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 состоит в облучении поверхности нанокристаллического титана излучением фемтосекундного лазера, в результате чего на ней появляются периодические структуры с характерными субмикронными и мульти-микронными размерами.

В результате исследований было обнаружено, что, изменяя параметры излучения, можно управлять размерами возникающих структур и, следовательно, свойствами всего материала, при этом сохраняя уникальные механические свойства нанокристаллического состояния материала.

«Мы пришли к этой теме путем знакомства с нашими коллегами из Центра наноструктурных материалов и нанотехнологий из Белгородского госуниверситета, которыми руководил доктор физико-математических наук, профессор Юрий Романович Колобов. Его сотрудники давно и успешно занимались созданием, исследованием и внедрением нанокристаллического титана, который привлекателен , во-первых, своими уникальными механическими свойствами – высокой прочностью и суперпластичностью. Однако, для биомедицинских применений – в частности, для модификации поверхности титановых имплантов – необходимы нано- (которые способствуют улучшению биосовместимости) и микротекстуры поверхности, которые создают «инкубатор» для клеток-остеобластов» – рассказывает Андрей Ионин, заведующий лабораторией газовых лазеров Отделения квантовой радиофизики ФИАН.

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 – 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 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. (При длительной или высокоинтенсивной экспозиции вся поверхность заполняется массивом микроконусов, придающих поверхности практически 100 %-ную поглощающую способность).

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.

Рис. 1. Изображение поверхности титана с нанометровым квазипериодическим рельефом, полученное методом сканирующей электронной микроскопии.

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. Рассказывает Сергей Кудряшов, старший научный сотрдуник лаборатории газовых газовых лазеров ФИАН

Рис. 2. Изображение поверхности титана, покрытой микрометровыми конусами с нанометровым квазипериодическим рельефом, полученное методом сканирующей электронной микроскопии.

«За последние пять лет вышли десятки работ о применении нанокристаллического титана. Из него 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 же 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.»

В этих междисциплинарных материаловедческих исследованиях, кроме сотрудников лаборатории газовых лазеров ОКРФ ФИАН – Андрея Ионина, Сергея Кудряшова, Дмитрия Заярного, принимают участие аспиранты и студенты – Сергей Макаров, Павел Салтуганов и сотрудники других академических институтов – ИОФ РАН, ИСМАН, ИХФ РАН и других.

Автор: М. Петров, АНИ «ФИАН-информ».