Тема: Исследование влияния состава распыляемой мишени и рабочего газа на свойства кальций-фосфатных покрытий

В последние годы травмы являются одной из основных причин смертности населения в Российской Федерации наряду с сердечно-сосудистыми, онкологическими и инфекционными заболеваниями. Дорожно-транспортный травматизм, техногенные и природные катастрофы, терроризм и военные конфликты, урбанизация способствуют неуклонному росту травматизма населения. Огромное влияние травматизм оказывает на экономические и медикосоциальные проблемы общества, поскольку ведет к инвалидизации и смертности преимущественно трудоспособной части населения.
В свою очередь, операции соединения отломков костей с помощью специальных накостных и внутрикостных имплантатов связаны с риском развития осложнений вследствие нестабильной внутренней фиксации имплантата. Высокие скорость и качество консолидации костей, а в необходимых случаях и интеграция кости с внедренным в нее имплантатом являются необходимыми условиями успешного лечения и реабилитация таких больных.
Одним из наиболее серьезных возрастных заболеваний является остеопороз - заболевание скелета, при котором происходит уменьшение его плотности (массы костной ткани в единице ее объема), сопровождающееся нарушением его структуры. Слабость скелета приводит к развитию переломов даже при незначительной травме. Остеопоротические переломы обусловливают большие материальные затраты в области здравоохранения и приводят к высокому уровню нетрудоспособности, включая инвалидность и смертность. Операции, связанные с использованием имплантатов у пациентов с остеопорозом, связаны с большим риском развития осложнений вследствие ослабления связи между имплантатом и костью из-за резорбции кости на границе раздела. Поэтому во многих случаях пациентам с остеопорозом требуется повторное хирургическое вмешательство.
Успешная остеоинтеграция имплантата, высокая скорость и качество консолидации костей являются залогом реабилитации пациентов с дефектами структуры костной ткани. По статистике, сращивание переломов занимает от 4 до 10 месяцев. Согласно мировым стандартам, удлинение кости на 1 см при помощи аппарата Илизарова занимает 45-65 дней, что вызывает дополнительные осложнения и в 6-30% случаев приводит к инвалидности.
Причины того, что за последние 100 лет практически не изменились сроки сращения переломов связаны, прежде всего, с тем, что в подавляющем большинстве случаев остеосинтез осуществляется с использованием устаревших материалов и технологий, в которых отсутствуют биоактивные и остеостимулирующие компоненты. Требуемые материалы частично или полностью отсутствуют на российском рынке. В таких областях медицины, как травмотология и краниофциальная хирургия, наблюдается особенно острый дефицит имплантатов, предназначенных для восстановления крупных дефектов и патологий структуры костной ткани.
Самого по себе регенеративного потенциала организма пациента недостаточно для восстановления больших костных дефектов. Перспективным методом повышения качества восстановления функций опорно-двигательного аппарата и фиксации имплантатов является модифицирование их поверхности путем нанесения биоактивных покрытий, в том числе из различных фосфатов кальция.
Все вышеизложенное обусловливает необходимость разработки новых материалов, обладающих необходимым набором заданных свойств для персонализированной медицины.
Степень разработанности темы исследования
На сегодняшний день как в России, так и за рубежом активно ведутся работы по созданию медицинских имплантатов с биоактивными кальций-фосфатными покрытиями, осаждаемыми методом высокочастотного магнетронного распыления (ВЧМР). Существенный вклад в развитие данного направления внесли работы коллективов под руководством К. Озеки из университета Ибараки (Япония), проф. М. Эппле из университета Дуйсбург-Эссен (Германия), А. Владеску из Национального института оптоэлектроники (Румыния), а также проф. А.Р. Бойда из Ольстерского университета (Великобритания). На базе Томского политехнического университета научными группами под руководством к.ф.-м.н. С.И. Твердохлебова, проф., д.ф.-м.н. В.Ф. Пичугина, д.т.н. Р.А. Сурменева, и проф., д.ф.-м.н. Ю.П. Шаркеева (ИФПМ СО РАН, ТПУ) также проводятся исследования кальций-фосфатных покрытий, осаждаемых методом высокочастотного магнетронного распыления.
Несмотря на значительное количество публикаций по теме, связанной с формированием биоактивных кальций-фосфатных покрытий методом ВЧ магнетронного распыления, в том числе с катионными или анионными замещениями, остаются несистематизированными исследования по влиянию Mg и Sr замещений в составе кальций-фосфатных мишеней на скорость осаждения и свойства формируемых покрытий. Кроме того, в литературе полностью отсутствовали работы, посвященные формированию биоактивных покрытий в атмосфере различных инертных рабочих газов методом ВЧ магнетронного распыления кальций-фосфатных мишеней.
Целью данной работы являлось исследование влияния состава распыляемой мишени и рабочего газа на скорость осаждения и свойства кальций-фосфатных покрытий, сформированных методом ВЧМР.
Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Сформировать на поверхности титановых подложек КФ покрытия методом ВЧМР порошковых Sr- и Mg-замещенных мишеней на основе 0-ТКФ и ГАП;
2. Сформировать на поверхности титановых подложек КФ покрытия методом ВЧМР твердотельной мишени из ГАП в среде различных инертных рабочих газов (Ar, Kr и Xe);
3. Исследовать влияние ионных замещений в структуре распыляемых порошковых мишеней на скорость осаждения КФ покрытий в процессе ВЧМР;
4. Исследовать влияние инертного рабочего газа на скорость осаждения КФ покрытий в процессе ВЧМР;
5. Исследовать морфологию, физико-химические и механические свойства покрытий, осажденных ВЧМР порошковых мишеней из 0-ТКФ и ГАП, содержащих магний и стронций;
6. Исследовать морфологию, физико-химические, механические и биологические свойства покрытий, осажденных ВЧМР твердотельной мишени из ГАП в атмосфере различных инертных газов;
7. Провести комплексный анализ полученных экспериментальных данных.
Научная новизна:
1. Установлена взаимосвязь между изменением объема элементарной ячейки распыляемого материала вследствие внедрения Mg и Sr замещений в структуру 0- трикальцийфосфата и скоростью осаждения покрытий.
2. Впервые исследовано влияние рабочего газа на скорость распыления твердотельной мишени из ГАП. Показано, что распыление мишени из ГАП в Ar и Kr происходит с сопоставимой и более высокой скоростью по сравнению с осаждением в Xe, что обусловлено снижением коэффициента распыления по мере увеличения атомной массы рабочего газа.
3. Показано, что выбор инертного рабочего газа оказывает влияние на морфологию поверхности, физико-химические, механические и биологические свойства формируемых покрытий. По мере увеличения атомной массы инертного рабочего газа наблюдается увеличение содержания кальция и снижение содержания кислорода в осаждаемых покрытиях. Покрытия, сформированные в Xe, являются полностью аморфными и характеризуются высокой адгезией к подложке.
4. Установлено, что КФ покрытия, сформированные в Xe, способствуют полуторакратному увеличению количества жизнеспособных мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток по сравнению со всеми исследуемыми группами образцов с покрытиями и титановой подложкой.
Теоретическая и практическая значимость работы
Установленные закономерности распыления порошковых Sr- и Mg- замещенных мишеней на основе 0-ТКФ и ГАП и твердотельной ГАП мишени в
среде различных инертных рабочих газов (Ar, Kr и Xe) вносят вклад в развитие физики конденсированного состояния, а именно в развитие представлений о формировании биоактивных покрытий биомедицинского применения методом ВЧМР. Полученные в работе зависимости между составом распыляемой порошковой мишени на основе ГАП и 0-ТКФ, типом рабочего газа и морфологией, физико-химическими и биологическими свойствами формируемых покрытий позволяют не только целенаправленно задавать набор их свойств, но и
оптимизировать длительность технологического процесса, что благотворно скажется на конечной себестоимости изделия. Все вышеотмеченное в
совокупности позволит разработать технологию модифицирования металлических имплантатов и тем самым повысить качество и доступность современных медицинских изделий для российских граждан, что, в свою очередь, позволит значительно улучшить исходы лечения политравм, сохранять жизни и здоровье пациентам.
По результатам работы оформлен акт об использовании результатов диссертационной работы в ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Министерства здравоохранения РФ.
Методология и методы исследования
Исследование морфологии поверхности, физико-химических и механических свойств КФ покрытий, сформированных методом ВЧ- магнетронного распыления, проводилось с использованием следующих методов: оптическая эмиссионная спектроскопия, контактная профилометрия, атомносиловая спектроскопия, сканирующая электронная микроскопия,
энергодисперсионная спектроскопия, рентгенофазовый анализ, рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия, наноиндентирование, скрэтч-тест, оптическая гониометрия с последующим расчетом свободной энергии поверхности методом ОВРК, атомно-эмиссионная спектроскопия растворов и компьютерное моделирование атомной структуры 0-ТКФ методом проекционных
присоединенных волн (PAW). Исследования проводились с использованием оборудования Томского политехнического университета, Томского регионального центра коллективного пользования (ТРЦКП) Национального исследовательского Томского государственного университета, Научно-образовательного
инновационного центра «Наноматериалы и нанотехнологии» Национального исследовательского Томского политехнического университета. Численные расчеты выполнены на суперкомпьютере СКИФ-Cyberia в Национальном исследовательском Томском государственном университете.
Для изучения биологических свойств КФ покрытий применяли проточную лазерную цитометрию и мультиплексный анализ методом полимеразной цепной реакции (ПЦР). Мультипотентные мезенхемальные стромальные клетки (ММСК) получали из тканей человека в полном соответствии с юридическими и этическими принципами проведения медико-биологических исследований с использованием биоматериала человека, принятыми на территории РФ. Выделение ММСК и исследование биологических свойств образцов проводилось сотрудниками БФУ им. Канта.
Положения, выносимые на защиту.
1. Присутствие стронция в виде замещений кальция в количестве 0,87 ± 0,02 ат.% в структуре распыляемых порошковых мишеней на основе 0- трикальцийфосфата увеличивает скорость осаждения покрытий, формируемых методом высокочастотного магнетронного распыления, в то время как замещения кальция магнием в количестве 1,38 ± 0,01 ат.% способствуют ее уменьшению.
2. Наличие магния и стронция в виде замещений в количестве 0,93 ± 0,13
ат.% и ~ 0,47 ат.% в составе распыляемых порошковых мишеней из
гидроксиапатита не оказывает влияния на скорость осаждения покрытий, формируемых методом высокочастотного магнетронного распыления.
3. Формирование покрытий в атмосфере аргона и криптона происходит с сопоставимой и более высокой скоростью по сравнению с осаждением в ксеноне, что обусловлено снижением коэффициента распыления по мере увеличения атомной массы рабочего газа.
4. Кальций-фосфатные покрытия, сформированные в ксеноне, являются полностью аморфными и характеризуются высокой адгезией к подложке по сравнению с покрытиями, сформированными в средах аргона и криптона.
5. Сформированные в ксеноне кальций-фосфатные покрытия способствуют полуторакратному увеличению количества жизнеспособных мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток по сравнению со всеми исследуемыми группами образцов с покрытиями и титановой подложкой.
Достоверность полученных в работе экспериментальных результатов подтверждается использованием современных высокоточных методов исследования, уникальных научных стендов и установок, научного оборудования центров коллективного пользования, объектов зарубежной инфраструктуры сектора исследований и разработок. Объем экспериментальных данных является достаточным, хорошо проработанным и не противоречащим имеющимся литературным данным. Полученный акт внедрения свидетельствует о высоком качестве проведенных исследований.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на конференциях: 6th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, Россия, 2018); 14-ой Международной конференции «Пленки и покрытия» (Санкт-Петербург, Россия, 2019); 27-ой Всероссийской научно-технической
конференции с международным участием «Вакуумная техника и технологии (Санкт-Петербург, Россия, 2020); 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (Томск, Россия, 2020); XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (Томск, Россия, 2020); XXI Международной научнопрактической конференции студентов и молодых ученых «Химия и химическая технология в XXI веке» имени выдающихся химиков Л.П. Кулёва и Н.М. Кижнера, посвященной 110-летию со дня рождения профессора А.Г. Стромберга (Томск, Россия, 2020); 15-ой Международной конференции «Пленки и Покрытия» (Санкт- Петербург, Россия, 2021); Международной научно-практической конференции «Разработка лекарственных средств - традиции и перспективы» (Томск, Россия, 2021); Научной конференции OpenBio в рамках площадки открытых коммуникаций «OpenBio -2021» (Новосибирск, Россия, 2021).
Публикации.
Результаты диссертационной работы изложены в 14 научных публикациях, из них 5 в журналах, рекомендованных ВАК, 14 - в журналах, индексируемых в базе данных Scopus, 12 - в журналах, индексируемых в базе данных Web of Science. Опубликовано 1 научно-методическое пособие. Получен 1 акт об использовании результатов диссертационной работы в ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова» Министерства здравоохранения РФ.
Личный вклад автора.
Все результаты, представленные в диссертационной работе, получены при личном участии автора. Совместно с руководителем автор принимал участие в постановке цели и задач диссертационного исследования, в выборе методов их решения, планировании и проведении экспериментальных исследований, анализе и интерпретации экспериментальных данных, подготовке научных статей, апробации результатов на международных конференциях.
Диссертационная работа выполнена в рамках следующих проектов и договоров: ФЦП, Соглашение № 14.578.21.0031 от 05 июня 2014, "Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технического комплекса на 2014-2020"; ВИУ-ИЯТШ-302/2018 "Разработка остео- и
иммуностимулирующих материалов для персонализированной медицины при политравме, осложненной различными патологиями"; ВИУ-ИЯТШ-204/2019 "Разработка остеостимулирующих материалов для персонализированной медицины при политравме, осложненной остеопорозом"; РНФ 21-73-20262 "Искусственные композитные полимерные скаффолды сформированные методом
многоканального электроспининга с модифицированной поверхностью для приложений сердечно-сосудистой хирургии"; ФЦП, Соглашение № 14.575.21.0140 от 26.09.2017, "Разработка остеостимулирующих имплантатов на основе гибридных технологий модифицирования их поверхности и компьютерного моделирования выхода лекарственных препаратов для персонализированной медицины при политравме и онкологии"; Контракт с Koatum Spolka Akcyjna 18.08.02- 125/2020к «Разработка метода нанесения DDS СаР покрытий, содержащих NO, для биомедицинских применений»; ВИУ-НОЦ Б.П. Вейнберга-196/2020 "Разработка прототипов медицинских изделий на основе гибридных и композиционных материалов с терапевтическим эффектом для лечения различных нозологий"; Приоритет-2030-НИП/ИЗ-011-0000-2022 "Разработка
метаинтерфейсов и микроустройств для имплантатов и живых систем".
Структура и объем диссертационной работы.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 256 источников. Полный объем работы - 146 страниц, в том числе 34 рисунка и 20 таблиц.
Благодарности
Автор выражает огромную благодарность своему научному руководителю, к.ф.-м.н. А.И. Козельской - научному сотруднику Лаборатории плазменных гибридных систем НОЦ им. Б.П. Вейнберга НИ ТПУ и к.ф.-м.н. С.И. Твердохлебову - и.о. руководителя Лаборатории плазменных гибридных систем, НОЦ им. Б.П. Вейнберга НИ ТПУ, доценту НОЦ им. Б.П. Вейнберга НИ ТПУ, доценту Отделения естественных наук НИ ТПУ - за наставничество и неоценимую помощь в формировании научного подхода и курировании исследовательских результатов; к.х.м. Н.М. Коротченко, доценту кафедры неорганической химии ТГУ - за изготовление порошковых кальций-фосфатных мишеней; д.ф.-м.н. С.Е. Кульковой - главному научному сотруднику Лаборатории физики нелинейных сред ИФПМ СО РАН, профессору кафедры теоретической физики ТГУ и к.ф.-м.н. А.В. Бакулину - старшему научному сотруднику Лаборатории физики нелинейных сред ИФПМ СО РАН - за проведение компьютерного моделирования элементарной ячейки 0-трикальцийфосфата; д.м.н. Л.С. Литвиновой - директору Центра иммунологии и клеточных биотехнологий федерального государственного автономного образовательного учреждения высшего образования «Балтийский федеральный университет имени Иммануила Канта» Министерства науки и высшего образования Российской Федерации - за проведение биологических исследований in vitro; д.м.н., проф. И.А. Хлусову профессору кафедры морфологии и общей патологии СибГМУ, профессору Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий - за обсуждение результатов биологических исследований; д.ф.-м.н., проф. Г.А. Блейхер - профессору НОЦ им. Б.П. Вейнберга и к.т.н. Д.В. Сиделеву - доценту НОЦ им. Б.П. Вейнберга, научному сотруднику Лаборатории перспективных материалов и обеспечения безопасности водородных энергосистем - за участие в обсуждении полученных результатов; семье и друзьям за поддержку в ходе выполнения работы.

Купить

В работе проведено исследование влияния рабочего газа и состава распыляемой мишени на физико-химические, механические и биологические свойства кальций-фосфатных покрытий, сформированных с помощью высокочастотного магнетронного распыления.
Получены результаты экспериментальных исследований влияния Sr- и Mg- замещений (с концентрацией 0,87 ± 0,02 ат.% и 1,38±0,01 ат.%, соответственно) в составе распыляемых порошковых мишеней на основе гидроксиапатита и 0- трикальцийфосфата на скорость их распыления. Продемонстрировано, что наличие Sr замещений в структуре порошковых мишеней на основе 0-ТКФ увеличивает скорость осаждения покрытий, формируемых методом ВЧМР, в то время как Mg замещения, напротив, снижают этот параметр. При распылении 0-ТКФ мишени, одновременно содержащей оба типа замещений, Sr оказывает больший эффект на ее скорость осаждения вследствие его способности замещать кальций в четырех ее позициях против одной позиции, которую может замещать Mg. Никаких статистически достоверных отличий в скорости формирования покрытий, осаждаемых распылением порошковых Mg- и Sr-замещенных мишеней из ГАП с концентрацией замещающих элементов 0,93 ± 0,13 ат.% и ~ 0,47 ат.%,
соответственно, обнаружено не было.
Проведено исследование ионного выхода элементов кальций-фосфатных покрытий в изотонический раствор NaCl. Показано, что в растворах покрытий, содержащих стронций, наблюдается увеличение растворимости по всем исследуемым элементам, что обусловлено его дестабилизирующим влиянием на структуру покрытий. Напротив, в растворах покрытий, содержащих магний, наблюдается значительное сокращение выхода всех элементов.
В работе впервые проведено распыление твердотельной мишени из гидроксиапатита в атмосфере различных инертных газов. Выявлено, что осаждение КФ покрытий распылением мишени из ГАП в Ar и Kr происходит с более высокой скоростью по сравнению с формированием покрытий в атмосфере Xe, что обусловлено низкой долей передаваемой энергии от бомбардирующей частицы (Xe) к распыляемой (Ca, P, O), а также более высоким значением пороговой энергии выбивания распыляемой частицы с поверхности мишени.
В работе продемонстрировано, что распыление мишени из ГАП в Ar и Kr приводит к формированию покрытий с соотношением Са/Р, близким к стехиометрическому ГАП. Покрытия, сформированные в Xe, имеют более высокое соотношение Ca/P, чем стехиометрический ГАП.
Убедительно показано, что выбор инертного рабочего газа оказывает влияние на морфологию поверхности и структуру формируемых покрытий. Покрытия, сформированные в атмосфере Xe, являются полностью аморфными, что обусловливает их высокую растворимость.
Получены результаты исследований биологических свойств покрытий, сформированных распылением твердотельной мишени из ГАП в атмосфере различных инертных рабочих газов. Показано, что образцы с КФ покрытиями, сформированными в Xe и Ar, продемонстрировали большее количество жизнеспособных ММСК, способных к делению и дифференцировке, соответственно.
Достоверно установлено, что КФ покрытия, сформированные в Xe, способствуют полуторакратному увеличению количества жизнеспособных ММСК по сравнению со всеми исследуемыми группами образцов с покрытиями и титановой подложкой без покрытия.
Выявленные в диссертационной работе закономерности формирования кальций-фосфатных покрытий могут быть применены при разработке имплантатов с высокой биоактивностью и персонифицированными свойствами, что обусловливает высокую социальную значимость проведенных исследований.

Купить