Влияние обработки поверхности на смачивание никелида титана | Изв. вузов. Физика. 2019. № 2.

Влияние обработки поверхности на смачивание никелида титана

Приведены результаты исследования смачивания поверхности сплавов никелида титана водой и синтетической питательной средой DMEM (Dulbeccos Modified Eagles Medium, рус. пер. - среда Игла, модифицированная Дульбеко). Проведен сравнительный анализ краевого угла смачивания после шлифования образцов, пескоструйной обработки, окисления на воздухе, травления в растворе кислот, обработки паром, перекисью водорода и моющим раствором в ультразвуковой ванне. Показано, что окисление на воздухе и травление в кислотах увеличивают гидрофильность поверхности никелида титана. Наибольшая гидрофильность с углом смачивания водой около 30° была достигнута при воздействии паром после пескоструйной обработки и воздействия перекисью водорода на окисленный на воздухе образец. Различное влияние обработок на краевой угол смачивания обусловлено изменением поверхностной энергией образцов никелида титана, на которую оказывают влияние микрорельеф и структурно-химические характеристики поверхности.

Effect of surface treatment on nickelide titanium wetting.pdf Введение Сплавы на основе никелида титана благодаря хорошим реологическим и коррозионным свойствам являются перспективными биосовместимыми материалами для создания имплантатов и хирургических инструментов [1-3]. При этом и коррозионные свойства, и способность к интеграции в живые биологические ткани в большой степени зависят от смачиваемости этих сплавов биологическими жидкостями, водными растворами солей и кислот [4-6]. Необходимым условием эффективного функционирования медицинских имплантатов в организме человека является их стерильность и высокая степень гидрофильности поверхности, поэтому химико-термическая антисептическая обработка имплантатов и инструментов является обязательным условием их успешного применения. При этом сплав в среде растворов солей и кислот, антисептиков и моющих средств в условиях высоких температур и ультразвука подвергается газовой и электрохимической коррозии. Химическое воздействие на поверхность имплантата меняет его адгезионные свойства, проницаемость, коррозионную стойкость и оказывает влияние на клеточную адгезию в биологические ткани [7-10]. Различные методы обработки поверхности никелида титана предполагают изменение свойств поверхности и, как следствие, гидрофильности материала. Состояние поверхностного слоя и его поверхностной энергии обычно характеризуют с помощью краевого угла смачивания [12-15]. Настоящая работа посвящена исследованию влияния механической и антисептической химико-термической обработки поверхности никелида титана на величину краевого угла смачивания водой и синтетической питательной средой для культивирования клеток. Цель исследования - изучить смачивание поверхности никелида титана водой и синтетической питательной средой. Провести сравнительный анализ краевого угла смачивания после шлифования образцов, пескоструйной обработки, окисления на воздухе, травления в растворе кислот, обработки паром, перекисиью водорода и моющим раствором в ультразвуковой ванне. Материалы и методы исследования Из сплава никелида титана марки ТН-10 на электроискровом станке были вырезаны 24 образца в форме пластин размером 31010 мм. Количество образцов рассчитано из условия один образец на одну комбинацию обработок. Виды обработок указаны в таблице. Все образцы повергались механической обработке на шлифовальной бумаге от 400 до 2000 grid. Затем 24 образца разделили на 4 группы по 6 образцов и 3 группы, кроме 1-й, подвергли первичной обработке. Из них 2-ю группу подвергли пескоструйной обработке, 3-ю группу травили в смеси кислот 1HF+3HNO3+10H2O, 4-ю группу окисляли в печи на воздухе при температуре 800 С. Затем все 24 образца разделили на 3 группы по 8 образцов, выбирая из 1-4 групп по 2 образца, и подвергли вторичной обработке. В качестве вторичной обработки были использованы распространенные методы обработки медицинских имплантатов и инструментов: обработка в автоклаве водяным паром 80 С при давлении 6 атм в течение 30 с; обработка 3 %-м раствором перекиси водорода Н2О2 в течение 3600 с; обработка синтетическим моющим хлорсодержащим средством TRIDEX APS в ультразвуковой ванне в течение 3600 с. Из них подвергли обработке: 5-ю группу - водяным паром температурой 80 С, 6-ю группу - 3 %-м раствором перекиси водорода, 7-ю группу - раствором моющего средства в ультразвуковой ванне. Виды обработок поверхности, применяемых для образцов никелида титана № Тип обработки поверхности Время обработки, c Первичная обработка 1 Шлифование от 400 до 2000 grid 2 Пескоструйная 30 3 Травление раствором: 1HF+3HNO3+10H2O 30 4 Окисление в печи на воздухе при Т = 800 С 300 Вторичная обработка 5 Обработка паром 80 С с давлением 6 атм 30 6 Обработка 3 %-м раствором Н2О2 3600 7 Обработка раствором моющего хлорсодержащего раствора TRIDEX APS в ультразвуковой ванне 3600 Далее все 24 образца разделили на 8-ю и 9-ю группы по 12 образцов, выбирая из 5-7 групп по 4 образца так, чтобы в каждой из 2-х групп присутствовали по 1-му образцу с разными комбинациями обработок от 1-5 до 4-7. В организме имплантаты контактируют с тканевыми жидкостями, которые в экспериментах заменяют модельными жидкостями. В качестве модельных сред для измерения контактного угла смачивания мы выбрали дистиллированную воду и синтетическую среду DMEM, применяемую для культивирования клеток различного типа, которую часто применяют и для моделирования поведения физиологических жидкостей. Для воды коэффициент поверхностного натяжения при 20 С составляет 7310-3 Н/м; динамический коэфициент вязкости  = 0.890 мПаc, осмолярность 0 % мосм/кг, рН = 7 [16]. Для синтетической среды DMEM рН = 7.2; осмолярность (3055) % мосм/кг. Дистиллированной деионизированной водой смачивали 8-ю группу, синтетической питательной клеточной средой DMEM - 9-ю группу. Измерение краевого угла смачивания проводилось методом сидячей капли с помощью прибора DSA20 (EasyDrop). Объем сидячей капли составлял 5 мкл. Точность измерений составляла ±1 угл. град. Результаты и их обсуждение Типичная форма сидячей капли на поверхности сплава из никелида титана и методика измерения угла смачивания  с помощью вписанной окружности и нормали к радиусу в точке контакта показаны на рис. 1. Значения краевого угла смачивания водой и средой DMEM образцов из групп 1-4 представлены на рис. 2. Рис. 1. Типичная форма сидячей капли воды H2O и синтетической клеточной жидкости DMEM (а) и схема определения угла смачивания  (б) Механическая пескоструйная обработка значительно меняет микрорельеф поверхности, увеличивает удельную поверхность, но не влияет на химический и фазовый состав поверхностного слоя. Окисление на воздухе при температуре 800 С и обработка кислотами значительно меняют химический и фазовый состав поверхности, но мало влияют на микрорельеф. Рис. 2. Значения краевого угла смачивания водой (сплошная кривая) и средой DMEM (штрихпунктирная) образцов из групп 1-4, типы обработок: 1 - шлифовка; 2 - пескоструй; 3 - травление; 4 - окисление В результате первичной обработки шлифованных образцов смесью кислот и окислением на воздухе зафиксированы минимальные значения краевого угла смачивания жидкостью DMEM 42- 34 и водой 55-48 соответственно. После травления и окисления шлифованные образцы становятся более гидрофильны. Пескоструйная обработка по-разному повлияла на смачиваемость водой и жидкостью DMEM. После пескоструйной обработки краевой угол смачивания водой возрастает на 20-23, а жидкостью DMEM уменьшается на 0-8 относительно начального значения 65 и 75 соответственно. По результатам смачивания можно с уверенностью сказать, что механическая и химико-термическая обработки оказали противоположное влияние на гидрофильность поверхности. При смачивании водой это влияние проявилось сильнее, чем при смачивании средой DMEM. Различное влияние обработок на краевой угол смачивания обусловлено изменением поверхностной энергией образцов, на которую оказывают влияние два фактора: микрорельеф и структурно-химические характеристики поверхности. Очевидно, эти факторы влияют на поверхностную энергию образцов по-разному. И обработка кислотами, и окисление на воздухе создают слой окислов на поверхности, структура и проницаемость которых различаются, но оба снижают поляризацию поверхности при смачивании жидкостями. Выявленная тенденция увеличения гидрофильности при окислении на воздухе и травлении в кислотах говорит о ее прямой зависимости от электрохимической пассивации поверхности в результате окисления. Пассивация поверхности оказывает влияние на формирующийся двойной электрический слой и дисперсионную составляющую поверхностных сил при смачивании. Механическая пескоструйная обработка, напротив, создает дополнительный микрорельеф, увеличивает удельную поверхность, усиливает неоднородность поляризации поверхности. Средние значения краевого угла смачивания образцов из групп 1-7 после вторичной обработки приведены на рис. 3 для воды, на рис. 4 - для жидкости DMEM. Обработки водяным паром, перекисью водорода и моющим раствором существенно меняют гидрофильные свойства поверхности образцов. Обработка паром снижает краевой угол смачивания водой после пескоструйной обработки на 56-62, тогда как после шлифования лишь на 19-20. Обработка моющим средством окисленных образцов увеличивает контактный угол смачивания водой на 20-25, тогда как при смачивании жидкостью DMEM он понижается на 10-15. Обработка паром повышает контактный угол смачивания на 3-6 при смачивании жидкостью DMEM и на 15-17 - при смачивании водой. Рис. 3. Средние значения краевого угла смачивания образцов из групп 1-7 после вторичной обработки для воды, типы обработок: 1 - шлифовка; 2 - пескоструй; 3 - травление; 4 - окисление Рис. 4. Средние значения краевого угла смачивания образцов из групп 1-7 после вторичной обработки для жидкости DMEM, типы обработок: 1 - шлифовка; 2 - пескоструй; 3 - травление; 4 - окисление Обработки водяным паром, перекисью водорода и моющим раствором существенно меняют гидрофильные свойства поверхности образцов. Обработка паром снижает краевой угол смачивания водой после пескоструйной обработки на 56-62, тогда как после шлифования - лишь на 19-20. Обработка моющим средством окисленных образцов увеличивает контактный угол смачивания водой на 20-25, тогда как при смачивании жидкостью DMEM он понижается на 10-15. Обработка паром повышает контактный угол смачивания на 3-6 при смачивании жидкостью DMEM и на 15-17 - при смачивании водой. Стоит отметить значительное понижение на 15-20 краевого угла смачивания жидкостью DMEM шлифованных образцов после обработки паром и моющим средством и, напротив, повышение на 15-20 краевого угла смачивания водой после дополнительной обработки паром и перекисью водорода образцов, предварительно обработанных смесью кислот. Модификацию поверхности образцов никелида титана при обработке водяным паром следует рассматривать так же, как при обработке водяным паром титановых сплавов. Обычно взаимодействие титановых сплавов с водяным паром приводит к окислению и наводораживанию поверхности сплава, а также способствует накоплению гидроксильных групп ОН на поверхности, снижению поверхностной энергии сплава и увеличению его гидрофильности. Вероятно, накопление гидроксильных групп ОН на шероховатой поверхности после пескоструйной обработки образцов происходит более интенсивно, чем на гладкой, и приводит к резкому повышению гидрофильности. Проявляется этот эффект при смачивании водой и не выражен при смачивании средой DMEM. Обработка паром оказывает влияние, противоположное воздействию перекиси водорода и моющему раствору. При смачивании водой это различие в наибольшей степени проявляется после пескоструйной обработки и в наименьшей - после шлифования. При смачивании жидкостью DMEM различие максимально после шлифования и окисления, но минимально после травления. Наибольшая гидрофильность с углом смачивания водой около 30 была достигнута при обработке паром после пескоструйной обработки и после обработки перекисью водорода окисленного на воздухе образца никелида титана. Перекись водорода, являясь сильным окислителем, дополнительно окисляет поверхность титанового сплава, повышая ее гидрофильность. Особенно сильно это проявляется на образцах, окисленных при первичной обработке на воздухе, но оказывает противоположное действие на поверхностный слой образцов, обработанных в кислоте. При обработке моющим хлорсодержащим средством увеличение гидрофильности особенно сильно проявилось при смачивании жидкостью DMEM. Влияние вторичной обработки, так же как и первичной, можно разделить на два направления. К первому отнесем воздействие паром, которое противоположно воздействию перекиси водорода и моющему раствору. При смачивании водой это различие в наибольшей степени проявляется после пескоструйной обработки и в наименьшей после шлифования. При смачивании жидкостью DMEM различие максимально после шлифования и окисления, но минимально после травления. Вторичная обработка понижает величину краевого угла смачивания водой для сильно поляризованных поверхностей и повышает для слабо поляризованных поверхностей. При смачивании обеими жидкостями разброс значений краевого угла смачивания уменьшается после всех вторичных обработок, вероятно потому, что дополнительные обработки понижают поверхностную энергию образцов и повышают роль поверхностной энергии смачивающих жидкостей. При смачивании водой это снижение проявляется сильнее, чем при смачивании жидкостью DMEM. Заключение Проведен сравнительный анализ краевого угла смачивания после шлифования образцов никелида титана марки ТН-10, пескоструйной обработки, окисления на воздухе, травления в растворе кислот, обработки паром, перекисью водорода и моющим раствором в ультразвуковой ванне. Механическая и химико-термическая обработки оказали противоположное влияние на гидрофильность поверхности. Наибольшая гидрофильность с углом смачивания водой около 30 была достигнута при обработке паром после пескоструйной обработки и после обработки перекисью водорода окисленного на воздухе образца. Различное влияние обработок на краевой угол смачивания обусловлено изменением поверхностной энергией образцов, на которую оказывают влияние микрорельеф и структурно-химические характеристики поверхности. И обработка кислотами, и окисление на воздухе создают слой окислов на поверхности, структура и проницаемость которых различаются, но оба снижают поляризацию поверхности при смачивании жидкостями. Выявленная тенденция увеличения гидрофильности при окислении на воздухе и травлении в кислотах говорит о ее прямой зависимости от электрохимической пассивации поверхности в результате окисления.

Ключевые слова

никелид титана, краевой угол смачивания, поверхность, обработка, микрорельеф, гидрофильность, nickelide titanium, wetting angle, surface, treatment, microrelief, hydrophilicity

Авторы

ФИООрганизацияДополнительноE-mail
Дубовиков Кирилл МаксимовичНациональный исследовательский Томский государственный университетстудентkirill_dubovikov@mail.ru
Гюнтер Виктор ЭдуардовичНИИ медицинских материалов и имплантатов СФТИ ТГУд.т.н., профессор, директор89138641814@mail.ru
Байгонакова Гульшарат АманболдыновнаНациональный исследовательский Томский государственный университетаспиранткаgat27@mail.ru
Кокорев Олег ВикторовичНИИ медицинских материалов и имплантатов СФТИ ТГУк.м.н., ст. науч. сотр.kokorevov@yandex.ru
Марченко Екатерина СергеевнаНИИ медицинских материалов и имплантатов СФТИ ТГУк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.marchenko84@vtomske.ru
Гюнтер Сергей ВикторовичНИИ медицинских материалов и имплантатов СФТИ ТГУк.т.н., ст. науч. сотр.guntersv@inbox.ru
Ясенчук Юрий ФеодосовичНИИ медицинских материалов и имплантатов СФТИ ТГУк.ф.-м.н., ст. науч. сотр.yayuri2008@gmail.com
Всего: 7

Ссылки

Lee K.S., Ivanova N., Starov V.M., et al. // Adv. Colloid Interface Sci. - 2008. - V. 144. - No. 1-2. - P. 54-65.
Rupp F., Scheideler L., and Geis-Gerstorfer J. // Chem. Eng. Technol. - 2002. - V. 25. - No. 9. - P. 877-882.
Hilpert M. and Ben-David A. // Int. J. Multiphase Flow. - 2009. - V. 35. - Iss. 3. - P. 205-218.
Lam C.N.C., Kim N., Hui D., et al. // Colloids Surf. A: Physicochem. Eng. Aspects. - 2001. - V. 189. - Iss. 1-3. - P. 265-278.
Lotfi M., Nejib M., and Naceur M. // Adv. Biomater. Sci. Biomed. Appl. - 2013. - P. 207-210.
Liu H. and Wang S. // Sci. China Chem. - 2014. - V. 57(4). - P. 552-557.
Schwartz J., Avaltroni M.J., Danahy M.P., et al. // Mater. Sci. Eng. C. - 2003. - V. 23. - Iss. 3. - P. 395-400.
Gu Hanyang, Wang Chi, Gong Shengjie, et al. // Surf. Coatings Technol. - 2016. - V. 292. - P. 72-77.
Warocquier-Cleront M.R., Legris C., Degrange M., and Sigot-Luizard M.F. // J. Biomed. Mater. Res. - 1997. - V. 36. - Iss. 1. - P. 99-108.
Eisenbarth E., Meyle J., Nachtigall W., and Breme J. // Biomaterials. - 1996. - V. 17. - No. 14. - P. 1399-1403.
Wassmann T., Kreis S., Behr M., and Buergers R. // Int. J. Implant Dent. - 2017. - V. 3. - No. 1. - P. 32.
Gittens R.A., Scheideler L., Rubb F., et al. // Acta Biomater. - 2014. - V. 10. - No. 7. - P. 2907- 2918.
Кокорев O.В., Ходоренко В.Н., Байгакова Г.A. и др. // Изв. вузов. Физика. - 2018. - Т. 61. - № 9. - С. 164-170.
Es-Souni M., Es-Souni M., and Fischer-Brandies H. // Anal. Bioanal. Chem. - 2005. - V. 381. - Iss. 3. - P. 557-567.
Gunther V.E. // KnE Mater. Sci. - 2017. - [S.l.]. - P. 1-9.
 Влияние обработки поверхности на смачивание никелида титана | Изв. вузов. Физика. 2019. № 2.

Влияние обработки поверхности на смачивание никелида титана | Изв. вузов. Физика. 2019. № 2.