Формирование микродуговых силикатно-фосфатных покрытий на биорезорбируемом сплаве Mg0.8Ca
Объектом исследования являются силикатные и силикатно-фосфатные покрытия, нанесенные при различных параметрах процесса микродугового оксидирования в электролитах щелочного состава с дисперсными фазами. Цель работы – создание силикатных и силикатно-фосфатных покрытий на сплаве Mg0.8Ca и выявление закономерностей формирования структуры и
фазового состава покрытий.
Введение ……………………………………………………………………………………………………… 15
1. Материалы медицинского назначения ……………………………………………………. 17
1.1 Требования, предъявляемые к имплантируемым материалам ……………. 17
1.2 Классификация материалов медицинского назначения ……………………… 18
1.3 Биорезорбируемые материалы ………………………………………………………….. 20
1.3.1 Полимерные материалы………………………………………………………………. 21
1.3.2 Магний и его сплавы …………………………………………………………………… 22
1.3.3 Керамика на основе фосфатов и силикатов кальция …………………….. 28
1.3.4 Керамические материалы системы MgO-CaO-SiO2 ……………………… 31
1.4 Процесс формирование апатита на поверхности силикатной керамики 34
1.5 Био-нанокомпозитные покрытия ………………………………………………………. 36
1.6 Модифицирование поверхности путем нанесения биопокрытий ……….. 37
1.7 Получение биосовместимых покрытий методом микродугового
оксидирования ………………………………………………………………………………………….. 40
2. Объект и методы исследования ………………………………………………………………. 47
2.1 Подготовка образцов сплава Mg0.8Ca для нанесения покрытий ………… 47
2.2 Нанесение покрытий методом МДО …………………………………………………. 47
2.2.1 Установка для нанесения покрытий методом МДО ……………………… 47
2.2.2 Разработка состава электролитов для нанесения микродуговых
покрытий ……………………………………………………………………………………………….. 49
2.2.3 Режим и параметры формирования КФ биопокрытий ………………….. 49
2.3 Исследование морфологии поверхности и элементного состава
покрытий методом растровой электронной микроскопии ………………………….. 50
2.4 Исследование фазового состава и микроструктуры покрытий методами
рентгенофазового анализа …………………………………………………………………………. 51
2.5 Исследование микроструктуры и фазового состава методом
просвечивающей электронной микроскопии ……………………………………………… 52
2.6 Исследование структуры покрытий методом ИК-спектроскопии ………. 52
2.7 Исследование биорезорбции микродуговых покрытий ……………………… 53
2.8 Исследование цитотоксичности микродуговых покрытий …………………. 54
3. Результаты исследований……………………………………………………………………….. 55
3.1 Закономерности формирования структуры микродуговых покрытий … 55
3.1.1 Плотность тока в процессе формирования МДО покрытий………….. 55
3.1.2 Толщина микродуговых покрытий………………………………………………. 56
3.1.3 Морфология поверхности и поперечных сечений МДО покрытий.. 57
3.2 Закономерности формирования фазового состава покрытий в
зависимости от параметров процесса МДО и состава электролита …………….. 60
3.2.1 Элементный состав покрытий методом энергодисперсионного
анализа ………………………………………………………………………………………………….. 60
3.2.2 Фазовый состав покрытий …………………………………………………………… 65
3.2.3 Микроструктура и фазовый состав покрытий методом
просвечивающей электронной микроскопии…………………………………………… 66
3.2.4 ИК-спектры микродуговых покрытий …………………………………………. 70
3.3 Биорезорбция МДО-покрытий ………………………………………………………….. 71
3.4 Цитотоксичность силикатных и силикатно-фосфатных покрытий …….. 73
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение … 75
4.1 Оценка коммерческого потенциала и перспективности проведения
научных исследований с позиции ресурсоэффективности и
ресурсосбережения …………………………………………………………………………………… 75
4.2 Потенциальные потребители…………………………………………………………….. 76
4.3 Анализ конкурентных технических решений ……………………………………. 76
4.4 SWOT-анализ …………………………………………………………………………………… 78
4.6 Определение трудоемкости выполнения работ …………………………………. 81
4.7 Разработка графика проведения научного исследования …………………… 82
4.8 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) …………………………… 85
4.9 Расчет материальных затрат НТИ……………………………………………………… 85
4.10 Расчет затрат на специальное оборудование для научных работ ………. 86
4.11 Основная заработная плата исполнителей темы ………………………………… 87
4.12 Отчисления во внебюджетные фонды ………………………………………………. 89
4.13 Накладные расходы ………………………………………………………………………….. 90
4.14 Формирование бюджета затрат научно-исследовательского проекта …. 90
4.15 Определение ресурсной (ресурсосберегающей), финансовой,
бюджетной, социальной и экономической эффективности исследования …… 91
4.16 Выводы по разделу финансовый менеджмент …………………………………… 93
5. Социальная ответственность ………………………………………………………………….. 95
5.1 Правовые и организационные вопросы обеспечения безопасности ……. 96
5.1.1 Специальные (характерные для проектируемой рабочей зоны)
правовые нормы трудового законодательства …………………………………………. 96
5.1.2 Организационные мероприятия при компоновке рабочей зоны……. 98
5.2 Анализ вредных и опасных факторов, которые может создать объект
исследования ………………………………………………………………………………………….. 101
5.3 Экологическая безопасность …………………………………………………………… 108
5.4 Безопасность в чрезвычайных ситуациях ………………………………………… 109
5.4.1 Техногенная безопасность…………………………………………………………. 109
5.4.2 Безопасность при природных чрезвычайных ситуациях …………….. 111
5.5 Выводы по разделу социальная ответственность …………………………….. 112
Заключение ……………………………………………………………………………………………….. 113
Список литературы ……………………………………………………………………………………. 114
Актуальной задачей на сегодняшний день является создание новых
материалов, предназначенных для контакта со средой живого организма, а
именно – создание имплантатов для замены костных дефектов в областях
травматологии и ортопедической хирургии [1]. Основной проблемой
имплантируемых материалов является совместимость их с окружающими
тканями в организме. Имплантат должен обладать биосовместимым свойствами,
то есть не проявлять токсического воздействия на окружающие ткани, не
вызывать иммунных реакций со стороны организма, что могло бы вызывать
отторжение материала-имплантата. Задачей исследователей на сегодняшний
день становиться получение биоактивного материала, который не только
поддерживает процесс роста новой костной ткани на его поверхности, что
характеризуют остеокондуктивные свойства, но и непосредственно влияет на
скорость активации стволовых клеток и их дифференцировку (превращение) в
остеобласты (клетки костной ткани), иными словами индуцирует процессы
образования костной ткани непосредственно на имплантируемом материале, в
данном случае мы говорим о проявлении остеоиндуктивных свойств [2].
Помимо проблемы биосовместимости существует и проблема повторных
операций по удалению имплантата после процесса заживления и восстановления
костной ткани, что требует увеличение времени на полное восстановление, а
также дополнительных денежных ресурсов. Решением данной проблемы
является использование биодеградируемых материалов, способных растворяться
в организме по истечению определенного времени [3].
Как потенциальный материал для ортопедических имплантатов, магний
(Mg) и его сплавы привлекают значительное внимание благодаря своим
отличным биомеханическим свойствам, биосовместимости и свойствам
биорезорбции [4]. Однако имплантаты из магниевых сплавов слишком быстро
разлагаются в жидкости организма, что ухудшает механическую целостность,
прежде чем ткани заживают в достаточной степени, и, таким образом,
ограничивает их клиническое применение [5].
Для улучшения коррозионной стойкости магниевого сплава и усиления
биологической активности имплантируемого материала в медицине широко
используются керамические покрытия на основе идентичных составу
человеческой кости ортофосфатов кальция, а также соединения системы MgO-
CaO – SiO2, демонстрирующие способность к формированию апатита на
поверхности имплантата и, следовательно, росту новой костной ткани. Поэтому
применение данных материалов в нанокомпозитных биопокрытиях, с одной
стороны, способствует улучшению коррозионной стойкости материала в среде
организма, с другой стороны, усилению его биоактивных свойств [6,7].
Существует множество технологий получения покрытий. Однако в
настоящее время все более популярным становится метод микродугового
оксидирования, поскольку позволяет получать покрытия с пористой структурой
на имплантатах сложной геометрической формы [8].
Целью настоящей работы является исследование влияния режима,
параметров процесса микродугового оксидирования и состава электролита на
свойства покрытий, выявление закономерностей формирования структуры и
фазового состава покрытий.
Были поставлены следующие задачи:
1) Подобрать режим и параметры процесса МДО.
2) Разработать составы электролитов для создания Si-, и Si-P-покрытий.
3) Сформировать покрытия на сплаве Mg0.8Ca методом МДО.
4) Исследовать структуру, морфологию, состав покрытий;
5) Исследовать скорость биорезорбции микродуговых покрытий в
физиологическом растворе и их цитотоксичность in vitro;
1. Материалы медицинского назначения
1.1Требования, предъявляемые к имплантируемым материалам
В результате выпускной квалификационной работы были разработаны
оптимальные режим, параметры процесса МДО и составы электролитов для
получения силикатных и силикатно-фосфатных покрытий на сплаве Mg0.8Ca.
Были выявлены закономерности формирования структуры и фазового
состава обоих типов покрытий, где обнаружено, что повышение напряжения
процесса от 350 до 500 В способствует росту начальных значений плотности –
от 0,6 до 1,5 А/см2 для Si-покрытий; от 0,25 А/см2 – Si-P-покрытий; увеличению
толщины от 40 до 150 мкм и от 20 до 110 мкм, соответственно для Si-, и Si-P-
покрытий.
В процессе МДО на поверхности покрытий формируется слой из
осажденных кристаллов волластонита и трикальцийфосфата (в случае Si-P-
покрытий). Силикатные и гибридные покрытия обладают пористой структурой
как на поверхности, так и в объеме.
В результате высокотемпературных плазмохимических реакций в
области микродуговых разрядов происходят полиморфные превращения с
образованием высокотемпературных модификаций исходных кристаллических
фаз и образование новых сложных соединений.
Также было выявлено, что Si-P-покрытия показывают большую
коррозионную стойкость, но при этом, Si-покрытия проявляют меньшую
цитотоксичность.
Хочешь уникальную работу?
Больше 3 000 экспертов уже готовы начать работу над твоим проектом!
5 (14 отзывов)
5 (22 отзыва)
4.7 (96 отзывов)
4.6 (522 отзыва)
4.9 (522 отзыва)
4.2 (5 отзывов)
4.8 (211 отзывов)
5 (18 отзывов)
4.8 (30 отзывов)
