Модифікація поверхневих властивостей матеріалів шляхом нанесення багатошарового покриття для їх застосування в ортопедії

Abstract

The article analyses studies of surface parameters of different multiple coatings, such as: TiN, CrN, (Ti,Cr)N, TiN/TiC10N90, TiN/TiC20N80, which are applied by the arc method (Arc-PVD) on stainless steel samples (1H18N9), and the same coatings with an additional oxide layer Al2O3, which are deposited by the method of reactive magnetron sputtering (RMS method). A comparative analysis of the thickness, roughness and structural characteristics of surfaces was carried on. Other parameters, such as surface wettability (water receptivity / water repellency), surface free energy (SFE) and fractional polarity, were determined by methods of Wu, Owens-Wendt-Rabel-Kaelble, Van Oss and Fowkes. In order to make a further conclusion about an effect of the above factors on biological objects, in vitro experiments were carried out for studying relationships between cell structures and the material in fibroblast cultures. The results show some correlation between the surface properties of the materials and adhesion and proliferation of the cell cultures. Better biological parameters of the response (the total number of cells, proliferation, morphology of cells) were received in case of coatings with higher values of the polar components of SFE and fractional polarity.

В работе проведены исследования поверхностных параметров различных многослойных покрытий: TiN, CrN, (Ti,Cr)N, TiN/TiC10N90, TiN/TiC20N80, наносимых дуговым методом (Arc-PVD) на образцы из нержавеющей стали (1H18N9), и тех же покрытий с дополнительным оксидным слоем Al2O3, осажденных методом реактивного магнетронного распыления (Reactive Magnetron Sputtering (RMS) method). Был проведен сравнительный анализ толщины, шероховатости, структурных характеристик поверхности. Другие параметры, такие как смачиваемость (гидрофильность/гидрофобность) поверхности, поверхностная свободная энергия (surface free energy, SFE) и фракционная полярность, были определены методами Wu, Owens – Wendt – Rabel – Kaelble, Van Oss и Fowkes. Для последующего заключения о воздействии этих факторов на биологические объекты были выполнены эксперименты in vitro по исследованию взаимодействия между клеточными структурами и материалом в культуре фибробластов. Результаты показывают некоторую корреляцию между поверхностными свойствами материалов и адгезией и пролиферацией клеточных культур. Лучшие биологические параметры отклика (общее число клеток, пролиферация, морфология клеток) были получены в случае покрытий с большими значениями полярных компонентов поверхностной энергии SFE и фракционной полярности.

У роботі проведено дослідження поверхневих параметрів різного багатошарового покриття: TiN, CrN, (Ti,Cr)N, TiN/TiC10N90, TiN/TiC20N80, яке наносили дуговим методом (Arc-PVD) на зразки з неїржавкої сталі (1H18N9), і покриття з додатковим оксидним шаром Al2O3, осаджених методом реактивного магнетронного розпилення (Reactive Magnetron Sputtering (RMS) method). Було проведено порівняльний аналіз товщини, шорсткості, структурних характеристик поверхні. Інші параметри, такі як змочувальність (гідрофільність/гідрофобність) поверхні, поверхнева вільна енергія (surface free energy, SFE) і фракційна полярність, було визначено методами Wu, Owens – Wendt – Rabel – Kaelble, Van Oss та Fowkes. Для подальшого висновку щодо впливу цих факторів на біологічні об’єкти було виконано експерименти in vitro з дослідження взаємодії між клітинними структурами та матеріалом в культурі фібробластів. Результати показують деяку кореляцію між поверхневими властивостями матеріалів та адгезією і проліферацією клітинних культур. Найкращі біологічні параметри відгуку (загальна кількість клітин, проліферація, морфологія клітин) було отримано у випадку покриття з великими значеннями полярних компонентів поверхневої енергії SFE та фракційної полярності.