Способ изготовления нанокомпозитного материала с биологической активностью
METHOD FOR MANUFACTURING A 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 получений 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 паров циклогексана (п. 4) и то, что в качестве биосовместимого полимерного материала подложки используют синтетические полимеры полиэтилентерефталат (ПЭТФ) к политетрафторэтилен (ПТФЭ), (п. 7 формулы).
Установлено, что биологическая активность нанокомпозитных материалов зависит от свойств, 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, выраженные в такой характеристике, как среднеквадратичная шероховатость Rq НСП, играют важную роль при изготовлении наноструктур.
Эффективность 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 осаждение пленки является технически сложной задачей для практической реализации в серийном производстве, требующей активного прецизионного регулирования параметров.
Технологический диапазон времени наноструктурирования поверхности полимерной подложки (1-30 мин.) не обеспечивает требуемой шероховатости, необходимой для формирования конечного рельефа после осаждения пленки: на нижнем временном пределе поверхность практически не структурируется, оставаясь гладкой и пригодной для колонизации клетками 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 пленки с улучшенными антиадгезионными свойствами, а также уменьшение влагопроницаемости, характерной для тонких пленок.
4
4
8
Требуемый технический результат достигается тем, что известный способ изготовления нанокомпозитного материала, подложка которого из биосовместимого полимера, преимущественно политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата, имеет пленочное углерод содержащее покрытие, содержащий травление поверхности подложки посредством ионно-плазменной обработки в вакууме с использованием ионов тетрафторметана (CF) и последующее ионно-стимулированное осаждение из плазмообразующей газовой среды в вакууме на наноструктурированную поверхность подложки модифицирующей углеродсодержащей пленки, согласно изобретению наноструктурирование поверхности подложки проводят в течение 15-35 минут, а модифицирующую пленку толщиной 20-200 нм формируют из октофторциклобутана (CF) в течение 3-15 минут, обеспечивая содержание в пленке фтора и углерода в атомном соотношении (38-42) (60-55) соответственно.
Отличительные признаки предложенного способа обеспечили формирование двухслойной матричной системы, антиадгезионные свойства которой исключают последующую биодеструкцию поверхности полимеров и достигаются автоматически, при оптимизации технологических параметров, за счет включения в структуру углеродсодержащей пленки дополнительного фтора, угнетающего патогенную среду. Формируемый материал характеризуется супергидрофобностью, уменьшением влаго- и паропускания, имеет повышенную прозрачность в видимом диапазоне спектра, что делает его пригодным для изготовления оптоэлектронных компонентов политроники, защитных покрытий силовой электроники и аэрокосмической техники, а также для изделий медицинского назначеная.
При длительности процесса наноструктурирования поверхности подложки травлением ионами тетрафторметаза меньше 15 минут среднеквадратичная шероховатость поверхности Rq составляет менее 5 нм, что недостаточно для прочной связи осаждаемых фтора и углерода с поверхностью подложки при формировании модифицирующей пленки.
При длительности процесса наноструктурирования поверхности подложки травлением ионами тетрафторметана более 35 минут нецелесообразна, потому что среднеквадратичная шероховатость поверхности Rq достигает предельной величины, определяемой видом полимера и режимами обработки, и дальше не меняется.
При длительности операции модификации развитой поверхности подложки в течение времени меньше 3 минут формируемся фторуглеродная пленка, толщиной меньше 20 нм, когда не обеспечивается ее сплошность в покрытии нанорельефа поверхности подложки и, следовательно, функциональность по назначению.
При длительности операции модификации развитой поверхности подложки больше 15 минут формируется фторуглеродная пленка толщиной больше 200 нм, не улучшающая показателей назначения, причем возможно ее отслаивание от подложки, то есть происходит вырождение целевого изделия.
Использование октофторциклобутана, в качестве плазмообразующей газовой среды, из которой посредством ионно-стимулированного осаждения фторуглеродной пленки модифицируют наноструктурированную поверхность подложки, продиктовано более равномерным, сравнительно с прототипом, осаждением структурных элементов пленки на сформированный рельеф подложки.
Границы заявленных диапазонов атомного содержания фтора и углерода в пленке были рассчитаны по математической модели планирования эксперимента и подтверждены достижением максимальных показателей назначения при формировании опытных образцов нанокомпозитного материала с биологической активностью, супергидрофобностью (при энергии поверхности не выше 30 мН/м) и повышенной оптической прозрачностью (не менее 90%) в доверительном диапазоне значений.
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.
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 фторуглеродсодержащей модифицирующей пленкой возможно на действующем в отрасли вакуумном ионно-плазменном оборудовании с регулированием в широком диапазоне технологических параметров.
Из вышесказанного можно сделать вывод о соответствии изобретения условиям патентоспособности.
Способ опробован на опытных образцах пленочного биоактивного полимерного материала, травление поверхности которого и последующая модификация НСП проводились в вакуумной установке, оснащенной ионным источником марки ИИ-4-0,15.
Испытания образцов биосовместимого материала, нанокомпозитная подложка которого модифицирована осаждением фторуглеродсодержащей пленки, 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%.
Предложенный способ изготовления нанокомпозитного материала реализуется в вакуумной установке с ионным источником ИИ-4-0,15, где проводится обработка поверхности подложки из политетрафторэтилена или полиэтилентерефталата потоками ионов тетрафторметана (CF4) посредством ионно-плазменного травления в вакууме в течение 15-35 минут, в результате чего происходит наноструктурирование псверхности подложки до шероховатости Rq=6-17 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.
4
8
Затем на сформированный нанорельеф поверхности подложки, посредством ионно-стимулированного осаждения из октоциклобутана (СН), наносят модифицирующую фторуглеродсодержащую пленку толщиной 20-200 нм, которая равномерно покрывает по высоте выступы наноструктурированнного рельефа полимерной подложки и является не адгезивной для микроорганизмов.
Опытные образцы биоактивного полимерного материала, поверхность которого подвергли травлению ионами терафторметана с последующей модификацией посредством ионно-стимулированного осаждения фторуглеродсодержащей пленки из октофторциклобутана, были исследованы следующим образом.
Толщина формируемых фторуглеродсодержащих пленок измерялась по свидетелю с помощью микроинтерферометров МИИ-4 и МИИ-11.
Спектры отражения и пропускания образцов ПЭТФ исследовались с помощью спектрофотометра Lamda (Perkin Elmer Inc.,US А).
Измерения параметров НСП проводят методом атомно-силовой микроскопии с использованием прибора «Veeco Dimension Icon» (Veeco Instruments, USA) 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
р
На основе полученных данных по КУС рассчитывают удельную энергию поверхности σ и ее полярный и дисперсионный компоненты σ, σ.
0
1
0
2
Влагопропускание определялось по влагопоглощению. Величина влагопоглощения образцов ПЭТФ, модифицированных фторуглеродными пленками, определялась взвешиванием на электронных аналитических весах Adventurer™ (OHAUS, Германия). Масса подложки измерялась три раза: непосредственно перед помещением в сосуд с дистилированной водой (m); сразу после извлечения и просушивания поверхности (m); после сушки на воздухе в течение 15 минут (m). Для сценки влагопоглощения использовали относительную концентрацию воды в образце , где Δm - масса воды, сорбируемая образцом во время выдержки (Δm=m-m); t - длительность выдержки в дистиллированной воде (в данной работе она составляла 72 часа); d - толщина пленки (нм); S - поверхность образца (см). Поскольку поглощением с боковой стороны пленочного образца по периметру можно пренебречь, то поглощение воды происходит через обе поверхности: как со стороны модифицированной части образца, так и с обратной стороны подложки. Для исключения влияния обратной стороны подложки также проводилось измерение влагопоглощения чистого ПЭТФ, после чего половина полученной величины вычиталась из первой.
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
Подложку из полиэтилентерефталата (ПЭТФ) 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, который с помощью натекателя впускали в ионный источник до давления 10 Па. Обработку поверхности ПЭТФ производили при величине энергии ионов 700±100 эВ и плотности ионного тока ~2,0±0,3 мА/см в течение 20 минут.
Затем ионно-плазменным осаждением наносили модифицирующую фторуглеродсодержащую пленку методом ионно-стимулированного осаждения из октофторциклобутана, с помощью второго ионного источника при ускоряющем напряжении 3 кВ, токе в катушке соленоида 2 А и токе разряда 200 мА. Время осаждения составляло 10 мин в соответствии с заданной толщиной покрытия, которую контролировали по свидетелю с помощью микроскопов МИИ-4 и МИИ-11. В результате на наноструктурированной поверхности полимерной подложки получили фторуглеродсодержащую пленку толщиной 90 нм.
Измерения параметров наноструктурированной поверхности методом атомно-силовой микроскопии показало, что среднеквадратичная шероховатость составляет 10 нм.
s
Путем измерения краевого угла смачивания по отношению к двум разным жидкостям (воде и этиленгликолю) и на основе полученных данных рассчитывалась величина полной удельной поверхностной энергии σ. Величина КУС составляла 102°, а величина поверхностной энергии - 30 мН/м.
-10
2
Влагопропускание образца составило 23⋅10 г/(см⋅нм⋅час).
Пропускание образца в видимой области спектра составила 90%.
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
Подложку из ПТФЭ толщиной 10 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, который с помощью натекателя впускали 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/смв течение 30 минут.
Затем на развитую поверхность подножки ионно-плазменным осаждением наносили модифицирующую фторуглеродсодержащую пленку. Нанесение производили методом ионно-стимулированного осаждения из октофторциклобутана, с помощью второго ионного источника при ускоряющем напряжении 4 кВ. Время осаждения составляло 14 мин, в соответствии с заданной толщиной покрытия, которую контролировали по свидетелю с помощью микроскопов МИИ-4 и МИИ-11. В результате получили фторуглеродсодержащую пленку толщиной 180 нм.
Измерения параметров НСП методом атомно-силовой микроскопии показало, что среднеквадратичная шероховатость составляет 12 нм.
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 110°, а величина поверхностной энергии - 29 мН/м.
-10
2
Влагопропускание образца составило 18⋅10 г/(см⋅нм⋅час).
Пропускание образца в видимой области спектра составило 91%.
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 модифицирующая пленка содержит фтор и углерод в атомном соотношении (47/57).
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 нанокомпозитный материал является основой для разработки нового поколения материалов, характеризующихся комплексом качеств и свойств:
- повышенным антимикробным действием, исключающим колонизацию поверхности микрофлорой;
- супергидрофобностью, существенно уменьшающей влагопроницаемость, при снижении энергии поверхности до 30 мН/м;
- оптической прозрачностью материала в видимом спектральном диапазоне, составляющей не менее 90%.
Испытания опытных образцов нанокомпозитного материала с биологической активностью, обработанных по предложенному способу, показали достижение заданных показателей назначения, что позволяет рекомендовать его для серийного производства на предприятиях по изготовлению элементов политроники и для поставок в лечебные учреждения.