Ученые из ФИАН вместе с белгородскими коллегами предложили новый метод модификации поверхности титана, придающий ей уникальные оптические и механические свойства, а также улучшающий биосовместимость образца. Импланты из нанокристаллического титана с биосовместимым покрытием в настоящее время находятся на стадии доклинических испытаний. Предложенный метод модификации основан на облучении поверхности нанокристаллического титана импульсами фемтосекундного лазера, в результате чего на ней появляются периодические структуры с характерными субмикронными и мультимикронными размерами. В результате исследований было обнаружено, что, изменяя параметры излучения, можно управлять размерами возникающих структур и, следовательно, свойствами всего материала, сохраняя при этом уникальные механические свойства нанокристаллического состояния материала.
Нанокристаллический титан привлекателен, во-первых, своими уникальными механическими свойствами – высокой прочностью и суперпластичностью. Однако, для биомедицинских применений, в частности, для модификации поверхности титановых имплантов, необходимы нано- (способствуют улучшению биосовместимости) и микротекстуры поверхности, которые создают «инкубатор» для клеток-остеобластов.
Создать поверхностную нано- и микротекстуру и при этом сохранить нанокристаллическую структуру, присущую материалу изначально с обычной обработкой, очень сложно. Например, плазменное травление или отжиг прогревают довольно толстый поверхностный слой, в результате чего нанокристаллы спекаются или сплавляются, появляются микрокристаллы, что сильно ухудшает механические свойства титана. А при воздействии ультракоротких лазерных импульсов за счёт их высокой мощности до больших температур очень быстро нагревается только тонкий поверхностный слой. После этого энергия начинает распространяться вглубь, температура поверхности падает, и никакого нежелательного спекания нанокристаллитов уже не происходит.
Получающаяся при этом наноструктурированная поверхность представляют собой хорошо выраженные одномерные решетки с характерным шагом в 70-600 нм. Так, при плотности лазерного излучения 17 мДж/с2 серия из 500 импульсов формирует на поверхности титановой мишени последовательность узких бороздок (толщина около 100 нм), отстоящих друг от друга в среднем на 400 нм. Появление таких квазипериодических структур ученые объясняют интерференцией электрических полей падающего излучения с поверхностной электромагнитной волной, которую возбуждают на поверхности фемтосекундные лазерные импульсы.
При увеличении плотности энергии ширина бороздок увеличивается и решетка рельефа становится хорошо выраженной и практически гармонической. Однако, при дальнейшем увеличении плотности лазерной энергии эта решётка практически исчезает, а на поверхности постепенно появляются выраженные зародыши микроконусов. Таким образом, за счет изменения различных параметров лазерного излучения – плотности энергии, длины излучения, продолжительности и количества импульсов - в предложенном методе оказывается возможным контролировать морфологию поверхности нанокристаллического титана.
Поверхность нанокристаллического титана с нано- и микрорельефом сохраняет повышенные прочность и пластичность, характерные для объемного материала, и приобретает высокую гидрофильность, необходимую для ее биосовместимости. Соответственно, такая морфология поверхности делает титан идеальным кандидатом для создания новых имплантов, которые уже проходят стадию доклинических испытаний в онкологическом институте имени П.А. Герцена.
Из нанокристаллического титана можно делать пластины для черепа, зубные импланты, разные стержневые конструкции. Еще очень интересное приложение – это микрохирургический инструмент с режущими кромками из нанотитана. Производства нанокристаллического титана сейчас появляются по всему миру. У России в этой области есть преимущества, связанные с хорошо развитым производством титана. Преимущество предлагаемого метода состоит в более дешевой, по сравнению с имеющимися, технологии производства и высокотехнологичной обработки нанокристаллического титана. Чтобы обеспечить первенство в этой области, остается только наладить такую обработку.
По материалам "ФИАН-информ"