CC BY
46
УДК 678.026.3
Е.Ю. Пошивалова, А.С. Астахов, М.С. Гавкина
ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ И СВОЙСТВ ЛАНТАНСОДЕРЖАЩИХ БИОКОМПОЗИЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ ИЗДЕЛИЙ МЕДИКО-ТЕХНИЧЕСКОГО НАЗНАЧЕНИЯ
Исследованы характеристики микроструктуры поверхности лантансодержащих гидроксиапатитовых покрытий внутрикостных имплантатов, полученных плазменным напылением. Определены закономерности изменения параметров микрорельефа и химического состава покрытий в зависимости от дисперсности напыляемых порошков.
Лантансодержащий гидроксиапатит, плазменное напыление, рельефность покрытия, морфологическая гетерогенность
E.Yu. Poshivalova, M.S. Gavkina, A. S. Astakhov STUDY OF THE PROPERTIES OF LANTHANUM-CONTAINING BIO-COMPOSITE COATINGS OBTAINED ON MEDICAL AND TECHNICAL ITEMS
The article studies characteristics of surface microstructure of lanthanium containing hydroxyapatite coatings on plasma sprayed intrabone implants. Change regularities of microrelief parameters and chemical composition depending on sprayed powder dispersion are defined.
Lanthanium containing hydroxyapatite, plasma spraying, coating relief, morphological heterogeneity
Актуальной проблемой современной имплантологии является борьба с отторжением имплантатов, вызванным периимплантитом, основной причиной которого является миграция бактерий в область, окружающую имплантат. Для предупреждения подобного осложнения целесообразно исполь-
104
зовать легирующие добавки, например лантана, в составе покрытия, который обладает антимикробными и антитромбоцитными свойствами [1]. Эти свойства, а также способность повышать фагоцитарную активность лейкоцитов крови, обусловлены наличием в электронных оболочках атомов лантаноидов f-электронов и генерированных ими магнитных микрополей. Применение лантансодержащих препаратов, например, крем-гель «Биопокров» (ОАО «ПРОТЕК», г. Москва и др.), способствует заживлению повреждений кожи в 2...2,5 раза быстрее, чем при использовании традиционных антисептиков и мазей на водорастворимой основе.
Существует электрохимический метод катодного внедрения лантана в плазмонапыленное ти-тан-гидроксиапатитовое покрытие в титановую основу, недостатком которого является необходимость устранения сопутствующих продуктов реакции и значительная длительность процесса [2].
Предполагается, что использование порошкового лантансодержащего гидроксиапатита (ЛГА), с последующим нанесением его на поверхность внутрикостного имплантата плазменным напылением, значительно снизит время изготовления изделий. Замена порошка гидроксиапатита (ГА) на ЛГА в традиционной технологии нанесения покрытий повысит биосовместимые качества имплантатов, т.е. ускорит остеоинтеграцию (приживление), улучшит трофику границы «кость-имплантат» и снизит риск послеоперационных воспалительных осложнений.
Использование нового материала, порошка ЛГА, сопряжено с выявлением оптимальных режимов его обработки с получением заданных характеристик морфологической гетерогенности и химического состава покрытий, т.е. сохранением легирующей добавки в достаточном количестве для обеспечения терапевтического эффекта. Согласно имеющимся литературным данным, концентрация лантана в функциональных, в том числе, остеопластических, материалах должна находиться на уроне 1 % [3].
Порошок ЛГА полученный, на базе кафедры «Физическое материаловедение и технология новых материалов» путем перемешивания синтезированного порошка ГА и 0,02 % раствора LaNO3 с помощью электромагнитной мешалки. Полученная смесь подвергалась старению при комнатной температуре в течение 48 часов. Синтезированный осадок фильтровался на воронке Бюхнера, промывался дистиллированной водой, далее производились его сушка при температуре 200 °С в течение 6 часов и отжиг при 600 °С - 2 часа.
После механической обработки титановые заготовки промывались в растворе ПАВ в ванне ультразвуковой (УЗ) очистки ПСБ-2835-05. Использовались следующие параметры УЗ поля: интенсивность 10 Вт/см и частота колебаний 22 кГц при длительности обработки 2 минуты. Пескоструйная очистка образцов осуществлялась на эжекционной установке «Чайка-20» при давлении воздуха
0,6 МПа, дисперсности частиц корундового абразива 200.500 мкм и продолжительности около 1 минуты на один образец. Ультразвуковое обезжиривание пластинчатых титановых образцов производилось в спирте при тех же параметрах УЗ поля при длительности обработки 1 минута.
Плазменное напыление порошка титана (для получения промежуточного пористого подслоя, повышающего прочность сцепления основного биоактивного слоя с титановой основой) и ЛГА проводилось на установке типа ВРЕС 744.3227.001 в камере с воздушной средой. В качестве плазмообразующего и транспортирующего газа использовался аргон. Двухслойное покрытие внутрикостных имплантатов состоит из подслоя, полученного из порошкового материала марки ПТС (ТУ 14-1-3086-80), и основного слоя ЛГА; подача порошков осуществлялась вихревым питателем для порошка ПТС и инжек-ционно-вибрационным питателем для ЛГА. Напыление проходило при стандартных режимах [5].
Экспериментальные исследования микроструктуры ГА покрытий проводились с использованием методов профилометрии (профилометр 107622), растровой электронной микроскопии (РЭМ) (электронный микроскоп MIRA II LMU, фирмы Tescan). Обработка изображений РЭМ произведена с помощью программно-аппаратного комплекса анализа геометрических параметров микрообъектов АГПМ-6М. Определялся средний размер (диаметр) структурных составляющих (в данном случае выступов), их дисперсия, а также поверхностная плотность выступов, представляющая собой количество элементов поверхности на площадке в 1 мм2. Анализ химического состава полученных покрытий осуществлен с помощью энергодисперсионного рентген-флуоресцентного анализа (ЭДРФА) (детектор INCA PentaFETx3, фирмы OXFORD Instruments).
При анализе параметров микрорельефа учитывались основные показатели шероховатости Ra, Rz, Rmax и Sm, а также относительные показатели однородности Rz /Rmax и рельефности Rmax/ Sm покрытий (таблица).
Сравнительная характеристика шероховатости образцов
№ образца Дисперсность порошка Л, мкм Яа, мкм Яг, мкм Ятах, мкм Бт, мкм Я тах Яг
Бш Я тах
1 70 4,56 24,5 26,67 81,10 0,33 0,92
2 80 4,14 18,40 29,30 81,73 0,36 0,63
3 90 4,18 20,83 35,57 86,40 0,41 0,59
Анализируя полученные результаты шероховатости, можно сделать вывод, что наилучшей дисперсностью порошка ЛГА является А = 70 мкм, поскольку в этом случае обеспечивается достаточная рельефность покрытия Яшах / Бш = 0,33 и наибольшие показатели однородности рельефа Яг / Яшах = 0,92, а также Яа = 4,56 мкм и Яг = 24,5 мкм. У экспериментального образца № 1 фиксируется наименьшее количество единичных фрагментов из непроплавленных сплэтов, наличие которых приводит к значительному разбросу физико-механических свойств покрытий относительно средних показателей.
Одной из главных структурных характеристик биосовместимых покрытий является морфологическая гетерогенность, обусловленная специфическими условиями образования газотермических, в частности, плазменных покрытий. Ниже представлены изображения РЭМ морфологии покрытий ЛГА (рис. 1).
Рис. 1. РЭМ-морфологии ЛГА-покрытий: а - х264; б - х1000
Обработка данных РЭМ показала, что все образцы покрытий характеризуются высокими значениями морфологической гетерогенности, оцениваемой при расчете поверхностной плотности микровыступов покрытий, их среднего диаметра и дисперсии.
ЭДРФА показал, что исходный состав порошка ЛГА сохраняется. Характеристическое отношение Ca/P приближено к ГА, для которого оно составляет 1,67. Особый интерес также представляет дифференциальная оценка по изменению химического состава в отдельных сплэтах и их составляющих.
Анализ полученных данных химического состава показывает, что оплавленные сплэты характеризуются сохранением легирующей добавки лантана в количестве около 1 %, однако характеристическое отношение Ca/P может изменяться в широком диапазоне от 1,29 до 2,27.
Частицы порошка, подвергнутые диспергированию, характеризуются сниженной величиной Са/Р, равной 1,08.1,46, и полным отсутствием лантана в своем составе. Отсюда следует, что для обеспечения необходимого содержания лантана в биоактивном покрытии внутрикостных имплантатов необходимо минимизировать воздействие факторов, приводящих к диспергированию, одним из которых считается уменьшение дисперсности напыляемого порошка.
ЛИТЕРАТУРА
1. Пошивалова Е.Ю. Катодное внедрение лантана в плазмонапыленные титан-гидроксиапатитовые покрытия внутрикостных имплантатов / Е.Ю. Пошивалова, А.В. Лясникова, Ю.В. Серянов // Известия высших учебных заведений. Северо-Кавказский регион. Естественные науки. Спецвып. 2008. / ЮР! ТУ (Новочеркасский политехнический институт). Новочеркасск, 2008. С. 66-71.
2. Пошивалова Е.Ю. Разработка комбинированной технологии электрохимического и элек-троплазменного формирования биоактивных композиционных покрытий: дис... канд. техн. наук: 02.00.05, 05.09.10 / Пошивалова Елена Юрьевна. Саратов, СГТУ, 2008. 209 с.
3. Пошивалова Е.Ю. Получение антитромбоцитных покрытий медицинского назначения за счет применения электрохимической и электроплазменной технологий/ Е.Ю. Пошивалова., В.Н. Ляс-ников, О.А. Дударева // Медико-информационные технологии - 2009: сб. материалов XII Междунар. науч.-техн. конф., Курск. гос. техн. ун-т. Курск, 2009. С. 159-163.
Пошивалова Елена Юрьевна -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Физическое материаловедение и технология новых материалов»
Саратовского государственного
технического университета имени Гагарина Ю.А.
Гавкина Марина Сергеевна -
ассистент кафедры «Физическое материаловедение и технология новых материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Астахов Александр Сергеевич -
магистрант направления «Материаловедение и технологии материалов» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.
Elena Yu. Poshivalova -
Ph.D., Assistent of Professor Department of Materials Science and Technology of New Material Gagarin Saratov State Technical University
Marina S. Gavkina -
Assistant
Department of Materials Science and Technology of New Material Gagarin Saratov State Technical University
Aleksandr S. Astakhov -
master of 1 course of direction Department of Materials Science and Technology of New Material Gagarin Saratov State Technical University
Статья поступила в редакцию 15.10.12, принята к опубликованию 06.11.12
