04 марта 2016г.
Одной из важных задач биоматериаловедения является повышение биосовместимости внутрикостных имплантатов, в том числе путем модификации их поверхности.
Одним из эффективных способов модифицирования поверхности является метод плазменного напыления, благодаря которому на поверхности имплантатов можно сформировать пористые, адгезионнопрочные покрытия с развитой морфологией. С технологической точки зрения метод электроплазменного напыления отличается экологической чистотой, высокой производительностью, возможностью регулирования параметров напыления в широких пределах [1].
Биологические жидкости организма (кровь, лимфа) являются по своей сути водными растворами, в связи с чем степень гидрофильности поверхности имплантата оказывает влияние на прикрепление остеогенных клеток к его поверхности [2,3].
Целью работы является исследование влияния составов напыляемых порошков на степень гидрофильности полученных покрытий, а как следствие на характер взаимодействия с прилежащими тканями.
Покрытия формировались из двух типов металлсодержащих гидроксиапатитовых порошков, а именно серебросодержащих (AgГА) и цинксодержащих (ZnГА) гидроксиапатитов.
Синтез металлсодержащих порошков производился в лаборатории кафедры БМА СГТУ имени Гагарина Ю.А. Покрытие формировалось на образцах из титана марки ВТ1-0 размером 10 ´ 10 ´ 3 мм2.
Перед нанесением покрытия образцы подвергались очистке в УЗ-ванне в течение 5 минут и воздушно- абразивной обработке для придания им необходимого микрорельефа в течение 10 минут.
Многослойное покрытие формировалось на полуавтоматической установке УПН-28 при токе дуги для металлсодержащих гидроксиапатитов – 350 А, скорости расхода транспортирующего газа – 5 л/мин, времени напыления – 5-7 с.
Измерение шероховатости полученных покрытий проводили с помощью профилографа-профилометра модели 170623 по параметру Ra. Морфологию поверхности металлсодержащих гидроксиапатитов исследовали с использованием автоэмиссионного сканирующего электронного микроскопа MIRA 2 LMU. Для оценки степени гидрофильности поверхности покрытий проводили измерение краевых углов смачивания с водой и глицерином методом лежащей капли с последующим расчетом свободной энергии поверхности (с выделением полярной и дисперсионной составляющей), которую рассчитывали по уравнению Оуэнса-Вендта [4].
Угол смачивания определяется, как угол (θ0) между касательной, проведенной к поверхности смачиваемой жидкости (в эксперименте – вода, глицерин) и смачиваемой поверхностью (в эксперименте плазмонапыленные металлсодержащие гидроксиапатитовые покрытия) (Рисунок 1).
Исследования морфологии
металлсодержащих гидроксиапатитовых покрытий
показали, что оба типа покрытия сформированы округлыми частицами напыленного порошка размерами порядка 100 мкм на которых закреплены расплавленные частицы порошка
размером порядка 15-50 мкм (Рисунок 2, а, б). Причем морфология ZnГА покрытия
представлена большим скоплением
мелких частиц (до 20 мкм), что предположительно связано с дроблением крупных частиц порошка в процессе электроплазменного напыления. Серебросодержащее покрытие представлено не плотноупакованными частицами, расположенными по поверхности не равномерно, в свою очередь цинксодержащие покрытие – плотное,
полностью закрывающее титановую
подложку.
Исследования степени
гидрофильности поверхности показали, что нанесение
покрытий способствует ее повышению (Табл.1). Так, краевой угол смачивания
поверхности титана водой без покрытия составлял
67,1°, а после нанесения биоактивных покрытий происходит уменьшение угла смачивания до значений порядка
47-25°.
Как видно из Табл.1, поверхностная энергия определяется преимущественно полярной составляющей, что свидетельствует о присутствии на поверхности полярных групп. Сравнительный анализ результатов показал,
что AgГА обладает лучшими показателями смачиваемости поверхности, чем ZnГА и гидроксиапатитовое покрытие, при этом все образцы
с напыленными покрытиями проявляют гидрофильные свойства (θ0 < 90°). Значения контактных углов c водой для полученных покрытий
лежат в пределах 20-60°, что согласно литературным данным является
наилучшим показателем для поверхности имплантата [5].
Таблица 1 Значения краевого
угла и поверхностной энергии
некоторых замещенных гидроксиапатитовых покрытий
|
Тип покрытия
|
Ra, мкм
|
Краевой угол, град
|
Поверхностная энергия, мН/м
|
|
Вода
|
Глицерин
|
Полная
|
Дисперсионная составляющая
|
Полярная составляющая
|
|
Титан исходный
|
0,9
|
67,1
|
73,88
|
18,59
|
4,739
|
13,850
|
|
Гидроксиапатит
|
6,02
|
46,8
|
89,42
|
91,655
|
6,444
|
85,211
|
|
ZnГА
|
8,2
|
46,2
|
85,84
|
81,595
|
4,198
|
81,793
|
|
AgГА
|
4,22
|
25,15
|
47,09
|
70,213
|
3,186
|
67,027
|
Исследования показали, что биосовместимые покрытия на основе металлсодержащих гидроксиапатитов, полученные методом
плазменного напыления, показывают достаточно высокую степень
гидрофильности, что связано с развитым
микрорельефом и может
благоприятно сказаться
на остеоинтеграционном потенциале.
Исследование выполнено при финансовой поддержке гранта РФФИ в рамках научного проекта № 15-03- 02767 а, а также грантов
Президента для государственной поддержки молодых
российских ученых РФ
– докторов наук МД-462.2014.8 и кандидатов наук МК-457.2014.8.
Список литературы
1.
Лясников В.Н., Лясникова
А.В. Плазменное напыление
в промышленности и медицине: возможности, проблемы,
перспективы: монография / В.Н. Лясников, А.В. Лясникова. Днепропетровск: ФОП Середняк Т.К, 2014. - 924 с.
2.
Biomaterials science: an introduction to materials
in medicine. 2nd edition / ed. by B.D. Ratner, A.S. Hoffman, F.J. Schoen,
J.E. Lemons. San Diego: Elsevier Academic Press,
2004. 851 p.
3.
Wettability of thin silicate-containing hydroxyapatite films formed by RF-magnetron sputtering / Gorodzha S.N., Surmeneva M.A., Surmenev R.A., Gribennikov M.V., Pichugin
V.F., Sharonova A.A., Pustovalova A.A., Prymack O., Epple M., Wittmar A., Ulbricht M., Gogolinskii K.V., Kravchuk
K.S. // Russian Physics Journal. 2014. – Т. 56. № 10. – С. 1163-1169.
4.
Вережников В.Н. Избранные главы коллоидной химии:
учебное пособие для вузов. ИПЦ: Воронежского государственного университета, 2011. – 188 с.
5.
Webb K., Hlady V., Tresco P.A. Relative importance
of surface wettability and charged functional groups on NIH 3T3 fibroblast attachment, spreading, and cytoskeletal organization // J. Biomed. Mater. Res. – 1998. – V.241. – P. 422-430.
