Формирование биоактивных покрытий методом реактивного ВЧ-магнетронного распыления гидроксиапатита в смеси различных рабочих газов

Рост глобального населения, средней продолжительности жизни человека
и количества автотранспорта, а также отсутствие значительного прогресса в
борьбе с бытовым травматизмом обуславливает актуальность развития
имплантологии. Одной из наиболее актуальных проблем данного научного
направления является дефицит современных материалов медицинского
назначения. В свою очередь, это привело к отсутствию прогресса в скорости
сращивания переломов за последнее столетие. Согласно мировым стандартам,
срок удлинения кости на 1 см при помощи аппарата Илизарова составляет от 45
до 65 дней [1–6], что приводит к развитию осложнений и инвалидизации
пациентов в 6-30% случаях.
В медицинском материаловедении для изготовления костных
имплантатов широко используются металлы и их сплавы в качестве
конструкционной основы имплантатов. Свое распространение они получили
благодаря хорошим механическим свойствам: их твердость и модуль Юнга
достаточны для выполнения функций замещаемой костной ткани и не являются
избыточными, что, в противном случае, привело бы к травматизму прилегающей
кости. Существенными недостатками данного класса материалов являются
недостаточная биосовместимость, а также возможная коррозия материала.
Недостаточная биосовместимость имплантата приводит к снижению качества и
повышению сроков интеграции изделия в организм. Высока вероятность
возникновения осложнений, являющимися показанием к повторной операции и
извлечению изделия. Коррозия медицинского имплантата приводит выходу её
продуктов, содержащих ионы металлов, с поверхности изделия в ткани
организма, провоцируя возникновение металлоза. Вокруг имплантата
формируется капсула из фиброзной ткани, которая способствует его
расшатыванию и воспалению тканей.
Решением данной проблемы является формирование различных кальций-
фосфатных (КФ) покрытий на поверхности металлических имплантатов. С их
помощью удается сочетать оптимальные механические свойства металлов с
биосовместимостью и биоактивностью КФ керамики. Близость химического
состава КФ материалов к составу костной ткани обеспечивает качественную и
быструю интеграцию имплантата в организм.
Существует множество методов формирования КФ покрытий на
поверхность имплантатов: плазменное напыление, микродуговое
оксидирование, магнетронное распыление и др. Однако, несмотря на
достаточное долгое развитие данных методов, изготавливаемые с их помощью
материалы обладают как преимуществами, так и недостатками. Не существует
искусственного имплантата, в полной мере воспроизводящего свойства
природной костной ткани. Кроме того, не существует единого списка требований
к свойствам изготавливаемых имплантатов ввиду различной локализации
дефектов кости. К примеру, чем ниже локализован дефект, тем большей
механической нагрузке будет подвержен имплантат, поскольку, когда человек
принимает вертикальное положение, масса всех частей тела выше дефекта
распределяется на него. При изготовлении имплантатов для восстановления
костей ног требования к их прочностным свойствам, а также к адгезии
осажденных на них покрытий значительно строже, чем при проектировании
имплантатов, замещающих кости рук.
Ограниченность технологических возможностей, а также отсутствие
единого списка требований к имплантатам обуславливает необходимость
разработки и внедрения в производство материалов с как можно более широким
спектром свойств. Для формирования гладких беспористых тонкопленочных КФ
покрытий толщиной до единиц микрон используется технология
высокочастотного магнетронного распыления. Преимуществами данного метода
являются приблизительное соответствие элементного состава осаждаемых
покрытий составу распыляемой мишени; низкая температурная нагрузка на
подложки; безинерционность процесса напыления; широкий спектр материалов,
используемых в качестве подложки и др. Существенным недостатком данного
процесса является низкая скорость осаждения покрытий.
Формирование КФ покрытий методом высокочастотного магнетронного
распыления активно развивается с 70-х годов прошлого века, однако сохраняет
актуальность и по сей день. В настоящее время активно исследуются
композитные КФ покрытия, формируемые в том числе и высокочастотным
магнетронным распылением [7–9]. Также публикуется множество научных
работ по формированию КФ покрытий с различными примесными элементами и
замещениями [10–12].
Наиболее распространенным КФ материалом, используемым в качестве
распыляемой мишени, является гидроксиапатит (ГАП, Ca10(PO4)6(OH)2). Данное
вещество преобладает в составе минеральной части человеческой кости. По
сравнению с другими КФ материалами, он сочетает высокую биоактивность при
сохранении стабильности в телесной жидкости, что обеспечивает быструю и
качественную остеоинтеграцию и снижает риск полного растворения покрытия.
Как сказано выше, формирование КФ покрытий с различными добавками
является актуальным. В работе [13] исследовались КФ покрытия, осажденные
реактивным ВЧ-магнетронным распылением ГАП в смеси аргона и азота при
различных объемных концентрациях. Методом XPS было установлено, что
осаждаемые в азот-содержащей атмосфере КФ покрытия характеризуются
наличием примеси оксида азота (NO), причем ее концентрация возрастает по
мере увеличения объемной доли азота в камере. Проведенные ранее еще не
опубликованные биологические исследования показали, что наилучшей
жизнеспособностью клеток, культивированных на поверхности NO-содержащих
КФ покрытий, характеризуется покрытие, осажденное при равных объемных
концентрациях аргона и азота. В данной работе КФ покрытие, осажденное
реактивным ВЧ-магнетронным распылением ГАП при равных объемных
концентрациях аргона и азота, рассматривалось как контрольная группа.
В работе [14] описано исследование биологических свойств КФ покрытий,
осажденных в атмосфере Ne, Ar, Kr и Xe. Было установлено, что наилучшей
жизнеспособностью культивированных на поверхности образцов клеток
характеризуются покрытия, сформированные в атмосфере Xe. Ввиду того, что
использование азота в качестве реактивной примеси к аргону оказало
благотворный эффект на свойства осажденных покрытий, предполагается, что
сформированные в смеси ксенона и азота КФ покрытия будут обладать
наилучшими морфологическими и физико-химическими свойствами.
Для определения зависимостей, возникающих при изменении атомной
массы инертного газа при осаждении КФ покрытий в смесях инертный газ/азот,
в качестве третьей точки была выбрана смесь неона и азота. Свойства покрытий,
осаждаемых в такой среде, также представляют научный интерес, поскольку в
работе [15] утверждается, что возникающий в процессе реактивного
магнетронного распыления мишени из углерода эффект Пеннинга ярко выражен
при таком сочетании газов.
Таким образом, объектом данного исследования являются КФ покрытия,
осажденные методом реактивного ВЧ магнетронного распыления ГАП в
атмосфере газовых смесей Ne + N2, Ar + N2 и Xe + N2 при равных объемных
концентрациях. Выбор концентраций каждого из газов обусловлен результатами
биологических исследований покрытий, осажденных в смеси Ar + N2, которые
показали, что при увеличении концентрации азота в камере покрытия начинают
проявлять цитотоксичные свойства.
Целью данной работы является исследование скорости осаждения,
морфологии, физико-химических свойств и смачиваемости КФ покрытий,
сформированных методом реактивного ВЧ магнетронного распыления ГАП в
атмосфере газовых смесей Ne + N2, Ar + N2 и Xe + N2.
В ходе работы были поставлены следующие задачи:
1. провести анализ литературных источников по тематике
исследования;
2. провести предварительную механическую обработку титановых
образцов;
3. сформировать КФ покрытия на поверхности полированных
титановых (ВТ6) подложек (диаметр 10 мм, толщина 1 мм) методом реактивного
ВЧ магнетронного распыления ГАП в атмосфере газовых смесей Ne + N2, Ar +
N2 и Xe + N2 при равных объемных концентрациях;
4. провести исследование скорости осаждения, морфологии, физико-
химических свойств и смачиваемости осажденных покрытий;
5. описать полученные результаты и сделать выводы о проделанной
работе.
Выносимое на защиту научное положение: Применяя рабочие газы с
различной атомной массой, возможно влиять на соотношение Ca/P получаемых
кальций-фосфатных покрытий и тем самым создавать протезы с заданными
характеристиками.