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

Букал, Владислав Романович Научно-образовательный центр Б.П. Вейнберга (НОЦ Б.П. Вейнберга)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

Данная работа исследует кальцийфосфатные покрытия, осажденные методом реактивного высокочастотного магнетронного распыления гидроксиапатита в атмосфере газовых смесей Ne + N2, Ar + N2 и Xe + N2 при равных объемных концентрациях, с целью изучения возможности влияния на свойства покрытий путём изменения атомной массы рабочего газа

Введение ………………………………………………………………………………………………….. 13
1 Литературный обзор……………………………………………………………………………….. 18
1.1 Биосовместимые имплантаты ……………………………………………………………. 18
1.2 Материалы на основе фосфата кальция ………………………………………………. 20
1.3 Гидроксиапатит ………………………………………………………………………………… 21
1.4 Эффект Пеннинга ……………………………………………………………………………… 21
1.5 Магнетронные распылительные системы …………………………………………… 22
1.5.1. Движение заряженных частиц в скрещенных электрическом и
магнитном полях ……………………………………………………………………………………. 22
1.5.2. Принцип работы ………………………………………………………………………….. 23
1.6 ВЧ-магнетронное распыление ……………………………………………………………. 26
2 Материалы и методы ………………………………………………………………………………. 28
2.1 Предварительная подготовка образцов ………………………………………………. 28
2.2 Формирование покрытий …………………………………………………………………… 29
2.3 Методы исследования ……………………………………………………………………….. 30
3 Анализ результатов ………………………………………………………………………………… 31
3.1 Профилометрия ……………………………………………………………………………….. 31
3.2 Атомно-силовая и сканирующая электронная микроскопия ………………… 31
3.3 Энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия ………………………….. 32
3.4 Рентгеновская дифракция …………………………………………………………………. 33
3.5 Измерение смачиваемости методом лежащей капли …………………………… 34
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение…. 36
4.1 Организация и планирование работ …………………………………………………. 37
4.2 Продолжительность этапов работ ……………………………………………………. 38
4.3 Расчет накопления готовности проекта ……………………………………………. 40
4.4 SWOT-анализ ………………………………………………………………………………… 41
4.5 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения …………………………………………… 43
4.6 Расчет сметы на выполнение проекта ………………………………………………. 44
4.7 Затраты на выполнение НТИ…………………………………………………………… 45
4.7.1 Расчет затрат на материалы ……………………………………………………….. 45
4.7.2 Расчет амортизационных расходов …………………………………………….. 46
4.7.3 Расчет заработной платы …………………………………………………………… 47
4.7.4 Расчет дополнительной заработной платы ………………………………….. 48
4.7.5 Отчисления по внебюджетные фонды ………………………………………… 49
4.7.6 Контрагентные расходы ……………………………………………………………. 49
4.7.7 Накладные расходы ………………………………………………………………….. 50
4.7.8 Расчет общей себестоимости разработки ……………………………………. 50
4.8 Реестр рисков проекта …………………………………………………………………. 51
4.9 Оценка сравнительной эффективности исследования …………………….. 52
Выводы по Главе 4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение ……………………………………………………………………………… 54
5 Социальная ответственность …………………………………………………………………… 56
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……… 57
5.2 Производственная безопасность ………………………………………………………… 59
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ……………….. 60
5.3 Экологическая безопасность……………………………………………………………… 72
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях …………………………………………… 73
Выводы по Главе 5 Социальная ответственность …………………………………….. 76
Заключение ………………………………………………………………………………………………. 77
Список использованной литературы …………………………………………………………… 78
Приложение I ……………………………………………………………………………………………. 83
1 Literary review …………………………………………………………………………………….. 84
1.1 Biocompatible implants ………………………………………………………………………. 84
1.2 Calcium phosphate materials ……………………………………………………………….. 86
1.3 Hydroxyapatite ………………………………………………………………………………….. 86
1.4 Penning Effect …………………………………………………………………………………… 87
1.5 Magnetron spray systems ……………………………………………………………………. 87
1.5.1. The movement of charged particles in crossed electric and magnetic fields
……………………………………………………………………………………………………………… 88
1.5.2. Principle of operation …………………………………………………………………… 89
1.6 RF-magnetron sputtering …………………………………………………………………….. 92
Приложение II ………………………………………………………………………………………….. 93

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.

В данной работе проводилось формирование кальций-фосфатных
покрытий методом ВЧ-магнетронного распыления гидроксиапатита в среде
различных инертных газов и азота в соотношении 1:1 по объему.
Увеличение атомной массы используемого инертного рабочего газа
способствует уменьшению размера зерна и соотношения Ca/P, кроме того, при
этом происходит рост средней шероховатости. Рентгеноструктурный анализ
показал лишь пики, которые соответствуют используемым подложкам из титана.
Предполагается, что при использовании азота для формирования покрытий их
структура склонна становиться аморфной. Значения СЭП и её полярной
составляющей выше для смеси газов Xe + N2 и Ne + N2, чем для Ar + N2.
Таким образом, было показано, что, меняя тип используемой газовой
смеси, мы можем изменять характеристики, которыми будут обладать
получаемые покрытия.

Благодарности

Хочется выразить особую благодарность Федоткину Александру за
чуткое руководство на протяжении всего научного исследования, за
предоставление актуальной научной информации, позволяющей глубже
погрузится в изучаемую тему, и содействие при проведении лабораторных
исследований.
Также хочется поблагодарить НОЦ Б.П. Вейнберга и в частности
лабораторию плазменных гибридных систем ИЯТШ ТПУ за предоставление
материалов и оборудования для проведения исследования.

Заказать новую

Лучшие эксперты сервиса ждут твоего задания

от 5 000 ₽

Не подошла эта работа?
Закажи новую работу, сделанную по твоим требованиям

    Нажимая на кнопку, я соглашаюсь на обработку персональных данных и с правилами пользования Платформой

    Последние выполненные заказы

    Хочешь уникальную работу?

    Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!

    Егор В. кандидат наук, доцент
    5 (428 отзывов)
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Ск... Читать все
    Здравствуйте. Занимаюсь выполнением работ более 14 лет. Очень большой опыт. Более 400 успешно защищенных дипломов и диссертаций. Берусь только со 100% уверенностью. Скорее всего Ваш заказ будет выполнен раньше срока.
    #Кандидатские #Магистерские
    694 Выполненных работы
    Логик Ф. кандидат наук, доцент
    4.9 (826 отзывов)
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские дисс... Читать все
    Я - кандидат философских наук, доцент кафедры философии СГЮА. Занимаюсь написанием различного рода работ (научные статьи, курсовые, дипломные работы, магистерские диссертации, рефераты, контрольные) уже много лет. Качество работ гарантирую.
    #Кандидатские #Магистерские
    1486 Выполненных работ
    Сергей Н.
    4.8 (40 отзывов)
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных с... Читать все
    Практический стаж работы в финансово - банковской сфере составил более 30 лет. За последние 13 лет, мной написано 7 диссертаций и более 450 дипломных работ и научных статей в области экономики.
    #Кандидатские #Магистерские
    56 Выполненных работ
    Антон П. преподаватель, доцент
    4.8 (1033 отзыва)
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публик... Читать все
    Занимаюсь написанием студенческих работ (дипломные работы, маг. диссертации). Участник международных конференций (экономика/менеджмент/юриспруденция). Постоянно публикуюсь, имею высокий индекс цитирования. Спикер.
    #Кандидатские #Магистерские
    1386 Выполненных работ
    Вирсавия А. медицинский 1981, стоматологический, преподаватель, канди...
    4.5 (9 отзывов)
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - ... Читать все
    руководитель успешно защищенных диссертаций, автор около 150 работ, в активе - оппонирование, рецензирование, написание и подготовка диссертационных работ; интересы - медицина, биология, антропология, биогидродинамика
    #Кандидатские #Магистерские
    12 Выполненных работ
    Андрей С. Тверской государственный университет 2011, математический...
    4.7 (82 отзыва)
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на... Читать все
    Учился на мат.факе ТвГУ. Любовь к математике там привили на столько, что я, похоже, никогда не перестану этим заниматься! Сейчас работаю в IT и пытаюсь найти время на продолжение диссертационной работы... Всегда готов помочь! ;)
    #Кандидатские #Магистерские
    164 Выполненных работы
    Анна Александровна Б. Воронежский государственный университет инженерных технол...
    4.8 (30 отзывов)
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственно... Читать все
    Окончила магистратуру Воронежского государственного университета в 2009 г. В 2014 г. защитила кандидатскую диссертацию. С 2010 г. преподаю в Воронежском государственном университете инженерных технологий.
    #Кандидатские #Магистерские
    66 Выполненных работ
    Евгения Р.
    5 (188 отзывов)
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и со... Читать все
    Мой опыт в написании работ - 9 лет. Я специализируюсь на написании курсовых работ, ВКР и магистерских диссертаций, также пишу научные статьи, провожу исследования и создаю красивые презентации. Сопровождаю работы до сдачи, на связи 24/7 ?
    #Кандидатские #Магистерские
    359 Выполненных работ
    Дмитрий К. преподаватель, кандидат наук
    5 (1241 отзыв)
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполня... Читать все
    Окончил КазГУ с красным дипломом в 1985 г., после окончания работал в Институте Ядерной Физики, защитил кандидатскую диссертацию в 1991 г. Работы для студентов выполняю уже 30 лет.
    #Кандидатские #Магистерские
    2271 Выполненная работа

    Другие учебные работы по предмету

    Исследование структуры и свойств биоинертных сплавов системы Ti-Nb
    📅 2018 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)
    Кальций-фосфатные мишени для ВЧ-магнетронного осаждения биосовместимых покрытий
    📅 2020 год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)