Введение 11
1 Теоретическая часть 13
1.1 Электрохимическое анодированием 13
1.2 Методы получения кальций-фосфатных покрытий 16
1.3 Ионно-плазменное напыление 18
1.4 Высокочастотное магнетронное напыление 19
1.4.1 Магнетронные распылительные системы 20
1.5 Методы исследования структуры и элементного состава тонких
пленок 37
1.6 Области применения гибридных биокомпозитов 38
2 Экспериментальная часть 40
2.1 Получение оксидных титановых нанотрубок 40
2.2 Получение кальций-фосфатных покрытий 41
2.3 Сканирующая электронная микроскопия полученного
биокомпозита 47
2.4 Рентгеновский фазовый анализ 48
2.5 Определение элементного состава биокомпозита методом
рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии 49
2.6 Определение твердости и модуля Юнга методом
наноиндентирования 52
3 Анализ и интерпретация полученных результатов 55
3.1 Исследование морфологии биокомпозита 55
3.2 Исследование структуры и фазового состава биокомпозита 60
3.3 Исследование элементного состава биокомпозита 61
3.4 Исследование механических свойства биокомпозита 66
4 Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение 71
4.1 Потенциальные потребители результатов исследования 71
4.2 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 72
4.3 Диаграмма Исикава 74
4.4 SWOT-анализ 75
4.5 Бюджет научного исследования 77
4.5.1 Сырье, материалы, покупные изделия и полуфабрикаты 77
4.5.2 Специальное оборудование для научных работ 78
4.5.3 Основная заработная плата 79
4.5.4 Дополнительная заработная плата научно-производственного
персонала 80
4.5.5 Отчисления на социальные нужды 81
4.5.6 Научные и производственные командировки 81
4.5.7 Накладные расходы 81
4.6 Организационная структура проекта 82
4.7. Матрица ответственности 82
4.8. План управления коммуникациями проекта 83
4.9. Реестр рисков проекта 83
4.10 Оценка сравнительной эффективности исследования 84
5 Социальная ответственность 86
5.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 87
5.2 Требования безопасности при выполнении работ в химических
лабораториях 89
5.2.1. Общие требования 89
5.2.2. Характеристика вредных веществ 90
5.2.3. Действия работников при аварийных ситуациях 91
5.2.4 Оказание первой доврачебной помощи 92
5.3 Требования безопасности при выполнении работ с
использованием персональных электронно-вычислительных машин 93
5.3.1 Организационные мероприятия 93
5.3.2 Технические мероприятия 93
5.3.3 Условия безопасной работы 96
5.4 Электробезопасность 99
5.4.1 Правила оказания первой помощи 101
5.5 Пожарная и взрывная безопасность 101
Заключение 104
Список публикаций 106
Список литературы 107
Приложение А 112
Introduction 114
1 Materials and methods 116
1.1 Fabrication of titanium nanotube layer 116
1.2 Deposition of the CaP coating 117
1.3 Characterization of the surface of prepared biocomposites 118
1.4 Characterization of the microstructure 119
1.5 Characterization of the chemical composition 121
1.6 Investigation of mechanical behavior 122
Современная медицина широко использует искусственные материалы для замены поврежденных тканей и органов. В зависимости от назначения вводимые в организм имплантаты должны замещаться живой тканью и / или функционировать длительное время. Большую часть используемых в настоящее время имплантатов изготавливают из титана (Ti) и титановых сплавов - материалов с приемлемыми (но небезупречными) коррозионными и коррозионно-механическими свойствами. Эти материалы не должны подвергаться коррозии и вызывать реакций иммунной системы, иметь характеристики, приближенные к механическим характеристикам костной ткани, интегрироваться с ней и стимулировать процесс остеогенеза [3]. Поэтому задача получения биоматериала на Ti основе со свойствами близкими к костной ткани является актуальной проблемой.
TiO2 нанотрубки могут быть использованы в качестве одного из компонентов для создания подобных биокомпозитов. Регулируя геометрические параметры оксидных титановых нанотрубок можно изменять физико-механические свойства покрытия, тем самым приближая их к свойствам той или иной костной ткани. Полая структура TiO2 нанотрубок может быть использована в качестве системы доставки лекарств в место вживления имплантата. Кристаллическая структура TiO2 нанотрубок способствует образованию гидроксиапатита (ГА, Caio(PO4)6(OH)2) [2].
Для реконструктивной хирургии представляют интерес кальцийфосфатные (КФ) покрытия, повышающие прочность сцепления имплантатов с костной тканью, усиливающие их способность к остеоиндукции и остеокондукции. В качестве материала для получения биопокрытий на металлических имплантатах для стоматологии и ортопедии традиционно используется ГА, который является основным минеральным компонентом костной ткани [44]. На данный момент основными методами, используемыми для формирования данных покрытий, являются метод плазменного напыления, импульсного лазерного осаждения, электрофоретического осаждения, биомиметические методы, золь гель метод и метод высокочастотного магнетронного напыления. Метод ВЧ-магнетронного напыления позволяет производить ГА-покрытия высокого качества с хорошим сопротивлением к износу, высокой адгезионной прочностью между подложкой и покрытием, и хорошей биологической реакцией, как в экспериментах с животными, так и в пробирках с клетками [1].
В литературе пока не описано результатов исследования гибридных биокомпозитов на основе оксидных титановых нанотрубок и пленок ГА.
В рамках данной работы был поставлена цель: сформировать гибридные слои на основе оксидных титановых нанотрубок и покрытия ГА методами электрохимического анодирования и ВЧ-магнетронного распыления на Ti подложке и изучить физико-химические и механические свойства данного биокомпозита.
Исходя из цели были сформулированы следующие задачи:
• Изучение методов получения наноструктурированных слоев оксида титана и наноструктурированного покрытия на основе ГА с заданными свойствами.
• Определение закономерностей процесса анодного окисления титана, установление влияния условий процесса электрохимического анодирования на геометрические характеристики получаемых покрытий и их морфологию.
• Проведение комплексного систематического исследование физико-химических и механических свойств полученного биокомпозита.
• Исследование взаимосвязи параметров процесса получения, особенностей строения, состава, физических и функциональных свойств гибридных систем с различной архитектурой.
В рамках данной выпускной квалификационной работы были получены нанотрубки диоксида титана на Ti подложке методом электрохимического анодирования. На поверхность нанотрубок диоксида титана было напылено кальций-фосфатное покрытие методом ВЧ-магнетронного распыления. Для исследования морфологии, физико-химических и физико-механических свойств полученных гибридных наноструктурных биокомпозитов использовались следующие методы:
• сканирующая электронная микроскопия;
• рентгеновский фазовый анализ;
• рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия;
• наноиндентирование;
На основании полученных результатов можно сделать следующие выводы:
1) Исследовано влияние параметров анодирования на размеры нанотрубок. Увеличение напряжения и времени электрохимического анодирования приводит к увеличению таких геометрических параметров TiO2 нанотрубок, как длина и диаметр нанотрубок. Однако, при увеличении времени анодирования происходит снижение средней скорости роста покрытия, а увеличении рабочего напряжения способствует увеличению как геометрических параметров нанотрубок, так и средней скорости роста нанотрубок.
2) Установлено, что отжиг полученных оксидных нанотрубок при 500°С позволяет получать структуру анатаза, которая более благоприятна, чем структура рутила для образования ГА при осаждении [9,10].
3) На поверхности оксидных нанотрубок образовался биокомпозит состоящий из наноразмерного кристаллического ГА и аморфного КФ. Значения энергии связи для областей Ca 2p3/2, P 2p3/2 и O 1s свидетельствуют о формировании ГА (Ca10(PO4)6(OH)2). Данные результаты также подтверждаются результатами РФА, которые свидетельствуют о наличии кристаллического ГА. Однако, среднее значение отношения Ca/P составило 1,02, что значительно ниже стехиометрического значения для ГА, которое равно 1,67.
4) Показано, что поверхность пористого оксида титана оказывает влияние на свойства полученного биоактивного композита на поверхности TiO2 нанотрубок, которое на данный момент не изучено в литературе.
5) Показано, что значения модуля Юнга (рисунок 3.4.1) и нанотвердости (рисунок 3.4.2) полученного гибридного наноструктурного биокомпозита близки к данным значениям (E = 0,1-30 Гпа [42,42], H = 0,5-1 ГПа [46,47]) для костной ткани опорно-двигательного аппарата, по сравнению с значениями для Ti подложки (рисунок 3.4.1 и 3.4.2).
6) Варьирование параметров анодирования и параметров ВЧ- магнетронного напыления позволяет контролировать свойства гибридного биокомпозита с целью получения биокомпозита с характеристиками, удовлетворяющими той или иной области практического применения в имплантологии и ортопедии.
Помимо исследовательской работы было проведено сравнение экономических затрат, связанных с получением биокомпозита представленного в данной работе и имеющихся в мире аналогов. В рамках данного анализа на основании расчета затрат данного проекта была произведена оценка сравнительной эффективности проекта с аналогами. Методика получения гибридного биокомпозита для имплантологии и ортопедии, представленная в данной работе, позволяет сократить затраты на 13%. Данная цифра является весомой в условиях масштабного производства и сегодняшнего мирового экономического кризиса.
Результаты проведенного исследования могут быть использованы в имплантологии и ортопедии.
Помощь студентам и аспирантам в выполнении работ от наших партнеров
