: а - 500; б - 5000 Из анализа оксидированной поверхности следует, что этот метод позволяет создавать сложную ячеистую систему пор размером 0,2-2,0 мкм, что способствует более равномерному распределению в последующем МУНТ по поверхности образца и большей адгезии трубок к внедряемой поверхности. Величина получаемых в результате обработки поверхностей измерялась по методу ВЕТ, который позволяет судить, насколько увеличилась площадь поверхности образца по сравнению с исходным (эталонным) образцом. После МДО поверхность образцов увеличилась в 1,67 раза. Образованный с помощью МДО аморфный слой диоксида титана содержит фосфор и кальций в виде титаната кальция и дифосфата титана. Получаемая толщина аморфного слоя составляла 9-15 мкм. Установлено, что морфология получаемой поверхности практически не зависит от времени обработки. Дальнейшие исследования по формированию углеродных наноструктур на обработанных поверхностях показали, что на образцах после пескоструйной обработки получено покрытие из агломерированных МУНТ диаметром 50-90 нм (рис. 3, а). Из электронно-микроскопического анализа следует, что агломерации содержат адсорбированный углерод и каталитические частицы металлов, а помимо МУНТ наблюдаются углеродные волокна пластиночного типа. На образцах после МДО в наибольшей степени присутствуют МУНТ (рис. 3, б) диаметром порядка 60 нм. а б Рис. 3. Углеродные структуры, полученные на образцах после пескоструйной обработки (а) и микродугового оксидирования (б) Поры, образованные в оксидном слое, также содержат углеродные наноструктуры, которые в наибольшей степени будут содействовать остеоинтеграции имплантата, выполненного из титана, так как порообразование увеличивает площадь поверхности, что способствует прочному сцеплению имплантата с живой тканью. Таким образом, обработка титановых поверхностей имплантатов с использованием методов пескоструйной обработки, микродугового оксидирования с последующим осаждением на них углеродных наноструктур обеспечивает увеличение поверхности, что благоприятно для остеосинтеза костных тканей. Результаты проведенного морфометрического анализа свидетельствуют о полноценности синтезированного слоя, сформированного на всех типах образцов. После пескоструйной обработки обнаружены частицы абразивного материала, расположенные во впадинах титанового образца, что требует оптимизации в режимах данного метода для исключения инородных фаз. Микродуговое оксидирование в большей степени обеспечивает развитие поверхности за счет формирования микро- и нанопористой структуры.

About the authors

S. M Nikulin

JSC Ural Scientific Research Institute of Composite Materials

A. A Smetkin

Perm National Research Polytechnic University

N. B Astashina

E.A. Wagner’s Perm State Medical University

References

Statistics

Views

Abstract - 51

PDF (Russian) - 21

Refbacks

• There are currently no refbacks.