Формирование биоактивных покрытий методом высокочастотного магнетронного распыления Р-трикальцийфосфатных мишеней с добавлением легирующих примесей
|
Введение 12
1. Биоматериалы 15
1.1 Металлы 15
1.2 Биокерамика 17
1.3 Полимеры 18
1.4 Композитные материалы 19
1.5 Способы нанесения КФ покрытий 20
2. Методы исследования покрытий 26
2.1 Оптическая спектроскопия 26
2.2 Атомно-силовая микроскопия 26
2.3 Эллипсометрия 27
2.4 Рентгенофлуоресцентный анализ 28
2.5 Инфракрасная спектроскопия 29
2.6 Сканирующая электронная микроскопия 29
2.7 Свободная энергия поверхности 30
3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 31
3.1 Тенденции развития и сегментация мирового рынка изделий из
биоматерилов 31
3.2 Ключевые потребители 33
3.3 Конкурентные преимущества продукта 34
3.4 Рыночный потенциал продукта 36
3.5 Планирование исследования 36
3.6 Затраты на расходные материалы 41
3.7 Затраты на персонал 41
3.8 Контрагентные расходы 43
3.9 Накладные расходы 44
3.10 Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение» 44
1. Биоматериалы 15
1.1 Металлы 15
1.2 Биокерамика 17
1.3 Полимеры 18
1.4 Композитные материалы 19
1.5 Способы нанесения КФ покрытий 20
2. Методы исследования покрытий 26
2.1 Оптическая спектроскопия 26
2.2 Атомно-силовая микроскопия 26
2.3 Эллипсометрия 27
2.4 Рентгенофлуоресцентный анализ 28
2.5 Инфракрасная спектроскопия 29
2.6 Сканирующая электронная микроскопия 29
2.7 Свободная энергия поверхности 30
3. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 31
3.1 Тенденции развития и сегментация мирового рынка изделий из
биоматерилов 31
3.2 Ключевые потребители 33
3.3 Конкурентные преимущества продукта 34
3.4 Рыночный потенциал продукта 36
3.5 Планирование исследования 36
3.6 Затраты на расходные материалы 41
3.7 Затраты на персонал 41
3.8 Контрагентные расходы 43
3.9 Накладные расходы 44
3.10 Выводы по разделу «Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и
ресурсосбережение» 44
В современной реконструктивной медицине для лечения костных травм нашли широкое распространение имплантаты, изготавливаемые на основе металлов и их сплавов (например, титан и его сплавы, легированные стали и др.). Данные материалы являются устойчивыми к механическим нагрузкам, возникающим в процессе жизнедеятельности человека. Однако контакт металлических имплантатов с тканями организма часто сопровождается металлозом - явлением накопления продуктов коррозии в окружающих тканях. Металоз - сопровождается процессом воспаления окружающих тканей, что приводит к расшатыванию самого имплантата. Что существенно снижает эффективность лечения. Современные материалы, используемые для изготовления имплантатов, отличаются высокой механической совместимостью с костной тканью, однако их биологическая совместимость достаточно ограничена. Известно, что основными параметрами, влияющими на процесс остеоинтеграции, являются морфология поверхности имплантата, ее химический состав и поверхностная энергия [1]. Данные факторы оказывают влияние не только на остеоинтеграцию в целом, но также и на отдельные ее этапы, а именно осаждение, миграция, пролиферация и дифференцирование клеток.
Повышение биосовместимости костных имплантатов, используемых в травматологии, ортопедии,восстановительной хирургии, является актуальной задачей для ученых многих стран мира. В ряде развитых стран, таких как США, Япония, Германия, решение данной задачи осуществляется, как правило, в двух направлениях.
Суть первого направления заключается в создании новых конструкционных биоматериалов. Основными этапами его исследования являются определение физико-химических свойств материала, изучение воздействия продуктов его деградации и износа на организм и на конструкцию имплантата, а также оценка химического воздействия биологических жидкостей организма и внешних факторов на имплантат. Данное исследовательское направление связано с серьезными финансовыми и временными затратами.
Второе исследовательское направление - это модифицирование поверхности ранее разрешенных для использования в имплантологии материалов для увеличения их биосовместимости и биоактивности. Одним из основных способов достижения данных целей является нанесение кальцийфосфатных покрытий. Такие покрытия обладают химическим составом близким к составу костной ткани, что обеспечивает высокую биосовместимость имплантата с организмом [2]. Кроме того, в состав покрытий могут входить специальные добавки. Например, магний тесно связан с минерализацией костных тканей, стимуляции распространения остеобластов и способен уменьшить риск образования остеопороза. Стронций считается естественным остеотропным элементом и исследования клеток на живом организме продемонстрировали возможность предотвратить резорбцию костей, а также стимулировать и улучшить костеобразование в случае остеопороза [3], [4], [5]. Это направление является актуальным, поскольку в нем предусмотрено использование в качестве основы имплантата ранее изученных материалов с известными прочностными характеристиками, долговечностью, биосовместимостью и др.
В наши дни активно разрабатываются и совершенствуются методы
модифицирования поверхности металлических имплантатов для увеличения остеоинтеграции. Одним из наиболее эффективных способов увеличения остеоинтеграции имплантата является нанесение на его поверхность разного рода кальций-фосфатных (КФ) покрытий, в том числе, с легирующими добавками. Активное использование КФ покрытий в имплантологии обусловлено сходством химического состава покрытия и костной ткани организма. Для решения разного рода задач необходимо создавать покрытия с широкими спектрами толщины, морфологии и скорости резорбции. По этой причине используются разные способы нанесения КФ покрытий, а именно высокочастотное магнетронное распыление; плазменное напыление; зольгельное, электрохимическое, электрофорезное, биомиметическое осаждение; микродуговое оксидирование и другие способы.
Высокочастотное магнетронное напыление - это один из наиболее перспективных методов формирования КФ покрытий. С его помощью можно получать плотные беспористые покрытия с высокой адгезией и регулируемым химическим составом. Покрытия обеспечивают остеоинтеграцию имплантанта с костной тканью [1], [6].
Его основным достоинством является его универсальность. При помощи данного метода возможно распыление диэлектрических мишеней. Так же данная обработка позволяет использовать широкий спектр подложек.
Однако данный метод обладает таким недостатком как низкая скорость формирования покрытий. Одним из способов решения этой проблемы является подбор оптимального химического состава распыляемых мишеней. Актуальность данной работы заключается в исследовании возможности увеличения скорости напыления покрытий, а также в исследовании их физикохимических свойств.
Целью дипломной работы является исследование влияния добавок Sr и Mg на физико-химические свойства покрытия. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) подбор режимов для формирования КФ покрытий методом высокочастотного магнетронного распыления трикальцийфосфатных (ТКФ) мишеней с добавлением примесей и изготовление опытных образцов;
2) провести исследование влияния добавок на скорость осаждения покрытий, их морфологию и физико-химические свойства;
3) выявление зависимостей.
На сегодняшний день одним из наиболее распространенных направлений в травматологии и ортопедии является имплантология. Имплантация - это вживление искусственного органа или его части (имплантата) в живой организм в процессе хирургической операции. Однако недостаточно внедрить имплантат в организм, необходимо чтобы он прижился и не отторгался организмом человека. Если имплантат не обладает высокой биосовместимостью, то иммунная система начинает отвергать имплантат, что может привести к воспалительным реакциям и повторным операциям.
Спектр материалов, использующихся в медицине, достаточно широк, и включает в себя не только материалы природного происхождения, но и искусственного. Такими материалами могут быть керамика, металлы, полимеры, а также композитные материалы. Под термином «биоматериалы» принято считать материалы, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств.
Повышение биосовместимости костных имплантатов, используемых в травматологии, ортопедии,восстановительной хирургии, является актуальной задачей для ученых многих стран мира. В ряде развитых стран, таких как США, Япония, Германия, решение данной задачи осуществляется, как правило, в двух направлениях.
Суть первого направления заключается в создании новых конструкционных биоматериалов. Основными этапами его исследования являются определение физико-химических свойств материала, изучение воздействия продуктов его деградации и износа на организм и на конструкцию имплантата, а также оценка химического воздействия биологических жидкостей организма и внешних факторов на имплантат. Данное исследовательское направление связано с серьезными финансовыми и временными затратами.
Второе исследовательское направление - это модифицирование поверхности ранее разрешенных для использования в имплантологии материалов для увеличения их биосовместимости и биоактивности. Одним из основных способов достижения данных целей является нанесение кальцийфосфатных покрытий. Такие покрытия обладают химическим составом близким к составу костной ткани, что обеспечивает высокую биосовместимость имплантата с организмом [2]. Кроме того, в состав покрытий могут входить специальные добавки. Например, магний тесно связан с минерализацией костных тканей, стимуляции распространения остеобластов и способен уменьшить риск образования остеопороза. Стронций считается естественным остеотропным элементом и исследования клеток на живом организме продемонстрировали возможность предотвратить резорбцию костей, а также стимулировать и улучшить костеобразование в случае остеопороза [3], [4], [5]. Это направление является актуальным, поскольку в нем предусмотрено использование в качестве основы имплантата ранее изученных материалов с известными прочностными характеристиками, долговечностью, биосовместимостью и др.
В наши дни активно разрабатываются и совершенствуются методы
модифицирования поверхности металлических имплантатов для увеличения остеоинтеграции. Одним из наиболее эффективных способов увеличения остеоинтеграции имплантата является нанесение на его поверхность разного рода кальций-фосфатных (КФ) покрытий, в том числе, с легирующими добавками. Активное использование КФ покрытий в имплантологии обусловлено сходством химического состава покрытия и костной ткани организма. Для решения разного рода задач необходимо создавать покрытия с широкими спектрами толщины, морфологии и скорости резорбции. По этой причине используются разные способы нанесения КФ покрытий, а именно высокочастотное магнетронное распыление; плазменное напыление; зольгельное, электрохимическое, электрофорезное, биомиметическое осаждение; микродуговое оксидирование и другие способы.
Высокочастотное магнетронное напыление - это один из наиболее перспективных методов формирования КФ покрытий. С его помощью можно получать плотные беспористые покрытия с высокой адгезией и регулируемым химическим составом. Покрытия обеспечивают остеоинтеграцию имплантанта с костной тканью [1], [6].
Его основным достоинством является его универсальность. При помощи данного метода возможно распыление диэлектрических мишеней. Так же данная обработка позволяет использовать широкий спектр подложек.
Однако данный метод обладает таким недостатком как низкая скорость формирования покрытий. Одним из способов решения этой проблемы является подбор оптимального химического состава распыляемых мишеней. Актуальность данной работы заключается в исследовании возможности увеличения скорости напыления покрытий, а также в исследовании их физикохимических свойств.
Целью дипломной работы является исследование влияния добавок Sr и Mg на физико-химические свойства покрытия. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) подбор режимов для формирования КФ покрытий методом высокочастотного магнетронного распыления трикальцийфосфатных (ТКФ) мишеней с добавлением примесей и изготовление опытных образцов;
2) провести исследование влияния добавок на скорость осаждения покрытий, их морфологию и физико-химические свойства;
3) выявление зависимостей.
На сегодняшний день одним из наиболее распространенных направлений в травматологии и ортопедии является имплантология. Имплантация - это вживление искусственного органа или его части (имплантата) в живой организм в процессе хирургической операции. Однако недостаточно внедрить имплантат в организм, необходимо чтобы он прижился и не отторгался организмом человека. Если имплантат не обладает высокой биосовместимостью, то иммунная система начинает отвергать имплантат, что может привести к воспалительным реакциям и повторным операциям.
Спектр материалов, использующихся в медицине, достаточно широк, и включает в себя не только материалы природного происхождения, но и искусственного. Такими материалами могут быть керамика, металлы, полимеры, а также композитные материалы. Под термином «биоматериалы» принято считать материалы, предназначенные для контакта со средой живого организма и используемые для изготовления медицинских изделий и устройств.