Формирование биосовместимых кальций-фосфатных покрытий методом высокочастотного магнетронного распыления

• Автор: Сурменев, Роман Анатольевич
• Шифр специальности: 01.04.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 164 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 БИОМАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ФОРМИРОВАНИЯ

БИОСОВМЕСТИМЫХ ПОКРЫТИЙ

1Л Понятие биосовместимости

1.2 Кальций-фосфатные материалы

1.2.1 Гидроксиапатит. Кристаллическая структура и свойства

1.3 Биоматериалы и имплантаты

1.4 Требования, предъявляемые к покрытиям медицинского назначения

1.5 Методы формирования биосовместимых покрытий

ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
2.1 Высокочастотное магнетронное распыление
2.1.1 Установка ВЧ-магнетронного распыления и режимы напыления покрытий
2.1.2 Распыление многокомпонентных мишеней
2.1.3 Расположение подложек относительно зоны эрозии мишени
2.1.4 Реактивное распыление
2.1.5 Отрицательное электрическое смещение
2.2 Материалы подложек
2.3 Приготовление мишени для распыления
2.4 Методы исследования
2.4.1 Сканирующая электронная микроскопия
2.4.2 Энергорассеивающая рентгеновская спектроскопия
2.4.3 Рентгенофазовый анализ
2.4.4 Метод инфракрасной спектроскопии
2.4.5 Атомно-абсорбционная спектроскопия
2.4.6 Оптическая эмиссионная спектроскопия
2.4.7 Метод динамического наноиндентирования
2.4.8 Метод склерометрии (scratch test)
ГЛАВА 3 СОСТАВ, СТРУКТУРА И СВОЙСТВА КАЛЬЦИЙ-ФОСФАТНЫХ ПОКРЫТИЙ, СФОРМИРОВАННЫХ МЕТОДОМ ВЧ-МАГНЕТРОННОГО РАСПЫЛЕНИЯ
3.1 Состав и структура гидроксиапатита - материала мишени
3.2 Исследование температурных режимов напыления
3.3 Спектры оптического излучения плазмы
3.4 Определение толщины покрытий
3.5 Влияние режимов напыления на морфологию покрытий
3.5.1 Влияние времени напыления на морфологию покрытий
3.5.2 Влияние электрического смещения на морфологию покрытий
3.5.3 Морфология покрытий, напыляемых в атмосфере кислорода
3.5.4 Факторы, влияющие на морфологию покрытий
3.5.5 Выводы по результатам исследований морфологии покрытий
3.6 Исследование элементного состава покрытий

3.6.1 Влияние времени напыления и смещения на состав покрытий
3.6.2 Влияние атмосферы рабочего газа на отношение Са/Р
3.6.3 Химические формулы сформированных структур
3.6.4 Зависимость отношений Са/Р и О/P от параметров напыления
3.6.5 Выводы по данным элементного анализа
3.7 ИК-спектры поглощения кальций-фосфатных покрытий
3.7.1 Зависимость ИК-поглощения покрытий от времени напыления
3.7.2 Влияние электрического смещения на ИК-поглощение покрытий
3.7.3 Влияние атмосферы рабочего газа на ИК-поглощение покрытий
3.7.4 Выводы по данным ИК-спектроскопии
3.8 Анализ фазового состава покрытий
3.9 Исследование нанотвердости покрытий
3.10 Исследование адгезионных свойств покрытий
3.11 Влияние ВЧ-магнетронного покрытия на выход никеля из NiTi
3.12 Медико-биологическое тестирование ВЧ-магнетронных покрытий
3.12.1 Токсикологические исследования in vivo
3.12.2 Токсикологические исследования in vitro
3.12.3 Выводы по результатам медико-биологических исследований
ГЛАВА 4 ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПРОЦЕСС ФОРМИРОВАНИЯ ПОКРЫТИЙ
4.1 Влияние параметров напыления на отношение Са/Р
4.2 Влияние толщины покрытия на поле в анодном промежутке
4.3 Поверхностный заряд диэлектрического покрытия
4.4 Влияние потока ионов на рост покрытия
4.5 Эффект распыления формирующегося покрытия
4.6 Выводы по главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
ПРИЛОЖЕНИЕ
ПРИЛОЖЕНИЕ

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Поз. 1 - положение подложек “в зоне эрозии” мишени Поз. 2 - положение подложек “вне зоны эрозии” мишени а.е.м.-атомная единица массы К-Ф - кальций-фосфатный (кальций-фосфат)
ГА - гидроксиапатит
ГА-покрытие - покрытие из гидроксиапатита
З.П. - заземленный подложкодержатель
EDX-метод - метод энергодисперсионной спектроскопии
Е - энергия частицы
II — нанотвердость
Еу- модуль Юнга
Vf — плавающий потенциал
Vp - потенциал плазмы
Vs - дополнительное электрическое смещение на подложке AV - падение потенциала в анодном промежутке va - скорость Бома
Я,,, - ширина анодного (катодного) темного пространства
Те - температура электронов в плазме
<7 - заряд иона
е — элементарный заряд
к - постоянная Больцмана
е0 - электрическая постоянная
е - диэлектрическая проницаемость
mi - масса иона
те - масса электрона
- дебаевский радиус экранирования МКТ - молекулярно-кинетическая теория газов Са/Р - отношение кальция к фосфору О/Р - отношение кислорода к фосфору отн. ед. - относительные единицы абс. ед. — абсолютные единицы ШПВ - ширина на полувысоге

электроны подчиняются распределению Максвелла, диапазон температур <Те<1 (эВ), а температура (Т) ионов 0,026 эВ [123].
Таблица 2.2 Некоторые реакции с участием кислорода в плазме
реакция константа скорости
02+е =0 +0 8,8 10'11ехр(-4,4/Ге)
02+е=02++2е' 9 КУи)Тс',рехр(-12,6/7;,)
О' + е~=0+2е' 2 10‘'ехр(-5,5/Ге)
О II' (О О 5,2 10"7Г
Ог++0 —О2+О 0,96 ШЗОО/Т)
При взаимодействии быстро движущегося электрона возможна также реакция разложения 02 на высокоактивные атомы кислорода (е'+02=>е"+0+0). Атомарный кислород может существовать в таком виде в течение примерно 1 мс при атмосферном давлении, после этого он опять переходит в форму молекулярного кислорода или принимает другую форму. Возможно протекание реакций по передаче импульса между составляющими плазмы, например: О" +02=0'+02 или е'+02=О2+е'. Механизм протекания каждой реакции определяется энергией взаимодействующих частиц [142].
Так как в состав ГА входят ионы гидроксил-группы (О-Н), в плазме возможны следующие реакции с участием водорода: Н2+02=20Н; 0Н+Н2=Н20+Н; Н+02=0Н+0 [123,143].
Отрицательные ионы кислорода О' могут образовываться посредством диссоциации аниона 2(0Н)>Н20+02', наряду с этим они могут являться продуктом распада анионов РО**3’ (Р043'=0"+Р03+), так как энергия связи (Р-О) меньше, чем трех остальных (Р=0) (табл. 3.1). Катионы Р03+ также могут распадаться на составляющие.
В случае распыления многокомпонентной ГА-мишени (Са]0(РО4)б(ОН)2), важной задачей является получение покрытий- близких по свойствам к стехиометрическому ГА (Са/Р=1,67). В состав ГА входит кислород, который при распылении может быть потерян как газовая фаза, в качестве соединений с фосфором, а также благодаря преимущественному распылению кислорода более тяжелыми атомами кальция (масса 40,08) или аргона (39,95). В литературе имеет-