СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ МИКРО/НАНОСТРУКТУР НА ОБРАЗЦЕ
METHOD OF PRODUCING CALCIUM-PHOSPHATE MICRO/NANOSTRUCTURE SAMPLES

Изобретение относится к медицинской технике и касается способа получения кальций-фосфатных микро/наноструктур на образцах, которые могут быть использованы в клинической практике.
10
4
6
2
Известен способ [Xu, S., Long, J., Sim, L., Diong, C.H., Ostrikov, K., RF Plasma Sputtering Deposition of Hydroxyapatite Bioceramics: Synthesis, Performance, and Biocompatibility. Plasma Proc. Polym., 2005. 2 p.373-390] формирования кальций-фосфатного покрытия на образце, который заключается в распылении композитной мишени, содержащей гидроксиа-патит - Са(PO)(ОН) (ГА) с отношением кальция к фосфору (Са/Р) 1,67 и титан в плазме высокочастотного (ВЧ) разряда мощностью 700 Вт, рабочем давлении аргона в вакуумной камере 1,2-10 Па на расстоянии 60 мм между мишенью и образцами, при отрицательном смещении на подложке держателе 0-100 В (0 В соответствует случаю заземленного подложкодержателя) в течение 15-120 минут.
Недостатком указанного выше способа является отсутствие информации о получении этим способом на поверхности образцов кальций-фосфатных микро/наноструктур.
10
6
2
Известен способ получения кальций-фосфатного покрытия на имплантате [заявка РФ №2006100785, МПК (2006.01) A61L 27/00, опубл. 20.07.2007], выбранный в качестве прототипа, включающий плазменное распыление гидроксиапатита Са(РО)(ОН). Покрытие формируют методом высокочастотного магнетронного распыления при давлении аргона в рабочей камере 0,1-1 Па, мощности высокочастотного разряда 1-3 кВт, расстоянии от мишени до подложки 30-80 мм, в течение 10-300 мин.
На поверхности полученных этим способом биосовместимых покрытий отсутствует выраженный микрорельеф, т.е. кальций-фосфатные микро/наноструктуры.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение арсенала средств аналогичного назначения.
10
6
2
Поставленная задача решена за счет того, что способ получения кальций-фосфатных микро/наноструктур на образце, так же как в прототипе, заключается в распылении мишени из гидроксиапатита Са(РО)(ОН) в плазме высокочастотного разряда в вакуумной камере в атмосфере аргона при давлении от 0,1 до 1 Па в течение 15-180 мин на расстоянии от мишени до подложко держателя в интервале от 40 до 50 мм.
2
Согласно изобретению образцы размещают на подложке. Покрытие формируют при плотности мощности высокочастотного разряда от 0,1 до 0,5 Вт/см в атмосфере или аргона, или кислорода. Отрицательное смещение на подложкодержателе с образцами составляет от 90 до 100 В.
2
Плотность мощности высокочастотного разряда от 0,1 до 0,5 Вт/см соответствует мощности от 40 до 150 Вт.
Экспериментально установлено, что именно эти параметры напыления позволяют получать кальций-фосфатные микро/наноструктуры на поверхности образцов. Морфология поверхности образца при других параметрах напыления представляет собой однородное, не содержащее видимых дефектов по всей площади кальций-фосфатное покрытие без явно выраженного микрорельефа.
Исследование химического состава микро/наноструктур показало, что их состав аналогичен составу костной ткани, что определяет биосовместимые свойства микро/наноструктур. Это обстоятельство, наряду с развитой за счет микро/наноструктур поверхности образца, позволит повысить степень адгезии и дифференцировки клеточной культуры. Определяющее влияние химического состояния и морфологии (микрорельефа, шероховатости) поверхности на поведение биологической культуры является известным в литературе [Ratner B.D. Biomaterials science. Academic Press. New York, 484 pages]. Причем развитая поверхность (с более высокой шероховатостью) приводит к увеличению адгезии и дифференцировки клеточной культуры по сравнению с гладкой поверхностью образца [Ratner B.D. Biomaterials science. Academic Press. New York, 484 pages (page 145), Richert, L., Vetrone, F., Yi, J.-H., Zalzal, S.F., Wuest, J.D., Rosei, F., Nanci, A., Surface Nanopatterning to Control Cell Growth. Adv. Mater., 2008.15: p.1-5.].
На фиг.1 приведена блок-схема установки, используемой при формировании покрытий.
На фиг.2 приведена фотография морфологии кальций-фосфатных микро/наноструктур на поверхности покрытия на образце из титана ВТ1-0, сформированных в атмосфере аргона в течение 180 мин. Средняя длина микро/наноструктур составляет 300 нм, ширина 1000 нм. Микро/наноструктуры занимают около 27% поверхности образца.
На фиг.3 приведена фотография морфологии кальций-фосфатных микро/наноструктур на поверхности покрытия на образце из титана ВТ1-0, сформированных в атмосфере кислорода в течение 120 мин. Средняя длина микро/наноструктур 100 нм, ширина 200 нм. Микро/наноструктуры занимают около 50% поверхности образца.
На фиг.4 приведена фотография морфологии поверхности кальций-фосфатных микро/наноструктур на поверхности покрытия на образце из титана ВТ1-0, сформированных в атмосфере аргона в течение 15 минут. Средняя длина микро/наноструктур 200 нм, ширина 300 нм. Микро/наноструктуры занимают около 5% поверхности образца.
На фиг.5 приведена фотография морфологии поверхности кальций-фосфатных микро/наноструктур на поверхности покрытия на образце из титана ВТ1-0, сформированных в атмосфере кислорода в течение 15 минут. Средняя длина микро/наноструктур 100 нм, ширина 100 нм. Микро/наноструктуры занимают около 10% поверхности образца.
На фиг.6 приведена фотография морфологии кальций-фосфатного покрытия на образце из титана ВТ1-0, сформированного при отсутствии отрицательного смещения на подложкодержателе.
2
На фиг.7 представлен типичный спектр энергорассеивающей рентгеновской спектроскопии (EDX-спектр), полученный на образце из титана ВТ1-0 с кальций-фосфатными микро/наноструктурами (мощность - 0,5 Вт/см, рабочий газ - аргон, время напыления 120 минут).
В таблице 1 приведены результаты получения кальций-фосфатных микро/наноструктур.
10
6
2
Заявляемый способ осуществлен с помощью промышленной установки плазмохимического травления 08ПХО-100Т-005, блок-схема которой приведена на фиг.1. Установка состоит из вакуумной камеры 1, соединенной посредством вакуумной системы 2 с системой откачки (СО)3, содержащей паромасляный и форвакуумный насосы. В вакуумной камере 1 расположен магнетрон 4 цилиндрического типа, на горизонтальной поверхности которого размещена мишень 5 из стехиометрического гидроксиапатита Са(РО)(ОН). Над магнетроном 4 расположен подложкодержатель 6. Расстояние между магнетроном 4 и подложкодержателем 6 составляет 40-50 мм. Подложкодержатель 6 соединен с источником постоянного напряжения (ИПН)7, который заземлен. Магнетрон 4 соединен посредством системы согласования (СС)8 с ВЧ-генератором 9. Образцы располагали на поверхности подложкодержателя 6, обращенной к мишени 5. Крепеж образцов на подложкодержателе 6 осуществляют с помощью скоб. Измерение давления в вакуумной камере осуществляли с помощью вакуумметра ВИТ-2 (на фиг.1 не показан).
В качестве источника постоянного напряжения (ИПН)7 для подачи отрицательного смещения на подложкодержатель использовали прибор УИП-2.
2
-5
2
В качестве образцов использовали пластины размером 1×1 см, выполненные или из титана марки ВТ 1-0 (99,05%), или нержавеющей стали марки 12Х18Н10Т. Образцы размещали в вакуумной камере 1 на подложкодержателе 6 на расстоянии в интервале от 40 до 50 мм от мишени 5 из ГА с отношением Са/Р=1,67. С помощью системы откачки (СО)3 производили откачку вакуумной камеры 1 до предельного давления 10 Па. Напускали в камеру рабочий газ (или аргон, или кислород) до установления давления 0,1-1 Па. Затем включали ВЧ-генератор 9, с помощью которого обеспечивали плотность мощности ВЧ-разряда от 0,1 до 0,5 Вт/см. Длительность процесса формирования покрытия составляла 15-180 минут.
Результаты получения кальций-фосфатных микро/наноструктур на поверхности образцов приведены в таблице 1.
После процесса напыления для выявления на поверхности образца кальций-фосфатных микро/наноструктур проводилось исследование морфологии его поверхности с использованием электронного микроскопа (ESEM Quanta 400 FEG from FEI со встроенным EDX-анализатором EDS analysis system Genesis 4000, S-UTW-Si(Li)detector для исследования химического состава поверхности методом энергорассеивающего рентгеновского анализа).
Как видно из фотографий, приведенных на фиг.2-5, соответствующих образцам под номерами 1-4, представленных в таблице 1, микро/наноструктуры занимают в среднем от 5 до 27% поверхности образца. Эта величина рассчитывалась как отношение площади, занимаемой микро/наноструктурами, к общей площади изображения при одинаковом увеличении (отношение умножалось на 100%); средний линейний размер микро/наноструктур определялся с использованием графического редактора Photoshop 8 Professional.
В результате анализа полученных экспериментальных данных не установлено влияние материала образца (титан ВТ 1-0 или нержавеющая сталь 12Х18Н10Т) на форму и размер кальций-фосфатных микро/наноструктур.
α
Для определения химического состава гидроксиапатита - исходного материала для распыления и самих микро/наноструктур использовался энергорассеивающий рентгеновский анализ (EDX-анализ, энергия анализирующего пучка электронов 10 кэВ). Для определения фазового состава микро/наноструктур использовался метод рентгенофазового анализа (Siemens Diffraktometer D500, Cu k излучение с α=1,5406 Å при 40 кВ и 20 мА). Согласно данным анализа химического и фазового состава мишень представляет собой кристаллический гидроксиапатит. Химический состав мишени воспроизводится в покрытии. Кальций-фосфатные микро/наноструктуры на поверхности, сформированные методом высокочастотного магнетронного распыления, состоят из атомов кальция, фосфора, кислорода, т.е. являются кальций-фосфатными. Типичный (EDX) спектр энергорассеивающего рентгеновского анализа, полученный при анализе микро/наноструктур, приведен на фиг 7.
Таблица 1.
№
Плотность мощности, Вт/см<sup>2</sup>
Давление рабочего газа, Па
Время формирования покрытия, мин
Отрицательное смещение на подложкодержателе, В
Средние размеры микро/наноструктур, нм
Расстояние между подложкодержателем и образцами
длина
ширина
1
0,1
0,1 (аргон)
180
100
300
1000
40
2
0,1
0,1 (кислород)
120
95
100
200
45
3
0,3
0,5 (аргон)
15
90
200
300
50
4
0,5
1 (кислород)
15
100
100
100
45