В ходе выполнения проекта по Соглашению о предоставлении субсидии от 24 ноября 2014 года № 14.578.21.0086 с Минобрнауки России в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на
- Разработаны технология и лабораторный регламент получения электродов;
- Проведены эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки на воздухе и в защитной атмосфере с использованием новых электродных материалов (ЭМ);
- Проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между режимами импульсной электроэрозионной обработки и составом, структурой и топографией модифицированного слоя;
- Проведены предварительные эксперименты по осаждению покрытий на подложки из титановых сплавов;
- Проведены структурные исследования покрытий;
- Исследованы механические свойства покрытий;
- Измерен краевой угол смачивания покрытий;
- Исследована биосовместимость антибактериальных покрытий in vitro;
- Исследован бактериостатический эффект антибактериальных покрытий;
- Изготовлены титановые имплантаты для хирургии позвоночника (пластины накостные) для осаждения покрытий.
ПРИ ЭТОМ БЫЛИ ПОЛУЧЕНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РЕЗУЛЬТАТЫ:
Были разработаны технология и лабораторный регламент получения электродных материалов методами самораспространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС), спекания (СП) и горячего прессования (ГП) на основе биосовместимой металлической и металлокерамической композиции, содержащей в своем составе функциональные легирующие добавки.
Проведены эксперименты по модифицированию поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки (ИЭО) на воздухе и в защитной атмосфере с использованием новых электродных материалов (ЭМ). Нанесение покрытий осуществлялось в диапазоне энергий импульсных разрядов Е=0,038 — 0,096 Дж; ∑Е=1,84-12,96 кДж/мин при прямой и обратной полярности. Установлен оптимальный режим обработки титанового сплава ВТ1-0 (среда аргон) при применении СВС-электродного материала Ti + C + 15% Ca3(PO4)2 (обратная полярность электродов; I=120A, f=640 Гц, τ=20 мкс, Е=0,048 Дж, ∑Е=1,84 кДж/мин). Данный режим характеризуется максимальной величиной суммарного привеса катода (5,3×10-4 см3) и максимальным коэффициентом переноса (Кп=62%).
Проведены параметрические исследования, устанавливающие взаимосвязь между режимами импульсной электроэрозионной обработки и составом, структурой и топографией модифицированного слоя. Изучены особенности массопереноса электродных материалов Ti + C + Х% Ca3(PO4)2 (х=10, 15, 20 %) на установленном оптимальном частотно-энергетическом режиме на воздухе и в защитной атмосфере (аргон). Выявлено, что увеличение биоактивной добавки Ca3(PO4)2 в электродном материале с 10 до 20% способствует снижению шероховатости покрытий.
Параллельно с разработкой технологии модифицирования поверхности титановых сплавов методом импульсной электроэрозионной обработки, проводились эксперименты по модифицированию поверхности вакуумными методами, а именно магнетронным распылением (МР). Разработаны различные методы введения антибактериального элемента (серебра) в состав покрытия Первый способ заключается в имплантации ионов серебра в предварительно осажденное покрытие TiCaPCON. Второй способ состоит в одновременном распылении композиционной СВС-мишени TiC0.5-Са3(РО4)2 и распыления металлической мишени Ag с помощью дополнительного ионного источника.
Проведены структурные исследования покрытий методами сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда (ОЭСТР) и спектроскопии комбинационного рассеяния. Показано, что независимо от способа введения серебра, на поверхности МР покрытий наблюдается образование наночастиц серебра размером
Установлено, что при выбранном режиме ИЭО (I=120 A, f=640 Гц, τ=20 мкс) на подложках из титанового сплава ВТ1-0 формируются сплошные покрытия толщиной до 30 мкм. Поверхностный слой состоит из частиц размером меньше 1 мкм. Выявлено, что формирование покрытий происходит преимущественно за счет твердофазных продуктов эрозии, в результате чего в поверхностном слое наблюдаются фрагменты электродного материала. Увеличение количества биоактивной добавки Ca3(PO4)2 приводит к росту содержания кальция и фосфора в покрытиях.
Проведенные исследования механических свойств ИЭО-слоев, что наибольшей твердостью 12 ГПа обладают покрытия, полученные с применением электродов TiC+20% Ca3(PO4)2. Твердость покрытий, полученных с использованием электрода TiC+10% Ca3(PO4)2+10%Ag при обработке в защитной среде (аргон) составила 10 ГПа, а на воздухе — 7 ГПа. В зависимости от содержания серебра, твердость МР покрытий TiCaPCON-Ag составила
Изучение краевого угла смачивания показало, после ИЭО все модифицированные слои гидрофобны: наименьший угол смачивания 45° был покрытия, полученного при использовании электрода TiC+10% Ca3(PO4)2+10%Ag, нанесенным в аргоне. Независимо от метода введения серебра и проведения дополнительного ионного травления, после напыления все МР покрытия обладают гидрофильными характеристиками. Хранение на воздухе приводит к увеличению среднего значения угла смачивания, однако покрытия сохраняют свои гидрофильные свойства.
Сотрудниками ФБГУ РОНЦ им. Блохина, являющимися соисполнителями проекта, была исследована биосовместимость антибактериальных покрытий in vitro.
Сотрудниками ГНЦ ПМБ, являющимися соисполнителями проекта, исследован бактериостатический эффект антибактериальных покрытий.
Индустриальным партнером выполнено изготовление титановых имплантатов для хирургии позвоночника (пластины накостные) для последующего осаждения наноструктурированных биоактивных покрытий с антибактериальным эффектом.
