Формирование биоактивных покрытий методом ВЧ-магнетронного распыления мишеней сложного состава в атмосфере различных рабочих газов
В работе исследовано влияние рабочего газа (Ne, Ar, Kr, Xe) на физико-химические, механические и биологические свойства покрытий, сформированных методом высокочастотного магнетронного распыления мишеней из гидроксиапатита. Установлено, что покрытия, сформированные в атмосфере Xe полностью аморфные, и имеют высокую адгезию к подложке. Также было установлено, что распыление мишеней ГАП в Ar и Kr приводит к образованию покрытий с близким к стехиометрическому соотношению Ca/P для ГАП. Покрытия, сформированные в Ne и Xe, имеют более высокое отношение Ca/P, чем стехиометрический ГАП.
Введение …………………………………………………………………………………………………………………… 14
1 Обзор литературы ………………………………………………………………………………………………… 16
1.1 Титановые имплантаты……………………………………………………………………………. 17
1.2 Фосфаты кальция ……………………………………………………………………………………… 19
1.3 Биоактивность и биосовместимость кальций-фосфатных покрытий . 20
1.4 Биосовместимые материалы на основе ортофосфатов кальция ……….. 23
1.4.1 Ортофосфаты кальция, полученные в водных растворах …………… 24
1.4.2 Высокотемпературные ортофосфаты …………………………………………….. 27
1.5 Методы осаждения кальций-фосфатных покрытий ……………………………. 28
1.5.1 Плазменное напыление ……………………………………………………………………. 28
1.5.2 Электрохимическое осаждение ………………………………………………………. 30
1.5.3 Электрофоретическое осаждение …………………………………………………… 31
1.5.4 Биомиметическое осаждение ………………………………………………………….. 32
1.5.5 Микродуговое оксидирование ………………………………………………………… 32
1.5.6 Высокочастотное магнетронное распыление ……………………………….. 35
2 Материалы и методы …………………………………………………………………………………………… 39
2.1 Подготовка образцов к напылению……………………………………………………….. 39
2.1.1 Формирование покрытий …………………………………………………………………. 41
2.2 Методы исследования ……………………………………………………………………………… 43
2.2.1 Сканирующая электронная микроскопия ……………………………………… 43
2.2.2 Атомно-силовая микроскопия ………………………………………………………… 43
2.2.3 Энергодисперсионная спектроскопия ……………………………………………. 44
2.2.4 Рентгеноструктурный анализ ………………………………………………………….. 44
2.2.5 Адгезионные свойства покрытий …………………………………………………… 44
2.2.6 Статистический анализ …………………………………………………………………….. 45
3 Результаты и обсуждение …………………………………………………………………………………… 46
3.1 Толщина и скорость осаждения покрытий …………………………………………… 46
3.2 Морфология покрытий ……………………………………………………………………………. 48
3.3 Элементный состав покрытий ………………………………………………………………… 49
3.4 Фазовый состав покрытий ………………………………………………………………………. 50
3.5 Нанотвердость и модуль Юнга покрытий ……………………………………………. 51
3.6 Адгезия покрытий…………………………………………………………………………………….. 52
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение …. 55
4.1Введение ……………………………………………………………………………………………………… 55
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений ………………………………. 55
4.1.2 Тенденции развития и сегментация мирового рынка изделий из
биоматерилов ……………………………………………………………………………………………………………57
4.1.3 Потенциальные потребители результатов исследования …………… 59
4.1.4 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………….. 59
4.1.5 Методы коммерциализации результатов научно-технического
исследования …………………………………………………………………………………………………………….61
4.2 Планирование научно-исследовательских работ ………………………………… 62
4.2.1 Структура работ в рамках научного исследования ……………………… 62
4.2.2 Организационная структура проекта …………………………………………….. 62
4.2.3 Определение трудоемкости выполнения работ ……………………………. 63
4.2.4 Разработка графика проведения исследования ……………………………. 64
4.3 Бюджет научного исследования …………………………………………………………….. 68
4.3.1 Затраты на расходные материалы…………………………………………………… 69
4.3.2 Основная заработная плата ……………………………………………………………… 69
4.3.3 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 72
4.3.4 Определение ресурсоэффективности исследования……………………. 73
5 Социальная ответственность ……………………………………………………………………………… 77
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности … 78
5.1.1 Специальные (характерные для рабочей зоны исследователя)
правовые нормы трудового законодательства. …………………………………………………..79
5.1.2Организация рабочего места оператора ЭВМ ……………………………….. 79
5.2 ………………………………………………………………… Производственная безопасность
……………………………………………………………………………………………………………………………………. 81
5.2.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов ………….. 82
5.2.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней
опасного и вредного воздействия и устранению их влияния при работе на
ПЭВМ и установке «Катод–1М». ………………………………………………………………………….82
5.2.3 Пожарная и взрывная безопасность……………………………………………….. 85
5.2.4 Организационные мероприятия обеспечения безопасности ……… 86
5.2.5 Требования безопасности при работе с газовыми баллонами …… 87
5.3 Экологическая безопасность ………………………………………………………………….. 88
5.4 Защита в чрезвычайных ситуациях ……………………………………………………….. 89
5.4.1 Электробезопасность………………………………………………………………………… 89
Заключение ………………………………………………………………………………………………………………. 92
Список использованной литературы……………………………………………………………………. 93
Приложение А ……………………………………………………………………………………………………….. 103
В последние несколько десятилетий в научном сообществе
наблюдается значительный интерес к развитию биомедицинских
имплантатов, обусловленный высокой потребностью общества в разработке
материалов для восстановления тканей и органов человека [1].
Металлы и их сплавы нашли широкое распространение в
изготовлении медицинских имплантатов ввиду своих высоких прочностных
свойств [2]. Наиболее распространенными материалами, используемыми для
этих целей, являются нержавеющая сталь и титан. Они характеризуются
высокой механической прочностью, модулем упругости и низкой
токсичность. Существенным недостатком данного рода материалов является
низкая биологическая совместимость, однако данная проблема решается
путем формирования кальций-фосфатного (КФ) покрытия на поверхности
имплантата. В современной медицине наблюдается высокий спрос на
имплантаты для реконструктивной хирургии, в частности, на биоматериалы
ортопедического назначения. Их развитие и улучшение является важной
задачей для научного сообщества.
Существует множество методов осаждения КФ покрытий на
поверхность металлических имплантатов: золь-гель метод, плазменное
напыление, электрофорез, электрохимическое и биомиметическое осаждение,
микродуговое оксидирование, высокочастотное магнетронное распыление и
другие методы [3].
Одним из основных требований к покрытиям на металлических
имплантатах является их высокая адгезионная прочность, поэтому в данной
работе осаждение покрытий осуществлялось методом высокочастотного
магнетронного распыления (ВЧМР). К достоинствам метода можно отнести
высокую адгезионную прочность покрытия и возможность регулирования
химического состава осажденных покрытий путем варьирования
химического состава распыляемой мишени, атмосферы в камере, параметров
разряда [4].
Среди множества материалов, используемых для этих целей,
гидроксиапатит (ГАП, Ca10(PO4)6(OH)2) нашел наиболее широкое
распространение ввиду своей высокой биологической активности и
близости материала к составу минеральной части человеческой кости.
Минеральная часть человеческой кости представляет собой смесь КФ
материалов с преобладанием ГАП в своем химическом составе и содержит
в себе множество ионных замещений, таких как Mg2+, Sr2+, Si4+, CO2-3,,
Ba2+,Zn2+ и F-и т. д. [5,6]. В настоящее время проводится множество
исследований влияния таких ионных замещений на структуру ГАП, как
Sr2+, F-, Zn2+, Ce3+ и Ag+ [5–7].
Целью данной работы является исследование влияния рабочего газа
на физико-химические, механические и биологические свойства покрытий,
сформированных методом высокочастотного магнетронного распыления
мишеней из гидроксиапатита.
Для достижения данной цели в работе были поставлены
следующие задачи:
проанализировать литературу, посвященную методу ВЧМР и
кальций – фосфатным материалам биомедицинского назначения;
сформировать на поверхности титановых подложек кальций-
фосфатные покрытия методом ВЧМР в атмосфере различных рабочих газов
(Ne, Ar, Kr, Xe);
исследовать морфологию, физико-химические, механические
свойства кальций – фосфатных покрытий;
провести анализ, полученных результатов.
1 Обзор литературы
В результате проведенных работ, на поверхности титановых подложек
были сформированы кальций – фосфатные покрытия методом
высокочастотного магнетронного распыления мишени из гидроксиапатита в
атмосфере различных инертных газов (Ne, Ar, Kr, Xe) и исследованы их
физико-химические, механические и биологические свойства.
Установлено, что наибольшей скоростью осаждения из всех
исследуемых покрытий характеризуются КФ покрытия, сформированные в
атмосфере Ar и Kr. Наименьшая скорость осаждения КФ покрытий, была
отмечена у покрытий, сформированных в атмосфере Xe.
Показано, что атомный вес рабочего газа влияет на размер
кристаллитов и морфологию поверхности покрытий. Размер кристаллитов
покрытий увеличивается с увеличением атомного веса рабочего газа.
Не обнаружено значительного различия в элементном составе
покрытий, сформированных в атмосфере Ne, Ar, Kr и Xe. Однако распыление
мишеней ГАП в Ar и Kr приводит к образованию покрытий с близким к
стехиометрическому соотношению Ca/P для ГАП. Покрытия,
сформированные в Ne и Xe, имеют более высокое отношение Ca/P, чем
стехиометрический ГАП. Покрытия, сформированные в атмосфере Xe
полностью аморфные, и имеют высокую адгезию к подложке.
Выявлено, что наилучшие показатели из исследуемых групп образцов,
по жизнеспособности ММСК, показали образцы с тонкими аморфными
покрытиями, сформированными Xe.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
4.8 (2878 отзывов)
4.4 (93 отзыва)
4.7 (46 отзывов)
4.7 (18 отзывов)
4.8 (105 отзывов)
4.8 (9 отзывов)
5 (1241 отзыв)
4.9 (522 отзыва)
4.8 (30 отзывов)
