Неорганические материалы, 2021, T. 57, № 9, стр. 1018-1024

ВВЕДЕНИЕ

Использование кальцийфосфатных покрытий на имплантатах позволяет улучшить интеграцию имплантата с окружающей костной тканью [1]. Одним из предпочтительных способов повышения биосовместимости металлических имплантируемых изделий является формирование на их поверхности кальцийфосфатных покрытий [2]. Внедрение ионов с антибактериальными свойствами (Mn²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺) в структуру трикальцийфосфата (ТКФ) может придать покрытиям антибактериальную активность [3]. Ранее марганец замещенные ТКФ (MnТКФ) были синтезированы методом осаждения из водных растворов и исследованы комплексом физико-химических и биологических методов [4].

Плазменное напыление нашло широкое применение в качестве технологии нанесения покрытий на внутрикостные имплантаты за счет возможности получения покрытий с заданной пористостью и микрорельефом поверхности, это экономичный и производительный метод нанесения покрытий [5]. Среди кальцийфосфатных покрытий наиболее перспективны покрытия на основе ТКФ, который характеризуется хорошей биосовместимостью и способен частично резорбироваться в жидкостях организма. Ранее плазмохимическим методом [6, 7] покрытия из ТКФ были нанесены на титановые имплантаты. Исследованы внутрикостные имплантаты с четырьмя типами кальцийфосфатных покрытий на трехмерном капиллярно-пористом (ТКП) титане. Показано, что сдвиговая прочность имплантата с покрытием из гидроксиапатита (ГА) выше по сравнению с имплантатом без покрытия.

Разработана стратегия формирования биоактивных композиционных покрытий [8], состоящих из ТКП титанового покрытия и биоактивного покрытия на его поверхности, например ГА. ТКП-Ti состоит из гребней и впадин с высотой, равной высоте покрытия, общая пористость покрытия 46%. Особое ведение процесса напыления позволяет формировать гребни монолитного материала со сдвиговой прочностью покрытия 100 МПа. В этом случае биоактивное покрытие на поверхности ТКП-Ti получается плотным и прочным. Определялись режимы с максимальным коэффициентом использования порошка.

Для улучшения остеоинтеграции имплантата с окружающей костной тканью имплантат должен содержать поры определенного размера [6, 7]. В результате биорезорбции покрытия из ТКФ в среде организма происходит формирование пор, причем при введении в структуру ТКФ ионов марганца увеличивается скорость резорбции покрытия.

Целью настоящей работы явилось получение марганецсодержащих покрытий из ТКФ, определение в них марганца в количествах не более 1.5 мас. % и изучение физико-химических характеристик.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

ТКФ и MnТКФ синтезировали методом механоактивации, как описано ранее [3]. В качестве исходных реагентов использовали свежепрокаленный оксид кальция “х. ч.” (“Химмед”, Россия), двухзамещенный фосфат аммония “ч. д. а.” (“Химмед”, Россия), тетрагидрат ацетата марганца “ч. д. а.” (“Химмед”, Россия), 25%-ный водный раствор аммиака (“Химмед”, Россия). Количества реагентов были рассчитаны в соответствии с реакцией

Рассчитанные согласно уравнению (1) количества исходных реагентов (для х = 0 – 16.8 г оксида кальция, предварительно прокаленного в течение 1 ч при 950°С, 26.4 г двухзамещенного фосфата аммония) помещали в тефлоновый барабан емкостью 0.5 см³, загружали в барабан шары из диоксида циркония и проводили активацию в планетарной мельнице ПМ-1 в течение 30 мин при скорости вращения 200 об./мин. Для марганецзамещенного ТКФ с х = 0.1 в барабан добавляли 2.32 г тетрагидрата ацетата марганца. Через 30 мин в оба барабана добавляли по 200 см³ дистиллированной воды и продолжали помол еще в течение 30 мин. Образовавшуюся суспензию отфильтровывали, сушили в сушильном шкафу при 110°С до полного высыхания, после чего пропускали порошок через сито с диаметром ячейки 400 мкм, далее подвергали термообработке при 400°С для удаления сопутствующих продуктов реакции (ацетата аммония, остатков воды).

Керамический порошок, использованный для напыления, получали следующим образом. Синтезированный порошок прессовали в стальных пресс-формах при удельном давлении прессования 285 МПа, затем проводили обжиг при 1200°С в течение 4 ч. Спеченную керамику измельчали в планетарной мельнице помольными телами из ZrO₂ в течение 20 мин при скорости 300 об./мин, после чего отбирали фракцию 32–63 мкм с помощью набора сит. Частицы полученного керамического порошка MnТКФ характеризовались формой, близкой к округлой, и размерами в интервале 32–63 мкм.

Керамическое ТКФ-покрытие напыляли с использованием стандартной плазменной установки УПУ 3д с плазмотроном постоянного тока ПП-25 (ток дуги плазменной горелки 450 А, напряжение 65 В, расход аргона 26 л/мин и азота 8 л/мин, дистанция напыления 95 мм, размер частиц порошка для напыления 32–63 мкм, скорость перемещения образцов под плазмотроном 300 мм/с).

Отсутствие набора стандартных образцов исследуемых соединений для определения содержаний марганца ограничивает выбор методов анализа. Оптимальными методами являются атомно-эмиссионная спектрометрия с индуктивно-связанной плазмой (АЭС–ИСП) и атомно-абсорбционная спектроскопия (ААС), позволяющие определять марганец с высокой чувствительностью, избирательностью и воспроизводимостью в широком интервале концентраций.

Исследования проводились на последовательном АЭС–ИСП фирмы HORIBA JOBIN YVON, модель ULTIMA 2 (Франция–Япония) и на ААС фирмы Thermo Fisher Scientific, модель iCE 3000 (США). Элементный анализ твердых образцов выполняли методом АЭС на кварцевом спектрометре ИСП-30 (ЛОМО, Россия). Для возбуждения спектров анализируемых материалов использовался генератор дуги переменного тока ДГ-1.

Исследования с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) проводились на спектрометре ESP-300 фирмы Brucker (Германия), работающего в Х-диапазоне СВЧ. Мощность СВЧ при измерениях составляла 60 мВт. Использовался прямоугольный резонатор ER 4102ST с модой колебаний СВЧ TE102, с катушками модуляции для реализации режима двойной модуляции. Частота модуляции – 100 кГц, амплитуда модуляции – 10 Гс.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

Согласно данным РФА, порошок для нанесения покрытия является двухфазным (табл. 1). При нанесении покрытия из марганецзамещенного порошка ТКФ фазовый состав претерпевает изменения (табл. 1). Незначительно уменьшается содержание фазы α-ТКФ и, соответственно, незначительно увеличивается содержание ГА.

Образцы ТКП-Ti в виде пластины размерами 2 × 2 × 0.5 мм помещались в центр резонатора. На образце без покрытия наблюдался слабый сигнал ЭПР (рис. 1, спектры 1). Сигнал практически не зависит от ориентации в магнитном поле, а отсутствие выраженных линий позволяет отнести его к парамагнитным поверхностным дефектам. При нанесении покрытия ТКФ без марганца появлялась линия ЭПР, зависящая от ориентации образца в магнитном поле (рис. 1, спектры 2). Эту линию можно разделить на две части от двух типов парамагнитных центров. Первый тип центров (рис. 1а, пунктирная линия) характеризуется изотропной линией ЭПР с g = 2 и, скорее всего, обусловлен неконтролируемыми примесями в ТКФ [9]. Для второго типа центра наблюдается линия ЭПР в ориентации пластины, параллельной направлению магнитного поля, имеющая средний g = 3 (на рис. 1б ее примерный вид показан пунктирной линией), а для перпендикулярной ориентации – g = 2. В случае нанесении покрытия из марганецзамещенного ТКФ наблюдается интенсивная линия с поведением, соответствующим второму типу центров.

Рис. 1.

Спектры ЭПР: 1 – образец ТКП-Ti без покрытия, 2 – образец ТКП-Ti с покрытием ТКФ (пунктиром показаны компоненты линии ЭПР), 3 – образец ТКП-Ti с покрытием из марганецзамещенного ТКФ (интенсивность сигнала уменьшена в 4 раза); а – ориентация плоскости пластины перпендикулярно магнитному полю, б – параллельно магнитному полю.

Рассмотрим возможную природу второго типа центров. Обычно изменение линии ЭПР при вращении образца в магнитном поле свидетельствует о росте микро- или нанокристаллов с ориентацией одной из главных осей вдоль выделенного направления [10]. Однако на рентгеновских дифрактограммах образцов отсутствуют какие-либо “монокристаллические” пики, свойственные ориентированным кристаллитам. С другой стороны, известно, что пленки диоксида титана при допировании ионами Mn²⁺ приобретают ферромагнитные свойства [11]. Поэтому можно предположить, что при напылении ТКФ часть гранул ТКП-Ti окисляется за счет кислорода ТКФ, а высокая температура напыления способствует легированию гранул образующегося TiO₂ ионами железа, содержащимися в качестве неконтролируемой примеси в ТКФ или потоке аргона. В случае недопированного ТКФ таких ионов мало, соответственно, и сигнал ферромагнитного резонанса (ФМР) слабый, для марганецзамещенного ТКФ происходит сильное допирование ионами марганца и наблюдается сильный сигнал ФМР. Как известно, для ориентации магнитного поля, перпендикулярной оси пластинки, в случае ферромагнетика происходит уменьшение резонансного поля (рис. 1а). В случае параллельной ориентации размагничивающий фактор возвращает резонансное поле, близкое к g = 2 (рис. 1б), что и наблюдается в эксперименте. Таким образом, при плазменном напылении в приповерхностном слое ТКП-Ti окисляется и за счет внедрения ионов железа приобретает ферромагнитные свойства, которые можно использовать, к примеру, для термотерапии индукционным нагревом.

Найдены оптимальные аналитические параметры для АЭС–ИСП-определения марганца (мощность, расход аргона, высота зоны наблюдения, скорость подачи раствора). Выбрана свободная от спектральных наложений кальция аналитическая длина волны 257.610 нм. ААС определение марганца проводили в окислительном воздушно-ацетиленовом пламени, где наблюдаются меньшие влияния матричного компонента кальция. В восстановительном пламени и на малой рабочей высоте пламени влияниe кальция существенно возрастаeт. Источником резонансного излучения служила лампа с полым катодом. Измерение абсорбции марганца проводили при ширине щели монохроматора 0.2 нм на аналитической длине волны 279.5 нм.

Установлена концентрация матричного элемента в растворе, при которой не нарушается стабильность работы системы горелка–распылитель. Для кальция благоприятной является концентрация не более 200 ррm.

Изучено влияние кальция на аналитические сигналы определяемого элемента. Найдены пределы обнаружения марганца в присутствии матричного элемента (табл. 2). Пределы обнаружения на фоне 200 ррm кальция значительно хуже таковых в чистых растворах (табл. 2). Картина влияния матричного элемента не одинакова для используемых методов анализа: АЭС–ИСП и ААС. Установлено. что в 0.1%-ном растворе ТКФ калибровочные графики линейны в интервале концентраций от 0.01 до 4 ррm при определении марганца методом ААС и от 0.01 до 100 ррm при использовании метода АЭС–ИСП и не совпадают с графиками, полученными для растворов, не содержащих матричный компонент. Для устранения матричных помех, обусловленных изменяющейся концентрацией кальция, использовали метод интерактивного согласования матрицы. Относительное стандартное отклонение (S_r) составляет 0.05–0.005 при содержании элемента от 1 до 10% и не превышает 0.13 при содержании элементов от 0.001 до 0.1% (табл. 3).

Из-за отсутствия стандартных образцов состава изучаемых соединений для подтверждения правильности полученных результатов определения марганца методами АЭС–ИСП и ААС проводили их сравнение с данными эмиссионного спектрального анализа (ЭСА). Получена хорошая сходимость результатов определения разными методами (табл. 3).

Используемые методы АЭС–ИСП и ААС требуют переведения анализируемых образцов в раствор. Найдены оптимальные схемы растворения образцов и подобран состав кислот. Навески ТКФ и MnТКФ полностью растворялись в течение нескольких минут в 5 мл смеси концентрированных хлороводородной и азотной кислот (10 : 1) при умеренном нагревании. Стандартные растворы марганца готовили из металла высокой степени чистоты или из фиксанала фирмы Merk с концентрацией марганца 1.00 мг/мл [12].

АЭС–ИСП и ААС являются взаимодополняющими методами определения марганца, позволяющими провести экспресс-анализ без предварительного отделения матрицы и без использования стандартных образцов определять содержание марганца в широком диапазоне концентраций (от 0.001 до 10%) с хорошими метрологическими характеристиками в материалах на основе ТКФ.

Микроструктура покрытия из ТКФ (рис. 2) однородная, поры мелкие, размер пор 1–3 мкм. Микроструктура покрытия из марганецзамещенного ТКФ (рис. 3) отличается от покрытия из ТКФ: она менее однородная (рис. 3а), представлена кристаллами разной формы. Как и в случае покрытия без марганца, при большом увеличении видны участки расплавленного материала (рис. 3б).

Рис. 2.

Микроструктура покрытия из ТКФ.

Рис. 3.

Микроструктура покрытия из марганецзамещенного ТКФ.

После нанесения покрытия из MnТКФ на титановые подложки плазменно-химическим способом концентрация марганца в покрытии, определенная методами АЭС–ИСП и ААС а также энергодисперсионным анализом (EDX), снизилась. Однако метод EDX дал завышенные результаты, 2.29 мас. %, по сравнению с методами АЭС–ИСП и ААС – 0.15 и 0.17 мас. % (табл. 3). Такое различие в содержании марганца можно объяснить тем, что поверхность покрытия из MnТКФ не является идеально ровной, в связи с чем метод EDX в данном случае неприменим.

После выдерживания покрытий в физиологическом растворе, содержащем ТРИС-буфер, в течение 90 суток в их структуре произошли изменения (рис. 4): исчезли участки расплавленного материала, что связано с его растворением в физиологическом растворе.

Рис. 4.

Микроструктура покрытия из ТКФ после выдерживания в физиологическом растворе, содержащем ТРИС-буфер, в течение 90 суток.

Микроструктура покрытий из марганецсодержащего ТКФ также претерпела изменения (рис. 5). При увеличении ×5000 видны группы пластинчатых кристаллов, объединенных в “розетки”, которые по форме напоминают кристаллы октакальцийфосфата (ОКФ), описанные в работе [13].

Рис. 5.

Микроструктура покрытия из MnТКФ после выдерживания в физиологическом растворе, содержащем ТРИС-буфер, в течение 90 суток.

На основании анализа на содержание марганца и фосфора после выдерживания покрытий в физрастворе в течение 90 суток всеми использованными методами установлено, что марганец и фосфор в них отсутствуют. В связи с этим фактом можно сделать вывод, что покрытие в процессе выдерживания в физиологическом растворе резорбируется, кроме того, происходит химическая трансформация ТКФ в карбонат кальция, который формируется за счет углекислого газа из воздуха

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Фазовый состав покрытий из марганецзамещенного ТКФ незначительно отличается от фазового состава порошка, использованного для напыления. Как в порошке, так и в покрытии присутствуют две основные кристаллические фазы: ГА (31–33 мас. %) и α-ТКФ (67–69 мас. %).

При нанесении покрытия из исходного порошка содержание марганца, определенное методами АЭС-ИСП и ААС, снизилось от 5.2 до 1.5 мас. %. В результате плазменно-химического напыления происходит формирование α-ТКФ из β-ТКФ, который был использован для напыления.

После выдерживания покрытий из марганецзамещенного ТКФ в физиологическом растворе в течение 90 суток марганец и фосфор в покрытии не обнаруживаются.

Методами АЭС–ИСП, ААС и EDX установлено, что после выдержки покрытий из марганецзамещенного ТКФ в физиологическом растворе в течение 90 суток происходит их резорбция с формированием карбоната кальция из фосфата кальция. В процессе выдержки в физиологическом растворе при рН 7.4 в покрытии формируется ОКФ.