ВЛИЯНИЕ ТОПОГРАФИЧЕСКИХ И ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ, СФОРМИРОВАННЫХ НА ПОДЛОЖКЕ TiNi С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННО-ИОННО-ПЛАЗМЕННЫХ ОБРАБОТОК, НА КЛЕТОЧНУЮ БИОСОВМЕСТИМОСТЬ
ВВЕДЕНИЕ 4
1 Литературный обзор 5
1.1 Термоупругие мартенситные превращения и их связь с эффектами памяти формы и сверхэластичности 5
1.2 Взаимодействие ионного и электронного пучков с поверхностью
твердого тела 8
1.2.1 Ионно-пучковая обработка 9
1.2.2 Электронно-пучковая обработка 12
1.3 Основные понятия и методы исследования биосовместимости
металлических материалов 14
2 Задачи, материалы и методика эксперимента 19
2.1 Постановка задачи 19
2.2 Состав сплава и этапы подготовки исходной поверхности образцов ... 20
2.3 Условия и режимы электронно-, ионно-пучковой и ионно-плазменной
модификации поверхностных слоев образцов TiNi 21
2.4 Методы исследования морфологии поверхности 23
2.3.1 Оптическая микроскопия 23
2.3.2 Оптическая профилометрия 26
2.3.3 Электронная Оже-спектроскопия 29
3 Влияние электронно-ионно-плазменных обработок на элементный состав,
топографию поверхности и биосовместимость сплавов на основе TiNi 31
3.1 Элементный состав поверхностной области никелида титана до и после модификации его поверхности пучками электронов и ионов кремния и тантала 31
3.2 Исследование морфологии и параметров шероховатости поверхности образцов до и после обработки пучками электронов и ионов кремния и тантала 33
3.3 Влияние топографических и физико-химических параметров
поверхностных слоев никелида титана до и после электронно -ионно-плазменных обработок на пролиферативную активность мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы 40
3.4 Анализ морфологии мезенхимальных стволовых клеток костного мозгакрысы, культивируемых на поверхности образцов TiNi до и после ионной
имплантации кремнием и танталом 43
ВЫВОДЫ 46
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ И ЛИТЕРАТУРЫ 48
Сплавы на основе никелида титана являются одними из перспективных материалов для медицины. Они обладают уникальными механическими свойствами - эффектами памяти формы и сверхэластичности, которые проявляются в результате мартенситных превращений при изменении внешней нагрузки и/или температуры [1 - 5]. Как известно [6 - 20], металлические материалы медицинского назначения должны удовлетворять основным требованиям: отсутствие токсичности, высокая коррозионная стойкость, биосовместимость. Несмотря на многочисленные результаты, свидетельствующие о коррозионной стойкости никелида титана, этот материал по-прежнему остается источником весьма токсичного элемента - никеля, как в объеме, так и на поверхности. В связи с этим является актуальным задача увеличение параметров биосовместимости данных сплавов путем создания барьерных слоев.
В настоящее время для повышения эксплуатационных характеристик материалов широко используются технологии обработки и модификации поверхности на основе воздействия высокоэнергетическими пучками заряженных частиц (ионы, электроны, плазма) [21 - 38]. Данные обработки за счет перестройки структуры в условиях, далеких от термодинамически равновесных, приводят к формированию поверхностных слоев с уникальным комплексом физико-механических свойств. При этом в объеме сохраняется исходные структура и свойства материала [24 ,34 ,36]. Применение данных обработок позволяет изменить прочностные [21, 25, 28, 29, 31,36], триботехнические [21, 30, 34, 36] и антикоррозионные [26, 24, 36, 37] свойства металлов и сплавов; получить тонкие пленки и покрытия с заданной структурой и свойствами [21, 26, 13, 34 - 36].
Таким образом, целью данной работы является исследование физико-химических параметров поверхностных слоев, сформированных на подложке из никелида титана с использованием электронно-ионно-плазменных обработок, и их влияние на клеточную биосовместимость.
1. Установлено, что обработка поверхностных слоев TiNi с использованием пучков ионов тантала и кремния и/или комбинированное ионно-плазменное осаждение покрытий Ti-Ta и последующий их переплав электронным пучком с материалом подложки, приводит к уменьшению до полного исчезновения Ni на поверхности. Наибольший эффект достигается при ионной имплантации с использованием ионов кремния и после формирования Ti-Ta поверхностного сплава.
2. Комбинированные электро-химические и механическая обработки поверхности образцов TiNi позволяет понизить их уровень шероховатости в ~ 10 раз.
3. Показано, что обработка образцов листового проката из сплава TiNi с использованием НСЭП приводит к удалению следов проката и частиц вторых фаз, формированию однородного химического состава и к выглаживанию поверхности (уменьшению уровня шероховатости в ~ 5 раз). Это позволяет использовать данный способ обработки, как универсальный метод предподготовки поверхности материала подложки из сплава на основе TiNi без привлечения дополнительных методов.
4. Установлено, что ионная модификация поверхности не приводит к увеличению параметров шероховатости облученных образцов TiNi.
5. Выявлена взаимная корреляция топографических и химических параметров поверхности образцов сплава TiNi до и после их модификации с использованием электронно-ионно-плазменных обработок с параметрами биосовместимости мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы, из которой следует, что повышение пролиферативной активности наблюдается после обработки НСЭП и электронно-ионно-плазменных обработок, с использованием Та, как легирующего элемента, а понижение пролиферативной активности - после ионно-пучковой обработки и использованием ионов тантала и кремния.
6. Установлено, что размер мезенхимальных стволовых клеток костного мозга крысы, культивируемых на поверхности ионно-модифицированных образцов, увеличивается в 2 раза относительно значения на исходной поверхности. Кроме того наблюдается изменение формы МСК КМК с округлой (на поверхности исходных образцов С0.1) на трапециевидную. Это является первыми признаками дифференцировки клеток.
