Кальций-фосфатные мишени для ВЧ-магнетронного осаждения биосовместимых покрытий

Болат-оол, Анна Андрияновна Научно-образовательный центр Б.П. Вейнберга (НОЦ Б.П. Вейнберга)
Бесплатно
В избранное
Работа доступна по лицензии Creative Commons:«Attribution» 4.0

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

Важной задачей современного здравоохранения является эффективное
предотвращение бактериальных инфекций, сопровождающих операции
имплантации. Возможным способом снижения риска развития
послеоперационных осложнений из-за бактериальных инфекций является
модификация поверхностей имплантатов покрытиями с антибактериальным
действием. Задача по формированию на имплантате антибактериальных
покрытий, которые имели бы высокую прочность и достаточную для
эксплуатации в условиях механических нагрузок адгезию, является
актуальной в области медицинского материаловедения. Что более важно,
покрытия должны быть биосовместимыми и биоактивными, поддерживать
рост костей и их ускоренное заживление. Таким требованиям удовлетворяют
биопокрытия из фосфатов кальция (CaP).
CaP биоматериалы на основе гидроксиапатита (ГА) широко
используются в имплантологии благодаря тому, что их элементный состав
близок к минеральной составляющей костной ткани. Значительный интерес
представляет производство и нанесение CaP биопокрытий на основе ГА с
частичным замещением в структуре катионов Ca+2 на катионы других
металлов, так как замещения в структуре ГА существенно изменяют его
физико-химические и биологические свойства, в том числе приводят к
улучшению биосовместимости. Существуют различные ионы металлов,
которые можно использовать для синтеза замещенных гидроксиапатитов,
особый интерес среди которых представляют Zn и Cu. Установлено, что ионы
этих металлов способствуют процессам остеогенеза при использовании в
определенных концентрациях. Они также интересны с точки зрения их
антибактериальных свойств, которые могут быть полезны для профилактики
бактериальной инфекции периимплантита – воспаления тканей вокруг
установленного ранее имплантата [1]. При замещении ионов Ca2+ ионами Zn2+
и Cu2+ в решетке ГА путем манипулирования параметрами осаждения
возможно адаптировать свойства покрытий, такие как биологическая
активность и антибактериальный эффект [2].
Высокочастотное (ВЧ) магнетронное распыление является одним из
широко применяющихся методов нанесения КФ покрытий на поверхность
имплантатов. Метод позволяет достичь высокую адгезионную прочность
покрытия к подложке, позволяет контролировать морфологию и свойства CaP
покрытий в достаточно широком диапазоне, что является важными
характеристиками материалов для имплантатов, так как их поверхность
подвергается значительным механическим нагрузкам во время имплантации.
Для образования CaP покрытий с помощью ВЧ-магнетронного
распыления необходимы мишени, форма и размер которых зависят от типа
распылительной системы и могут быть изменены в соответствии с
техническими требованиями. Для формирования покрытий с помощью
вакуумной установки, которая использовалась в данной работе, необходимо
было изготовить однородную мишень в виде тонкого плоского керамического
диска толщиной 3-4 мм и сравнительно большого диаметра ~ 110 мм без
видимых пор и дефектов. Кроме того, необходимо учитывать тот факт, что CaP
являются довольно хрупкими материалами, а мишень должна обладать
высокими значениями микротвердости и плотности, достаточными для
закрепления ее на катоде.
Процесс изготовления мишени состоит из двух основных этапов:
формирование мишени из соответствующего порошкового материала и
спекание. Формирование мишени представляет собой изготовление
пресспорошка (увлажненная масса, состоящая из пластификатора и исходного
порошка заданного химического состава) с последующим горячим или
холодным прессованием в пресс-формах под давлением. Спекание – это
процесс уплотнения и соединения частиц порошка под воздействием высоких
температур, вследствие которых происходит образование монолитного
изделия и его упрочнение. Известно, что основное влияние на свойства
однофазной керамики в основном связано с уплотнением материалов, при
котором уровень пористости значительно снижается [3]. Выбор режимов
спекания для ГA керамики ограничен возможной потерей гидроксильных
групп и разрушением материала при высоких температурах. ГА могут
подвергаться разложению на оксид кальция, трикальцийфосфат,
тетракальцийфосфат до образования оксида фосфора P2O5 при спекании в
вакууме. Также известно, что увеличение размера частиц порошка ГА,
используемых на стадии формирования мишени, приводит к значительному
увеличению температуры начала интенсивной усадки при спекании и может
влиять на свойства спеченной мишени.
В связи с этим, целью данной работы явилось разработка процесса
изготовления кальцийфосфатных мишеней с заданными элементным и
фазовым составами и необходимыми физико-механическими свойствами для
осаждения ВЧ-магнетронных покрытий.
Достижение цели потребовало решения следующих задач.
1) Изготовить мишени из порошков фосфатов кальция с замещениями
Zn и Cu. Исследовать удельную поверхность исходных порошков, элементный
и фазовый состав спеченных мишеней и их микротвердость.
2) Выполнить исследования по выбору рабочего режима спекания
мишеней с заданными значениями элементного и фазового состава и физико-
механическими свойствами, достаточными для эксплуатации в цикле ВЧ-
магнетронного распыления.
3) Сформировать покрытия на основе ГА методом ВЧ-магнетронного
распыления на подложках из сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb.
4) Определить толщину, исследовать элементный, фазовый состав и
структуру ГА покрытий на подложках из сплавов Ti-6Al-4V и Ti-6Al-7Nb.
1 Материалы, применяемые в медицине

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.

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!

    Елена Л. РЭУ им. Г. В. Плеханова 2009, Управления и коммерции, пре...
    4.8 (211 отзывов)
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно исполь... Читать все
    Работа пишется на основе учебников и научных статей, диссертаций, данных официальной статистики. Все источники актуальные за последние 3-5 лет.Активно и уместно использую в работе графический материал (графики рисунки, диаграммы) и таблицы.
    #Кандидатские #Магистерские
    362 Выполненных работы
    Алёна В. ВГПУ 2013, исторический, преподаватель
    4.2 (5 отзывов)
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическо... Читать все
    Пишу дипломы, курсовые, диссертации по праву, а также истории и педагогике. Закончила исторический факультет ВГПУ. Имею высшее историческое и дополнительное юридическое образование. В данный момент работаю преподавателем.
    #Кандидатские #Магистерские
    25 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
    Дарья Б. МГУ 2017, Журналистики, выпускник
    4.9 (35 отзывов)
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных ко... Читать все
    Привет! Меня зовут Даша, я окончила журфак МГУ с красным дипломом, защитила магистерскую диссертацию на филфаке. Работала журналистом, PR-менеджером в международных компаниях, сейчас работаю редактором. Готова помогать вам с учёбой!
    #Кандидатские #Магистерские
    50 Выполненных работ
    Дарья С. Томский государственный университет 2010, Юридический, в...
    4.8 (13 отзывов)
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссерт... Читать все
    Практикую гражданское, семейное право. Преподаю указанные дисциплины в ВУЗе. Выполняла работы на заказ в течение двух лет. Обучалась в аспирантуре, подготовила диссертационное исследование, которое сейчас находится на рассмотрении в совете.
    #Кандидатские #Магистерские
    18 Выполненных работ
    Елена С. Таганрогский институт управления и экономики Таганрогский...
    4.4 (93 отзыва)
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на напис... Читать все
    Высшее юридическое образование, красный диплом. Более 5 лет стажа работы в суде общей юрисдикции, большой стаж в написании студенческих работ. Специализируюсь на написании курсовых и дипломных работ, а также диссертационных исследований.
    #Кандидатские #Магистерские
    158 Выполненных работ
    Анна С. СФ ПГУ им. М.В. Ломоносова 2004, филологический, преподав...
    4.8 (9 отзывов)
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания... Читать все
    Преподаю англ язык более 10 лет, есть опыт работы в университете, школе и студии англ языка. Защитила кандидатскую диссертацию в 2009 году. Имею большой опыт написания и проверки (в качестве преподавателя) контрольных и курсовых работ.
    #Кандидатские #Магистерские
    16 Выполненных работ
    Вики Р.
    5 (44 отзыва)
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написан... Читать все
    Наличие красного диплома УрГЮУ по специальности юрист. Опыт работы в профессии - сфера банкротства. Уровень выполняемых работ - до магистерских диссертаций. Написание письменных работ для меня в удовольствие.Всегда качественно.
    #Кандидатские #Магистерские
    60 Выполненных работ

    Другие учебные работы по предмету

    Исследование структуры и свойств биоинертных сплавов системы Ti-Nb
    📅 2018год
    🏢 Национальный исследовательский Томский политехнический университет (ТПУ)