НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ

ІНСТИТУТ МОНОКРИСТАЛІВ

Крижановська Олександра Сергіївна

УДК 667.6, 661.635.41

ВИРОЩУВАННЯ ПОЛІКРИСТАЛІЧНИХ КАЛЬЦІЙ-ФОСФАТНИХ ПОКРИТТІВ НА ПОВЕРХНЯХ ТИТАНУ І САПФІРУ

05.02.01 – матеріалознавство

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків-2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті монокристалів НАН України.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Толмачов Олександр Володимирович,

Інститут монокристалів НАН України,

заступник директора з наукової роботи

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Литвинов Леонід Аркадійович

Інститут монокристалів НАН України,

завідувач відділу

кандидат фізико-математичних наук

Кришталь Олександр Петрович,

Харківський національний університет

ім. В.Н. Каразіна,

старший науковий співробітник кафедри

фізичних технологій

Провідна установа: Інститут проблем матеріалознавства

НАН України ім. І.М. Францевича,

відділ хіміко-аналітичних досліджень,

м. Київ

Захист відбудеться “.19..“.квітня 2006 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.169.01 при Інституті монокристалів НАН України, 61001, м. Харків, пр.Леніна, 60.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Інституту монокристалів НАН України (м. Харків, пр. Леніна, 60).

Автореферат розісланий “.17.“..березня..2006 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

кандидат фізико-математичних наук М.В. Добротворська

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми обумовлена необхідністю розробки нових біосумісних матеріалів, зокрема подальшим розвитком методів нанесення кальцій-фосфатних покриттів (КФП) на металеві і сапфірові медичні імпланти. Наявність таких покриттів, які не тільки за своїм складом, а й за морфологією збігаються зі властивостями натуральної кістковій тканині, значно прискорює процес приживлення і знижує ризик відторгнення імпланту. Ефективним методом, що дозволяє одержати пористі полікристалічні КФП, є низькотемпературна спрямована кристалізація речовини на поверхні імпланта з розчину прекурсорів за методом постійного складу. Для отримання щільного, рівномірного по всій поверхні субстрата полікристалічного покриття необхідно забезпечити спрямовану кристалізацію неорганічної фази на поверхні підкладки за умов запобігання спонтанному зародкоутворенню у об’ємі субфази. Зародкоутворення і ріст кальцій-фосфатної фази на поверхні підкладки здійснюється за рахунок зниження міжфазної поверхневої енергії “підкладка/розчин” за допомогою модифікації поверхні підкладки і варіювання параметрів робочого розчину. Водний розчин солей іонів кальцію і фосфат-іонів є складною системою, в якій, як відомо, крім фази гідроксиапатиту (ГАП) можуть утворюватися інші кристалічні і аморфні фази-прекурсори, які впливають на морфологію, ступінь кристалічності і, як наслідок, на швидкість біорезорбції покриття. Для можливості управління фазовим складом, структурними параметрами, морфологією і швидкістю кристалізації покриттів процес росту необхідно проводити у вузькій області ростових параметрів, в тому числі в метастабільній області на межі критичних перенасичень. Забезпечення спрямованої кристалізації КФП на поверхнях біоінертних матеріалів обумовлює необхідність пошуку нових методів поверхневої модифікації, наприклад, сапфіру, який з цих позицій досліджений недостатньо. Враховуючи вищевикладене, є актуальною оптимізація умов фазоутворення КФП на титанових і сапфірових імплантах, що вимагає подальшого розвитку і систематизації фізико-хімічних уявлень про основні стадії кристалізаційного процесу.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Робота виконувалася відповідно до затвердженої теми дисертаційної роботи й особистим планом аспіранта Інституту монокристалів НАНУ (протокол Вченої ради ІМК НАНУ № 4 від 5 березня 2002 р.), а також у відповідності до проектів в рамках тематики фундаментальних досліджень НАН України: “Розробка й дослідження тонких наноструктурованих плівок і покриттів із застосуванням поверхнево контрольованих реакцій і методів самозбирання” (“Нанокристал-3”, 2001-2003 р.р. номер держреєстрації № 0101U003487), “Дослідження впливу фізико-хімічних факторів на ріст кристалічних покриттів гідроксиапатиту кальцію” (“Апатит”, 2004 р., номер держреєстрації № 0104U000759); відповідно до комплексної Програми фундаментальних досліджень НАН України “Наносистемы, наноматеріали й нанотехнології” у рамках проекту "Нуклеація і ріст наноструктурованих біосумісних покриттів гідроксиапатиту кальцію на титанових і сапфірових підкладках" (“Сапфір”, 2004-2006 р.р., номер держреєстрації № 0104U007700); до роботи за грантом НАН України для молодих учених “Вирощування біосумісних нанокристалічних кальцій-фосфатних покриттів на поверхні титану і сапфіру” (“Титан”, 2005-2006 р.р., номер держреєстрації № 0105U008138).

Метою дослідження було встановлення закономірностей процесу фазоутворення полікристалічних кальцій-фосфатних покриттів в системі CaCl2-KH2PO4-HCl-NaOH-H2O на поверхнях біоінертних титана і сапфіра, зокрема в умовах високих перенасичень з боку іонів Ca2+ і PO43–, та визначення кількісних показників впливу модифікації твердих підкладок на кінетику росту і морфологію покриттів з гідроксиапатиту кальцію (ГАП) і октакальцій фосфату (ОКФ).

Для досягнення поставленої мети в дисертаційній роботі вирішувалися такі основні задачі:

? розробка методів модифікації інертної поверхні сапфіру для стимулювання спрямованого зародкоутворення фосфатів кальцію у водних розчинах прекурсорів;

? встановлення особливостей зародкоутворення і початкових етапів росту покриттів на модифікованих поверхнях;

? вивчення впливу фізико-хімічних параметрів (температури, перенасичення і рН) реакційної суміші на швидкість росту, морфологію і фазовий склад покриттів;

? видача практичних рекомендацій.

Об'єкт дослідження – процеси спрямованої кристалізації фосфатів кальцію на біоінертних поверхнях титану й сапфіру.

Предмет дослідження – закономірності фазоутворення фосфатів кальцію з водних розчинів на поверхнях біоінертних матеріалів; зв'язок фазового складу, структури, морфології й кінетики росту покриттів з умовами вирощування.

Методи дослідження. Отримання всіх досліджуваних в роботі зразків покриттів здійснювалося шляхом спрямованої кристалізації фосфатів кальцію на титанових та сапфірових підкладках з водних розчинів методом постійного складу. Якість попередньої хімічної обробки підкладок контролювалась за елементним складом їхньої поверхні, використовуючи рентгенівську фотоелектронну спектроскопію. Початкові етапи кристалізації покриттів досліджували за допомогою просвітлювальної електронної мікроскопії. Вивчення фазового складу та структури зразків проводилося методами рентгенівської дифрактометрії та скануючої електронної мікроскопії. Для дослідження кінетики кристалізації покриттів використовували метод гравіметрії.

У дисертації одержано такі нові наукові результати:

1. Встановлено і оптимізовано умови спрямованої низько-температурної кристалізації КФП на модифікованих поверхнях титану і сапфіру. Визначені кількісні значення ростових параметрів дозволяють керувати швидкістю кристалізаційного процесу, забезпечують відтворюваність фазового складу і морфологіі покриттів.

2. Доведено, що в інтервалі температур +15 - +55 С і рН = 6,5 - 8 найбільша швидкість росту полікристалічних покриттів ГАП і ГАП/ОКФ (4,5 - 6,3)·10–10 г/(см2·хв) відповідає області передкритичних перенасичень розчинів lgS = 9,6-10.

3. Встановлено, що механізм росту покриттів відповідає класичній теорії кристалізації Арреніуса, що дало змогу визначити індукційний час ind і міжфазну поверхневу енергію уcs в системі “модифікуючий шар/кальцій-фосфатний зародок”. Композиційний шар “трикальцій фосфат /боросилікатне скло” на поверхні сапфіру сприяє зменшенню параметрів зародкоутворення до реальніх значень ind = (30 - 40) год. і уcs=58,3 мДж/м2.

4. Встановлено, що на початковому етапі формування КФП на оксигідроксидній поверхні титану утворюється суцільний шар (завтовшки 10-20 нм на протязі 10-15 хв.) аморфного фосфату кальцію, який далі ініціює зародкоутворення і ріст полікристалічної фази ГАП/ОКФ з характерним ind = 1,5 - 3 год. (для перенасичень lgS = 9,6 - 10).

5. Показано, що пластинчаста (plate-like) структура покриттів на модифікованих поверхнях титану і сапфіру утворена нещільно упакованими анізотропними наноструктурованими блоками з лінійними розмірами 2ч5 мкм і розмірами мозаїки 15 - 50 нм. Напрямок переважного росту КФП відносно поверхні підкладки співпадає з кристалографічною віссю [001] граток ГАП і ОКФ.

Практичне значення отриманих результатів.

Одержані в роботі результати відкривають нові можливості для створення біоматеріалів нового покоління – біосумісних пористих композитних покриттів складу “гідроксиапатит/лікарський препарат”. Встановлений інтервал ростових параметрів у системі CaCl2-KH2PO4-HCl-NaOH-H2O дозволяє істотно прискорити процес спрямованої кристалізації кальцій-фосфатних покриттів на поверхні біоінертних імплантів, а також керувати їхнім фазовим складом, морфологією і кристалічністю. Отримані залежності властивостей матеріалу, що кристалізується, від ростових параметрів дозволяють одержувати біосумісні КФП при низьких температурах синтезу (від 15 до 45 С) і величинах рН, близьких до фізіологічних (від 6,5 до 8,0). Запропонований і реалізований новий метод створення шарів, що модифікують поверхню біоінертного сапфіру, забеспечує ефективне зародкоутворення і ріст КФП з водних розчинів.

Особистий внесок здобувача полягає в участі у постановці мети дослідження й обговоренні отриманих результатів; пошуку методів модифікації підкладок і дослідженні фазового складу й структурних властивостей покриттів [1-8]; визначенні границь метастабільної області розчинів і ростових параметрів синтезу [2-6], вирощуванні КФП на поверхнях титану й сапфіру, оптимізації цього процесу в умовах технологічних експериментів [1-8], у проведенні досліджень кінетики гетерогенного зародкоутворення й росту покриттів, їх пористості [2, 6]; обробці й узагальненні результатів досліджень. Фазовий склад КФП визначений за допомогою к.ф.-м.н. З.І. Колупаєвої, морфологія – к.ф.-м.н. С.В. Дукарова і П.В. Матейченко, елементний склад – к.ф.-м.н. М.В. Добротворської, кількісний аналіз і розрахунки кінетичних параметрів проведені спільно з к.ф.-м.н. Ю.Н. Савіним.

Публікації й апробація роботи. По темі дисертації опубліковано 6 статей у профільних наукових виданнях, отримано 1 патент України й подано 1 заявку на винахід.

Результати досліджень доповідалися й обговорювалися на наступних міжнародних і вітчизняних конференціях:

X Національна конференція по росту кристалів (НКРК-2002), 24-29 листопада, 2002, Москва, Росія; International Conference “Functional Materials” (ICFM-2003), 6-11 October, 2003, Partenit, Ukraine; 14th International Conference on Crystal Growth (ICCG-14), 9-13 August, 2004, Grenoble, France; ХI Національна конференція по росту кристалів (НКРК-2004), 13-17 грудня, 2004, Москва, Росія; International Conference “Science for Materials in the Frontier of Centuries: Advantages and Challenges”, November 4-8, 2002, Kyiv, Ukraine; Національна конференція НАНСИС-2004, Київ, 12-14 жовтня, 2004; International Conference “Crystal Materials” (ICCM’2005), 30 May-2 June, 2005, Kharkiv, Ukraine та опубліковані в збірниках тез доповідей цих конференцій.

Структура й об'єм роботи. Дисертація складається зі вступу, шести розділів, висновків і списку посилань, містить 54 рисунки, 14 таблиць, 151 посилання і має загальний об'єм 144 сторінки.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ (огляд літератури) присвячений кальцій-фосфатним біоматериалам, їхнім властивостям, а також методам одержання біосумісних КФП. Особлива увага приділяється способам одержання кальцій-фосфатних покриттів з водних розчинів на поверхні металевих імплантів і властивостям отриманих матеріалів. Проаналізовано вибір умов синтезу і їхній вплив на швидкість формування й фазовий склад отриманих покриттів. Наведено літературні дані про кристалохімічні особливості фосфатів кальцію, вирощених з водних розчинів за методом осадження, і вплив на їхні властивості умов синтезу. Зроблено обґрунтування наукових напрямків роботи, вибору об'єктів і методів дослідження.

Другий розділ містить опис експериментальних методик і використаної науково-дослідної апаратури. Наведено дані про застосовану методику вирощування експериментальних зразків кальцій-фосфатних покриттів з водних розчинів за методом постійного складу. Описано основи техніки нанесення моношарів методом Ленгмюра-Блоджет. Наведено методи визначення фазового складу, ступеня кристалічності й ступеня текстури покриттів за допомогою методу рентгенофазового аналізу (рентгенівський дифрактометр ДРОН-2.0). Описано методи й обладнання для вивчення морфології, кристалічності, фазового складу й ступеня текстури покриттів на ранніх стадіях росту за допомогою просвічувальної електронної мікроскопії й електронної дифракції (електронні мікроскопи ЭМВ-100БР і ЭМ-125, напруга, що прискорює 75 і 100 кВ, відповідно). Описано методики вивчення морфології, товщини й пористості покриттів за допомогою скануючої електронної мікроскопії (JEOL-820). Наведено методику визначення елементного складу підкладок і покриттів методом рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (XPS-800 “Kratos”). Описано метод вивчення кінетики формування покриттів гравіметричним методом (ваги аналітичні ВЛР-200).

У третьому розділі розглянуто процеси гетерогенного зародкоутворення й початкових етапів кристалізації КФП на поверхні титану в умовах, близьких до фізіологічних (pН = 7,4, температура 37 °C) у модельній системі СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O. З метою прискорення процесу гетерогенного зародкоутворення поверхня підкладок піддавалася хімічній модифікації за двома методами.

Перший метод припускає утворення на оксидній поверхні титану груп Ti–O–O–. Попередньо очищену поверхню підкладок функціоналізували шляхом послідовної обробки водними розчинами гідроксиду натрію (1 М) і пероксиду водню (30%).

Другий метод забезпечує формування на поверхні підкладки кальцій-вмісних центрів нуклеації. Після обробки в розчинах гідроксиду натрію й пероксиду водню підкладки обробляли в 1 М розчині СаCl2, при рН = 7,0, що призводило до адсорбції поверхнею підкладки іонів кальцію.

Оброблені підкладки експонували в робочому розчині СаCl2 – KH2PO4 з концентраціями, що відповідають верхній границі метастабільної області розчину. Зразки покриттів досліджували методом просвічувальної електронної мікроскопії й електронної дифракції на різних етапах росту (від 5 до 180 хв). Величину передкристалізаційного періоду визначали як час, після закінчення якого на електронограмі зразка з'являлися кільцеві рефлекси.

Початковим етапом утворення покриттів на підкладці, обробленої першим методом, є формування щільного шару сферичних часток аморфного фосфату кальцію (АФК) (Рис. 1,а). Тривалість перед-кристалізаційного періоду складала 3 год.

а б

Рис. 1, а – Аморфний фосфат кальцію на поверхні титану після 10 хв. ростового процесу;

б – Початковий етап формування полікристаліч-ного КФП.

Модифікація поверхні титану кальційвмісним нуклеюючим шаром (другий метод) скорочує передкристалізаційний період майже у 6 разів. Після 30 хв росту електронна дифракція містить інтенсивне гало, обумовлене наявністю АФК, і також слабоінтенсивні кільцеві рефлекси, що відповідають граткам ГАП і ОКФ. Після 120 хв ростового процесу поверхня підкладки практично повністю покрита щільним полікристалічним шаром (Рис. 2,б). Спостережувана кільцева дифрактограма з великою кількістю рефлексів відповідає полікристалічній двофазній системі. Найбільш сильні рефлекси - від площин (0 0 4 ), (3 2 0), і (2 1 1 ) фази ГАП і (1 3 3 ), (8  ) фази ОКФ.

Скорочення передкристалізаційного періоду обумовлене тим, що поверхня, утворена регулярно розташованими на титановій підкладці групами –CaOH+, створює більш ефективні центри кристалізації, ніж поверхня, покрита групами Ti–O–O–. Ефективність адсорбції фосфат- і гідрофосфат-іонів на модифікованій поверхні з наступною ion-by-ion кристалізацією ОКФ і ГАП обумовлена аналогією між складом й структурою щільновпакованого поверхневого шару груп –Ca2+ і –CaOH+ і фаз ОКФ і ГАП.

Незалежно від присутності кальційвмісних центрів нуклеації початковим етапом формування покриттів на титанових підкладках при концентраціях, що відповідають верхній границі метастабільної області розчину, є утворення АФК. Надалі відбуваються процеси трансформації АФК у ГАП, а також кристалізація фази ОКФ. На початкових етапах росту покриттів (до 120 хв) відсутній переважний напрямок росту кристалічних блоків ГАП і ОКФ. Таким чином, перший, внутрішній шар покриття, що безпосередньо прилягає до поверхні титану, складається із дрібних, хаотично орієнтованих кристалітів ГАП і ОКФ.

Проведені аналогічно дослідження початкових етапів формування покриття при різних величинах перенасичення робочих розчинів показали, що зниження концентрації робочого розчину в межах метастабільної області в 1,5 рази призводить до збільшення передкристалізаційного періоду приблизно у 2 рази.

У четвертому розділі розглянуто особливості процесу фазоутво-рення й росту КФП на поверхні титану в модельній системі СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O в умовах, близьких до фізіологічних (pН = 7,4, температура 37 °C).

У результаті проведених ростових експериментів методом підбору концентрацій робочих розчинів визначено область перенасичень Smax/Smin  , у якій реалізується нуклеація й ріст покриттів. Залежність приросту маси покриття при різних величинах перенасичення від часу показана на Рис. 3 (lgS1=10,0, lgS2=9,61, lgS3=9,4, lgS4=9,15). Максимальна швидкість росту товщини (4,5 нм/хв) і маси (6,3·10–10 г/(см2·хв.)) покриття при pH = 7,4 и температурі 37 °C в розглянутій системі досягається при перенасиченні lgSmax = 10, що відповідає верхній границі метастабільної області розчину. Одержані значення індукційного періоду зародкоутворення i свідчать про те, що семикратне зменшення перенасичення призводить до збільшення індукційного періоду більше ніж у 20 разів. При цьому швидкість росту маси покриттів зменшується у 1,6 раза.

Аналіз кінетики росту покриттів ГАП проведено у наближенні класичної теорії кристалізації з пересичених розчинів. Активаційний бар'єр для нуклеации G, індукційний час i і швидкість росту покриттів v визначалися, виходячи з рівнянь:

Gi=V2cs3/(kTlgSi)2, (1)

lg i=lg(N/) +[V2cs3/2.3033(k)2lg(Si)2] , (2)

v=(S-1)n (3),

де 3=16f() – форм-фактор, що залежить від контактного кута на міжфазній границі, cs – міжфазна поверхнева енергія системи підкладка/кальці-фосфатний кристалічний зародок, V 26,410-29 м3 – молекулярний об'єм ГАП, N – концентрація зародків наприкінці індукційного періоду, NSD{V2cs/9k}1/2 – частотний фактор, NS – щільність центрів зародкоутворення на поверхні підкладки, D – частота зіткнень частинок прекурсорів із зародком, нормована на площу його поверхні, S – перенасичення відносно фази ГАП, k - постійна Больцмана, Т – абсолютна температура, – коефіцієнт пропорційності, n – показник ступеня, що залежить від механізму росту гідроксиапатитного покриття.

На рис. 4 у координатах lg-1/(lgS)2 представлені відповідні визначені залежності від S. Як видно, у хорошому наближенні експериментальні залежності апроксимуються лінійними функціями.

Розрахована величина міжфазної поверхневої енергії системи “модифікована Ti підкладка/ кальцій-фосфатний зародок” становить 12 25 мДж/м2, що на порядок нижче величини , визначеної для випадків зародкоутворення ГАП у розчині й на поверхні кристалів CaF2 (140 і 167,3 мДж/м2 відповідно). Таким чином, функціоналізація титанової підкладки стимулює й істотно прискорює процеси зародкоутворення фосфатів кальцію.

Рис. 3. Приріст маси КФП на поверхні титану при різних величинах перенасичення.

Рис. 4. Залежність індукційного періоду зародкоутворення від

перенасичення.

З даних, отриманих методом дифрактометрії й скануючої електронної мікроскопії на різних стадіях росту покриттів, витікає, що з ростом маси (і товщини) покриття безупинно змінюється його морфологія, фазовий склад, ступінь текстури й пористість. Покриття являють собою пластини, що складаються з фаз ГАП і ОКФ, аморфні фази відсутні (Рис. 5, 6). Кількісно оцінити склад цих фаз у покриттях по інтенсивностям відповідних дифракційних піків складно, оскільки обидві фази текстуровані. Крім того, на рефлекс від площини (0 0 2) ГАП накладається рефлекс (0 0 2) ОКФ, що ускладнює визначення істиного ступеня текстури обох фаз. Тому відносний склад цих фаз оцінювали по співвідношенню інтенсивностей ліній (11 1) ОКФ і (1 1 2) ГАП (наступним за інтесивностями після (0  )), які можна однозначно віднести до відповідних фаз.

Рис. 5. Морфологія полікристалічного покриття ГАП/ОКФ

Рис. 6. Дифрактограма ГАП/ОКФ покриття на титані.

* – фаза ГАП; – фаза ОКФ.

З Таблиці 1 видно, що відносний склад фаз ГАП/ОКФ у покритті зменшується зі збільшенням ростового періоду. Також зі збільшенням тривалості ростового процесу спостерігається нелінійне збільшення розмірів пластин, ступіню текстури, середнього розміру областей когерентного розсіювання (розміру кристалітів) й змінення параметрів пор. Зниження пористості покриття при тривалому рості пояснюється виникненням нових пластин усередині утворених раніше пор. Ці нові пластини складаються з більш дрібних кристалічних блоків, що призводить до зниження середнього розміру області когерентного розсіювання. Фази ГАП і ОКФ в отриманих покриттях на всіх етапах росту текстуровані, а саме площини (002) розташовані переважно паралельно поверхні підкладки. Повне співпадіння рефлексів (002) від обох фаз на всіх етапах росту говорить про площинне супряження кристалітів ГАП і ОКФ, паралельне напрямкам [0001] і [001] відповідно.

Таблиця 1. Зміна параметрів покриттів в процесі росту.

Ростовий період, год. | Фазовий склад покриттів | Розмір кристалітів

L, нм | Ступінь текстури | Параметри пор

Медіана, мкм | Об’ємна. доля, %

15 | ГАП | 13-17 | 3,6 | 0,47 | 28,5

30 | ГАП/ОКФ | 23-27 | 6,9 | 1,59 | 40,5

45 | ГАП/ОКФ | 50-54 | 7,6 | 1,42 | 13,6

80 | ГАП/ОКФ | 35-42 | 8,2 | 1,32 | 7,3

П'ятий розділ присвячений розробці методики модифікації поверхні сапфіра, що забезпечує ефективну нуклеацію й спрямований ріст біосумісних КФП з водних розчинів; викладені й обговорені технологічні засади вибору складу і нанесення модифікуючих шарів.

За допомогою техніки Ленгмюра-Блоджетт монокристалічний сапфір був модифікований мономолекулярними шарами стеаринової кислоти, які являють собою суцільні і щільні полікристалічні покриття і сприяють утворенню на підкладках гідроксиапатитних покриттів із кристалітів розмірами 40-50 нм (Рис. 7).

Рис. 7. Кристаліти ГАП, отримані на сапфірових підкладках модифікованих плівками Ленгмюра-Блоджетт.

Застосування суспензійного методу обробки підкладок дозволило одержати шари різного складу на поверхні сапфіру, що стимулюють нуклеацію. На поверхню наносилися шари, здатні ініціювати спрямований ріст фосфатів кальцію: на основі боросилікатного скла (БСС), що має близький до сапфіру коефіцієнт теплового розширення й достатню адгезію до його поверхні в стані розплаву, а також шари на основі трикальцій фосфату (ТКФ) і оксиду кремнію SiO2.

Суспензії на основі частинок БСС, ТКФ і SiO2 розмірами 10-25 мкм готувалися на основі 3 %-ного хлороформного розчину поліметилметакрилату (ПММА). Були використані суспензії наступного складу: 1 - TКФ/БСС/ПММА, 2 - БСС/ПММА, 3 - TКФ/ПММА й 4 - SiO2/ПММА. Співвідношення мас неорганічного компонента й полімеру підбиралося таким, щоб забезпечити високу поверхневу щільність дисперсних частинок і в'язкість розчину, необхідну для формування полімер-неорганічного покриття методом поливу. В оптимізованому варіанті це співвідношення визначено як 20:1. Після нанесення суспензійного шару підкладки піддавалися термообробці на повітрі при 400 С у плин 3 годин для поступового видалення ПMMA з наступним відпалом підкладки на повітрі при 950 С у плин 4-х годин.

Результати вивчення кінетики нуклеації й росту кальцій-фосфатних покриттів на поверхні сапфіра, модифікованими шарами різного складу, у рамках класичної теорії кристалізації показують (Таблиця 2), що найменший індукційний період зародкоутворення (близько 23 год), найбільша швидкість росту (15,3·10–5 г/год) и найменша величина міжфазної поверхневої енергії системы “модифікована поверхня/кальцій-фосфатний зародок” (58,3 мДж/м2) відповідає сладу ТКФ/БСС, що містить в якості центрів зародкоутворення близькі за елементним складом і структурі мікрокристали ТКФ. В той же час для композиції, яка містить тільки мікрокристали ТКФ, вищевказані величини значно відрізняються від відповідних величин, отриманих при застосуванні ТКФ/БСС, а процес спрямованого росту є менш ефективним.

Таким чином відсутність БСС значно зменшує міцність зв’язку частинок ТКФ з підкладкою, в результаті чого поверхнева щільність їхнього розташування і, як наслідок, концентрація центрів нуклеації на сапфіровій підкладці значно менше ніж для ТКФ/БСС. Помітне зменшення нуклеаційного бар’єру відносно немодифікованої сапфірової підкладки відбувається при модифікації поверхонь шарами БСС и SiO2. Оскільки основною хімічною сполукою цих шарів є диоксид кремнію, то внаслідок дисоціації сіланольних груп –SiOH, що утворюються на поверхні SiO2 при взаємодії з водою, поверхня шару, що модифікує, заряджається негативно, що сприяє адсорбції іонів Ca2+ і CaOH+. Це призводить до формування поверхневих нуклеаційних кальцій-фосфатних центрів і ініціює ріст покриттів. Однак концентрація таких центрів і ефективність спрямованого ростового процесу менше, ніж у випадках застосування мікрокристалів ТКФ для створення таких центрів.

Таблиця 2. Характеристичні параметри процесу росту покриттів на поверхнях сапфіру, модифікованих шарами різного складу.

Модифікація | lgS1 = 8,42 | lgS2 = 8,02 |

, мДж/м2

ind, год | 10–5, г/год | ind, год | 10–5, г/год

ТКФ/БСС | 23,1 | 15,3 | 51,1 | 4,1 | 58,3

БСС | 33,9 | 9,8 | 58,6 | 2,5 | 63,4

SiO2 | 38,2 | 8,3 | 68,3 | 2,0 | 80,5

ТКФ | 49,3 | 10,8 | 72,3 | 2,9 | 89,2

Немодифікована

підкладка | 70– | 70––

При високому рівні перенасичення при застосуванні всіх вищеозначених типів модифікації після експозиції підкладок у розчині прекурсорів на поверхні сапфіру утворюються нанокристалічні двофазні (ГАП/ОКФ) текстуровані покриття. Склад шару, що модифікує, не впливає на фазовий склад, текстуру і ступінь кристалічності КФП, сформованих методом спрямованої кристалізації.

У шостому розділі отримані й узагальнені результати вивчення впливу ростових параметрів (температури, рН і концентрації прекурсорів) на фазовий склад, структурні характеристики й швидкість спрямованого росту КФП у системі СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O.

На підставі отриманих експериментальних даних про границі метастабільної області розчину й фазовий склад покриттів, отриманих на титані при різних величинах ростових параметрів, у координатах T-lg(CCa·CP)-pH була визначена область параметрів, в якій є можливою спрямована кристалізація з водних розчинів КФП різного складу (Рис. 8).

Ростові експерименти, що проведені при температурах від +15 до +55 С і різних концентраціях прекурсорів у межах метастабільної області робочих розчинів, показали, що метастабільна область з підвищенням температури звужується від 1,5 до 0,3 одиниць lg(CCa·CP). При цьому верхня концентраційна границя метастабільної області (рівень спонтанної кристалізації) знижується на 2,5 відповідних одиниці. Зниження рН розчину призводить до підвищення верхньої концентраційної границі матастабільної області.

Рис. 8. Діаграма спрямованої кристалізації КФП різного складу в системі СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O на поверхні титану.

Покриття, отримані при температурі 15 °С, не суцільні, а являють собою острівці розміром від 1 до 20 мкм, що складаються з АФК. Ці і інші дані систематизовано в Таблиці 3. За даними рентгенівської дифракції й скануючої електронної мікроскопії при температурі 20 °С утворюється щільне, рівномірно розподілене по поверхні підкладки гідроксиапатитне покриття, що містить значну кількість аморфної фази. При температурах від 30 до 45 °С утворюються двофазні покриття ГАП/ОКФ, причому з ростом температури вміст ОКФ у покритті зростає, середній розмір кристалічних блоків збільшується. Це пов'язане з тим, що при нижчих температурах (15-25 °С) на твердій поверхні відбувається формування фази АФК і повільна кристалізація АФК у фазу ГАП. При температурах 30°С и вище процеси кристалізації АФК і росту кристалів значно прискорюються. За рахунок високого рівня перенасичення відносно обох фаз одночасно відбувається кристалізація текстурованих ГАП і ОКФ.

У всьому інтервалі параметрів двофазні покриття являють собою полікристалічні пластини розміром від 2 до 10 мкм, які складаються зі змішаних кристалів ГАП/ОКФ з лінійними розмірами від 10 до 50 нм. При температурі 55 °С спрямований ion-by-ion ріст покриттів оскладнений за рахунок суттєвого звуження метастабільної області розчину, в результаті чого технічна підтримка постійного складу робочого розчину стає проблематичною.

Таблиця 3. Характеристики покриттів на титані, отриманих при різних величинах ростових параметрів.

Ростові параметри | Розмір криста-

літів

L, нм | Фазовий склад покриття | Швидкість

росту покриття г/(см2·хв)

t, °C | СCa·103

моль/л | СP·103

моль/л

15 | 3,00 | 1,80– | АФК– | <8·10–11

20 | 2,11 | 1,24 | 17-20 | АФК+ГАП– | 2,5·10–10

25 | 1,84 | 1,14 | 20-25 | ГАП (+ОКФ) | ? 0,1 | 4,3·10–10

30 | 1,50 | 0,90 | 28-30 | ГАП+ОКФ | 0,18 | 4,5·10–10

37 | 1,11 | 0,67 | 36-40 | ГАП+ОКФ | 0,35 | 6,3·10–10

45 | 0,94 | 0,56 | 40-45 | ГАП+ОКФ | 0,4 | 3,8·10–10

55 | 0,85 | 0,51––– | <8·10–11

Вивчення впливу величини рН робочого розчину на фазовий склад матеріалу, що кристалізується, показало, що при низьких рН (від 6,5 до 7,0) утворюються покриття, до складу яких входять фази ГАП, а також більш кислі за хімічною природою фази ДФКД і ОКФ. Використання області рН робочого розчину від 7,0 до 7,4 призводить до утворення двофазних покриттів ОКФ/ГАП. При рН вище 7,4 утворюються однофазні гідроксиалпатитні покриття.

ВИСНОВКИ

У дисертаційній роботі встановлено закономірності процесу спрямованої кристалізації кальцій-фосфатних покриттів з водних розчинів. Проаналізовано вплив ростових параметрів і способів модифікації підкладок на швидкість формування й властивості покриттів. Отримано наступні наукові й практичні результати:

1. На підставі аналізу отриманої діаграми спрямованої кристалізації покриттів з водних розчинів показано, що зміна рН робочого розчину при температурі 37 С дозволяє одержувати трифазні покриття ДКФД/ОКФ/ГАП (при рН 7), двофазні покриття ОКФ/ГАП (7 рН 8) і однофазні покриття ГАП (рН 8). Із збільшенням рН робочих розчинів у покриттях, що утворюються, збільшується зміст ГАП й зменшується зміст ОКФ. Величина рН істотно не впливає впливу на розмір кристалів ГАП уздовж кристалографічної осі “с”.

2. Збільшення температури процесу в інтервалі від +15 до +45 °C призводить до зменшення змісту АФК і збільшення ступеню криста-лічності покриттів.

3. Ефективна ширина метастабільної області робочих розчинів з збільшенням температури від +15 до +55 °C зменшується з 1,5 до 0,3 одиниць lg(CCa·CP), тому що при зниженні концентрації реагентів при підвищеній температурі відбувається різке зниження перенасичення.

4. За результатами мікродифракції й просвітчастої електронної мікроскопії на ранніх етапах росту покриттів встановлено, що попередня обробка оксигідроксидної титанової поверхні в концентрованих розчинах солей кальцію знижує передкристалізаційний період в 6 разів. Зниження концентрації робочого розчину в межах метастабільної області в 1,5 рази призводить до збільшення передкристалізаційного періоду в 3 рази.

5. На підставі аналізу кінетики зародкоутворення в процесі росту покриттів на поверхні титану показано, що даний процес може розглядатися в рамках класичної теорії кристалізації з пересичених розчинів. Величина міжфазної поверхневої енергії () системи “титанова підкладка/кальцій-фосфатний зародок” змінюється в межах 12   мДж/м2.

6. Запропоновано методи модифікації хімічно інертної поверхні сапфіру, за допомогою нанесення шарів на основі боросилікатних стекол, діоксиду кремнію й трикальцій фосфату, що забезпечують ефективне зародкоутворення й ріст із розчинів кальцій-фосфатних покриттів. Ступінь ефективності зародкоутворення визначено по розрахованих величинах міжфазної поверхневої енергії системи “модифікована сапфірова поверхня/ кальцій-фосфатний зародок”. Найбільш ефективною є модифікація шаром, “боросиликатне скло/трикальцій фосфат” ( = 58,3 мДж/м2).

Основні публікації за темою дисертації:

1. Крыжановская А.С., Коровникова Н.И., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В. Выращивание и характеристика биосовместимых покрытий гидроксиапатита кальция на подложках, модифицированных пленками Ленгмюра-Блоджетт жирных кислот // Поверхность. – 2003. – N10. – С. 110-112.

2. Крыжановская А.С., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Низкотемпературный биомиметический рост поликристаллических покрытий гидроксиапатита кальция на титановых подложках // Доповіді НАН України. – 2003. – N12. – С. 84-89.

3. Саввин Ю.Н., Крыжановская А.С., Толмачев А.В. Влияние физико-химических факторов в системе СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O на структурные характеристики кальций-фосфатных покрытий // Неорганические материалы. – 2005. – Т. 41, N 8. – С. 985-989.

4. Крыжановская А.С., Пузиков В.М., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Дукаров С.В. Электронно-микроскопическое исследование нуклеации и начальных этапов роста кальций-фосфатных покрытий на титане // Доповіді НАН України. – 2005. – N5. – С. 91-94.

5. Саввин Ю.Н., Крыжановская А.С., Толмачев А.В., Добротворская М.В. Кальций-фосфатные покрытия на монокристаллическом сапфире, выращенные биомиметическим методом // Материаловедение.– 2005. – N 7. – С. 20-24.

6. Крыжановская А.С., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Карбовский В.Л., Шпак А.П. Морфология и структура кальций-фосфатных покрытий, выращенных биомиметическим методом на титановых подложках // Металлофизика и новейшие технологии. – 2005. – Т. 27, N 8. – С. 1045-1055.

7. Крижановська О.С., Саввін Ю.М., Толмачов О.В. Спосіб отримання покриття з гідроксиапатиту // Деклараційний патент України на винахід № 63556Aа, М.кл. 7А61L27/32. Заявлено 30.04.03, Опубліковано 15.01.2004. Бюл. №1.

8. Саввін Ю.М., Крижановська О.С., Толмачов О.В. Спосіб отримання імпланту // Заявка на винахід N 20040806561 від 05.08.2004.

9. Крыжановская А.С., Коровникова Н.И., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Выращивание и характеристика биосовместимых поликристаллических покрытий гидроксиаппатита кальция на подложках, модифицированных пленками Ленгмюра-блоджетт // Тезисы докладов, Национальная конференция по росту кристаллов “НКРК-2002”, ноябрь 24-29, 2002, Москва, С. 471.

10. Kryshanovska A.S., Korovnikova N.I., Savin Yu.N., TolmachevBiomimetic reception of hydroxyapatite coating // Book of abstracts, International conference “Science for materials in the frontier of centuries: advantages and challenges”, November 4-8, 2002, Kiev, Ukraine, P. .

11. Kryzhanovskaya A.S., Savin Yu.N., Tolmachev A.V. Formation and characterization of biocompatible hydroxyapatite coatings from aqueous solution on metal substrates // Book of abstracts, International Conference “Functional Materials”, October 6-11, 2003, Partenit, Crimea, Ukraine, P. 214.

12. Крыжановская А.С., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Матейченко П.В. Структурные характеристики кальций-фосфатных покрытий, выращенных из водных растворов при различных физико-химических условиях // Тезисы докладов, Национальная конференция НАНСИС-2004, 12-14 октября, Киев, 2004, С. 163.

13. Крыжановская А.С., Саввин Ю.Н., Толмачев А.В., Матейченко П.С. Фазовый состав, структурные характеристики и морфология поликристаллических кальций-фосфатных покрытий, выращенных при различных физико-химических условиях // Тезисы докладов, 11 Национальная конференция по росту кристаллов, НКРК-2004, 14-16 декабря, Москва, Россия, 2004, С. 367.

14. Kryzhanovska A.S., Savvin Yu.N., Dobrotvorskaya M.V., Tolmachev A.V. Crystallization kinetics of calcium hydroxyapatite coatings from aqueous solutions // Book of abstracts, 14th International Conference on Crystal Growth, August 9-13, Grenoble, France, 2004, P. 320.

15. Kryzhanovskaya A.S., Savvin Yu.N., Tolmachev A.V. Biomimetic synthesis of calcium-phosphate coatings on surfaces of sapphire bone implants // Book of abstracts, International conference “Science for materials in the frontier of centuries: advantages and challenges”, September 26-30, Kiev, Ukraine, 2005, Украина, С. 560.

16. Savin Yu.N., Kryzhanovskaya A.S., Doroshenko A.G., Tolmachev A.V. Biocompatible hydroxyapatite coatings on medical titanium and sapphire implants // Тезисы докладов, Международная конференция “Функциональные Материалы” ICFM’ 2005, 3-8 октября 2005, Крым, Украина, С. 327.

17. Savin Yu.N., Kryzhanovskaya A.S., Doroshenko A.G., Tolmachev.V. Biomimetic growth of polycrystalline hydroxyapatite coatings on the surfaces of bioinert materials // Book of abstracts, International conference “Crystal materials ‘2005” May 30 – June 2, 2005, Kharkov, Ukraine, P. 64.

Анотація

Крижановська О. С., Вирощування полікристалічних кальцій-фосфатних покриттів на поверхні титану й сапфіру. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.01. – матеріалознавство. – Інститут монокристалів НАН України, Харків, 2006.

Дисертація присвячена отриманню та дослідженню біосумісних полікристалічних кальцій-фосфатних покриттів з контрольованими властивостями для застосування при виготовленні косних імплантів. Для отримання покриттів було здійснено спрямовану кристалізацію фосфатів кальцію з водних розчинів в умовах постійного складу на поверхні титану і сапфіру. Вивчено вплив ростових умов (температури, перенасичення, виличини рН і ростового періоду) на фазовий склад і структурні характеристики кальцій-фосфатних покриттів. Отримано покриття складу: гідроксиапатит, гідроксиапатит октакальцій фосфат, гідроксиапатитоктакальцій фосфат/ дікальцій фосфат дигідрат.

Механізми зародкоутворення і росту покриттів розглянуто в рамках класичної теорії кристалізації Арреніуса. Досліджено вплив швидкості росту покриттів в залежності від способу модифікації поверхні підкладки. Показано, що початковим етапом формування кальцій-фосфатних покриттів з водних розчинів є аморфний фосфат кальцию. Розроблено методи створення шарів, що модифікують інертну поверхню сапфіру, на основі боросилікатных біостекол, діоксиду кремнію й трикальцій фосфату, які забезпечують спрямоване зародкоутворення й ріст кальцій-фосфатних покриттів.

Ключові слова: кальцій-фосфатні покриття, гідроксиапатит, спрямована кристалізація, титан, сапфір, імплант.

Аннотация

Крыжановская А.С. Выращивание поликристаллических кальций-фосфатных покрытий на поверхности титана и сапфира. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.01. – материаловедение. – Институт монокристаллов НАН Украины, Харьков, 2006.

Работа посвящена направленной кристаллизации из водных растворов и изучению свойств биосовместимых кальций-фосфатных покрытий (КФП) на биоинертных поверхностях титана и сапфира. Проведено комплексное изучение фазового состава и структурных параметров кальций-фосфатных покрытий, полученных методом осаждения из раствора. Проанализировано влияние ростовых параметров (концентрации прекурсоров lg(CCa·CP), температуры и водородного показателя pH) и способов модификации подложек на скорость формирования и свойства покрытий.

Методами микродифракции и просвечивающей электронной микроскопии изучены ранние этапы формирования КФП на модифицированной поверхности титана. Показано, что начальным этапом роста покрытий является образование аморфного фосфата кальция, который в дальнейшем трансформируется в кристаллические фазы октакальций фосфата (ОКФ) и гидроксиапатита (ГАП). Показано, что предварительная обработка оксигидроксидной титановой поверхности в концентрированных растворах солей кальция снижает предкристаллизационный период в 6 раз. Снижение концентрации рабочего раствора в пределах метастабильной области в 1,5 раза приводит к увеличению предкристаллизационного периода в 3 раза.

Кинетика формирования кальций-фосфатных покрытий на модифицированной поверхности титана в модельной системе СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O в условиях, близких к физиологическим (pH = 7,4, температура 37 °C), проанализирована в рамках классической теории кристаллизации из растворов. Рассчитанная величина межфазной поверхностной энергии системы “модифицированная титановая подложка/кальций-фосфатный зародыш” составляет 12 25 мДж/м2. Максимальная скорость роста толщины (4,5 нм/мин) и массы (6,3·10–10 г/(см2·мин)) покрытия в рассматриваемой системе при данных условиях достигается при пересыщении Smax = 10. С увеличением времени роста размер пластин увеличивается, степень текстуры, средний размер кристаллических блоков и параметры пор изменяются нелинейно.

В результате комплексного изучения влияния ростовых параметров (температуры, рН и концентрации прекурсоров) на фазовый состав, структурные характеристики и скорость направленной кристаллизации кальций-фосфатных покрытий на поверхности подложки, установлен вид диаграммы направленной кристаллизации фосфатов кальция в системе СаCl2-KH2PO4-KOH-HCl-H2O на титановых подложках. При низких рН (от 6,5 до 7,0) образуются трехфазные покрытия ГАП / ОКФ / дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД). Использование области рН рабочего раствора от 7,0 до 7,4 приводит к образованию двухфазных покрытий гидроксиапатит / октакальций фосфат. При рН выше 7,4 образуются однофазные гидроксиапатитные покрытия. Увеличение температуры процесса в интервале от +15 до +55 °C приводит к уменьшению содержания ДКФД и ОКФ в покрытии за счет увеличения скорости гидролиза этих фаз в фазу ГАП.

Предложены методы создания модифицирующих слоев на инертной поверхности сапфира на основе боросиликатных биостекол, диоксида кремния и трикальций фосфата, обеспечивающих направленное зародышеобразование и рост кальций-фосфатных покрытий. В рамках классической теории кристаллизации из растворов определены величины межфазной поверхностной энергии () системы “модифицирующий слой/кальций-фосфатный зародыш”, на основании чего был сделан вывод о степени эффективности различных типов модифицирующих слоев. Наиболее эффективным является модифицирующий слой “боросиликатное стекло/трикальций фосфат” ( = 58,3 мДж/м2), наименее эффективным – трикальций фосфат ( = 89,2 мДж/м2).

Ключевые слова: кальций-фосфатные покрытия, гидроксиапатит, направленная кристаллизация, титан, сапфир, имплант.

Summary

Kryzhanovska O.S. Growth of polycrystalline calcium-phosphate coatings on titanium and sapphire surfaces. – Manuscript.

Thesis for degree of Candidate of Technical Sciences in specialty 05.02.01 – Material Science. – Institute