CC BY
23
106
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
ОСОБЕННОСТИ СИНТЕЗА ТИТАНОРГАНИЧЕСКИХ НАНОСТРУКТУР НА ПОВЕРХНОСТИ НАНОСТРУКТУРИРОВАННОЙ МАТРИЦЫ ТИТАНА
Морозов Павел Евгеньевич
Зав. уч. лаборатории кафедры химии твердого тела, СПбГУ, г. С-Петербург
Земцова Елена Геогиевна К.х.н., доцент кафедры химии твердого тела, СПбГУ, г. С-Петербург
Смирнов Владимир Михайович
Д.х.н., профессор кафедры химии твердого тела, СПбГУ, г.С-Петербург
АННОТАЦИЯ
В работе предлагается новый подход к получению биосовместимых и биоактивных нанопокрытий на поверхности наноструктурированного титана. Представлены результаты экспериментального исследования процессов
регулирования наношероховатости поверхности нанотитана титанорганичес- кими наноструктурами щеточного типа (типа “ворса”) с помощью метода моле- кулярного наслаивания (ML - ALD). Показано, что метод ML - ALD позвот ляет регулировать шероховатость поверхности на наноуровне.
ABSTRACT
The paper proposes a new approach to obtaining biocompatible and bioactive nano-coatings based on the surface of nanotitanium. The results of experimental research of the processes regulation of nano surface roughness nano titanium organic solvents - Kimi nano structures brush type (such as “lint”) using the method of mol - molecular layering (ML-ALD). It is shown that the method of ML - ALD allows you to adjust the surface roughness at nanometer scale, resulting in sold-developed surface relief.
Ключевые слова: нанотитан, поверхность, нанорельеф, наноструктуры щеточного типа, метод ML - ALD, атомно - силовая микроскопия.
Keywords: nanotitanium, surface, nanotopography, brush type
Имплантируемые материалы широко используются в повседневной клинической практике во многих сферах медицины. В стоматологии и ортопедии многие материалы контактируют непосредственно с костной тканью, соответственно необходимо создавать новые типы поверхности, специально предназначенные для улучшения взаимодействия между имплантатом и костной тканью.
Способность приживляемости металлических материалов к тканям организма во многом зависит не от свойств объёмного материала, а от свойств поверхности и наличия биосовместимых покрытий.
В ряде работ показано [1,2], что важным фактором, влияющим на приживляемость клеток, (остеобластов) является структура поверхности материала.
В этой связи одна из важнейших задач современного химического материаловедения - изготовление материалов с заранее заданными свойствами. В рамках этой задачи, достаточно важным направлением является регулирование свойств поверхности веществ и материалов, например, такого важного для биоматериалов, как шероховатость (высота неровностей (R) ) поверхности. Можно отметить, что работы последних лет показали [1], что регулирования рельефа поверхности (шероховатости), как на микроуровне, так и на наноуровне вносит значительный вклад в биосовместимость имплантатов, причем отмечается особая роль нанорельефа.
В настоящей работе впервые изучено регулирование нанорельефа поверхности нанотитана титанорганических наноструктурами щеточного типа с помощью метода молекулярного наслаивания ML - ALD [3,4].
nanostructures, a method of ML - ALD, atomic force microscopy
Главным преимуществом данного метода является возможность получать наноструктуры (нанопленки) на самых сложных по архитектуре поверхностях (в том числе и нанопористых объектах) с высокой точностью (вплоть до ангстрем) и сплошностью покрытия. Данная особенность достигается за счет последовательной и циклической хемосорбции низкомолекулярных реагентов из газовой фазы.
Синтез титанорганических наноструктур щеточного типа на поверхности нанотитана методом ML-ALD проводили в газофазном реакторе в токе аргона используя поверхностные химические реакции между поверхностными функциональными группами подложки нанотитана, TiCl4 и HO-CH2-C°CH.
Для получения на поверхности нанотитана титанорганических наноструктур использованы поверхностные химические реакции 1 - 4 :
° Ti-OH + CCl4 ^ ° Ti-Cl+HCl + СО2 1
° Ti-Cl + НОСН2-С °СН ^ ° Ti-OCH2- C °СН + HC l 2
° Ti-OCH2- C °СН + TiCl4 ^ ° Ti-OCH2- C °С- TiCl3 + HC
l 3
° Ti-OCH2-C °C-TiCl3 +3НОСН2-С °СН ^° Ti-OCH2-C °C-Ti -(ОСН2-С °СН)3 +3HC1 4
Один цикл молекулярного наслаивания позволяет получать титанорганические наноструктуры минимальной длины на поверхности нанотитана ( =Ti-(R- Ti -R)n ), где R - пропаргиловая группа [-C=C-CH2-O-], n - число присоединённых цепочек (R-Ti-R)).
Количество циклов молекулярного наслаивания определяет длину синтезируемых одномерных титанорганических
Евразийский Союз Ученых (ЕСУ) # 10 (19), 2015 | ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
107
наноструктур, а также ведёт к увеличению шероховатости поверхности нанотитана.
В работе было изучено как влияет химическая подготовка поверхности нанотитана и количество проводимых циклов ML-ALD на степень заполнения поверхности титанорганическими наноструктурами и на нанорельеф.
В данной работе были синтезированы и исследованы образцы с титанорганическими наноструктурами, которые получали после 10, 15 20 циклов поверхностных реакций молекулярного наслаивания. Такой выбор был связан с тем, что на поверхности нанотитана планировалось получить титанорганические наноструктуры щеточного с высотой неровностей (шероховатость поверхности) до 200 нм.
Исследования образцов с помощью АСМ и СЭМ позволили установить, что изменяя температуру подготовки поверхности и количество циклов обработки нанотитана можно регулировать структурные характеристики титанорганических наноструктур щеточного типа: высоту наноструктур от 7нм до 150 нм; расстояние между наноструктурами от 10 до 220 нм; размер наноструктур (длина по оси Х) от 25 до 120 нм.
Нами были определены оптимальные условия синтеза титанорганических наноструктур щеточного типа на поверхности матрицы нанотитана позволяющие создать шероховатость поверхности до 200 нм: 1) подготовка подложек нанотитана при температуре 400 ОС; 2) проведение синтеза при температуре 200 ОС, 3) проведение 20 циклов молекулярного наслаивания.
Также предварительная оценка адгезионных свойств клеток остеобластов МС3Т3-Е1 показала, что 20 циклов ML-ALD формирует нанослой на поверхности метала дод статочный для формирования клеточного монослоя.
В работе было показано, что метод ML - ALD позволяет получать развитый нанорельеф поверхности, что важно для уменьшения времени приживляемости клеток.
Подготовка и исследование образцов проводилось в ресурсных центрах «Научный парк СПбГУ» по направлениям «Нанотехнология», «Инновационные технологии композитных наноматериалов».
Работа поддержена Министерством образования и науки Российской Федерации и выполнялась в рамках Федеральной целевой программы “ Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы“ контракт № 14.604.21.0084 (уникальный идентификационный номер RFMEFI 60414X0084).
Литература:
1. Хенч Л., Джонс Д., Биоматериалы, искусственные органы и инжиниринг тканей, М, Техносфера, 2007, 304 с.
2. Qizhi Chen , George A. Thouas, Materials Science and Engineering R., 2015. V.87. P.1-57.
3. Алесковский В.Б., Ж. прикл. химии, 1974 , Т.47, С. 2145
4. V. M. Smirnov, Russ. J. Gen. Chem. 72, 590 (2002).
