Relationship between the pore structure hierarchy and the physical and mechanical properties of calcium phosphate drug c.pdf Введение Актуальным направлением в биомедицинском материаловедении является создание кальций-фосфатных (КФ) материалов с регулируемой поровой структурой в качестве носителей лекарственных средств (антибактериальных, противоопухолевых и т.д.) [1]. Успех разработки таких систем в качестве матрицы для контролируемой («таргетной») доставки и высвобождения лекарственных препаратов во многом определяется характеристиками КФ-материалов, такими как биосов¬местимость, механическая прочность, адсорбционные свойства, специфические состав и структура, препятствующие неконтролируемому высвобождению препарата, и хорошо изученные способы создания пористых структур широкого диапазона морфологии [2, 3]. В настоящее время КФ-материалы разрабатываются в виде порошков, гранул, объемных материалов, покрытий на металлах, отдельных компонентов композиционных материалов, представляющих собой раздробленные или непрерывные матрицы [4]. Среди прочих методов формирования пористых покрытий на основе фосфатов кальция метод микродугового оксидирования (МДО), также известный как плазменно-электролитическое оксидирование (ПЭО), отличается высокой технологичностью, экологичностью, производительностью и низкой энергозатратностью. С помощью данного метода на поверхности металлов вентильной группы (Ti, Zr, Nb, Mg и др.) можно формировать КФ-биопокрытия с широким спектром физико-химических свойств, высокой коррозионной стойкостью, прочным сцеплением с подложкой, различной степенью кристалличности, толщины, шероховатости и пористости [5, 6]. Как правило, проблема повышения пористости и размера пор в МДО-покрытиях решается за счет разработки новых составов электролитов и новых источников питания, а также путем оптимизации основных электрофизических параметров процесса, в частности величины приложенного к образцу электрического напряжения [5, 7]. Однако повышение пористости покрытий неизбежно будет приводить к ухудшению их прочностных свойств, в частности адгезионной и когезионной прочности. Цель работы - изучение взаимосвязи между величиной приложенного электрического напряжения МДО, структурно-морфологическими и физико-механическими характеристиками сформированных КФ-покрытий на поверхности титановых имплантатов, которые могут быть использованы в качестве носителей и «таргетной» доставки лекарственных средств для биомедицинских приложений. Материалы и методы Экспериментальные образцы были изготовлены из технически чистого титана марки ВТ1-0 в форме квадратных пластин размером 10×10×1 мм. Предварительная обработка поверхности образцов включала в себя механическую шлифовку на наждачной бумаге с последовательным уменьшением зернистости до Р1200 и ультразвуковую очистку в дистиллированной воде и этиловом спирте в течение 10 мин. Формирование КФ-покрытий на металлических подложках выполняли методом МДО на полупромышленной установке «MicroArc-3.0» с импульсным источником питания постоянного тока (ИФПМ СО РАН, г. Томск). Электролит содержал следующие компоненты: ортофосфорную кислоту (30%-ный раствор), карбонат кальция (100 г/л) и синтезированный нанокристаллический гидроксиапатит (ГА, 60 г/л) [8, 9]. Нанесение покрытий на образцы проводили в анодном потенциостатическом режиме при варьировании величины приложенного напряжения: 150, 200, 250, 300 и 350 В. Остальные электрофизические параметры МДО были фиксированными: длительность импульсов тока - 100 мкс; частота импульсов тока - 50 Гц; форма импульсов - прямоугольная; коэффициент заполнения - 0.5 %; длительность процесса МДО - 10 мин. Морфологию и структуру КФ-покрытий исследовали методом растровой электронной микроскопии (РЭМ) на электронном микроскопе Zeiss LEO EVO 50 (ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН , г. Томск). Размеры структурных элементов покрытий определяли методом «секущей» по РЭМ-изображениям с использованием ПО Adobe Photoshop CS3. В работе была рассчитана поверхностная и внутренняя пористость покрытий металлографическим методом как отношение «свободной» площади покрытий, занятой порами на РЭМ-изображении, к общей площади микрофотографии [10]. Шероховатость покрытий измеряли на Профилометре-296 по параметру Rа, как среднее арифметическое отклонение профиля в пределах нескольких длин участков измерений. Адгезионную прочность покрытий к металлической основе определяли методом равномерного отрыва на испытательной машине Walter+Bai AG LFM (ЦКП «Нанотех» ИФПМ СО РАН, г. Томск). К обеим сторонам исследуемых образцов с покрытиями приклеивали металлические цилиндры, затем цилиндры зажимали в тиски в испытательной машине и растягивали при комнатной температуре со скоростью смещения захвата 0.1 мм/мин. Критерием адгезионной прочности покрытия являлось усилие, при котором происходил отрыв покрытия, отнесенное к площади отпечатка отслоившегося покрытия на цилиндре [10]. Поверхность образцов после отрыва исследовали методом оптической микроскопии на металлографическом инвертированном микроскопе Altami MET 1 MT. Результаты и их обсуждение Исследования методом РЭМ показали, что в зависимости от величины приложенного напряжения формируются КФ-покрытия с различной морфологией поверхности (рис. 1, а, в, д, ж). При минимальном импульсном напряжении 150 В формируются многочисленные «кратерообразные» поры, хаотично распределенные по поверхности покрытий, а также на поверхности присутствуют единичные структурные элементы в виде полусфер с внутренними порами (рис. 1, а). При более высоких приложенных напряжениях, в интервале 200-250 В, на поверхности покрытий формируются структурные элементы сфероидальной формы (сферы и полусферы) с внутренними порами и порами, находящимися в углублениях между сферами, которые равномерно распределены по поверхности покрытий (рис. 1, в). Формирование сфероидальных структурных элементов в покрытиях связано с особенностями МДО-процесса. При подаче напряжения на образец происходит пробой полупроводниковой оксидной пленки на поверхности титана, приводящий к образованию искровых разрядов. Ток концентрируется только в местах пробоя, и, если его плотность достаточно велика, в каналах разрядов происходит вскипание электролита и образование парогазовых пузырей. Естественным выходом для образовавшейся плазмы является устье канала (пора), обращенное в сторону электролита. Вырываясь из устья канала, плазма расширяется, образуя плазменный пузырь. После прекращения микроразряда, когда ток перестает течь через канал разряда, плазменный пузырь быстро остывает, образуя сферу с внутренней порой [6, 11, 12]. Повышение приложенного напряжения от 300 до 350 В приводит к значительному увеличению интенсивности микроплазменных разрядов, воздействующих на подложку, в результате этого морфология поверхности покрытий видоизменяется: сфероидальные структурные элементы и Рис. 1. РЭМ-изображения поверхности (а, в, д, ж, и) и поперечного излома (б, г, е, з, к) микродуговых КФ-покрытий, нанесенных при различных напряжениях, В: 150 (а, б), 200 (в, г), 250 (д, е), 300 (ж, з) и 350 (и, к) поры увеличиваются в размерах и частично разрушаются с образованием осколочных элементов, в разрушенных полусферах формируются скопления многочисленных мелких кристаллов пластинчатой формы длиной до 15 мкм (рис. 1, д). Следует отметить, что при высоких напряжениях, 350 В и выше, на поверхности покрытий наблюдается разрушение сфероидальных структурных элементов и образование многочисленных кристаллов и обломков, которые полностью заполняют свободные поровые пространства (рис. 1, ж). При таких напряжениях происходит рекристаллизация, оплавление и деструкция вещества покрытия, что может быть связано с переходом микродугового разряда в дуговой [6, 8]. Определение размеров структурных элементов методом «секущей» и последующий статистический анализ с использованием метода наименьших квадратов показали, что для всех покрытий гистограммы характеризуются одномодальным нормальным распределением сфер по размерам и логнормальным распределением пор по размерам (рис. 2). Из гистограмм видно, что с повышением приложенного напряжения происходит значительное уширение распределений размеров сфер и пор. Так, размеры сфер в покрытиях, нанесенных при напряжениях 200, 250 и 300 В, варьируются соответственно в интервалах 2-34, 4-44 и 4-52 мкм (рис. 2, а-в). Размеры пор в покрытиях, нанесенных при напряжениях 200 и 250-300 В, варьируются соответственно в интервалах 0.5-12 мкм и 0.5-18 мкм (рис. 2, г-е). Уширение распределений сопровождается линейным увеличением средних размеров сфер и пор соответственно в интервалах 16.0-25.3 мкм и 3.8-7.0 мкм. Рис. 2. Гистограммы распределения сфер (а-в) и пор (г-е) по размерам в покрытиях, нанесенных при напряжениях 200 (а, г), 250 (б, д) и 300 В (в, е) На РЭМ-изображениях поперечных изломов видно, что сфероидальные структурные элементы содержатся только на поверхности покрытий, а внутри покрытия имеют сложную пористую структуру с большим количеством разветвленных пор и поровых каналов, неоднородно распределённых по толщине (рис. 1, б, г, е, з, к). Такая пористая структура является характерной особенностью МДО-покрытий. В процессе МДО большое число короткоживущих микродуговых разрядов возникает в результате локализованного электрического пробоя растущего покрытия. Эти разряды играют важную роль в механизме роста покрытий и оставляют характерные поры в структуре растущего покрытия [13]. При низком напряжении 150 В формируется тонкое неоднородное покрытие толщиной менее 15 мкм. При этом на образце присутствуют локальные области «голой» подложки, где отсутствует покрытие (рис. 1, б). Повышение импульсного напряжения от 200 до 350 В приводит к увеличению толщины покрытий от 50 до 130 мкм, а также к росту внутренних пор в размерах (рис. 1, г, е, з, к). В покрытиях, сформированных при напряжениях 250 В и выше, наряду с порами наблюдаются локальные макропоры размером 10-30 мкм преимущественно во внутренних слоях покрытия, граничащих с подложкой (рис. 1, е, з, к). Образование подобных макропор в покрытиях может быть связано с увеличением интенсивности микродуговых разрядов, в результате которых создаются каскады микроразрядов в ограниченной области, приводящие к увеличению размера «свободных» поровых пространств. Возникновение таких каскадов, согласно [8, 13], характерно для начальной стадии процесса МДО, когда плотность тока максимальна, поэтому макропоры локализуются преимущественно в нижних слоях формируемого покрытия. Установлено, что с повышением приложенного напряжения от 150 до 350 В линейно увеличиваются толщина и шероховатость (Ra) покрытий соответственно в интервалах 15-130 мкм и 1.7-8.5 мкм (рис. 3, а). В то же время при повышении напряжения в интервале 150-300 В линейно увеличиваются поверхностная пористость покрытий от 19 до 37 % и внутренняя пористость от 22 до 46 % (рис. 3, б). Увеличение шероховатости и поверхностной пористости покрытий обусловлены увеличением размеров структурных элементов - сфероидальных образований и поровых пространств между ними. Внутренняя пористость покрытий увеличивается за счет роста размеров внутренних пор и появления дополнительных макропор (10-30 мкм) в нижнем граничащем с подложкой слое. Рис. 3. Зависимости толщины (а, кр. 1), шероховатости Ra (а, кр. 2), поверхностной пористости (б, кр. 1) и внутренней пористости (б, кр. 2) покрытий от величины напряжения МДО Обнаруженная в покрытиях иерархия поровой структуры, а также высокие значения толщины, шероховатости и пористости покрытий могут оказывать негативное влияние на прочностные свойства покрытий, в частности адгезионную прочность. Известно, что величина адгезии между покрытием и подложкой является одним из основных эксплуатационных критериев, особенно в том случае, если изделие с покрытием выполняет роль несущей конструкции. Согласно ГОСТ Р ИСО 13779-4-2013, адгезионная прочность покрытий на медицинских имплантатах должна быть не менее 15 МПа. В работе адгезионная прочность макропористых объемных покрытий оценивалась методом равномерного отрыва в испытаниях на растяжение. Из таблицы видно, что с повышением величины приложенного напряжения в интервале 200-350 В уменьшается нагрузка, при которой происходит отрыв покрытия, и, как следствие, снижается адгезионная прочность покрытия от 36.0 до 7.5 МПа. Это связано с увеличением толщины и внутренней пористости покрытий (рис. 3), а также с возникновением локальных макропор на границе раздела с подложкой, что сопровождается ростом остаточных внутренних напряжений, уменьшающих прочность соединения покрытия с подложкой. Подобное описание физико-механических свойств МДО-покрытий дается в работе [14] на основе двухуровневой модели роста покрытия, учитывающей распределения концентраций фаз и механические напряжения в окрестности мезоячеек, а также в покрытии в целом. Результаты испытаний на растяжение образцов с МДО-покрытиями Напряжение МДО, В Нагрузка, Н Площадь отрыва Адгезионная прочность, МПа 200 2675 ± 355 74.2 ± 5.2 36.0 ± 5.0 250 1965 ± 100 71.0 ± 6.3 27.7 ± 4.2 300 658 ± 89 72.9 ± 4.3 9.0 ± 1.1 350 659 ± 72 87.6 ± 8.2 7.5 ± 0.9 На рис. 4, а, б приведены оптические изображения и фотографии экспериментальных образцов после предварительной подготовки поверхности и с нанесенным КФ-покрытием. На оптическом изображении образца после предварительной обработки отчетливо видны полосы шлифования, а на оптическом снимке покрытия наблюдаются сфероидальные структурные элементы и поры. Рис. 4. Оптические изображения и фотографии титановых образцов после шлифования (а) и с нанесенным КФ-покрытием (б), поверхности КФ-покрытий, полученных при напряжениях МДО 200 (в), 250 (г), 300 (д) и 350 В (е), после механических испытаний на растяжение. Выделенные области соответствуют модифицированной (оксидированной) подложке На рис. 4, в-е приведены оптические изображения и фотографии образцов с КФ-покрытиями, сформированными при различных напряжениях МДО, после механических испытаний на отрыв. При анализе оптических изображений разрушенного покрытия различают три типа отрыва: 1) адгезионный отрыв, когда разрушение проходило по границе раздела покрытие - подложка; 2) когезионный отрыв, когда нарушается целостность самого покрытия или подложки, т.е. разрушение проходило по покрытию или подложке с образованием границы раздела покрытие - покрытие или подложка - подложка; 3) смешанный адгезионно-когезионный отрыв [10, 15]. На оптических изображениях покрытий после отрыва присутствуют как области оставшегося покрытия (области со структурными элементами покрытия), так и области, содержащие нано- и ультрамелкокристаллические зерна (разноцветные области). Во втором случае эти области могут соответствовать модифицированной (оксидированной) поверхности титана. Ранее в работах [6, 8, 9] было показано, что в начальной стадии процесса МДО при высоких значениях плотностей тока в зонах высокотемпературных микродуговых разрядов происходит образование оксидного слоя (TiO2). Поскольку модифицирование происходило как на поверхности, так и в глубь материала подложки, оксидный слой был принят за границу раздела покрытие - подложка. У покрытий, сформированных при напряжениях 200-250 В, разрушение происходило преимущественно по покрытию, так как области пограничного оксидного слоя либо полностью отсутствовали на оптических изображениях, либо имели очень малую площадь (рис. 4, в, г). Это указывает на преимущественный когезионный отрыв покрытия. В то же время у покрытий, сформированных при высоких напряжениях 300-350 В, разрушение происходило по объему покрытия и по границе раздела с подложкой. На соответствующих оптических изображениях площадь областей оставшегося покрытия практически соответствует площади границы раздела покрытие - подложка (рис. 4, д, е). В данном случае отрыв был смешанным адгезионно-когезионным. С повышением приложенного напряжения процесса МДО увеличиваются толщина и внутренняя пористость покрытий, наблюдается увеличение размеров пор. При высоких напряжениях на границе раздела покрытие - подложка образуются крупные макропоры. В результате этого уменьшается прочность соединения покрытия с подложкой и механизм отрыва покрытия изменяется от когезионного до смешанного адгезионно-когезионного типа, когда образование трещин происходит по межслойным границам покрытия, по границам пор и по границе раздела подложка - покрытие. Подобные результаты по величине адгезионной прочности и типу отрыва покрытия от подложки были представлены в работе [16] для КФ-покрытий, сформированных методом МДО в условиях внешнего ультразвукового воздействия. Заключение Изучена взаимосвязь между структурно-морфологическими и физико-механическими свойствами объемных пористых КФ-покрытий, сформированных методом МДО на поверхности титана. Установлено, что с повышением приложенного напряжения МДО от 150 до 350 В линейно увеличиваются толщина и шероховатость (Ra) покрытий соответственно в интервалах 15-130 мкм и 1.7-8.5 мкм, поверхностная и внутренняя пористость покрытий соответственно в интервалах 19- 37 % и 22-46 %, а также средние размеры структурных элементов, сфер и пор соответственно в интервалах 16.0-25.3 мкм и 3.8-7.0 мкм. Повышение напряжения МДО приводит к структурно-морфологическим трансформациям в покрытиях. Во внутреннем объеме поры увеличиваются в размерах и формируются вблизи границы раздела с подложкой дополнительные локальные макропоры размером 10-30 мкм. На поверхности покрытий сфероидальные структурные элементы увеличиваются в размерах и частично разрушаются с образованием осколочных элементов, и внутри разрушенных полусфер формируются скопления мелких кристаллов пластинчатой формы длиной до 15 мкм. Подобные структурно-морфологические изменения в покрытиях сопровождаются ростом остаточных внутренних напряжений, уменьшающих адгезионную прочность покрытия с подложкой от 36 до 7.5 МПа. При этом механизм отрыва покрытия изменяется от когезионного до смешанного адгезионно-когезионного типа.

Скачать электронную версию публикации