ДОКЛАДЫ АКАДЕМИИ НАУК, 2008, том 418, № 1, с. 121-124
УДК 539.216.2; 621.793.182:57.089.67
БИОХИМИЯ, БИОФИЗИКА, МОЛЕКУЛЯРНАЯ БИОЛОГИЯ
БИОАКТИВНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ТАНТАЛСОДЕРЖАЩИЕ ПЛЕНКИ ДЛЯ ИМПЛАНТАТОВ
© 2008 г. Д. В. Штанский, И. А. Башкова, Ф. В. Кирюханцев-Корнеев, А. Н. Шевейко, Е. А. Левашов, Д. Мур, Н. А. Глушанкова
Представлено академиком Г.И. Абелевым 16.02.2007 г. Поступило 16.02.2007 г.
Одним из возможных путей получения нового поколения имплантатов, работающих под нагрузкой, является нанесение на них защитных пленок с многофункциональными свойствами. Ранее было показано, что многокомпонентные наноструктур-ные керамические пленки на основе карбонитрида титана обладают превосходными химическими, механическими и трибологическими характеристиками, а также обеспечивают биосовместимость и биоактивные свойства поверхности [1-3]. Известно, что тантал также находит широкое применение в реконструктивной хирургии, главным образом благодаря высокой прочности и твердости, которые сочетаются с отличными пластическими характеристиками, высокой химической стойкостью и биологической совместимостью. По аналогии с другими карбидами и нитридами переходных металлов ТаС и ТаК обладают высокой твердостью, износо- и коррозионной стойкостью. Кроме того, ТаК имеет значительно более низкий коэффициент трения в паре со сталью и А1203 [4]. Дополнительное преимущество карбонитрида тантала состоит в том, что он более химически стабилен и инертен по сравнению с двойными карбидами и нитридами тантала [5]. Поэтому представляло интерес введение тантала в состав многокомпонентных наноструктурных покрытий с целью обеспечения комплекса более высоких эксплуатационных характеристик.
Многокомпонентные пленки в системе Т1-Та-Са-(Р)-С-0-(К) получали по технологии магне-тронного распыления композиционных мишеней в атмосфере аргона или в газовой смеси аргона с азотом при парциальном давлении азота, равном 14%. Для этого с помощью метода самораспро-
Государственный технологический университет "Московский институт стали и сплавов" ГУ Российский онкологический научный центр им. H.H. Блохина
Российской Академии медицинских наук, Москва Горная академия Колорадо, Голден, США
страняющегося высокотемпературного синтеза (СВС) [6] были разработаны и получены новые составы композиционных мишеней (Т1,Та)Сх + + Са3(Р04)2 и (Т1,Та)Сх + СаО. В качестве подложек для напыления использовали титан марки ВТ1-0, монокристаллический кремний, нержавеющую сталь и покровные стекла.
На рис. 1 показана фрактограмма излома пленки Т1-Та-Са-Р-С-0, осажденной на титановую подложку. Видна плотная структура пленки с отсутствием колонной структуры. По данным рентгенофазового анализа и просвечивающей электронной микроскопии основу пленок составляла ГЦК-фаза типа КаС1 с текстурой (110). На электроннограммах пленок Т1-Та-Са-С-0 было заметно расщепление линий (111), (200) и (220) ГЦК-фазы, что свидетельствует о наличии двух ГЦК-структур с близкими параметрами решетки. При осаждении пленок в азоте наблюдалось увеличение интенсивности рассеивания вблизи линии (111), что свидетельствует о наличии смешанной текстуры (111) и (110). Появление максимума диффузионного рассеяния на рентгеновском спектре пленки Т1-Та-Са-Р-С-0-К, соответствующего межплоскостному расстоянию 0.232 нм, может быть связано с линией (110) тантала. Размер кристаллитов ГЦК-фазы, рассчитанный по
Рис. 1. Фрактограмма излома пленки Ti-Ta-Ca-P-C-O, осажденной на титановую подложку.
122 ШТАНСКИЙ и др.
Таблица 1. Механические характеристики пленок Таблица 2. Площадь распластывания клеток
Покрытие H, ГПа E, ГПа We, % H/E H3/E2, ГПа
Ti-Ta-Ca-P-C-O 44 350 75 0.12 0.70
Ti-Ta-Ca-P-C-O-N 39 330 70 0.12 0.54
Ti-Ta-Ca-C-O 40 340 72 0.12 0.55
Ti-Ta-Ca-C-O-N 38 310 75 0.12 0.57
темнопольным изображениям структуры, составлял 20-60 нм (Ti-Ta-Ca-P-C-O) и 40-100 нм (Ti-Ta-Ca-C-O) при осаждении пленок в среде аргона и уменьшался до 10-35 нм (Ti-Ta-Ca-P-C-O-N) и 15-60 нм (Ti-Ta-Ca-C-O-N) при добавлении азота в газовую смесь.
Значения твердости (H), модуля упругости (E) и упругого восстановления (We) определяли с помощью нанотвердомера ("CSM Instruments") по методу Оливера и Фарра [7] с использованием ин-дентора Берковича, приведены в табл. 1. Отметим, что для пленок Ti-Ta-Ca-(P)-C-O-(N) значения параметров H/E, описывающего сопротивление упругой деформации разрушения, и H3/E2, описывающего сопротивление пластической деформации, составляют соответственно 0.1-0.15 и 0.5-0.9 ГПа, что значительно выше, чем у металлов, сплавов и керамики, используемых в качестве ортопедических и дентальных имплантатов.
Трибологические испытания пленок проводились по схеме шарик-диск при нагрузке 1 Н и линейной скорости 10 см/с как на открытом воздухе, так и в физиологическом растворе (ФР) состава 100 мл H2O + 0.9 г NaCl. В качестве контртела ис-
Рис. 2. Зависимость коэффициента треиия пленок от длины пробега.
Материал Эпителиоциты IAR-2, мкм2 Остеобласты MC3T3-E1, мкм2
Покровное стекло Ti-Ta-Ca-P-C-O Ti-Ta-Ca-P-C-O-N Ti-Ta-Ca-C-O Ti-Ta-Ca-C-O-N 1749 ± 147.3 2402 ± 160.4 3121 ± 159.8 2807 ± 173.4 2650 ± 154.6 2355 ± 132.2 2545 ± 135.4 2684 ± 150.1 2734 ± 166.3 2605 ± 145.6
пользовался шарик из спеченного Al2O3 диаметром 3 мм. Зависимость коэффициента трения пленок Ti-Ta-Ca-P-C-O-N от длины пробега показана на рис. 2. Пленки показали стабильно низкий коэффициент трения на протяжении всего цикла испытаний в интервале 0.17-0.22 (на воздухе) и 0.24-0.25 (в ФР). Для сравнения на рисунке приведены результаты испытаний для Ti и TiN в ФР. Отметим отсутствие начального максимума коэффициента трения в начале испытаний, часто наблюдаемого вследствие интенсивного абразивного износа в процессе приработки трущейся пары, а также отсутствие какого-либо износа шарика Al2O3 после пробега 500 м как на воздухе, так и в ФР. Пленки имели низкую скорость износа в диапазоне (0.7-3.0) • 10-6 мм3 • Н-1 • м-1 (на воздухе) и (0.7-6.8) • 10-6 мм3 • Н-1 • м-1 (в ФР), что на два порядка ниже, чем у титана.
Электрохимические исследования проводили с помощью потенциостата Voltalab PST050 в модельном биологическом растворе pH 8, имитирующем слюну (г/л): 0.4 KCl + 0.4 NaCl + 0.795 CaCl2 + + 0.69 Na2HPO4 + 0.005 Na2S • 9H2O + 1 мочевины + H2O (до одного литра раствора). Анализ зависимости потенциала от времени, а также потен-циодинамических кривых показал, что пленки находятся в пассивном состоянии, которое сохраняется в широкой области потенциалов вплоть до 2 В. У пленок Ti-Ta-Ca-(P)-C-O-(N) пассивационные характеристики были выше, а скорости коррозии ниже, чем у пленок без тантала. Таким образом, повышенная коррозионная стойкость исследованных пленок в первую очередь определяется наличием тантала.
В качестве модельной системы для исследования биосовместимости пленок in vitro были использованы линии эпителиальных клеток IAR-2 и остеобластов MC3T3-E1, растущие на подложках, покрытых тестируемыми материалами. Клетки рассевали на поверхность покровных стекол размером 18 х 18 мм, покрытых пленками Ti-Ta-Ca-(P)-C-O-(N), и помещенных в чашки с культу-ральной средой и 10% телячьей эмбриональной сыворотки.
Сравнительные исследования адгезии и распластывания клеток на поверхности пленок пока-
БИОАКТИВНЫЕ КЕРАМИЧЕСКИЕ ТАНТАЛСОДЕРЖАЩИЕ ПЛЕНКИ
123
зали высокую цитосовместимость пленок Ti-Ta-Ca-P-C-O-(N) и Ti-Ta-Ca-C-O-(N). При морфо-метрическом анализе площади клеток с использованием компьютерной программы Tracer V1 была обнаружена высокая степень распластывания эпителиоцитов IAR-2 и остеобластов МС3Т3-Е1 на поверхности тестируемых материалов (табл. 2). Морфология эпителиоцитов и остеобластов была характерной для клеток, прикрепленных к адгезивным субстратам. Флуоресцентно-микроскопическое исследование с использованием меченного родамином фаллоидина выявило хорошо организованную систему актиновых микрофиламентов, обеспечивающих распластывание клеток на поверхности подложки. В эпителиоцитах IAR-2 обнаруживался типичный для этих клеток кольцевой пучок микрофиламентов, в остеобластах окрашивались многочисленные актиновые пучки, заполняющие всю цитоплазму (рис. 3).
При оценке биоактивности новых материалов одним из важнейших критериев является динамика роста клеток на их поверхности, позволяющая оценить наличие или отсутствие цитотоксичности у данных материалов. Сравнительные исследования кинетики пролиферации остеобластов после окрашивания DAPI клеток, фиксированных на разных сроках, и подсчета количества ядер в
30 полях зрения показали, что клетки эффективно размножаются на поверхности многокомпонентных наноструктурных пленок (табл. 3).
Остеокондуктивные характеристики пленок -их способность обеспечивать рост костной ткани на поверхности - были исследованы in vitro при культивировании МС3Т3-Е1 остеобластов в среде с 50 мкг/мл аскорбиновой кислоты и 10 мМ Р-глицерофосфата. При длительном культивировании остеобластов на поверхности пленок Ti-Ta-Ca-(P)-C-O-(N) активность раннего маркера дифференцировки - щелочной фосфатазы резко возрастала. После двух недель культивирования остеобластов МС3Т3-Е1 количественный колориметрический анализ с использованием в качестве субстрата р-нитрофенилфосфата и со спектрофотометрическим выявлением продукта реакции при 405 нм показал более высокий уровень активности щелочной фосфатазы в клетках, растущих на поверхности пленок, по сравнению с контролем (табл. 4).
Таким образом, в результате выполнения данной работы исследованы новые составы многофункциональных танталсодержащих наноструктурных пленок Ti-Ta-Ca-(P)-C-O-(N) с высоким уровнем химических, механических и трибологи-ческих свойств, что в сочетании с биосовместимостью и биоактивностью делает их перспективны-
Таблица 3. Пролиферация остеобластов MC3T3-E1
Материал Число клеток в поле зрения
1-й день 3-й день 5-й день 7-й день
Покровное стекло 26.6 ± 0.67 49.8 ± 3.20 111.9 ± 4.92 304.7 ± 7.66
Ti-Ta-Ca-P-C-O 24.7 ± 0.79 63.0 ± 5.23 158.7 ± 4.94 318.1 ± 8.27
Ti-Ta-Ca-P-C-O-N 22.3 ± 1.43 54.7 ± 2.08 152.8 ± 6.39 318.0 ± 9.68
Ti-Ta-Ca-C-O 23.5 ± 0.81 57.5 ± 2.43 175.9 ± 8.65 316.5 ± 11.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.