Технические науки/8.Обработка материалов в машиностроении

к.т.н. Перинская И.В., д.т.н. Перинский В.В.

Саратовский государственный технический университет

имени Гагарина Ю.А., Россия

Элементы технологии ионно-лучевой модификации

кальций-фосфатных покрытий материалов медицинского назначения

Ионно-лучевая обработка является одним из быстроразвивающихся и эффективных технологических методов электротехнологии и незаменим при формирования необходимого элементного состава и структуры поверхностного слоя различных материалов, которые невозможно получать традиционными способами. Широкие возможности применения ионно-лучевой технологии обусловлены вакуумной чистотой этого метода, точностью, универсальностью воздействия на вещества, высокими локальностью и производительностью.

Эффект воздействия ионной имплантации при ионно-лучевой обработке проявляется в изменении таких свойств, как микротвердость, прочность, износостойкость, при этом изменение свойств наблюдается не только в имплантированном слое, но и в приповерхностных слоях. Ионно-лучевая модификация материалов и композиционных покрытий может быть проведена практически любыми элементами (ионами), концентрацию которых можно менять широких пределах.

Для ортопедических устройств в импланталогии широкое применение получили кальций-фосфатные покрытия на основе гидроксиапатита кальция (ГА), фторапатита, фторгидроксиапатита. Они имеют высокую биосовместимость и хорошие остеокондуктивные свойства, однако низкая усталостная прочность и низкая прочность на изгиб плазмонапыленного покрытия ГА ограниченно позволяет его использовать в качестве высоконагруженных имплантатов [1].

Исследование влияния ионной имплантации азота с целью наноструктурирования титановой основы, наномодифицирования гидроксиапатитовых покрытий дентальных имплантатов: электронно-микроскопические, ИК - спектроскопические исследования проведены авторами [2-3], в Саратовском государственном техническом университете имени Гагарина Ю.А.

Результаты исследований с достаточной достоверностью и точностью укладываются в физическую модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий, механизмы которого описаны [4].

Образцы представляют собой пластины размером 10×10×2 мм, вырезанные из листа титана марки ВТ1-00, и состоящие из нескольких композиционных слоев (рис.1). Первый слой 1 находится в приповерхностной области компактного титана прошедшего пескоструйную обработку и получен путем внедрения ускоренных ионов азота N⁺ с энергией 110 кэВ и дозой облучения ионов 6·10¹⁵÷6·10¹⁶ ион/см². Второй и третий слой получен путем напыления порошка титана толщиной слоя 5-10 мкм, и порошка ГА (Ca₁₀(PO₄)₆(OH)₂) марки ВФС-42-2378-94 (ASTM-1185-80) толщиной слоя 20-30 мкм. Последний слой толщиной 4-10 нм и первый слой получен путем облучения высокоэнергетическими ионами N⁺ с энергией 110 кэВ и интегральной дозой 6·10¹⁵÷6·10¹⁶ ион/см² в углеродсодержащей атмосфере на модернизированной установке ионного легирования «Везувий-5», которая позволяет вводить в приемную вакуумную камеру молекулы газов СО, СН.

Рисунок 1 - Схематическое изображение облучаемого образца

Техническая значимость работы заключается в разработке новой технологии ионно-лучевой композиционных электроплазменных покрытий, используемых в различных областях современной промышленности, и в том числе медицины для изготовления внутрикостных имплантатов, позволяющей формировать рациональную структуру с наноразмерными поверхностными элементами, обеспечивающую повышенные физико-механические свойства в сочетании с хорошей биосовместимостью.

Литература

1. Перинский В.В., Крыночкина В.В., Перинская И.В. Модель ионно-лучевого наноструктурирования композиционных покрытий материалов имплантологии / В.В. Перинский, В.В. Крыночкина, И.В. Перинская // Актуальные вопросы биомедицинской инженерии: сборник матер. Всерос. заоч. науч. конфер. для молодых ученых, студентов и школьников. ФГУП НТЦ «Информрегистр», Депозитарий электронных изданий, 2011. – 105-113 С.

2. Ahn E.S., Gleason N.J. The Effect of Zirconia Reinforcing Agents on the Hydroxyapatite-Based Nanocomposites// Journal of the American Ceramic Society. 2005. vol. 88, p. 3374-3379.

3. ИК - спектроскопическое исследование поверхности титана типа ВТ1-00 облученного ускоренными ионами азота/ О.Д. Муктаров, В.В. Перинский, В.Н. Лясников, И.В. Перинская // Микромеханизмы пластичности, разрушения и сопутствующих явлений: сб. науч. тр. Тольятти, 2011. С.201-202.

4. Механизмы влияния ионной имплантации химически инертной примеси при создании наноразмерного состояния материалов / В.В. Перинский, В.Н. Лясников, И.В. Перинская, О.Д. Муктаров // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. № 1 (53). Вып. 2. С. 56-61.