Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, 2020, № 2, стр. 95-102

ВВЕДЕНИЕ

Создание биосовместимых материалов для долговременного восстановления и замены костных тканей человека является одной из приоритетных задач медицинского материаловедения. Наиболее распространенными и широко используемыми материалами для этой цели до настоящего времени считались металлические материалы в силу их высоких прочностных характеристик и относительно низкой стоимости. Для придания биосовместимости, химико-биологического подобия костной ткани и управления свойствами имплантатов выполняют модификацию их поверхности путем формирования покрытий, в том числе на основе фосфатов кальция [1]. Существует ряд методов, позволяющих получать такие покрытия: микродуговое или плазменно-электролитическое оксидирование, лазерная абляция, золь-гель метод, метод ВЧ-магнетронного распыления и др. [2]. Последний отличается от остальных методов модификации поверхности возможностью управлять толщиной покрытия в нанометровом диапазоне и создавать заданную периодическую структуру, например, путем использования шаблонов для напыления [3], а также высокой степенью адгезии покрытия к подложке.

В исследованиях, проведенных ранее, установлено важное и необходимое требование к внутрикостным имплантатам: поверхность имплантата должна быть шероховатой и/или микропористой [4], прежде всего, для усиления адгезионных свойств покрытия к подложке [5, 6]. Оптимальные характеристики поверхности для улучшения биологических процессов все еще обсуждаются. Однако определено, что шероховатость поверхности однозначно улучшает интеграцию имплантата с костной тканью и предотвращает его отторжение [7]. В работе [8] показано, что оптимальная шероховатость поверхности имплантата, обеспечивающая успешный рост костной ткани на такой поверхности, составляет по R_a 2.5−4.0 мкм.

Еще одним важным свойством биопокрытий в составе имплантатов, введенных в скелетно-мышечную систему, является их электрическая совместимость на всех уровнях биологической организации живых систем (молекулярном, клеточном, органно-тканевом) [9]. Как было показано экспериментально в работах [10–15], электрически поляризованный гидроксиапатит усиливает эффект роста костной ткани на покрытии, что является важным эффектом с точки зрения контроля жизнедеятельности электровозбудимых и невозбудимых клеток.

В настоящее время существует небольшое число работ, связанных с электрической поляризацией покрытий на основе гидроксиапатита (ГА) [16–19]. Более того, по результатам проведенного литературного обзора установлено, что эффект поляризации тонких ВЧ-магнетронных покрытий на основе гидроксиапатита и его зависимость от морфологии поверхности практически не изучены.

Математические представления по распределению электрического заряда по поверхности частиц гидроксиапатита развиты в работах В.С. Быстрова [20, 21]. Было показано, что плотность положительного поверхностного электрического заряда наночастиц ГА возрастает с уменьшением их размера. Таким образом, следует ожидать, что структурные элементы поверхности, имеющие большую остроту, обеспечат значительный вклад в общий положительный заряд покрытий. Таким образом, изменяя топографию металлической подложки под покрытием, а тем самым и самого покрытия, можно получить необходимое распределение электрического заряда и электрического потенциала по поверхности, тем не менее, применения такого подхода в литературе нами обнаружено не было.

Целью настоящей работы являлось установление взаимосвязи поверхностного электрического потенциала и шероховатости поверхности тонкого электретного кальций-фосфатного покрытия, сформированного на подложках титана методом ВЧ-магнетронного распыления мишени из гидроксиапатита.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

Образцы титана марки ВТ1-0 в форме дисков диаметром 10 мм были использованы в качестве подложек. Обработка поверхности титановых подложек производилась с помощью шлифовальной бумаги марок Р150, Р320, Р400, Р600, Р1000, Р1500 и Р2000. Полирование проводилось с использованием алмазных паст, абразивная способность которых составляла 28−20, 20−18 и 14−10 мкм. Перед нанесением покрытий проводилась процедура очистки поверхности подложек от загрязнений путем обезжиривания поверхности образцов в ультразвуковой ванне с использованием омыляющих составов и органических растворителей с последующей сушкой на воздухе.

Нанесение кальций-фосфатных покрытий проводилось методом ВЧ-магнетронного распыления мишени, изготовленной из порошка ГА, на установке “Яхонт-2М” с частотой источника 13.56 МГц [22]. Использован ГА, изготовленный методом гетерофазного синтеза с механохимической активацией (ЗАО “Бизнеслинк”, г. Москва). Формирование мишени в виде дисков диаметром 110−120 мм и толщиной 3−6 мм производили одноосным прессованием пресс-порошков при комнатной температуре в стальной пресс-форме на гидравлическом прессе МИС-6000.4К (г. Армавир, Россия). Пресс-порошки готовились с использованием водного раствора поливинилового спирта марки ПВС-16/1 высшего сорта производства ООО “Хелат” (г. Москва, Россия), обжиг заготовок после прессования проводили в камерной электропечи с программным управлением ИТМ 12.1200 в воздушной атмосфере. Максимальная температура обжига составляла 1000°С, временной цикл нагрева до максимальной температуры составил 4 часа, а охлаждения − более 30 часов.

В работе использовалась вакуумная установка с магнетронной напылительной системой и источником ионной очистки. Конструкция установки обеспечивает ионную очистку поверхности образцов и осаждение покрытий из неподвижного магнетрона внутри рабочей камеры. Перед распылением мишени поверхность подложки, находящаяся в вакуумной камере, была активирована с помощью источника ионов свободного замкнутого дрейфа электронов при энергии 1.5−2.9 эВ, токе 10−30 мА и давлении в камере 1 Па. Время ионной активации составляло 15 минут.

Напыление проводили, используя в качестве рабочего газа аргон, при этом давление рабочего газа составляло 0.2 Па, время напыления – 2 часа, мощность ВЧ-разряда – 250 Вт. Толщина полученных кальций-фосфатных покрытий не превышала 650 нм. Измерение толщины покрытий было выполнено на образцах-свидетелях из полированного монокристаллического кремния методом спектральной эллипсометрии с использованием комплекса ЭЛЛИПС-1891 САГ (Новосибирск, Россия). Шероховатость поверхности металлических образцов до нанесения покрытия и поверхности покрытий после их нанесения была измерена на профилометре “Профилометр-296” по R_a (ГОСТ 2789-73).

Для получения изображений поверхности образцов титана после обработки использовали растровый электронный микроскоп Philips SEM 515 с микроанализатором EDAX ECON IV (США).

Исследование топографии поверхности покрытий на образцах проводили с использованием измерительного комплекса ИНТЕГРА (НТ-МДИ, Россия). Метод зонда Кельвина в атомно-силовом микроскопе (АСМ) был использован для измерения контактной разности потенциалов между зондом и образцом, а также характеризации связи электрического потенциала поверхности и геометрии поверхности подложки. Метод зонда Кельвина в АСМ основывается на двухпроходной методике. При первом проходе определяется рельеф поверхности образца с использованием прерывисто-контактного метода (колебания кантилевера возбуждаются механически). При втором проходе этот рельеф отслеживается при прохождении над образцом на некоторой высоте для определения поверхностного электрического потенциала. Если на зонд не подается постоянное смещение, то это распределение представляет собой распределение контактной разности потенциалов [23].

Для определения значения работы выхода и проведения корреляции с зарядовым состоянием поверхности металлических образцов и образцов с покрытием использовался метод фотоэлектронной спектроскопии. Оборудование было разработано и изготовлено в лаборатории Института биомедицинской инженерии и нанотехнологий Рижского технического университета (Латвия). Установка фотоэлектронной спектроскопии включает в себя вакуумную камеру с подложкодержателем и окном, через которое пропускается свет от фотостимулятора, вакуумные герметичные соединения, пригодные для термостимулирования, и систему регистрации испускаемых электронов (детектор электронов). Механический роторный насос и диффузионный насос позволяют достигать давления в камере порядка 10^–4 Па.

Подложкодержатель сориентирован под углом 45° к испускаемому пучку света. Фотостимуляция образцов была осуществлена при помощи дейтериевой лампы мощностью 30 Вт, излучающей непрерывный спектр света с энергиями фотонов в диапазоне от 3.1 до 6.2 эВ (±2%). Световой пучок фокусировался кварцевой линзой на дифракционный монохроматор для выбора необходимой длины волны, а затем с помощью кварцевой линзы фокусировался на образце, при этом диаметр пятна был не более 1 мм. Вторичный электронный умножитель использовался как система регистрации электронной эмиссии с поверхности образца. Темновой ток от электронного детектора составляет 0.1 импульса в секунду, благодаря чему детектор способен регистрировать до 105 импульсов в секунду. Диафрагма электронного детектора (диаметр 8 мм) достаточна для идентификации значительного числа электронов из образца, причем исключает посторонние электроны. Ток испускаемых частиц измерялся вторичным электронным умножителем, работающим в режиме одноэлектронного счета.

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Измеренная шероховатость по R_a составила 0.7 мкм на поверхности подложки и 0.6 мкм на поверхности покрытия. Известно, что покрытия, сформированные методом ВЧ-магнетронного распыления, в силу их малой толщины повторяют поверхность подложки и заполняют также несплошности в виде поверхностных пор, впадин и пр., что в некоторых случаях может приводить к незначительному увеличению значения шероховатости из-за небольшой толщины покрытия [24]. Подробное исследование фазового состава и морфологии поверхности кальций-фосфатных покрытий, сформированных путем распыления мишени из ГА, проведено нами ранее в работе [25]. Показано, что образуется покрытие, представленное преимущественно фазой Ca₁₀(PO₄)₆(OH)_2(hex), морфология покрытия формируется в виде полусфер. Покрытия являются сплошными и однородными, макродефекты на поверхности подложек, не имеющих покрытия, обнаружены не были. Покрытие является электретным, так как несет электрический заряд, сохраняющийся длительное время: зарядовое состояние сохраняется, по крайней мере, до шести месяцев. Измерение потенциала для больших времен не проводились.

На рис. 1 приведены фрагмент АСМ-изображения поверхности покрытия, полученного с области сканирования 25 × 25 мкм (рис. 1а), и профиль распределения электрического потенциала (рис. 1б) вдоль линии, полученный с использованием метода зонда Кельвина. Для более наглядного представления результата был выбран фрагмент изображения, содержащий в центре области сканирования структурный элемент, высота которого значительно превышает средний уровень высот рядом расположенных элементов.

Из рис. 1а видно, что электрический потенциал распределен по поверхности неравномерно, его максимальная величина локализована в области вблизи островершинного структурного элемента. Максимальное значение потенциала в области данного элемента соответствует 1.7 В, что превышает среднее значение потенциала вдоль линии сканирования потенциала, равное 1.25 В. Также из профиля распределения видно, что уровень электрического потенциала коррелирует с шероховатостью поверхности.

На рис. 2 представлены распределения электрического потенциала, полученные с помощью АСМ, при этом использовали метод зонда Кельвина по двухпроходной методике, область сканирования при этом составляла 50 × 50 мкм. Средняя шероховатость, определенная в ходе сканирования в этой зоне равна R_а = 0.5 мкм. На рис. 2 г представлены результаты измерения контактной разности потенциалов Δφ (КРП) по линии сканирования. Измерения показали, что распределение электрического заряда по поверхности коррелирует с топографией покрытия, особенно это хорошо видно при резких переходах от “вершин” к “впадинам”. Более того, на рис. 2г и 2д отчетливо виден структурный элемент высотой 1.5 мкм, который имеет высокое значение КРП, равное 1.2 В.

При выполнении исследования были проведены многократные сканирования зондом Кельвина по поверхности образцов с покрытием для определения зависимости среднего значения электрического потенциала от значений шероховатости поверхности по R_a. Обнаружена значимая линейная корреляция между шероховатостью поверхности подложки с покрытием и средним значениями электрического потенциала (коэффициент корреляции Пирсона [26] R = 0.74 при критическом значении параметра, равном 0.54 (рис. 3). Величина среднего электрического потенциала для поверхности с большей средней шероховатостью выше. Так, поверхности со средней шероховатостью R_a = 67.5 нм имеют средний электрический потенциал φ_ср = 0.850 ± 0.002 В, а поверхность со средней шероховатостью R_a = 196.6 нм имеет среднюю электрическую потенциал φ_ср = = 0.94 ± 0.012 В.

Известно, что кальций-фосфатные покрытия применяются в медицине для усиления остеоинтеграции [1, 2]. Причиной улучшенного сцепления между покрытием и костью, является высокая адгезия остеобластов и остеокластов к поверхности фосфата кальция. Повышенную адгезию обусловливает целый комплекс причин, в том числе электрический заряд поверхности и ее электрический потенциал. На рис. 4 представлены спектры тока фотоэлектронной эмиссии в зависимости от энергии фотонов с металлической поверхности образца титана без покрытия и с покрытием, сформированным методом ВЧ-магнетронного распыления на титановой подложке. По результатам измерения спектров была оценена работа выхода электрона, характеризующая плотность поверхностного заряда.

В отличие от метода АСМ с зондом Кельвина, этот тип измерения предоставляет данные о величине работы выхода в миллиметровом масштабе, так как диаметр пятна возбуждения электронов с поверхности образца составляет 2 мм. Работа выхода электронов с поверхности титана по результатам измерений равна 4.65 ± 0.05 эВ, что согласуется с табличными данными по работе выхода с поверхности TiO₂ [27]. Согласно расчетам, значение работы выхода с поверхности покрытия составляет 5.02 ± 0.05 эВ, что выше значений, полученных на титане. В ходе измерений корреляции между шероховатостью и значением работы выхода электрона с поверхности покрытия выявлено не было, во всех случаях работа выхода с ГА была равна 5.02 ± 0.05 эВ, что соответствует данным, опубликованным другими научными группами [21, 28].

Для оценки связи остроты пиков поверхности покрытия с поверхностным электрическим потенциалом была выполнена аппроксимация параболической функцией f(x) = ах² + bх + с, где коэффициент a характеризует остроту пика. На рис. 5 показан пример использования данного подхода для описания одного из типичных профилей. Для расчета коэффициента a были использованы средние значения электрического потенциала, полученные для нескольких произвольных пиков, находящихся в разных областях сканированного изображения. Полученная зависимость коэффициента a от электрического потенциала, измеренного на пиках структурных элементов покрытия, представлена на рис. 6.

Для определения значения шероховатости покрытия, оказывающего наибольший эффект на величину потенциала, были проведены измерения потенциалов и высот соответствующих точек поверхности покрытия с шагом сканирования поверхности в двух взаимно перпендикулярных направлениях. По результатам сканирования поверхности зондом Кельвина с шагом сканирования Δx = Δy = 5 мкм построили трехмерную гистограмму (рис. 7), где ось OX соответствует высотам точек поверхности (h), ось OY – значениям потенциала поверхности (φ) в этих же точках, а n = f (φ, h) определяет количество точек поверхности, имеющих заданные значения величин φ и h.

При анализе формы гистограммы в плоскости (φ, h), (рис. 8, вид на гистограмму сверху) можно выделить область в форме эллипса, описываемую следующим уравнением:

где A и B – величины полуосей эллипса, равные 0.23 мкм и 0.06 В соответственно. Следовательно, уравнение принимает следующий вид:

В пределах эллипса гистограмма имеет острый максимум, локализованный в точке с координатами ~0.25 мкм и ~0.8 В.

Таким образом, наблюдается корреляция между значениями потенциала поверхности и высот точек поверхности (шероховатости) ВЧ-магнетронного кальций-фосфатного покрытия. Максимальное количество точек поверхности покрытия имеет потенциал, лежащий в интервале значений 0.67−0.90 В, в то время как высота этих точек имеет значение 77−326 нм, а гистограмма имеет один острый максимум.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Кальций-фосфатное покрытие, полученное на подложках “чистого” титана методом ВЧ-магнетронного распыления твердофазной мишени из гидроксиапатита, является электретным, т.е. несет электрический заряд. Распределение электрического потенциала по поверхности покрытия имеет неравномерный характер: его максимальная величина локализована в области вблизи структурных элементов (вершин) поверхности покрытия с более высоким значением остроты пика. Между потенциалом поверхности и шероховатостью покрытия имеется корреляция. Трехмерная гистограмма распределения точек поверхности по значениям потенциалов и высот имеет острый максимум, локализованный в точке с координатами ~0.8 В и ~0.25 мкм соответственно. Предварительная подготовка поверхности с созданием рельефа с высотами точек в интервале 77−326 нм ведет к значительному увеличению потенциала в диапазоне 670−900 мВ. Полученные значения работы выхода электронов с поверхности кальций-фосфатного покрытия выше значений работы выхода с поверхности без покрытия (5.02 ± 0.05 и 4.65 ± 0.05 эВ соответственно). Более высокие значения работы выхода сопровождаются усилением эффекта адгезии клеток костной ткани к поверхности покрытий по сравнению с поверхностью титановой подложки. Следовательно, улучшается и остеоинтеграция имплантата с кальций-фосфатным электретным покрытием, введенного в костную ткань.