CC BY
99
Физика твердого тела Вестник Нижегородского у ниве рситета им. Н.И. Лобаче вского, 2007, № 1, с. 52-56
УДК 669.539.2
ПОЛУЧЕНИЕ ГЕМОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ НА ОСНОВЕ ТИТАНА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА ПЛАЗМЕННО-ИММЕРСИОННОЙ ИОННОЙ ИМПЛАНТАЦИИ И ОСАЖДЕНИЯ МЕТАЛЛОВ
© 2007 г. И.А. Цыганов 1, А.И. Позднякова 1’2, Э. Рихтер 3, М. Ф. Майтц 3
1 Липецкий государственный технический университет
2 Технический университет Марке, Анкона, Италия
3 Исследовательский центр, Россендорф, Г ермания
mashina [email protected]
Поступила в редакцию 19.12.2006
Плазменно-иммерсионная ионная имплантация и осаждение металлов (MePШD) является эффективным методом улучшения поверхностных свойств различных материалов. Были исследованы структура, фазовый состав и поверхностные свойства (смачиваемость, поверхностная энергия) покрытий тройной системы Ть№0, полученных методом MePШD. Для изучения соотношения между структурой покрытий и гемосовместимостью были измерены адгезия тромбоцитов и адсорбция фибриногена. Г емосовместимость оксида титана может быть улучшена посредством дополнительного введения азота в состав покрытия. Установлено, что адгезия тромбоцитов и адсорбция фибриногена ниже для Т^Оу по сравнению с TiO2, что коррелирует с меньшей гидрофобностью и более высоким значением полярной компоненты поверхностной энергии для Т^Оу. Наилучшая гемосовместимость была обнаружена у покрытий состава К^.4016.
Введение
Благодаря своим уникальным свойствам титан и материалы на его основе широко используются в медицине. Покрытия на основе титана, такие как его оксиды и нитриды, способны улучшить
антитромбогенные свойства сердечнососудистых имплантатов [1]. Однако в некоторых исследованиях было обнаружено усиление гемостатических реакций на поверхности титана с ростом естественной оксидной пленки [2]. В настоящее время не существует детального описания
взаимодействия поверхности материалов, находящихся в контакте с кровью, и окружающей средой в кровеносном сосуде.
В [3] сообщается о положительных результатах клинического применения оксинитрида титана (TiNOX) в качестве покрытия для стентов из нержавеющей стали. Оксинитридное покрытие стента было получено методом реактивного физического осаждения паратитана в предварительно заданной газовой смеси азота и кислорода. У стентов с покрытием TiNOX в меньшей мере отмечались рестеноз и другие вредные последствия замены сосуда по сравнению с аналогичными стентами из нержавеющей стали без покрытия. Однако исследования воздействия различного фазового
состава и содержания азота в покрытии на гемосовместимость не проводилось.
Современные физические методы, такие как плазменно-иммерсионная ионная имплантация и осаждение металлов (МеРПГО), могут использоваться для улучшения
биосовместимости медицинских имплантатов [4]. Метод МеРІІГО представляет собой
перспективную технологию контроля структуры покрытий на основе титана с прекрасной адгезией, плотной беспористой структурой и возможностью обработки изделий, имеющих трехмерную форму. В данной работе метод МеРІІГО использовался для получения покрытий на основе титана с различным фазовым составом. Были
исследованы адгезия кровяных телец и
адсорбция фибриногена для нахождения корреляции между микроструктурой оксидов, оксинитридов и нитридов титана и их гемосовместимостью.
Методы исследования
Пленки на основе титана были осаждены на термически оксидированные пластины из монокристаллического кремния (100) методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации и осаждения металлов (МеРІІГО).
Схематическое изображение
экспериментальной установки и детальное
описание метода приведено в работе [4]. В данном методе плазма образуется при испарении материала катода электрическим дуговым разрядом. В нашей работе использовался титановый катод диаметром 72 мм. Положительно заряженные ионы из плазмы ускоряются путем приложения к подложке отрицательного напряжения (-2,5 кВ), что позволяет комбинировать осаждение и имплантацию. При дополнительной подаче в вакуумную камеру кислорода и/или азота (рабочее давление ~ 10-1 Па) образуются оксиды и/или нитриды титана при температуре подложки < 225°С.
Рентгенодифрактометрический анализ (РДА) проводился на сканирующем шаговом дифрактометре в геометрии скользящего луча (а> = 1°) в Си ^-излучении. Распределение элементов по глубине осажденного слоя анализировалось методом Оже-электронной спектроскопии (ОЭС). С целью избежания загрязнения поверхности органическими соединениями из воздуха образцы в данной работе исследовались непосредственно сразу после их приготовления. Проверка с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) показала, что фактор загрязнения поверхности не оказывал влияния на свойства образцов, использованных в данной работе. Шероховатость поверхности осажденных слоев определялась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) на площади размером
5 X 5 мкм2. Представленная шероховатость Я2 рассчитывалась по стандартной методике по 10 точкам как среднее арифметическое абсолютных значений отклонений высоты 5 самых высоких и 5 самых глубоких точек от средней линии профиля поверхности. Краевой угол смачивания 0 и поверхностная энергия о определялись методом «сидячей капли» при нанесении на поверхность 2 мкл воды Н2О и дийодметана СН212, соответственно. Поверхностная энергия о рассчитывалась согласно методике, описанной в [5]. Измерения повторялись по 4 раза на двух образцах из
одной серии.
Для оценки гемосовместимости осажденных пленок проводились исследования адгезии и активности тромбоцитов плазмы человеческой крови, а также адсорбции фибриногена на поверхности покрытий. Плазма для исследований была получена из крови, сданной
6 здоровыми донорами, не употреблявшими в течение недели до эксперимента никаких лекарств. Методика подготовки поверхности покрытий, а также плазмы крови для исследования гемосовместимости описана в [6].
Результаты и обсуждение
Фазовый состав и микроструктуру покрытий на основе титана можно контролировать посредством изменения параметров осаждения, что дает возможность систематического изучения корреляции между структурой и гемосовместимостью покрытия. Обзор полученных структур в зависимости от параметров осаждения приведен в таблице. Толщина всех полученных покрытий была около 1 мкм. Скорость роста пленок варьировалась от 350 нм/мин для TiN до 1100 нм/мин для ТЮ2.
Наблюдаемый фазовый состав сильно зависит от отношения парциальных давлений газов в вакуумной камере. В случае подачи чистого азота на дифрактограммах присутствуют пики, характерные для нитрида титана с ГЦК-решеткой (рис. 1, кривая а). При дополнительной подаче кислорода в камеру с отношением парциальных давлений газов р(02)/р^2) = 1/3 пики TiN смещаются в сторону больших углов (рис. 1, кривая б), что свидетельствует о сжатии решетки из-за внедрения кислорода. При равных парциальных давлениях N и 02 наблюдаются широкие дифракционные пики, которые можно рассматривать как смесь фаз ГЦК-TiN и ГЦК-ТЮ (рис. 1, кривая в).
Средний атомный состав покрытий на основе титана, полученный методом ОЭС, также приведен в таблице. Атомная концентрация азота в слое близка к
Таблица
Структура поверхностного слоя в зависимости от отношения парциальных давлений кислорода и азота
Отношение парциальных давлений р(02Ур№) Кристаллические фазы (РДА) Средний атомный состав (ОЭС) Структура Шерохова тость Я1 (нм) Краевой угол в (град.)
Только 02 рутил (тетр.)+ анатаз (тетр.) ТІ02 ТІ02 (рутил + анатаз) 26,2 84,1
3/1 рутил + анатаз + ТІ0 (ГЦК) ТІК0.3О1.7 ТІ02-8 N5 (рутил + анатаз) + ТІО 27,1 62,4
1/1 ТІК (ГЦК) + ТІ0 (ГЦК) ТІК0.4О1.6 ТІК + ТІ0 + ТІ02 (аморф.) 34,8 56,6
1/3 ™!.8о8 (ГЦК) ТІК0.7О1.3 ТІК1-808 + ТІ02 (аморф.) 43,8 57,8
стехиометрическому ТІК только при подаче в камеру чистого азота. При других параметрах осаждения атомная концентрация кислорода отчетливо превышает концентрацию азота и титана, и близка к стехиометрическому Ті02. Так как на дифрактограммах не наблюдается дополнительных пиков, соответствующих оксидным фазам титана, то при отношении парциальных давлений газов р(02)/р(К2) = 1/3 и р(02) = р(К2) основным компонентом таких слоев является аморфная фаза ТІ02. Кристаллизация этой аморфной фазы в рутил и анатаз начинается при более высоком парциальном давлении кислорода
р(02)/р(К2) = 3/1. При подаче чистого кислорода образуется смесь кристаллических фаз, состоящая преимущественно из рутила с примесью анатаза (рис. 1, кривые г,д). Как показывают результаты РДА, при различных углах падения рентгеновского луча анатаз формируется в начале осаждения непосредственно на поверхности подложки.
Шероховатость поверхности покрытий Я2 меняется в диапазоне от 20 до 45 нм с наибольшим значением для ТіК0.7013 и наименьшим для ТІК (см. табл.). Результаты АСМ (здесь не представлены) также указывают на относительно крупнозернистую структуру покрытия с максимальным значением шероховатости. Другие покрытия выглядят более плотными и имеющими мелкозернистую структуру.
Результаты измерения краевого угла смачивания с водой приведены в таблице. Максимальная гидрофобность (0 = 84,1°) была обнаружена для чистого покрытия ТІ02.
Оксинитрид титана ТіК0.4016, полученный при равных парциальных давлениях р(02) = р(К2), обладает наименьшей гидрофобностью, о чем свидетельствует минимальное значение краевого угла смачивания (0 = 56,6°). Имеется четкая тенденция, что более кристаллизованные поверхности, содержащие Ті02 (рутил) и в некоторой степени ТІК, имеют более высокую гидрофобность, чем смешанные,
высокоаморфные поверхности ТіКх0у. Подобные изменения связаны с изменениями полярной компоненты поверхностной энергии (рис. 2). Причиной этого может быть более высокое количество заряженных групп и свободных связей в аморфной структуре. По данным [7], содержание аморфной фазы в оксидах с примесью азота коррелирует со снижением гидрофобности. Увеличение концентрации кислорода делает поверхность более гидрофобной, что было установлено для алюминия и его оксидов [8].
Фибриноген и альбумин являются основными белками в плазме крови человека. Когда инородное тело вступает в контакт с кровью, главным образом эти белки отвечают за связывание клеток крови с поверхностью [9]. Высокая адсорбция альбумина связана с низкой адгезией тромбоцитов, тогда как адсорбция фибриногена из плазмы крови считается основным определяющим фактором высокой адгезии тромбоцитов и их активации [10].
В данной работе адсорбция фибриногена на поверхности была максимальной для пленки ТІ02 и минимальной для поверхности ТІК и ТіК04016 (рис. 3). Из этого становится
очевидной зависимость адсорбции фибриногена от гидрофобности поверхности. Адгезия
ТІО л л п
Г.И І і |
□ ___I_____I_____I_____I_____I__________-_____I_____I____I_____I______
э: 30 ВО 7[ £]
? '1(1 I (ГГрНЖ! Н1!Ч 2 б
Рис. 1. Рентгеновские дифрактограммы пленок на основе титана, полученных осаждением при различных парциальных давлениях N2 и 02: а) только N2; б) р(М^)/р(02 )= 3/1; в) р(М2)/р(02) = 1/1; г) р(М2)/р(02) = 1/3; д)только 02
Рис. 2. Дисперсионная ал и полярная ар компоненты поверхностной энергии а покрытий
0^ р'* О4' &
Рис. 3. Адгезия тромбоцитов (правый столбец) и адсорбция фибриногена (левый столбец) на поверхности пленок на основе И Адгезия тромбоцитов представлена как процент налипших на поверхность кровяных телец от полного числа тромбоцитов, содержащихся в 100 мкл плазмы крови
тромбоцитов также подчиняется данной тенденции с максимальным значением для ТЮ2.
Таким образом, для данного класса поверхностей без каких-либо других химических или биохимических групп гидрофобность является основным определяющим фактором для адсорбции фибриногена и адгезии тромбоцитов.
Несмотря на достаточно широкий диапазон различных полученных структур (см. табл.), не было обнаружено значительного влияния шероховатости поверхности на адсорбцию фибриногена или адгезию тромбоцитов.
Адгезия тромбоцитов на поверхности в данном исследовании в целом была очень низкой, зачастую ниже 3% общего числа тромбоцитов, имеющихся в образце плазмы крови. Это говорит о том, что применение данного класса покрытий в медицине является многообещающим с точки зрения хорошей гемосовместимости и низкой активации каскада свертывания крови.
Выводы
В данной работе методом плазменно-иммерсионной ионной имплантации и осаждения металлов были получены пленки на основе титана с различным фазовым составом и содержанием азота и/или кислорода. Фазовый состав и структура слоев сильно зависят от отношения парциальных давлений газов. Полярная компонента поверхностной энергии и гидрофобность зависят от элементного состава и степени аморфности покрытия.
Гемосовместимость оксида титана в части адгезии тромбоцитов и адсорбции фибриногена может быть улучшена дополнительным введением азота в покрытие. Адгезия
тромбоцитов и адсорбция фибриногена ниже у TiNxOy, чем у TiO2, что коррелирует с уменьшением краевого угла и увеличением поверхностной энергии (особенно ее полярной компоненты). Наилучшей гемосовместимостью обладают покрытия состава TiN0.4Oi.6. Количество внедренного азота и шероховатость поверхности в полученном диапазоне ниже 50 нм не оказывают сильного влияния на гемосовместимость.
Один из авторов (Цыганов И.А.) благодарит Министерство образования и науки Российской Федерации и Немецкую службу академических обменов (DAAD) за предоставление гранта на проведение научных исследований в рамках совместной Российско-германской программы «Михаил Ломоносов».
Список литературы
1. Huang N. et al. // Nucl. Instr. Meth. B. 2006. N. 242. P. 18.
2. Hong J. et al. // Thromb. Haemost. 1999. N. 82.
P. 58.
3. Windecker S. et al. // Circulation. 2005. N. 111. P. 2617.
4. Tsyganov I. et al. // Surf. Coat. Technol. 2003. N. 174. P. 591.
5. Kaelble D.H., Moacanin J. // Polymer. 1977. N. 18. P. 475.
6. Maitz M.F., Tsyganov I., Pham M.-T., Wieser E. // J. Biomat. Appl. 2003. N. 17. P. 303.
7. Guan K., Luc B., Yin Y. // Surf. Coat. Technol. 2003. N. 173. P. 219.
8. Sunny M.C., Sharma C.P. // J. Biomed. Mater. Res. 1990. N. 24. P. 455.
9. Uniyal S., Brash J.L. // Thromb. Haemost. 1982. N. 47. P.285.
OBTAINING HEMOCOMPATIBLE Ti-BASED COATINGS BY THE METAL PLASMA IMMERSION ION IMPLANTATION AND DEPOSITION
I.A. Tsyganov, A.I. Pozdnyakova, E. Richter, and M.F. Maitz
Metal plasma immersion ion implantation and deposition (MePIIID) is an efficient technique for improving the surface properties of various materials. In this paper, we study the structure, phase composition, and surface properties (wettability, surface energy) of the ternary system Ti-N-O obtained by MePIIID. Thrombocyte adhesion and fibrinogen adsorption were measured to analyze the dependence of hemocompatibility on the coating structure. Hemocompatibility of the titanium oxide can be improved by adding nitrogen to the coating composition. It is found that TiNxOy has a lower thrombocyte adhesion and fibrinogen adsorption in comparison with TiO2, which correlates with the lower hydrophoby and the higher value of the polar component of the surface energy for TiNxOy. Coatings with composition TiN04O16 were found to have the best hemocompatibility.
10. Grunkemeier J.M, Tsai W.B., Horbett T.A. // J. Biomed. Mater. Res. 1998. N. 41. P.657.
