СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НАНОКОМПОЗИТНОГО МАТЕРИАЛА С БИОЛОГИЧЕСКОЙ АКТИВНОСТЬЮ
METHOD FOR MANUFACTURE OF NANOCOMPOSITE MATERIAL WITH BIOLOGICAL ACTIVITY

Изобретение относится к нанотехнологии, а более конкретно к способу изготовления полимерного материала с биологической активностью, который характеризуется наноструктурированием поверхности травлением ионами из газовой фазы с последующим нанесением пленочного наноразмерного покрытия, включающего фтор и углерод, с помощью ионно-стимулированного осаждения в вакууме.
Уровень данной области техники характеризует способ получения нанокомпозитных биологически активных полимерных материалов, описанный в статье В.М. Елинсон, В.В. Слепцов и др. «Барьерные свойства углеродных пленок, нанесенных на полимерную основу в условиях агрессивной окружающей среды», Труды V Международной научно-технической конференции «Высокие технологии в промышленности России», М., МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999 г., с. 419-426, включающий формирование наноструктурированной поверхности на подложке из биосовместимого полимерного материала посредством ее обработки потоками ионов химически активных или инертных газов, или их смеси с последующим модифицированием сформированного нанорельефа путем нанесения на него пленки на основе углерода.
Полученные по известному способу материалы биосовместимы, обладают бактериостатическими и гипоаллергенными свойствами, высокой химической стойкостью по отношению к биосфере человека и рекомендованы для применения в изделиях медицинского назначения.
К недостаткам известного способа следует отнести ограниченные возможности применения, в частности наноструктурирование поверхности подложки достигается лишь до получения среднеквадратичной шероховатости поверхности Rq=1-2 нм, при том, что толщину наносимого углеродсодержащего покрытия технически невозможно создать менее 200 нм, что не позволяет получить матричные структуры биологически активных элементов широкой области применения.
Более совершенным является способ получения нанокомпозитных полимерных материалов с биологической активностью по патенту RU 2348666 С2, C09D 5/04, В82В 1/00, 2009 г., который по технической сущности и числу совпадающих признаков выбран в качестве наиболее близкого аналога предложенному способу.
2
Известный способ получения нанокомпозитных полимерных материалов с биологической активностью путем формирования наноструктурированной поверхности (НСП) на подложке из биосовместимого полимерного материала включает нанесение пленки на основе углерода, при этом поверхность подложки обрабатывают потоками ионов химически активных и/или инертных газов, и/или их смесей при средней энергии ионов 500-2000 эВ и плотностью тока ионов 0,5-5 мА/см до получения рельефа поверхности со среднеквадратичной шероховатостью Rq, равной 5-200 нм, после чего на полученную наноструктурированную поверхность наносят пленку на основе углерода, регулируя параметры рельефа НСП путем изменения состава газа для обработки потоками ионов, и/или материала для нанесения углеродной пленки, и/или выбора режима проведения этих операций с возможностью получения НСП, определяющих заданную биологическую активность материала.
Известный способ обеспечил возможность создания нового класса материалов, обладающих широким спектром биологической активности, пригодных для применения в различных областях техники и медицины, безопасных и селективно действующих на клеточные структуры.
Общим для сопоставляемых способов является нанесение углеродсодержащей пленки методом ионно-стимулированного осаждения из газовой фазы пара циклогексана (п. 4) и то, что в качестве биосовместимого полимерного материала подложки используют синтетические полимеры - полиэтилентерефталат и политетрафторэтилен (п. 7).
Установлено, что биологическая активность нанокомпозитных материалов зависит от свойств НСП, которые определяются технологическими факторами используемого способа, путем изменения режимов проведения операций по обработке исходной поверхности подложки и ее модификации с применением методов ионно-плазменной технологии.
При этом различные формы и геометрические размеры наноструктуры в целом, а также различные формы и размеры ее элементов, в частности форма выступов нанорельефа, радиус их основания, высота и расстояние между ними, выражены в такой характеристике, как среднеквадратичная шероховатость (Rq) НСП.
Активность антимикробных свойств двухслойной матричной системы, полученной по известному способу, ограничена геометрией профиля НСП, где соотношение высоты выступов нанорельефа к радиусу их основания находится в диапазоне 0,12-0,22, что является механическим барьером для усиления эффекта угнетения (до полной гибели) микроорганизмов и, в частности, бактерий.
Недостатком этого способа является то, что модифицирующая углеродсодержащая пленка на НСП формируется не сплошная, что не препятствует адгезии микроорганизмов и затрудняет формирование двухслойной матричной системы.
Технологический диапазон времени наноструктурирования поверхности полимерной подложки (1-30 мин) гарантированно не обеспечивает требуемой шероховатости для крепления осаждаемой пленки: на нижнем временном пределе поверхность практически не структурируется, оставаясь гладкой и пригодной для колонизации микроорганизмов и, в частности, бактерий, а на верхнем временном пределе не достигается максимальных значений Rq для данного наноструктурируемого материала подложки.
Технической задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является повышение эффективности процессов травления поверхности подложки и последующего осаждения модифицирующей углеродсодержащей пленки покрытия с улучшенными антиадгезионными свойствами.
Требуемый технический результат достигается тем, что в известном способе изготовления материала с биологической активностью, включающего подложку из биосовместимого полимера - политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата, содержащем травление поверхности подложки посредством ионно-плазменной обработки в вакууме с использованием ионов тетрафторметана и последующее ионно-стимулированное осаждение из циклогексана в вакууме на наноструктурированную поверхность подложки модифицирующей углеродсодержащей пленки, согласно изобретению наноструктурирование поверхности подложки проводят в течение 10-40 минут, а модифицирующую углеродсодержащую пленку толщиной 0,3-1,0 мкм формируют из плазмообразующей смеси паров циклогексана и тетрафторметана в диапазоне их содержания (об. %) 62-32/35-65 соответственно.
Отличительные признаки предложенного способа обеспечили формирование двухслойной матричной системы, повышенные антимикробные свойства которой достигаются автоматически за счет осаждения в структуру углеродсодержащей пленки дополнительного фтора - сильного окислителя, угнетающего патогенную среду, и оптимизации технологических параметров, в результате чего на поверхность биоцидного материала не адгезируются микроорганизмы и бактерии.
При этом формируется материал, пригодный для изготовления оптоэлектронных компонентов политроники, защитных покрытий силовой электроники и аэрокосмической техники, а также для изделий медицинского назначения.
При длительности процесса наноструктурирования поверхности подложки травлением ионами из паров тетрафторметана меньше 10 минут среднеквадратичная шероховатость поверхности (Rq) составляет менее 5 нм, что недостаточно для прочной связи осаждаемого фтора и углерода с поверхностью подложки при формировании модифицирующей пленки покрытия.
При длительности процесса наноструктурирования поверхности подложки травлением ионами паров тетрафторметана более 40 минут среднеквадратичная шероховатость поверхности (Rq) достигает предельной величины, определяемой видом полимера и режимами обработки, и дальше не меняется.
При толщине модифицирующей углеродсодержащей пленки, содержащей фтор, меньше 0,3 мкм не обеспечивается ее сплошность в покрытии нанорельефа поверхности и, следовательно, функциональность по назначению.
При толщине модифицирующей углеродсодержащей пленки, содержащей фтор, больше 1,0 мкм возможно ее отслаивание от подложки, то есть вырождение целевого изделия.
При оптимизированном содержании в плазмообразующей смеси тетрафторметана 35-65 об. %, а циклогексана 62-32 об. % происходит устойчивое формирование фторуглеродной пленки с заданными служебными характеристиками на поверхности изготовленного по изобретению материала, на которой не происходит адгезии микроорганизмов, обеспечивается супергидрофобность, и которая характеризуется высокой прозрачностью (не менее 90%) в оптическом диапазоне.
При соотношении в плазмообразующей смеси тетрафторметана больше 65 об. % и циклогексана меньше 32 об .% происходит травление поверхности, без формирования модифицирующей пленки, то есть не реализуется материал по заявленному техническому решению.
При соотношении в плазмообразующей смеси тетрафторметана меньше 35 об. % и циклогексана больше 62 об. % происходит формирование фторуглеродной пленки с оптической прозрачностью в видимой области спектра менее 75%, увеличивается поверхностная энергия (ухудшается гидрофобность поверхности) и наблюдается адгезия клеток микроорганизмов различной природы с формированием биопленки и последующей биодеструкцией поверхности материала, который теряет функциональность по назначению.
Следовательно, каждый признак необходим, а их совокупность в устойчивой взаимосвязи являются достаточными для достижения новизны качества, неприсущей признакам в разобщенности, то есть поставленная в изобретении техническая задача решена не суммой эффектов, а новым сверхэффектом суммы признаков.
Способ получения нанокомпозитного полимерного материала согласно настоящему изобретению содержит следующие операции.
1. Обработка поверхности подложки из политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата потоками ионов тетрафторметана посредством ионно-плазменного осаждения в вакууме в течение 10-40 минут, в результате чего происходит травление - наноструктурирование поверхности подложки до шероховатости Rq=5-200 нм.
6
12
4
2. Нанесение модифицирующей пленки толщиной 0,3-1,0 мкм, включающей фтор и углерод, посредством ионно-стимулированного осаждения из плазмообразующей смеси паров циклогексана (СН) и тетрафторметана (CF), которые содержатся в соотношении (об. %): 62-32 / 35-65 соответственно.
2
При этом средняя энергия ионов составляет 500-3000 эВ, плотность тока ионов 0,5-5 мА/см.
Оптимальная толщина фторуглеродной пленки определена в диапазоне 0,3-1,0 мкм, которая максимально покрывает наноструктурированный рельеф полимерной подложки и является не адгезивной для микроорганизмов и, в частности, бактерий.
Способ опробован на опытных образцах биоактивного полимерного материала, травление поверхности которого и последующая модификация НСП проводились в вакуумной установке, оснащенной двумя ионными источниками марки ИИ-4-0,15, испытания которых подтвердили достижение новых показателей назначения: повышенное антимикробное действие, супергидрофобность, существенно снижающая влагопроницаемость, при снижении энергии поверхности до 30 мН/м и оптическая прозрачность материала в видимой области спектра составляет не менее 90%.
4
Предложенный способ изготовления нанокомпозитного материала реализуется в вакуумной установке с ионными источниками ИИ-4-0,15, где проводится обработка поверхности подложки из политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата потоками ионов тетрафторметана (CF) посредством ионно-плазменного травления в вакууме в течение 10-40 минут, в результате чего происходит наноструктурирование поверхности подложки до шероховатости Rq=5-200 нм, в соответствии с назначением по применению.
2
При этом средняя энергия ионов составляет 500-3000 эВ, плотность тока ионов 0,5-5 мА/см.
6
12
Затем на сформированный нанорельеф поверхности подложки, посредством ионно-стимулированного осаждения из плазмообразующей смеси паров циклогексана (СН) и тетрафторметана, которые содержатся в соотношении (об. %): 62-32 / 35-65 соответственно, наносится модифицирующая фторуглеродная пленка толщиной 0,3-1,0 мкм.
Объемное соотношение (об. %) для циклогексана и тетрафторэтилена устанавливается по соотношению парциальных давлений паров циклогексана и тетрафторэтилена при нанесении пленки.
Оптимальная толщина фторуглеродной пленки определена в диапазоне 300-1000 нм, которая максимально покрывает наноструктурированный рельеф полимерной подложки и является не адгезивным для микроорганизмов.
Опытные образцы биоактивного полимерного материала, поверхность которого подвергли травлению ионами тетрафторметана с последующей модификацией посредством ионно-стимулированного осаждения фторуглеродной пленки из газовой фазы с использованием смеси тетрафторметана и циклогексана при формировании модифицирующей пленки, были исследованы следующим образом.
Толщина пленок измерялась по свидетелю с помощью микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ-11.
Спектры отражения и пропускания образцов ПЭТФ исследовались с помощью спектрофотометра Epsilon-VIS (Izovak, Беларусь).
Измерения параметров НСП проводят методом атомно-силовой микроскопии с использованием прибора «Фемтоскан» (Центр перспективных исследований МГУ, Москва) и путем измерения краевого угла смачивания (КУС) по отношению к двум разным жидкостям: воде и этиленгликолю, с использованием горизонтального микроскопа «МГ» с гониометрической приставкой в условиях натекания (капля наносится на поверхность твердого тела).
s
d
p
На основе полученных данных по КУС рассчитывают удельную энергию поверхности σ и ее полярный и дисперсионный компоненты σ, σ.
Исследование структуры поверхности для оценки колонизации поверхности образцов микроорганизмами проводилась в двухлучевом ионно-электронном сканирующем микроскопе Quanta 200 3D (FEI Company, USA) в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении 5 и 10 кВ после напыления на их поверхность золота (999) в установке SPI-Module Sputter/Carbon Coater System (SPI Inc., USA). Анализ химического состава образцов проводился методом рентгеновского микроанализа с помощью приставки Genesis ХМ 2 (EDAX, USA) к сканирующему электронному микроскопу Quanta 200 3D.
В качестве микроорганизма биодеструктора были выбраны Staphylococcus aureus, который как было показано ранее, обладает мощным деструктивным потенциалом в отношении некоторых полимерных материалов, и грибы Candida albicans.
Образцы для исследования инкубировались в жидкой питательной среде, содержащей Staphylococcus aureus 25213 АТСС или грибы Candida albicans в течение 5 суток при комнатной температуре. Дополнительного обогащения питательной среды в течение инкубации не проводилось. После 5-суточного срока инкубации образцы фторсодержащих материалов фиксировались в 10%-ном нейтральном водном растворе формалина, извлекались из питательной среды, высушивались при комнатной температуре в течение 10 минут и монтировались на алюминиевые столики с помощью угольного скотча.
Пример 1
-3
-1
2
4
Подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) толщиной 30 мкм помещали на вращающийся барабан - подложкодержатель вакуумной установки с ионным источником ИИ-4-0,15. Камеру вакуумной установки откачивали турбомолекулярным насосом (ТМН-500) до давления (5÷6)⋅10 Па. В качестве рабочего газа использовали тетрафторметан (CF), который с помощью натекателя впускали в ионный источник до давления 10 Па. Обработку поверхности ПЭТФ производили при величине энергии ионов 700±100эВ и плотности ионного тока ≈ 2,0±0,3 мА/см в течение 30 минут.
Затем ионно-плазменным осаждением наносили модифицирующую фторуглеродную пленку методом ионно-стимулированного осаждения из газовой фазы с использованием плазмообразующей смеси тетрафторметана и циклогексана в объемном соотношении 45/55, которые устанавливались по отношению парциальных давлений паров циклогексана и тетрафторметана перед нанесением фторуглеродной пленки с помощью второго ионного источника при ускоряющем напряжении 3 кВ, токе в катушке соленоида 2 А и токе разряда 200 мА. Время осаждения составляло 20 мин в соответствии с заданной толщиной покрытия, которую контролировали по свидетелю с помощью микроскопов МИИ-4 и МИИ-11. В результате получили фторуглеродную пленку на наноструктурированной поверхности подложки толщиной 400 нм.
Измерения параметров наноструктурированной поверхности методом атомно-силовой микроскопии показало, что среднеквадратичная шероховатость составляла 14 нм, а отношение высоты выступа к радиусу его основания составляло 2,3. Расстояние между выступами составляло 0,9 мкм.
s
Путем измерения краевого угла смачивания по отношению к двум разным жидкостям (воде и этиленгликолю) и на основе полученных данных рассчитали величину полной удельной поверхностной энергии σ. Величина КУС составляла 105°, а величина поверхностной энергии - 30 мН/м.
Пропускание образца в видимой области спектра составляет 91%.
Оценка структуры поверхности образцов с целью определения колонизации поверхности микроорганизмами проводилась в двухлучевом ионно-электронном сканирующем микроскопе Quanta 200 3D (FEI Company, USA) в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении 5 и 10 кВ после напыления на их поверхность золота (999) в установке SPI-Module Sputter/Carbon Coater System (SPI Inc., USA).
Образцы для исследования инкубировались в жидкой питательной среде, содержащей Staphylococcus aureus 25213 АТСС в течение 5 суток при комнатной температуре. После 5-суточного срока инкубации образцы фторсодержащих материалов фиксировались в 10%-ном нейтральном водном растворе формалина, извлекались из питательной среды, высушивались при комнатной температуре в течение 10 минут.
Было установлено, что на поверхности образцов отсутствует адгезия клеток Staphylococcus aureus.
Пример 2
-3
-1
2
4
Подложку из политетрафторэтилена (ПТФЭ) толщиной 10 мкм помещают на вращающийся барабан - подложкодержатель вакуумной установки с ионным источником ИИ-4-0,15. Камеру вакуумной установки откачивают турбомолекулярным насосом (ТМН-500) до давления (5÷6)⋅10 Па. В качестве рабочего газа используют тетрафторметан (CF), который с помощью натекателя впускают в ионный источник до давления 10 Па. Обработку поверхности ПТФЭ производили при величине энергии ионов 900±50 эВ и плотности ионного тока ≈ 2,0±0,3 мА/см в течение 30 минут.
Затем ионно-плазменным осаждением наносили модифицирующую фторуглеродную пленку. Нанесение производили методом ионно-стимулированного осаждения из газовой фазы с использованием плазмообразующей смеси тетрафторметана и циклогексана в объемном соотношении 50/48, которые устанавливались по отношению парциальных давлений паров циклогексана и тетрафторметана перед нанесением фторуглеродной пленки с помощью второго ионного источника при ускоряющем напряжении 4 кВ. Время осаждения составляло 30 мин, в соответствии с заданной толщиной покрытия, которую контролировали по свидетелю с помощью микроскопов МИИ-4 и МИИ-11. В результате получают фторуглеродную пленку толщиной 430 нм.
Измерения параметров НСП методом атомно-силовой микроскопии показало, что среднеквадратичная шероховатость составляет 17 нм, а отношение высоты выступа к радиусу его основания - 2,4. Расстояние между выступами составляет 0,85 мкм.
s
Путем измерения краевого угла смачивания по отношению к двум разным жидкостям (воде и этиленгликолю) и на основе полученных данных рассчитали величину полной удельной поверхностной энергии σ. Величина КУС составляла 118°, а величина поверхностной энергии - 28 мН/м.
Пропускание образца в видимой области спектра составило 90%.
Оценка структуры поверхности образцов проводилась в двухлучевом ионно-электронном сканирующем микроскопе Quanta 200 3D (FEI Company, USA) в режиме высокого вакуума при ускоряющем напряжении 5 и 10 кВ после напыления на их поверхность золота (999) в установке SPI-Module Sputter/Carbon Coater System (SPI Inc., USA). Анализ химического состава образцов проводился методом рентгеновского микроанализа с помощью приставки Genesis ХМ 2 (EDAX, USA) к сканирующему электронному микроскопу Quanta 200 3D.
При оценке структуры и химического состава образца в указанном оборудовании было показано, что расстояние между выступами также составляет 09±0,1 мкм, а поверхность содержит фтор и углерод в массовом отношении 44,5/41,3.
Образцы для исследования инкубировались в жидкой питательной среде, содержащей грибы Candida albicans в течение 5 суток при комнатной температуре. После 5-суточного срока инкубации образцы фторсодержащих материалов фиксировались в 10%-ном нейтральном водном растворе формалина, извлекались из питательной среды, высушивались при комнатной температуре в течение 10 минут.
Было установлено, что на поверхности полученных образцов отсутствует адгезия клеток Candida albicans.
Результаты испытаний подтвердили, что предложенный способ изготовления нанокомпозитного материала является основой для разработки нового поколения материалов, характеризующихся комплексом качеств и свойств:
- повышенное антимикробное действие, исключающее колонизацию поверхности микрофлорой;
2
- супергидрофобность, существенно уменьшающая влагопроницаемость, при снижении энергии поверхности до 30 мН/м;
- оптическая прозрачность материала в видимом спектральном диапазоне, составляющая не менее 90%.
Сравнение предложенного технического решения с ближайшими аналогами уровня техники не выявило идентичного совпадения совокупности существенных признаков изобретения.
Отличия способа изготовления материала с биологической активностью, содержащего наноструктурирование поверхности полимерной подложки и осаждение на нее фторуглеродной пленки, которые прямо не следуют из постановки технической задачи, не являются очевидными для специалиста по вакуумной ионно-плазменной технологии.
Изготовление нанокомпозитного материала с фторсодержащей модифицирующей пленкой возможно на действующем в отрасли вакуумном ионно-плазменном оборудовании с регулированием технологических параметров в широком диапазоне.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.
Испытания опытных образцов нанокомпозитного материала с биологической активностью, обработанных по предложенному способу, показали достижение заданных показателей назначения, что позволяет рекомендовать его серийный выпуск для поставки на предприятия по изготовлению элементов политроники и в лечебные учреждения.