8.Биосовместимые покрытия (1074576)

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла

Биосовместимые покрытия

• Первоначально под биосовместимыми покрытиями понимали химически и биологически инертные материалы, безопасные для тканей и организма в целом, которые не вызывают реакции воспаления, отторжения, некроза и апоптоза. Так, нанесение углеродной пленки нанометровой толщины на протезы, имплантируемые в кровеносное русло (клапаны, стенты), позволяет снизить адгезию на них белков крови и тромбоцитов и уменьшает риск образования тромбов у пациента. Покрытие суперпарамагнитных наночастиц оксидов железа слоем золота позволяет получать биосовместимые диагностические и терапевтические наночастицы. Покрытие наноконтейнеров для лекарственной и генной терапии полиэтиленгликолем защищает их от инактивации клетками иммунной системы и позволяет более длительное время цикрулировать в кровотоке.

• В последнее время разрабатывается и другое направление в области биосовместимых материалов – активная интеграция небиологических материалов, в живую ткань. Такая интеграция весьма желательна, например, при имплантации искусственных суставов, которые должны сохранять длительный и надежный контакт с тканями организма. Для улучшения контакта металлического протеза тазобедренного сустава с бедренной костью его покрывают керамикой на основе гидроксиапатита – соединения кальция, входящего в состав костной ткани. Другим способом «вживления» металла или пластика в биологическую ткань является его обработка молекулами, входящими в состав внеклеточного матрикса (фибронектином, коллагеном и др.). Фибронектин играет роль тканевого клея и стимулирует адгезию клеток соединительной ткани к инородному материалу. Создание микропор и микровыступов в поверхностном слое небиологического материала наряду с его биопокрытием также улучшает процесс интеграции. Таким образом, направленная модификация поверхности биологически инертного материала может превратить его в биоактивный материал и существенно повысить его биосовместимость.

• Микропористое покрытие титанового протеза дает возможность костной ткани врастать внутрь протеза и интегрировать его в организм.

Требования к материалам

• Одной из важных задач науки является разработка и модификация материалов, которые могут быть использованы в медицине. Поскольку медицинские имплантаты внедряются в организм, то они должны отвечать определенным требованиям. В организме не должно возникать негативных реакций на имплантат, напротив, он должен быть создан таким образом, чтобы ускорять регенерацию тканей. Поверхность костных имплантатов с целью быстрейшего заживления травмы должна быть биоактивной, что можно достичь с помощью нанесения специальных покрытий. Покрытие должно иметь хорошую адгезию и обеспечивать прочное сцепление имплантата с костью. Наиболее подходящим для создания покрытий материалом являются кальций-фосфатные соединения, так как они соответствуют составу и структуре кости. Кроме того, в зависимости от назначения имплантаты должны выдерживать различные механические нагрузки в организме. В связи с этим для изготовления имплантатов выбирают материалы, обладающие высокими механическими характеристиками, например, металлы, такие как сталь, титан и др. Необходимо также, чтобы не только материал имплантата имел требуемые физико-механические параметры, но и его кальций-фосфатное (КФ) покрытие.

Технологии нанесения покрытий

• Для решения различных клинических задач в ортопедии и травматологии требуется создавать КФ покрытия различной толщины, морфологии поверхности, скорости резорбции. С этой целью используются различные технологии нанесения КФ покрытий:плазменное напыление; золь-гель, электрохимическое, электрофорезное, биомиметическое осаждение, микродуговое оксидирование, лазерное нанесение, ионно-лучевое распыление, высокочастотное магнетронное распыление и др. Следовательно, при выборе метода модификации поверхности имплантатанеобходимо учитывать область его применения. Для травматологии, предполагающей моделирование имплантата под анатомические особенности пациента, требуются имплантаты с КФ покрытиями, которые способны улучшить прочность сцепления имплантата с костной тканью за счет своей морфологии и остеоинтеграционных свойств, и сохраняющих свою целостность в ходе выполнения медицинской технологии. С этой целью необходимо сделать выбор оптимального КФ покрытия, так как при увеличении его толщины увеличивается биологическая активность, но ухудшаются механические свойства. Поэтому в настоящее время активно ведётся разработка методов формирования биопокрытий, которые сочетают биологическую активность и высокую механическую прочность, что является актуальной задачей современного медицинского материаловедения.

• 3 основные группы методов формирования кальций-фосфатных покрытий:

• плазменное напыление;

• влажные методы (золь-гель, электрохимическое осаждение, биомиметическое осаждение и др.);

• осаждение из паровой фазы (лазерное осаждение, ионно-лучевое распыление, высокочастотное магнетронное распыление).

Плазменное напыление

• Плазменное напыление — это метод, в котором между двумя электродами зажигается электрическая дуга постоянного тока, в то время как через эту дугу проходит поток газа.Дуга превращает газ в высокотемпературную ионизованную плазму с высокой скоростью движения (до 400 м/с).

• Температура плазмы быстро падает как функция расстояния.Внутри дуги достигаются величины до 20000 К, тогда как на расстоянии 6 см от электродов, типичные температуры составляют 2000 ÷ 3000 К.Металлические, керамические или даже полимерные порошки, взвешенные в газе-носителе, могут подаваться в плазму и направляться на поверхность в (частично) расплавленном или пластичном состоянии, что позволяет формировать пленку на поверхности подложки, сходную с исходным составом порошка.

• При плазменном напылении частично расплавленные частицы керамического порошка имеют внешнюю температуру не менее 1000°C, поэтому для исключения перегрева требуется применять соответствующие методы охлаждения поверхности материалов.Вследствие очень высокой температуры плазмы, термодинамическая нестабильность кальций-фосфатной (КФ) керамики при таких температурах играет важную роль в окончательных свойствах нанесенного покрытия.В идеале, только тонкий внешний слой каждой частицы порошка должен переходить в расплавленное пластическое состояние, чтобы гарантировать формирование плотных с высокой адгезией покрытий. Выбирая оптимальное соотношение между размерами частиц, типом газа носителя, скоростью плазмы и процессом охлаждения поверхности, получают КФ покрытия с желаемой фазой и степенью кристалличности [4]. Метод плазменного напыления успешно используется для нанесения КФ покрытий на имплантаты, вследствие его высокой скорости нанесения и способности покрывать большие площади

Преимущества способа

• К его преимуществам можно отнести:

• · широкую распространенность и экономичность;

• · высокую скорость нанесения;

• · возможность нанесения покрытий на большие площади;

• · высокую коррозионную и износостойкость.

• Имеются и некоторые недостатки:

• · сложность контроля фазового состава из-за высоких температур;

• · низкая адгезия;

• · возможно образование пористых покрытий;

• · воздействие высокой температуры плазменной струи на подложку, в результате чего она окисляется, а покрытие охрупчивается;

• · быстрое охлаждение приводит к получению аморфной фазы.

Электрохимическое осаждение

• В методе электрохимического осаждения нанесение покрытия проводят в стандартной трехэлектродной ячейке с платиновым анодом и Tiили TiAl6V4катодом, выполняющим роль подложки. Катодный потенциал составляет 0,3÷2 В. В качестве электролита обычно используют водный раствор Ca(NО3)2 и NH4H2PО4 или Са(Н2РО4)2, СаСl2, Н2О2 с молярным отношением Са/Р в растворе 1,67. На первой стадии процесса происходят процессы диссоциации компонентов электролита с образованием ионов PO43-и Ca2+. Образование гидроксид-иона на катоде увеличивает рН в прикатодной области до 5,5÷6. Увеличение рН вызывает локальное пересыщение раствора относительно кальция и фосфора приводящее к образованию на катоде гидроксиапатита (ГАП) по реакции: 10Са2+ + 6РО43- + 2ОН- → Са10(PO4)6(OH)2. Полученное ГАП покрытие для уплотнения и увеличения адгезии к подложке проходит термообработку сначала в паре при 125°C в течение 4 ч, затем в вакууме при температуре 425°C в течение 6 ч. Скорость осаждения ГАП покрытий до 60 мкм/ч

Особенности метода

• Преимущества метода электрохимического осаждения:

• · кристаллические ГАП покрытия,

• · возможность нанесения покрытия на подложки любой геометрии,

• · высокая скорость осаждения.

• Недостатки:

• · так как структура и состав покрытий зависят от pH, температуры, электродного потенциала и концентрации Ca и P в электролите возникает сложность контроля оптимальных параметров электролита;

• · недостаточная адгезия покрытия к основе.

Микродуговое оксидирование

• Метод микродугового оксидирования используется для формирования покрытий на поверхности титана и его сплавов. Состав покрытий, формируемых методом микродугового оксидирования, многофазовый, в нем присутствуют как ГАП, так и трикальцийфосфат (ТКФ) и некоторые другие (оксид кальция, а также CaTiO3), что определяется составом электролита и режимами формирования покрытий [7]. Формирование КФ покрытий происходит в водном растворе электролита на основе ортофосфорной кислоты, гидроксиапатита и карбоната кальция (пример состава электролита: 20 мас. %: H3PO4 — 6 мас. %,Са10(PO4)6(ОН)2 — 9 мас. % СаСО3) при подаче электрических импульсов особой формы. Управляя амплитудой, длительностью, фронтами и срезами, фазовым соотношением, позиционным комбинированием и частотой импульсов можно получать различную генерацию плазменных разрядов.

Особенности метода

• Преимущества метода:

• · высокая адгезионная прочность;

• · получение покрытий с оптимальным сочетанием диэлектрических и прочностных свойств.

• Недостатки:

• · многофазовый состав;

• · ограниченность в выборе материала подложки;

• · низкое отношение кальция к фосфору.

Высокочастотное магнетронное распыление

• Высокочастотное магнетронное распыление (ВЧМР) широко используется в вакуумной технологии для нанесения пленок сложных оксидов без изменения их стехиометрического состава. Метод основан на распылении материала за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (в основном аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда при наложении на него магнитного поля.

• При подаче высокочастотного (ВЧ) напряжения между мишенью и анодом возникает электрическое поле и возбуждается аномальный тлеющий разряд. Наличие замкнутого магнитного поля у распыляемой мишени позволяет локализовать плазму разряда непосредственно у мишени. Электроны, эмитированные с катода под действием ионной бомбардировки, захватываются магнитным полем и циркулируют по замкнутым траекториям (циклоидам) у поверхности мишени.

• Такая циркуляция происходит до тех пор, пока не произойдет несколько ионизирующих столкновений с атомами рабочего газа, в результате которых они теряют энергию, полученную от электрического поля. Таким образом, большая часть энергии электронов используется на ионизацию и возбуждение, что значительно увеличивает эффективность процесса ионизации и приводит к возрастанию концентрации положительных ионов у поверхности мишени. Это, в свою очередь, приводит к увеличению интенсивности ионной бомбардировки мишени атомами рабочего газа и значительному росту скорости осаждения покрытия [1]

• Изменение любого параметра тлеющего разряда (напряжения и тока разряда, давления и состава рабочего газа) влечет за собой изменение других технологических параметров, что в значительной степени усложняет управление процессом и повышает требования к точности измерения и поддержания указанных параметров. В качестве мишеней при ВЧМР используют, как правило, пластины спеченного КФ порошка, реже — плазмонапыленные КФ покрытия.

• Распыление ГАП мишеней осуществляют при давлениях рабочего газа 0,1—5,0 Па, удельной мощности ВЧ разряда 0т 1 до 100 Вт/см2. При этих условиях скорости осаждения покрытий составляют 1—200 нм/мин. Независимо от условий распыления в большинстве работ отмечается завышенное соотношение Са/Р в пленках по сравнению с мишенями. Завышенное соотношение Са/Р связывают с потерями группы РОх, как в результате обеднения мишени более легкими по сравнению с Са атомами Р, так и в результате перераспыления осажденных пленок. Общая закономерность — снижение соотношения Са/Р при повышении давления Аr.

• Свежеосажденные пленки обладают, как правило, высокой твердостью и адгезией. ВЧМР позволяет создавать тонкие, равномерные, плотные КФ покрытия, однородные по структуре и составу [3]. При этом напыленные ВЧ магнетроном КФ покрытия аморфны, т. е. они более растворимы in vitro и более деградируемы in vivo [6], вследствие чего необходимо выбирать режим термообработки, обеспечивающий улучшение свойств КФ покрытий посредством кристаллизации пленки.

Особенности метода

• К достоинствам метода ВЧМР можно отнести:

• · высокую адгезию;

• · однородность покрытия;

• · возможность напыления на подложки со сложной геометрией.

• Но имеются и недостатки, такие как

• · низкая скорость;

• · высокая стоимость;

• · высокая трудоёмкость;

• · возможно получение аморфных фаз.

• Универсального метода осаждения КФ покрытий, подходящего для всех медицинских применений, не существует. При разработке метода формирования покрытий необходимо учитывать, в первую очередь, область применения имплантатов, требуемые свойства и характеристики КФ покрытий. Поэтому достичь поставленных задач можно путем интеграции существующих технологий, совмещающих различные методы, т. е. с помощью гибридных технологий. Например, формирование многослойного покрытия, состоящего из оксидного или полимерного слоя и КФ покрытия, позволят обеспечить выполнение медико-технических требований, предъявляемых к покрытиям на имплантатах для хирургии. Такой подход на сегодняшний день является актуальным и перспективным.

Характеристики

Тип файла документ

Документы такого типа открываются такими программами, как Microsoft Office Word на компьютерах Windows, Apple Pages на компьютерах Mac, Open Office - бесплатная альтернатива на различных платформах, в том числе Linux. Наиболее простым и современным решением будут Google документы, так как открываются онлайн без скачивания прямо в браузере на любой платформе. Существуют российские качественные аналоги, например от Яндекса.

Будьте внимательны на мобильных устройствах, так как там используются упрощённый функционал даже в официальном приложении от Microsoft, поэтому для просмотра скачивайте PDF-версию. А если нужно редактировать файл, то используйте оригинальный файл.

Файлы такого типа обычно разбиты на страницы, а текст может быть форматированным (жирный, курсив, выбор шрифта, таблицы и т.п.), а также в него можно добавлять изображения. Формат идеально подходит для рефератов, докладов и РПЗ курсовых проектов, которые необходимо распечатать. Кстати перед печатью также сохраняйте файл в PDF, так как принтер может начудить со шрифтами.

Список файлов лекций