Введение 12
1. Биомедицинские материалы, требования к ним и методы
их модифицирования 15
1.1. Классификация биологических реакций на имплантируемые
материалы 15
1.2. Требования к имплантатам и их покрытиям 18
1.3. Биосовместимые имплантаты на основе титана и его сплавов 22
1.4. Биосовместимые материалы на основе ортофосфатов кальция 25
1.4.1. Ортофосфаты кальция, получаемые в водных растворах 27
1.4.2. Высокотемпературные ортофосфаты 31
1.5. Методы осаждения кальций-фосфатных покрытий 34
1.5.1. Плазменное напыление 34
1.5.2. Золь-гель метод 35
1.5.3. Электрохимическое осаждение 38
1.5.4. Микродуговое оксидирование 42
1.5.5. Осаждение ионным пучком 46
1.5.6. Импульсное лазерное осаждение 48
1.5.7. Метод взрывного испарения 50
1.5.8. Метод детонационно-газового напыления 53
1.5.9. Высокочастотное магнетронное распыление 55
2. Методика эксперимента 59
2.1. Подготовка образцов 59
2.2. Подготовка мишеней 59
2.3. Установка для осаждения кальций-фосфатных покрытий 60
2.4. Технологические параметры напыления кальций - фосфатных
покрытий 62
2.5. Методы исследований покрытий 63
2.5.1. Атомно-силовая микроскопия 63
2.5.2. Эллипсометрия 68
2.5.3. Смачиваемость 68
2.5.4. ИК-Фурье спектроскопия 68
2.5.5. Рентгенофлуоресцентный анализ 69
2.5.6. Диагностика ВЧ-плазмы методом оптической спектроскопии 69
2.5.7. Адгезия и жизнеспособность клеток 71
3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 74
3.1. Потенциальные потребители (рынок) 75
3.2. Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 78
3.3. Контрольные события проекта 80
3.4. Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты 81
3.5. Численность работников и затраты на оплату труда 85
3.6. Выводы по разделу «Финансовый менеджмент,
ресурсоэффективность и ресурсосбережение» 88
Список научных публикаций 89
Сегодня большинство научных групп сходятся во мнении, что для хорошей остеоинтеграции имплантата с костной тканью ее поверхность должна иметь развитую пористую поверхность и определенный химический состав [1]. Развитая топография на микроуровне способствует прикреплению и пролиферации клеток костной ткани, а значительное количество кальция и фосфора стимулирует дифференцировку стволовых клеток в остеобласты, способствуя процессу остеоинтеграции имплантата с костной тканью, ее «врастанию» в имплантат, тем самым обеспечивая прочную и надежную фиксацию последнего [2-4]. Для придания поверхности металлического имплантата хороших остеоинтеграционных свойств используют кальцийфосфатные (КФ) покрытия, полученные методами микродугового оксидирования, лазерной абляции и др. [5-7].
Однако существует ряд имплантатов, где развитая поверхность не требуется, например, съемные пластины для накостного остеосинтеза. После лечения костного перелома (трещины) возникает проблема удаления из-за плотного сцепления костной ткани с поверхностью имплантата, тем самым усложняется процесс операции и увеличивается травматизация пациента.
При изготовлении эндопротеза поверхность основания ножки имплантата выполняют из высокопористых биоактивных материалов, а конец ножки, являющийся областью с высокой концентрацией напряжений, по возможности, оставляют гладкой с полированной поверхностью. Таким образом, ножка эндопротеза неподвижно закреплена в костно-мозговом канале бедренной кости и возможность микроперемещений имплантата сохранена, что предотвращает возникновение микротравм и сопутствующих воспалительных реакций [8].
Улучшение остеоинтеграционных свойств имплантатов, предназначенных для последующего удаления, направлено на развитие топографии поверхности на наноуровне [9, 10]. Развитая топография поверхности на наноуровне увеличивает абсорбцию белка, улучшает клеточную адгезию и жизнеспособность [11]. Среди методов улучшения топографии поверхности на наноуровне можно выделить метод высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР) КФ мишеней [12]. КФ покрытия, сформированные методом ВЧМР, обладают высокой адгезией к подложке [13], поэтому этот метод является перспективным способом формирования на гладких имплантатах покрытий с нанотопологией.
В настоящие время большинство научных публикаций о ВЧМР кальций-фосфатных покрытиях посвящено исследованию свойств покрытий, полученных распылением мишеней из гидроксиаппатита (Ca1o(PO4)6(OH)2) [14], трикальцийфосфата (ТКФ), кальция фосфорнокислого двузамещенного (DCPA) [15], а также мишеней из фосфатов кальция различного химического состава [16].
Химический состав распыляемой мишени является ключевым фактором, определяющим структуру и свойства покрытия [17]. Поэтому оценка возможности использования метода ВЧМР, как способа развития нанотопографии поверхности костных имплантатов требует проведения исследований, направленных на изучение влияния химического состава распыляемой мишени на топографию, химический состав и биосовместимость полученных покрытий с момента его формирования.
Целью работы является формирование биоактивных покрытий на поверхности металлических подложек методом ВЧ-магнетронного
распыления порошковых кальций-фосфатных мишеней разного химического состава и выявление закономерностей влияния химического состава распыляемой мишени на физико-химические и медико-биологические свойства покрытий.
Для достижения данной цели в работе были поставлены следующие задачи:
1. подобрать режимы распыления порошковых КФ мишеней разного химического состава методом ВЧ магнетронного напыления и изготовить опытные образцы КФ покрытий при выбранных режимах;
2. провести исследования физико-химических свойств, смачиваемости и морфологии поверхности КФ покрытий; провести медико-биологические исследования образцов;
3. выбрать оптимальную порошковую мишень для формирования наношероховатости по совокупности всех свойств.
Положение, выносимое на защиту: биоактивные кальций-фосфатные покрытия, полученные ВЧ-магнетронным распылением порошковых кальций-фосфатных мишеней разного химического состава, обладают развитой наношероховатостью, высокой биосовместимостью с тканями организма и улучшают жизнеспособность мезенхимальных стволовых клеток, являются нетоксичными.
Личный вклад автора заключается в обосновании проблемы, постановке и решении основных задач исследования, анализе и интерпретации экспериментальных результатов.
