Контроль поверхности
УДК 678.5.046, 615.462-036.5 615.477
ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ АТОМНО-СИЛОВОЙ МИКРОСКОПИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ ПОВЕРХНОСТИ ПОКРЫТИЙ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ
В.А. Клименов, С.И. Твердохлебов, E.H. Болъбасов, Е.В. Шестериков, В.А. Новиков, ТЛ. Волокитина
Методы атомно-силовой микроскопии применены для исследования кальций-фосфатных покрытий, сформированных на поверхности различных материалов медицинского назначения высокочастотным магнетронным распылением мишени из гидроксиапати-та. В полуконтактном режиме определены параметры шероховатости и значения поверхностного потенциала металлических, полимерных и гибридных подложек. Кальцийфос-фатные покрытия увеличивают шероховатость поверхности полимерных и металлических материалов, что является стимулирующим фактором для прикрепления и пролиферации остеогенных клеток. Методом Кельвина показано, что кальцийфосфатные покрытия изменяют поверхностный потенциал подложек.
Ключевые слова: атомно-силовая микроскопия, поверхностный потенциал, шероховатость, фосфатыкальция, покрытия.
ВВЕДЕНИЕ
На сегодняшний день одним из наиболее перспективных классов материалов для биологии и медицины являются композитные и гибридные субстанции, состоящие из полимерных или металлических подложек с кальцийфосфатными покрытиями, сформированными ионно-плазмен-ными методами, в частности, магнетронным распылением кальцийфос-фатной мишени [1—3].
Высокочастотное магнетронное распыление (ВЧМР) широко используется в микроэлектронике для нанесения пленок сложного химического состава без изменения их стехиометрии. Метод основан на распылении материала в вакууме за счет бомбардировки поверхности мишени ионами рабочего газа (в основном аргона), образующимися в плазме аномального тлеющего разряда при наложении на него магнитного поля [4]. При этом проблема биосовместимости гибридных и полимерных материалов является весьма актуальной в медицинском материаловедении и инженерии биологических тканей.
Василий Александрович Клименов, доктор техн. наук, профессор, проректор-директор Института неразрушающего контроля Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет. klimenov@tpu.ru
Сергей Иванович Твердохлебов, канд. физ.-мат. наук, доцент кафедры теоретической и экспериментальной физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет. E-mail: tverd@tpu.ru
Евгений Николаевич Больбасов, аспирант кафедры теоретической и экспериментальной физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет. E-mail: bolb@sibmail.com
Евгений Викторович Шестериков, научный сотрудник кафедры теоретической и экспериментальной физики Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет. E-mail: evgen@micran.ru
Вадим Александрович Новиков, канд. физ.-мат. наук, младший научный сотрудник образовательного центра "Наноэлектроника" при Томском государственном университете. E-mail: Novikovvadim@,ail.ru
Татьяна Леонидовна Волокитина, техник-проектировщик Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Email: tatyanavolokitina@gmail.com
Особую роль при интеграции имплантата с живыми тканями играют свойства его поверхности [5], важными характеристиками которой является параметры шероховатости поверхности имплантата, определяющие возможность интеграции тканей с поверхностью имплантируемого устройства [6]. В то же время некоторые авторы указывают на электрические характеристики поверхности имплантируемого устройства и показывают ключевую роль биоэлектрической сигнализации на процессы миграции, пролиферации и дифференцировки клеток [7, 8], поэтому задача исследования свойств гибридных поверхностей является актуальной.
Современные технологии предлагают исследователю уникальные возможности по изучению свойств поверхности. Бурное развитие методов атомно-силовой микроскопии (АСМ) позволило получать информацию о важнейших характеристиках поверхности, таких как рельеф, электрические свойства и механические свойства в микро- и наномасштабе. Важнейшими достоинствами метода являются относительная простота подготовки образца к проведению измерений, высокая чувствительность и информативность методов АСМ, что особенно актуально при исследованиях с целью получения информации о полимерных, композитных и гибридных биоматериалах [9].
Цель данной работы — изучение свойств металлических, полимерных и гибридных поверхностей в микромасштабе методами атомно-сило-вой микроскопии.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Для изучения свойств металлических, полимерных и гибридных поверхностей в микромасштабе методами атомно-силовой микроскопии было приготовлено несколько типов образцов, условно разделенных на группы: I, II, III, IV. Образцы группы I представляли собой пластины, выполненные из титанового сплава марки ВТ-6 размерами 20x20x3 мм, которые предварительно полировались механическим способом с использованием пасты ГОИ.
Образцы группы II готовили аналогично образцам группы I, при этом на одну из сторон образца было нанесено кальцийфосфатное (Кф) покрытие, сформированное методом высокочастотного магнетронного распыления мишени из гидроксиаппатита. Для нанесения КФ покрытия использовали промышленную установку "Катод 1М", в вакуумной камере которой размещался штатный высокочастотный магнетронный источник, питаемый ВЧ генератором с максимальной мощностью 4 кВт и рабочей частотой 13,56 МГц. Для нанесения КФ покрытия были выбраны следующие технологические режимы: предварительное давление в камере 510-5 Па, рабочее давление смеси Ar и О2 — 3101 Па; удельная ВЧ мощность ~20 Вт/см2; время напыления 2 ч. Для определения толщины образца часть подложки маскировалась с целью получения границы раздела покрытие — подложка. Толщину покрытий определяли на механическом профилометре Talysurf 5 (Tyler-Hobson, England) методом "ступеньки". При выбранных параметрах распыления толщина сформированного КФ покрытия составляла 0,8±0,02 мкм.
Образцы группы III готовили аналогично образцам группы I, при этом на одну из сторон образца методом пневматического напыления наносили раствор сополимера тетрафторэтилена с винилиденфторидом (ТФЭ/ВДФ) в ацетоне. Часть образца маскировали для получения границы раздела покрытие — подложка. Затем образцы с нанесенным полимерным покрытием помещали в электропечь камерного типа ИТМ 50.1100 (ИТМ, г. Томск), в которой для удаления остатков растворителя и окончательного формирования покрытия нагревали до температуры
200 °С. Толщину покрытий определяли на механическом профилометре Та^игТ 5 методом "ступеньки". Толщина сформированных полимерных покрытий составляла 5±0,4 мкм.
Образцы группы IV готовили аналогично образцам группы III, после чего поверхность сформированного полимера ТФЭ/ВДФ подвергали модификации посредством формирования кальцийфосфатного покрытия методом ВЧМР в таких же технологических режимах, как и образцы группы II. При выбранных параметрах распыления толщина сформированного КФ покрытия составляла 0,8±0,02 мкм.
Исследования поверхности образцов проводили с использованием промышленного атомно-силового микроскопа (АСМ) "So1ver-HV" (КТ-МБТ), позволяющего измерять рельеф поверхности, распределение потенциала по поверхности и ее фазовый контраст [9, 10]. Измерения проводили на воздухе при нормальных условиях в полуконтактном режиме работы с использованием двухпроходной методики.
Схематический рисунок работы АСМ в двухпроходном режиме приведен на рис. 1. Для работы в полуконтактном режиме использовали кан-тилеверы марки с радиусом закругления острия иглы 10 нм и кон-
центрацией легирующей примеси 5х1020 см-3.
Работа в полуконтактном режиме подразумевает колебание острия кантилевера на резонансной частоте балки ю2. Двухпроходная методика предполагает двукратное прохождение острием (сканирование) одного и того же ряда развертки. Во время первого прохода механические колебания балки на резонансной частоте ю2, возбуждаются пьезоэлементами. Измерение рельефа поверхности (координаты ¡-й точки поверхности ¡(л, у, I)) образца происходит по сигналу обратной связи, который определяется перемещением острия балки в плоскости (л, у) и изменением амплитуды ее колебаний Лк (еог) по оси I в момент соприкосновения острия с поверхностью.
Одновременно с построением изображения пространственного рельефа поверхности во время первого прохода строится изображение ее фазового контраста. Во время сканирования поверхности в полуконтактном режиме происходит периодическое измерение фазы колебаний б
Si кантилевер
Образец —
Рис. 1. Схематический рисунок работы АСМ в двух проходном режиме.
т
при каждом соударении острия иглы кантилевера с поверхностью, обусловленное взаимодействием иглы с веществом поверхности. Изображение поверхности фазового контраста представляет собой распределение в плоскости (x, у) изменения фазы Дб. Изменение Дб обусловлено различными свойствами участков поверхности, с которыми контактирует игла (микротвердость, вязкость, пластичность и др.), что на практике отражает изменение фазового состава поверхности. На двумерном изображении фазового контраста одинаковое изменение Дб (однородность фазового состава) характеризуется одной тональностью серого цвета. Таким образом, распределение тональности серого цвета на плоскости (x, у) дает качественную картину пространственного распределения физических свойств поверхности.
При повторном проходе кантилевера (после измерения пространственного рельефа и фазового контраста) измеряются потенциальный рельеф поверхности. Для этого игла кантилевера поднимается над поверхностью на рассто
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.