На рис. 67 приведена структура покрытия ГА толщиной около 100 мкм после плазменного напыления на воздухе на подслой толщиной 5 мкм, полученный ионно-стимулированным осаждением в вакууме. Как видно, плазменное покрытие содержит крупные поры размером до 100-150 мкм. Геометрическая форма большинства частиц, образующих покрытие, сферическая и их размер 25 мкм и выше. Частицы прозрачные. По-видимому, частицы порошка ГА в процессе напыления расплавляются и попадают на поверхность подложки в жидкой фазе. Для анализа интерфейсного слоя пленка-подложка использовался метод оптической микроскопии. Исследовали поперечный разрез титановой подложки с ГА-покрытием. Пропитка сколотого слоя красящей жидкостью со стороны подложки подтвердила наличие сквозных поперечных пор даже при толщине слоя 350 мкм. Распределение усредненного размера пор по глубине слоя имеет экспоненциальный характер - крупные поры преобладают на поверхности, а мелкие в глубине слоя. Размер мелких пор определяется преобладающим размером гранул исходного порошка ГА, используемого для напыления.

Рентгенограммы, снятые от исходного ГА и плазменного ГА-покрытия, идентичны, за исключением некоторого отличия в интенсивностях отдельных рефлексов. На рис. 68 показаны, в качестве примера, дифрактограммы, снятые с поверхности плазменного покрытия ГА (рис. 68а) и ГА (90%)-ФА(10%) (рис. 68б). Дифрактограммы практически идентичны, за исключением соотношения интенсивностей некоторых рефлексов, и соответствуют дифрактограммам исходных порошков, использованных для плазменного напыления.

Химический состав получаемых покрытий определяли методом рентгеновской флуоресцентной спектроскопии. Линии Ca K?, Ca K?, P K? спектров флуоресценции имеют примерно одинаковую интенсивность для порошка и плазменного покрытия, что указывает на идентичность их составов.

Проведенные исследования показали устойчивость двухслойных ГА и ФА-содержащих ГА покрытий к растворам щелочей: KOH, NaOH, NH4OH, и кислот: CH3COOH, H3PO4 (от 10 до 80%-ной), при температурах от 10 до 600 С. В растворах HCl и HNO3 при этих температурах после 72 часов выдержки начинается растворение верхнего слоя ГА. Выдерживанием образцов в данных условиях в течение 1440 часов полностью удалить покрытия ГА не удалось.

Проведены исследования in vivo остеоинтеграции прототипов титановых имплантатов с двухслойными покрытиями ГА, содержащими 0, 1, 2 и 10 масс.% фторапатита, нанесенными по описанной технологии. Имплантаты вживляли в берцовую кость взрослых белых кроликов линии New Zeeland и исследовали образование связи имплантата с костной тканью через 6 недель. Установлена остеинтеграция имплантата посредством прорастания костной ткани в поровое пространство, причем степень остеоинтеграции не зависит (статистические данные) от содержания фторапатита в покрытии.

Лазерное осаждение

Принципиально иной подход к формированию биосовместимого покрытия - нанесение его методом импульсной лазерной абляции (ПЛАД), позволяющим получать гомогенные по составу и структуре пленки с высокой прочностью адгезии к подложке [336-339]. В зависимости от параметров проведения процесса, можно варьировать шероховатость поверхности покрытия. Лазерные покрытия могут быть использованы в качестве промежуточных между подложкой и плазменно-напыленным слоем. Метод успешно был использован для получения пленок биоактивных стекол на титановых подложках [340]. Однако очень мало известно о формировании фазового состава, структуры и свойств фосфатно-кальциевых покрытий, наносимых методом лазерной абляции.

В работе [337] изучали покрытия ГА и ГА-10%ФА, наносимые на подложки из чистого титана. Нанесение проводили с использованием Nd:YAG-лазера (длина волны излучения 532 нм, длительность импульса 10 нс, частота 10 Гц, флюэнс 12,3 Дж/см2, расстояние между подложкой и мишенью 10 мм, длительность нанесения 1 ч). Мишени в форме таблеток диаметром 14 мм изготавливали прессованием и спеканием порошков ГА и ГА-10%ФА до остаточной пористости 0,4-1,4%. Изучали микроструктуру покрытия методом сканирующей электронной микроскопии, его фазовый состав и твердость. Методика измерения истинной твердости материала покрытия требует специального рассмотрения ввиду необычности полученных результатов.

Твердость измеряли вдавливанием пирамиды Виккерса при нагрузках от 0,1 до 5,0 Н. Данная область нагрузок перекрывает весь диапазон откликов композиционной системы покрытие-подложка от локализованной упруго-пластической деформации покрытия до деформации, при которой вклад от покрытия существенно мал по сравнению с вкладом от деформации подложки [341]. Для разделения измеряемой твердости Hc на ее компоненты (твердость подложки и твердость покрытия) использовали модель правила смесей по поверхности [342]:

Hc = (Af/A)Hf + (As/A)Hs (77)

где A - контактная площадь, символы f и s относятся к покрытию и подложке, соответственно, H - твердость. Из геометрических соображений выражение (77) может быть записано в виде:

Hf = Hs + (Hc - Hs)/[2c(t/d) - c2(t/d)2] (78)

где t - толщина покрытия, с = 2 sin2 110 0,07 для твердой хрупкой пленки на более мягкой подложке, d = 1/7D - глубина проникновения индентера, D - диагональ отпечатка. Данная модель применима при значительных глубинах вдавливания индентера, при которых поверхностные перемещения покрытия превышают его толщину. Это соответствует значениям d/t более 1 [343]. Как следствие, выбор адекватного интервала нагрузок на индентер имеет большое значение для точности расчета истинной твердости покрытия. Далее, необходимо учитывать размерный эффект индентирования, заключающийся в том, что измеряемая твердость снижается с возрастанием глубины вдавливания индентера [344,345]. С учетом этого эффекта, уравнение (78) может быть модифицировано следующим образом:

Hc = Hs0 + [Bs + 2c1t(Hf0 - Hs0)]/D (79)

где c1 = c(D/d) 0,5, Hf0 и Hs0 - истинная твердость покрытия и подложки, соответственно; Bs - коэффициент, значение которого может быть найдено из данных по твердости подложки без покрытия. Из экспериментов с титановой подложкой найдены следующие значения: Hs0 = 1,840,06 ГПа, Bs = 5,3810-6 ГПам.

Были получены плотные пленки фосфата кальция толщиной 2,7-2,9 мкм. Микроструктура покрытий показана на рис. 69. На поверхности покрытий присутствуют капли размером до 10 мкм, возникающие в результате плавления и экспульсии материала мишени. Согласно данным энерго-дисперсионного рентгеновского анализа, соотношение Са/Р в покрытиях сохраняется примерно тем же, что и в исходной керамике (расчетное масс. соотношение 2,15). Усредненное по 20 точкам измерений содержание фтора в покрытии, полученном с использованием керамики ГА-10%ФА, составляет 0,54 масс.%, что близко к расчетному.

На рис. 70 приведены дифрактограммы исходной ГА и ГА-10%ФА керамики, а на рис. 71 - дифрактограммы, снятые с покрытий. Из сравнения следует, что рефлексы, соответствующие структуре апатита, полностью отсутствуют на дифрактограммах покрытий. На рис. 72 показана зависимость измеряемой твердости композиционной системы покрытие - подложка от величины, обратной размеру диагонали отпечатка, для образца ГА-10%ФА. Обработка методом наименьших квадратов дала значение Bc = [Bs + 2ct(Hf0 - Hs0)], равное 49,8 10-6 ГПа.м. Рассчитанные значения истинной твердости исходной керамики и покрытий представлены в таблице 16. Из приведенных в таблице данных следует, что твердость покрытия существенно, в 3-4 раза, превышает твердость исходной керамики. Этот неожиданный результат не является артефактом, поскольку методика была успешно применена ранее для измерения твердости пленок различной природы и толщины [346,347]. Объяснение следует искать в особенностях структуры фосфатно-кальциевых покрытий, формируемых методом ПЛАД. Рассматривают следующие возможные причины повышенной твердости тонких пленок [348]. Объем деформируемого материала мал и содержит пониженное количество дислокаций, в результате чего прочность (предел текучести) приближается к теоретическому пределу для совершенного кристалла. В процессе индентирования может происходить интенсивное деформационное упрочнение в результате торможения перемещения дислокаций границей раздела пленка/подложка, что приводит к возникновению полей внутренних напряжений, препятствующих дальнейшему перемещению дислокаций и к возможному торможению распространения трещин. Разветвленная сеть границ между нанозернами в структуре покрытия также затрудняет перемещение дислокаций. Однако трудно предположить существенное по величине деформационное упрочнение в хрупких материалах со структурой апатита, поскольку известно, что плотность дислокаций в кристаллах такого типа должны быть низкой.

Установлено, что даже использование эксимерного KrF лазера (длина волны излучения 248 нм) в сочетании с УФ-облучением (184,9 нм) при малых флюэнсах, 1-2 Дж/см2, позволяет получать методом ПЛАД фосфатно-кальциевые покрытия (в качестве мишени использовали таблетки из ГА) с необычно высокими показателями механических свойств: модуля Юнга (до 180 ГПа) и твердости (до 7,5 ГПа, измерено методом наноиндентирования) [349]. Эффект объясняют химическими превращениями молекулы ГА под воздействием лазерного и УФ-облучения, в частности протеканием реакции фотодиссоциации ГА с образованием безводного фосфата кальция и улетучиванием пятиокиси фосфора из продуктов реакции:

Са10(РО4)6(ОН)2 - Н2О > Са4О(РО4)2 + Са2Р2О7 + 4СаО + Р2О5 (80)

Продукты реакции обладают повышенной реакционной способностью по отношению к подложке, изготовленной из титанового сплава, обеспечивая получение плотного тонкокристаллического покрытия, содержащего помимо ГА и другие кальций-фосфатные фазы.

Покрытия, получаемые с использованием Nd:YAG лазера при высоких флэнсах, по-видимому, имеют существенно разупорядоченную, аморфизованную структуру, образующуюся в результате плавления и частичного химического разложения материала мишени в лазерной плазме. Материалы с такой структурой обладают низкой способностью к релаксации механических напряжений посредством пластической деформации и, следовательно, высокой твердостью. Известно, что пленки, осажденные с использованием Nd:YAG лазера содержат больше стеклообразной фазы по сравнению с пленками, осажденными эксимерным лазером, вследствие пониженного коэффициента поглощения излучения материалом ГА-мишени [350]. Важное значение для формирования структуры покрытия имеет температура подложки. Осаждение на подложку при комнатной температуре приводит к большей аморфизации покрытия по сравнению с нанесением на подогретую подложку. С повышением флюэнса усиливается испарение материала мишени и его термическое разложение [339]. Эти процессы увеличивают разупорядоченность структуры. Фосфатно-кальциевые покрытия, нанесенные методом ПЛАД при высоких флюэнсах, как было показано, обладают хорошей биосовместимостью с остеобластами, способствуя их пролиферации [339]. Таким образом, метод ПЛАД позволяет гибко варьировать параметры структуры и показатели свойств кальций-фосфатных покрытий в широких пределах.

Электронно-лучевое осаждение

Другим перспективным физическим методом получения биосовместимых покрытий является электронно-лучевое осаждение. Данный способ успешно использован для нанесения покрытий карбида титана на титановые имплантаты с целью защиты последнего от коррозии жидкостями организма и придания шероховатости поверхности. Однако известно относительно мало исследований, направленных на нанесение кальций-фосфатных покрытий. В работе [351] изучали осаждение ГА на кремниевые подложки (модельный материал) с использованием спеченного ГА в качестве мишеней. Осаждение проводили в вакууме 5·10-4 Па при ускоряющем напряжении 6 кВ и токе пучка 110 мА, температуре подогрева подложки 1600С. Толщина пленок составила примерно 500 нм. Осажденные пленки были аморфными, аморфизация сохранялась после отжига при 7000С. Полная кристаллизация покрытия была достигнута только отжигом при 12000С в течение 3 ч, причем на дифрактограммах присутствуют основные пики ГА. Однако соотношение Са/Р в материале покрытия изменялось в зависимости от температуры термической обработки (рис. 73), что является результатом изменения последовательности испарения фосфора и кальция и должно оказывать существенное влияние на биологическое поведение покрытия. Прочность адгезии покрытия к подложке (скратч-тест) снижалась с повышением температуры отжига. Многие вопросы, связанные с электронно-лучевым осаждением фосфатно-кальциевых покрытий, такие как влияние температуры подогрева подложки, величины смещения ускоряющего напряжения и др., являются предметом дальнейших исследований, но метод электронно-лучевого осаждения может рассматриваться как весьма перспективный для получения тонких пленок фосфатов кальция, даже в производственных масштабах.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24