CC BY
29
УДК 531.717
Ф. Ф. Кадыров, М. Ф. Шаехов, Э. Б. Гатина
ФОРМИРОВАНИЕ БИОСОВМЕСТИМОГО ПОКРЫТИЯ НА ПОВЕРХНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛАСТИН ИЗ СТАЛИ МАРКИ У8 МЕТОДОМ МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
Ключевые слова: металлические пластины, биосовместимое покрытие, полировка.
Получено биосовместимое покрытие на поверхности металлических пластин методом магнетронного распыления. Основу биосовместимого покрытия составляет нитрид титана. Проведена полировка данного покрытия при помощи частично ионизированного потока благородного газа.
Keywords: etal plates, biocompatible coating, polishing.
Obtained biocompatible coating on the surface of the metal plates by magnetron sputtering. Based on biocompatible coating is titanium nitride. Held polishing of the coating using partially ionized noble gas stream.
В медицинском материаловедении получает дальнейшее развитие тенденция использования покрытий на различных объектах с целью улучшения их функционально-эксплуатационных характеристик [1-3]. Среди них можно выделить две основные группы с характерными для медицины условиями эксплуатации — многоразовые инструменты и различные имплантаты, в т.ч. эндопротезы. Отличительной особенностью объектов обеих групп является контакт их поверхности с организмом человека — кратковременный (при работе с инструментами) или длительный (в случае использования имплантатов).
Основными методами, используемыми в настоящее время для формирования биосовместимых покрытий на медицинских материалах, являются: плазменное напыление [4], микродуговое оксидирование [5], методы, основанные на кристаллизации покрытий из различных растворов [6].
Каждый из перечисленных методов имеет свои ограничения: например, плохая адгезия покрытий к подложке, невозможность регулировать их элементный состав, ограниченность в выборе материала подложки для формирования покрытия (так микродуговым оксидированием невозможно получить покрытие на поверхности нержавеющей стали) и т. д.
Однако, ко всему прочему, плазменные технологии позволяют провести качественную финишную подготовку поверхности к нанесению покрытий [7]. Поэтому, оптимальным методом нанесения покрытий выбран метод магнетронного распыления.
В качестве основы для нанесения биосовместимого покрытия были подготовлены металлические пластины из стали марки У8 размером 4х20х60 мм. Сначала образцы были отшлифованы, затем отполированы до Яа < 0,020 мкм и < 0,063 мкм, что
соответствует 13 классу шероховатости.
Перед нанесением биосовместимого покрытия определяли параметры шероховатости исходных пластин. Для получения достоверных результатов на поверхности пластин при помощи керна проделаны 5 отметин для ведения точечной микроскопии.
Для измерения шероховатости исходных образцов использовали конфокальный лазерный сканирующий микроскоп LEXT 4000 компании Olympus.
Средние параметры шероховатости контрольных образцов по 5-ти точкам занесены в табл. 1. На рис. 1 представлена фотография исходной поверхности.
Таблица 1 - Параметры шероховатости исходных образцов
№ п/п Параметры шероховатости Увеличение rncaA^, KpaT
1073
Rcp Rmax Rmin
1 Ra 0,015 0,019 0,011
Rz 0,046
2 Ra 0,017 0,02 0,014
Rz 0,055
3 Ra 0,013 0,018 0,009
Rz 0,053
4 Ra 0,013 0,017 0,010
Rz 0,044
5 Ra 0,014 0,018 0,009
Rz 0,046
Рис. 1 - Микрофотография поверхности исходного образца (увеличение х1073)
Далее образцы подготавливают к нанесению покрытия. Поверхность образцов тщательно протирается спиртом, чтобы удалить водяную пленку, адсорбированную на их поверхности. От этого во многом зависит качество формируемого покрытия.
Затем образцы помещаются в вакуумную камеру магнетронной установки и обрабатываются
в следующем режиме:
Ток анода, А 8
Напряжение на аноде, В 530
Давление в камере, Па 3 х 10-2
Время нанесения, мин 30
Толщина покрытия, нм 100
В табл.2 представлены параметры шероховатости контрольных образцов после нанесения покрытия. Из нее видно, что нанесение покрытия магнетронным распылением минимально сказывается на параметрах шероховатости. Микрофотография поверхности подтверждает сохранение изначального рельефа поверхности (рис. 2).
С целью дополнительной полировки полученного покрытия применена плазменная полировка, т.к. она имеет множество достоинств [8].
Таблица 2 - Параметры шероховатости контрольных образцов
№ п/п Параметры шероховатости Увеличение насадки, крат
1073
К-ср -^-шах
1 Яа 0,013 0,018 0,007
0,047
2 Яа 0,018 0,023 0,014
0,059
3 Яа 0,013 0,018 0,009
0,048
4 Яа 0,018 0,023 0,013
0,056
5 Яа 0,014 0,017 0,009
0,045
5-
Рис. 2 - Микрофотография поверхности контрольного образца с биосовместимым покрытием (увеличение х1073)
Полировка образцов проводилась в ВЧИ установке в следующем режиме:
1а= 2А, 11с= 220шЛ, и2с= 400В, в= 0,04г/с, Р= 40Па, т = 60мин
Параметры шероховатости поверхности после полировки в струе частично ионизированного газа приведены в табл.3.
Таблица 3 - Параметры шероховатости контрольных образцов после полировки
„ £ л ц Увеличение насадки,крат
1073
№ п/п ^ 1 еа мв мо & 8 с? О Пер ш К-ср Яшах -^-шт
1 Яа 0,013 0,017 0,010
0,042
2 Яа 0,016 0,018 0,012
0,050
3 Яа 0,012 0,017 0,009
0,049
4 Яа 0,011 0,015 0,009
0,041
5 Яа 0,012 0,016 0,009
0,042
Из приведенных выше параметров шероховатости поверхности видно, что нанесение биосовместимого покрытия методом магнетронного напыления минимально сказывается на изменении данных параметров. Применение плазменной полировки позволяет вернуть прежние параметры шероховатости поверхности и даже способствует уменьшению данных параметров по сравнению с начальными значениями.
Полученные микрофотографии также свидетельствуют о неизменности топографии поверхности после нанесения биосовместимого покрытия.
Таким образом, метод магнетронного распыления позволит нанести биосовместимое покрытие, основой которого является нитрид титана, на медицинские изделия с самым высоким классом шероховатости без риска существенного увеличения параметров шероховатости исходной поверхности, а применение плазменной полировки позволит вернуть поверхности с покрытием изначальные параметры шероховатости.
Работа поддержана Министерством образования и науки РФ, проект № 2196 базовой части государственного задания.
Литература
1. Филиппенко В. А. Роль материалов и биоимплантаци-онных покрытий в развитии проблемы эндопротезиро-вания [Текст] / В.А. Филиппенко, Л.А. Кладченко, И.Б. Тимченко // Ортопед. травматол. — 1998. — № 3. — С. 47-52.
2. Севидова Е.К. Многоразовые инструменты с функционально-защитными покрытиями — новые возмож-
ности для медицины [Текст] / Е.К. Севидова, В.И. Здыбский, Л.В. Климович. — Информационное письмо. — Х., 1996. — 12 с.
3. Бурьянов А.А. Металлические материалы для имплантатов ортопедического и травматологического назначения [Текст] / А.А. Бурьянов, Н.А. Корж, С.П. Ошкадеров // Ортопед. травматол. — 2008. — № 3. — С. 5-10.
4. Sun L., Berndt C.C., Gross K.A., Kucuk A. Material Fundamentals and Clinical Performance of plasma sprayed hydroxyapatite coatings // J. Biom. Mater. Res. - 2001. -V. 58. - P. 570-592.
5. Карлов А.В., Шахов В.П. Системы внешней фиксации и регуляторные механизмы оптимальной биомеханики. - Томск: STT, 2001. - 480 с.
6. Bharati S., Sinha M.K., Dasu D. Hydroxyapatite coating by biomimetic method on titanium alloy using concentrated SBF // Bull.Mater. Sci. - 2005. - V. 28. - № 6. - P. 617-621.
7. Абдуллин И.Ш. Финишная подготовка поверхности нетеплостойких инструментальных сталей перед нанесением защитных покрытий/ И.Ш. Абдуллин, И. И. Васильев // Вестник Казанского технологического университета. - 2013.- №5. -С 180182
8. Васильев И.И., Абдуллин И.Ш., Миронов М.М. Взаимодействие плазмы с поверхностью металлических изделий // Вестник Казанского технологического университета. - 2014.-№7. -С 71-73.
© М. Ф. Шаехов - д.т.н., профессор каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, shaechov@kstu.ru; Э. Б. Гатина - канд. мед. наук, ст. науч. сотр. кафедры плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, mukalia@mail.ru; Ф. Ф. Кадыров - аспирант каф. плазмохимических и нанотехнологий высокомолекулярных материалов, КНИТУ, kadyrovff@yandex.ru.
© M. F. Shaehov - Ph.D., professor of department "plasma-chemical and macromolecular nanotechnology materials", KNRTU, shaechov@kstu.ru; E. B. Gatina - Ph.D. scientific. et al. the department "plasma-chemical and macromolecular nanotechnology materials", KNRTU, mukalia@mail.ru; F. F. Kadyrov - graduate student of department "plasma-chemical and macromolecular nanotechnology materials", KNRTU, kadyrovff@yandex.ru.
