Кальций-фосфатные мишени для ВЧ-магнетронного осаждения биосовместимых покрытий

Объектом исследования являются кальцийфосфатные мишени из чистого гидроксиапатита, медь- и цинк-замещенных гидроксиапатитов и получаемые с помощью их распыления на вакуумной магнетронной установке биопокрытия.
Цель работы – разработка процесса изготовления кальцийфосфатных мишеней с заданными элементным и фазовым составами и необходимыми физико-механическими свойствами для осаждения высокочастотных магнетронных биосовместимых покрытий.
В результате исследования выявлено, что порошки чистого гидроксиапатита, медь- и цинк-замещенных гидроксиапатитов с удельной поверхностью в диапазоне 40-60 м2/г являются предпочтительными для изготовления мишеней с низкой пористостью и высокими значениями микротвердости и плотности, необходимыми для осаждения ВЧ-магнетронных кальцийфосфатных покрытий.

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 15
1 Материалы, применяемые в медицине …………………………………………………… 18
1.1 Основные требования к материалам медицинского назначения ………… 18
1.2 Металлы и сплавы, используемые в медицине …………………………………. 19
1.3 Биопокрытия на основе фосфатов кальция ……………………………………….. 22
1.3.1 Гидроксиапатит и его замещения ……………………………………………….. 23
1.4 Методы нанесения покрытий …………………………………………………………… 26
1.4.1 Плазменное напыление ………………………………………………………………. 26
1.4.2 Микродуговое оксидирование ……………………………………………………. 28
1.4.3 Золь-гель метод …………………………………………………………………………. 29
1.4.4 ВЧ-магнетронное распыление ……………………………………………………. 30
1.5 Формирование мишеней на основе гидроксиапатита………………………… 34
2 Экспериментальные методы исследования …………………………………………….. 37
2.1 Изготовление мишеней ……………………………………………………………………. 37
2.2 Подготовка образцов для нанесения покрытий методом ВЧ-
магнетронного распыления……………………………………………………………………. 39
2.3 Формирование покрытий методом ВЧ-магнетронного распыления…… 39
2.4 Методы исследования ……………………………………………………………………… 41
2.4.1 Элементный анализ мишеней и покрытий ………………………………….. 41
2.4.2 Рентгенофазовый анализ мишеней и покрытий…………………………… 42
2.4.3 Измерение микротвердости мишеней …………………………………………. 43
2.4.4 Измерение толщины и исследование микроструктуры покрытий
методом просвечивающей электронной микроскопии ………………………… 44
3 Кальцийфосфатные мишени и ВЧ-магнетронные покрытия …………………… 45
3.1 Мишени для ВЧ-магнетронного распыления на основе
гидроксиапатита ……………………………………………………………………………………. 45
3.1.1 Выбор рабочего режима спекания мишеней ……………………………….. 45
3.1.2. Микротвердость мишеней …………………………………………………………. 49
3.1.3 Элементный состав мишеней ……………………………………………………… 50
3.1.4 Фазовый состав мишеней …………………………………………………………… 52
3.2 Структура и свойства кальцийфосфатных покрытий ………………………… 54
3.2.1 Толщина и элементный состав покрытий……………………………………. 54
3.2.2 Микроструктура покрытий в поперечном сечении ……………………… 57
3.2.3 Фазовый состав покрытий ………………………………………………………….. 58
4 Финансовый менеджмент ………………………………………………………………………. 62
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научного исследования с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения ……………………………………………………………………………….. 63
4.1.1 Потенциальные потребители результатов исследования …………….. 63
4.1.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения ……………………………………… 63
4.1.3 SWOT-анализ …………………………………………………………………………….. 65
4.2 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………. 67
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………… 67
4.2.2 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………… 68
4.2.3 Разработка графика проведения исследования ……………………………. 69
4.3 Бюджет научного исследования……………………………………………………….. 73
4.3.1 Расчет материальных затрат НТИ ………………………………………………. 73
4.3.2 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ … 74
4.3.3 Основная заработная плата ………………………………………………………… 76
4.3.4 Дополнительная заработная плата ……………………………………………… 77
4.3.5 Отчисления во внебюджетные фонды (страховые отчисления) …… 78
4.3.6 Накладные расходы……………………………………………………………………. 78
4.3.7 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта
………………………………………………………………………………………………………….. 79
4.4 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования.. 79
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………. 84
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности …… 84
5.1.1 Специальные правовые нормы трудового законодательства ……….. 84
5.1.2 Эргономические требования к рабочей зоне……………………………….. 85
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………. 87
5.3 Анализ опасных и вредных производственных факторов …………………. 88
5.3.1 Микроклимат производственных помещений …………………………….. 88
5.3.2 Шум на рабочем месте ……………………………………………………………….. 90
5.3.3 Освещенность рабочей зоны ………………………………………………………. 91
5.3.4 Электромагнитное излучение …………………………………………………….. 92
5.4 Организационные мероприятия по снижению уровней воздействия
опасных и вредных факторов ………………………………………………………………… 93
5.5 Экологическая безопасность ……………………………………………………………. 95
5.6 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………. 97
Заключение ……………………………………………………………………………………………. 101
Список научных публикаций ………………………………………………………………….. 104
Список использованных литературных источников ………………………………… 105
Приложение А ……………………………………………………………………………………….. 116
Приложение Б ………………………………………………………………………………………… 117

Изготовлены кальцийфосфатные мишени из порошков чистого, Zn- и
Cu-замещенных ГА с разной удельной площадью поверхности толщиной
3,0-4,5 мм и диаметром 110 мм. Исследованы особенности элементного и
фазового составов мишеней, определен оптимальный режим спекания мишени
с высокими значениями микротвердости и плотности, достаточными для её
фиксации на катоде и реализации процесса ВЧ-магнетронного распыления. С
использованием полученных мишеней проведено осаждение биопокрытий,
исследованы их структура и свойства. На основании выполненной работы и
анализа полученных результатов сформулированы следующие выводы.
1. Показано, что использование порошка ГА с удельной
поверхностью (0,5-2 м2/г) приводит к необходимости увеличения температуры
спекания по сравнению с режимом, достаточным для спекания порошка с
большой удельной поверхностью (40-60 м2/г), а также к дополнительной
интенсификации процессов уплотнения материала за счет перехода от
воздушной атмосферы к вакуумной среде.
2. Показано, что мишень, спеченная из порошка с большой удельной
поверхностью (40-60 м2/г), имеет более плотную упаковку частиц и меньшее
количество пор, чем мишень, спеченная из порошка с небольшой удельной
площадью поверхности (0,5-2 м2/г).
3. Выявлено, что порошки с удельной поверхностью в диапазоне
40-60 м2/г являются предпочтительными для изготовления мишеней с
удовлетворительными физико-механическими свойствами, пригодными для
реализации метода ВЧ-магнетронного распыления для получения
кальцийфосфатных покрытий на подложках из титановых сплавов.
4. Обнаружено, что покрытия, полученные ВЧ-магнетронным
распылением мишеней, спеченных из чистого ГА, Zn- и Cu-замещённых ГА с
удельной поверхностью 40-60 м2/г в воздушной атмосфере при температуре
1000 °С на сплавах Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb, имеют одинаковую структуру
аморфного типа. Отжиг на воздухе в печи со ступенчатым повышением
температуры позволил перевести кальцийфосфатные покрытия в
кристаллическое состояние, близкое к строению ГА.
5. Разработан режим получения кальцийфосфатных мишеней из
порошков ГА, Zn-ГА и Cu-ГА с заданными значениями элементного и
фазового состава и необходимыми физико-механическими свойствами для
получения однородной, плоскопараллельной поверхности без видимых пор и
дефектов, пригодными для напыления биопокрытий методом ВЧ-
магнетронного распыления. Рекомендовано проводить спекание мишеней из
порошков ГА с удельной поверхностью (40-60 м2/г) в воздушной атмосфере
при максимальной температуре 1000 °С.
Автор выражают глубокую благодарность научному руководителю
Шаркееву Ю.П., консультантам Просолову К.А. и Белявской О.А. за
каждодневное обсуждение результатов, ценные комментарии и новые идеи.
Выражаю благодарность сотрудникам лаборатории физики наноструктурных
биокомпозитов ИФПМ СО РАН: Ластовке В.В. за помощь по напылению
кальцийфосфатных мишеней, Химич М.А. за консультации по РФА
исследований, Чебодаевой В.В за проведение элементного анализа мишеней,
Толмачеву А.И. за прессование и подготовку мишеней, Уваркину П.В. за
проведение измерений микротвердости, Глухову И.А. за снятие ПЭМ-
изображений покрытий, сотрудникам лаборатории физической химии
ультрадисперсных материалов ЛФХВМ за проведение исследований удельной
поверхности порошков и специалисту ИХТТМ д.х.н. М.В. Чайкиной за
подготовку катионозамещенных гидроксиапатитов с сопроводительной
информацией по результатам исследований.
Список научных публикаций

1. Prosolov K.A., Belyavskaya O.A, Bolat-ool A.A, Khlusov I.A, Nikolaeva O.O.,
Prosolov A.B., Mitrichenko D.V., Komkov A.R., Sharkeev Yu.P. Antibacterial
potential of Zn- and Cu- substituted hydroxyapatite-based coatings deposited by
RF-magnetron sputtering // Journal of Physics: Conference Series – № 1393(1).
– 2019. – P. 012118 (1-8).
2. Bolat-ool A. A., Prosolov K. A., Khimich M. A., Chebodaeva V. V., Uvarkin P.
V., Tolmachev A. I., Belyavskaya O. A., Sharkeev Y. P. Calcium phosphate
targets for RF magnetron sputtering of biocoatings // AIP Conference
Proceedings of the International Conference on Advanced Materials with
Hierarchical Structure for New Technologies and Reliable Structures 2019 – №
2167(1). – 2019. – P. 020036 (1-4).
3. Способ получения кальцийфосфатного покрытия на образце: патент
России № 2715055. 2020. Бюл. № 6 / Просолов К.А., Шаркеев Ю.П.,
Ластовка В.В., Болат-оол А.А., Уваркин П.В., Химич М.А., Белявская О.А.
4. Болат-оол А.А., Химич М.А., Просолов К.А., Уваркин П.В., Белявская
О.А., Шаркеев Ю.П. Микротвердость и фазовый состав мишеней из
катионзамещенных гидроксиапатитов для ВЧ-магнетронного распыления
// Пленки и покрытия-2019: Труды 14-й Международной конференции. 14
мая-16 мая 2019. / Под ред. д-ра техн. наук В.Г. Кузнецова. – СПб: Изд-во
Политех. ун-та. – 2019. – С. 283-287.
5. Болат-оол А.А., Просолов К.А., Химич М.А. Оптимизация требований к
порошкам цинкзамещенного гидроксиапатита с целью обеспечения
фазового состава мишеней для ВЧ магнетронного распыления //
Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVI
Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых.
В 7 томах. Том 1. Физика / под ред. И.А. Курзиной, Г.А. Вороновой. –
Томск. Изд-во Томского политехнического университета. – 2019. –
С. 67-69.