ИССЛЕДОВАНИЕ МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КАЛЬЦИЙФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ВЧ-МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ ЦИРКОНИЯ

1,2, студент гр.10309, ФТФ

1, к. т.н.

Институт физики прочности и материаловедения СО РАН,

634021, г. Томск, пр. Академический, 2/1

Национальный исследовательский Томский государственный университет,

634050, г. Томск, пр. Ленина, 36

E-mail: *****@***tsc. ru; *****@***ru;

Введение

Металлические материалы зарекомендовали себя в качестве надёжной основы для различных типов имплантатов. Наиболее распространенными из них являются титан и его сплавы (ВТ 1-0, ВТ 6) [1, 2]. Находит применение в медицине и цирконий, легированный ниобием, высокие механические свойства которого обусловлены прежде всего твёрдорастворным упрочнением [3]. Циркониевые сплавы (Э110, Э125) обладают комплексом свойств (биосовместимостью, малой теплопроводностью, высокой усталостной прочностью и циклической долговечностью), что и определяет возможность их использования в медицине.

Для успешной работы металлического имплантата и улучшения биосовместимости существует необходимость создания между костью и имплантатом промежуточного слоя, имеющую оптимальную структуру, физико-механические и биологические свойства. Именно для этой цели на поверхность имплантатов наносят кальцийфосфатное покрытие, близкое по своим свойствам к составу костной ткани. Наиболее подходящим кальцийфосфатным материалом для формирования покрытий считается гидроксиапатит – Ca10(PO4)6(OH)2. Являясь основной составляющей минеральной компоненты костной ткани, этот фосфат кальция имеет довольно низкую растворимость, а, следовательно, и биорезорбируемость, что приводит к постепенной деградации покрытия при введении имплантата в организм человека [4]. Часто определяющим фактором в «успехе» имплантата является подготовка его поверхности, а также морфология сформированных поверхностных слоев. В связи с этим, целью работы было исследование морфологии и структуры поверхности ВЧ-магнетронного кальцийфосфатного покрытия (CaP) на циркониевой подложке в зависимости от режима напыления.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Материалы и методы исследования

В качестве подложки для нанесения CaP покрытия использовали образцы сплав циркония Э 110 (1 масс. % Nb) размером 10*10*1 мм3. Перед нанесением покрытия проводили механическую шлифовку поверхности образцов на шлифовальной бумаге различной зернистости – последовательно 120, 600, 1200, 2000. В дальнейшем, шлифованные образцы подвергались ультразвуковой чистке в дистиллированной воде.

CaP покрытия были сформированы методом ВЧ-магнетронного распыления на установке «Яхонт-2М» с частотой источника 13,56 МГц. Для напыления использовали следующие параметры процесса: рабочий газ – аргон, давление рабочего газа – 1 Па, время напыления – 3 часа, мощность ВЧ-разряда 150, 200 и 250 Вт.

Методом растровой электронной микроскопии изучена морфология и структура поверхности циркониевых образцов до и после нанесения CaP. Изображения с различным увеличением (1000, 10000, 50000 и 100000 раз) были получены на растровом электронном микроскопе ESEM Quanta 400 FEG при ускоряющем напряжении 20 кВ. По полученным изображениям методом случайных секущих [5] определяли размеры структурных элементов покрытия.

Методом атомно-силовой микроскопии (JPK Instruments, NanoWizard) выполнено исследование топографии поверхности образцов с покрытием и без на различных участках поверхности (площадь сканируемых участков 4, 25 и 100 мкм2).

Результаты и обсуждение

Результаты исследования поверхностей циркониевых образцов без покрытий и с покрытиями показывают заметное сглаживание поверхности металла после нанесения кальцийфосфатного покрытия. На рис. 1 изображена поверхность Zr до нанесения покрытия (а) и с CaP покрытием, сформированным при мощности ВЧ-разряда – 200 Вт (б).

Рис.1 РЭМ изображения поверхности Zr (а) и поверхности Zr с CaP покрытием (б)

Покрытие полностью повторяют рельеф подложки, при 150 Вт начинают формироваться отдельные островки, образованные зернами покрытия, но в основном объеме оно гладкое и беспористое (рис. 2а). Увеличение мощности ВЧ-разряда до 200 Вт приводит к росту количества зерен покрытия, весь объем поверхности образца заполнен элементами рельефа покрытия (рис. 2б). При дальнейшем росте мощности разряда происходит частичная агломерация зерен покрытия (рис. 2в), за  счет этого агломераты образуют отдельные островки на покрытии.

Рис.2 Поверхность Zr с CaP покрытием 150 Вт (а), 200 Вт (б), 250 Вт (в)

На рис.3 представлены гистограммы распределения размеров зерен покрытия, полученные по РЭМ изображениям, приведенным на рис. 2. В случае покрытий, осажденных при 150 Вт, средний размер зерен составляет 0,12 мкм (120 нм). Увеличение мощности ВЧ-разряда на 50 Вт приводит к росту размера структурных элементов в 2 раза, причем большее количество зерен находятся в диапазоне 0,15 – 0,3 мкм. Покрытия, сформированные при 250 Вт, имеют средний размер зерна 0,23 мкм, однако максимум распределения смещен в сторону 0,15 – 0,2 мкм, что связано с формированием более четко выделенных зерен покрытия меньшего размера. Для покрытий, сформированных при 150 и 200 Вт, такого четкого деления зерен не прослеживается.

Рис.3 Распределение структурных элементов на поверхности CaP покрытия 150 Вт (а), 200 Вт (б), 250 Вт (в)

Результаты, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (рис. 4), полностью согласуются с данными РЭМ, но могут дать более наглядное изображение топографии образцов и структурных особенностей поверхности Zr до и после нанесения CaP покрытия. Формирование покрытий на образцах уже при мощности 150 Вт приводит к частичному сглаживанию дефектов поверхности, образованных при шлифовке металла. Одновременно с этим происходит рост отдельных сферических зёрен CaP покрытия.

Рис.4 Поверхность Zr без CaP покрытия(а); поверхность Zr с CaP покрытием 200 В (б) и с CaP покрытием 150 Вт (в)

Заключение

Проведённые исследования позволили сделать вывод, что увеличение мощности ВЧ-магнетронного разряда приводит к формированию более крупной зеренной структуры покрытия. Так, при мощности 150 Вт средний размер зерна составляет 120 нм, при 200 Вт – 240 нм. Дальнейший подъем мощности не приводит к значительным изменениям размера зерен, но способствует образованию более четко очерченных структурных элементов малого размера. Кроме того, формирование покрытий на образцах позволяет частично сгладить дефекты поверхности, образованные при шлифовке металла.

Список литературы:

, Поленичкин применения ультрамелкозернистого титана в стоматологии: научное издание // Перспективные материалы. — 2009. — Спец. вып. (7) . — С. 372-377. , Александров наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. – М.: ИКЦ «Академкнига». – 2007. – 398 с. еталлургия циркония. – М.: Изд.-во иностр. лит., 1959. – 415 с. Burney F., Muster D.// Aspects of Reconstructive Biomaterials// MRS Bulletin. - № 25. – 2000. Тушинский исследований материалов: структура, свойства и процессы нанесения неорганических покрытий. – М.: Мир, 2004. – 384с.