ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИХ СВОЙСТВ И МОРФОЛОГИИ ПОВЕРХНОСТИ КОМПОЗИЦИОННЫХ ЭЛЕКТРОПЛАЗМЕННЫХ ПОКРЫТИЙ НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫХ ИОННО-ЛУЧЕВОЙ ОБРАБОТКОЙ

Для ортопедических устройств в импланталогии широкое применение получили кальций-фосфатные покрытия на основе гидроксиапатита кальция (ГА), фторапатита, фторгидроксиапатита. Они имеют высокую биосовместимость и хорошие остеокондуктивные свойства, однако низкая усталостная прочность и низкая прочность на изгиб плазмонапыленного покрытия ГА ограниченно позволяет его использовать в качестве высоконагруженных имплантатов [1, с. 106].

Исследование влияния ионной имплантации азота с целью наноструктурирования титановой основы, наномодифицирования гидроксиапатитовых покрытий дентальных имплантатов: электронно-микроскопические, ИК — спектроскопические исследования проведены авторами [2, с. 201], в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Результаты исследований с достаточной достоверностью и точностью укладываются в физическую модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий, механизмы которого описаны [3, с. 58].

Образцы представляют собой пластины размером 10×10×2 мм, вырезанные из листа титана марки ВТ1-00, и состоящие из нескольких композиционных слоев (рис. 1). Первый слой 1 находится в приповерхностной области компактного титана прошедшего пескоструйную обработку и получен путем внедрения ускоренных ионов азота N⁺ с энергией 110 кэВ и дозой облучения ионов 6·10¹⁵÷6·10¹⁶ ион/см². Второй и третий слой получен путем напыления порошка титана толщиной слоя 5—10 мкм, и порошка ГА (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) марки ВФС-42-2378-94 (ASTM-1185-80) толщиной слоя 20—30 мкм. Последний слой толщиной 4—10 нм и первый слой получен путем облучения высокоэнергетическими ионами N⁺ с энергией 110 кэВ и интегральной дозой 6·10¹⁵÷6·10¹⁶ ион/см² в углеродсодержащей атмосфере на модернизированной установке ионного легирования «Везувий-5», которая позволяет вводить в приемную вакуумную камеру молекулы газов СО, СН.

Рисунок 1. Схематическое изображение облучаемого образца

Экспериментальные результаты

Измерения микротвердости проводили согласно ГОСТ 6450-76 на приборе ПМТ-3 путем вдавливания четырехгранной алмазной пирамиды при нагрузке 0,39 Н, приложенной в течение 30 с. Исследование морфологии проводили с высоким разрешением до 0,4 нм на растровом электронном микроскопе Tescan mira II LMU, с энергодисперсионной приставкой, предназначенной для элементного анализа твердых веществ, а также с помощью сканирующего зондового микроскопа (СЗМ) при постоянном среднем расстоянии между основанием зондового датчика и поверхностью. Спектроскопическое инфракрасное исследования проводили на однолучевом приборе Nikolet-6700.

Измерения микротвердости облученного ионами N⁺ образцов титана и электроплазменного покрытия показали, что микротвердость во всех материалах увеличивается по нормальному распределению в зависимости от дозы облучения (табл. 1). Максимальное увеличение микротвердости титана составляет HV=16 ГПа — более чем в 3 раза больше по сравнению с необлученным образцом (табл. 1) и достигается при интегральной дозе 1,8·10¹⁶ ион/см² и энергии 110 кэВ. У электроплазменных покрытий максимальная микротвердость составляет HV=8,3 ГПа, это более чем в половину раза больше в сравнении с необлученными, и достигается при интегральной дозе ионов 10¹⁵÷6·10¹⁶ ион/см² и энергии 110 кэВ.

Таблица 1.

Микротвердость облученных образцов

Исследование морфологии титана методом атомно-силовой микроскопии показало, что поверхность после облучения ионами азота видоизменяется. На рис. 2 изображена поверхность до и после облучения N⁺ дозой 1,2 ·10¹⁶ ион/см².

а                                             б

Рисунок 2. СЗМ — снимки поверхности титана: а — не облученный,
б — облученный дозой ионов 1,2 ·10¹⁶ ион/см²

Исследование СЗМ-снимков синтезируемого покрытия проводилось с помощью модуля обработки изображений Nova. На рис. 3 показана поверхность титана в трехмерном изображении; покрытие, образованное в результате ионного облучения состоит из вертикальных структурных образований.

а                                             б

Рисунок 3. Трехмерное изображение поверхности титана:

а — до облучения,

б — после облучения дозой ионов 1,2 ·10¹⁶ ион/см²

Шероховатость поверхности титана до облучения имеет развитый рельеф рис. 4, который после облучения уменьшается, отличительной особенностью синтезируемого покрытия поверхности ионно-имплантированного титана является беспористость.

а                                    б

Рисунок 4. Шероховатость титана: а — до облучения,

б — после облучения дозой ионов 1,2 ·10¹⁶ ион/см²

Морфология электроплазменных ГА покрытий, напылённых на титановую основу, после облучения также видоизменяется: так на сферических частицах ГА диаметром около 1÷5 мкм формируются волокна трубчатого вида диаметром около 50÷150 нм при дозе облучения ионов 6·10¹⁵÷1,8·10¹⁶ ион/см² (рис. 5).

 а                         б

 в                         г

Рисунок 5. Морфология поверхности ионно-облученных ГА покрытий
(дозой 6·10¹⁵ ион/см²; энергия 110 кэВ)
с увеличением: а — ×1000, б — × 5000, в — ×9500, г — ×13000

Исследование элементного состава сферических частиц ГА с волокнами трубчатой формы проведен по химическим входящим в состав элементам (углероду, фосфору, кислороду, кальцию) (табл. 2) методом энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии показали, что содержание углерода после ионно-лучевой обработки увеличивается почти в два раза, а содержание фосфора при этом уменьшается.

Таблица 2.

Элементный состав частиц ГА

Инфракрасное спектроскопическое исследование облученных электроплазменных ГА покрытий показало, что после ионно-лучевой обработки синтезируются углеродные наноструктурные формы которые подтверждаются спектральными пиками в области 2780—2925 см^-1 (рис. 6 б) и соответствуют валентным колебаниям СН групп.

а б

Рисунок 6. Спектры инфракрасной спектроскопии ионно-облученного ГА: а — до облучения, б — после облучения дозой ионов 1,2 ·10¹⁶ ион/см²

Изменения твердости покрытия согласно физической модели происходит за счет образования и накопления радиационных дефектов, образования вторичных фаз [1, с. 107; 3, с. 55] в объеме облучаемого композиционного покрытия. Вторая причина, влияющая на характер повышения физико-механических свойств облучаемых материалов — образование на поверхности углеродсодержащего покрытия, синтезируемого в виде нановолокон, образование которых происходит за счет ионизации и диссоциации адсорбированных молекул газа СО, СН введенных вакуумную камеру, имплантируемыми ионами азота (Е=110 кэВ, Q=1,2·10¹⁶ ион/см²), возникновение заряженных радикалов, процесс сшивания которых стимулируется энергетическим воздействием ускоренных ионов.

Техническая значимость

Техническая значимость работы заключается в разработке новой технологии ионно-лучевой композиционных электроплазменных покрытий, используемых в различных областях современной промышленности, и в том числе медицины для изготовления внутрикостных имплантатов, позволяющей формировать рациональную структуру с наноразмерными поверхностными элементами, обеспечивающую повышенные физико-механические свойства в сочетании с хорошей биосовместимостью.

Список литературы:

1.            Перинский В.В., Крыночкина В.В., Перинская И.В. Модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий материалов имплантологии / В.В. Перинский, В.В. Крыночкина, И.В. Перинская // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: сборник матер. Всерос. заоч. науч. конфер. для молодых ученых, студентов и школьников. ФГУП НТЦ «Информрегистр», Депозитарий электронных изданий, 2011 — с. 105—113.

2.            Перинский В.В., Муктаров О.Д., Лясников В.Н., Перинская И.В. ИК — спектроскопическое исследование поверхности титана типа ВТ1-00 облученного ускоренными ионами азота / В.В. Перинский, О.Д. Муктаров, В.Н. Лясников, И.В. Перинская, // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений: сб. науч. тр. Тольятти, 2011. — с. 201—202.

3.            Перинский В.В., Лясников В.Н., Перинская И.В., Муктаров О.Д. Механизмы влияния ионной имплантации химически инертной примеси при создании наноразмерного состояния материалов // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (53). Вып. 2. — с. 56—61.