CC BY
20
УДК 617.58-77
М. М. Гребенщикова, Л. Р. Зиннатуллина, А. А. Лиганов
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ УСТАНОВЛЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЯ СТРУКТУРЫ
НАТУРАЛЬНЫХ КОЛЛАГЕНСОДЕРЖАЩИХ МАТЕРИАЛОВ
В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ПЛАЗМЕННОЙ МОДИФИКАЦИИ
Ключевые слова: натуральная кожа, структура, плазменная модификация, высокочастотная плазма, наноструктуриован-
ные покрытия.
Основным объектом исследования служила натуральная кожа хромового дубления, также исследовался желатин и гольевое вещество, которые модифицировали неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП), а также методом конденсации из плазменной фазы (КИБ). Методами микроскопии и рентгеновской дифрак-тометрии оценены изменения пористости, проведен анализ изменения динамического угла смачивания. Установлено, что плазменная модификация не влияет на структуру натурального коллагенсодержащего материала на наноуровне, в то время как все изменения происходят на микро- и макроуровнях, о чем косвенно свидетельствует изменение физико-механических и гигиенических свойств.
Keywords: leather, structure change, plasma modification, the high-frequency plasma, nanostructure cover.
The main object of the study was chrome tanned leather, as well as gelatin and hide substance. Samples were modified with low-temperature plasma, and with plasma coatings. The porosity change, dynamic contact angle were evaluated, also microscopic and X-ray diffractometry methods were used. It was found that the plasma modification does not alter the natural collagen structure of the material at the nanoscale, changes occur in the micro and macro levels.
С повышением уровня техники и технологии растут требования к свойствам композиционных материалов: прочность, упругость, износостойкость, устойчивость ко всем видам коррозии, а также газо-, паро-, влагопроницаемость, капиллярность, пористость и т.д.
Свойства композиционных материалов определяются в первую очередь составом слоев, формирующих композит, их строением, начиная с наноструктуры, т.е. структуры кристаллических решеток, молекулярных цепей полимеров, их микроструктурой, и заканчивая поверхностными и объемными характеристиками материала в целом.
Несмотря на то, что ассортимент и состав композиционных материалов разнообразен, не всегда возможно получить материал с необходимыми свойствами. Поэтому в настоящее время изучение изменения структуры и влияние ее на свойства материалов является актуальной задачей, а создание материалов с регулируемой структурой - важнейшей проблемой современного материаловедения.
Большинство существующих методов формирования и модификации структур материалов можно разделить на три категории: методы формирования структур на атомарном, молекулярном, субмикроскопическом и микроскопическом уровнях; методы объединения структур для создания композиционных материалов; направленное изменение (модификация) сформированных структур. Современные технологии представляют собой комбинацию структуроформи-рующих и модифицирующих методов [1].
Натуральная кожа является природным материалом, свойства которой в первую очередь зависят от ее наноструктуры - взаиморасположения и состава белковых молекул коллагена, кератина, эластина и ретикулина. В процессе физико-химической переработки сохраняется и химически укрепляется их нативная структура. При этом пористость повышается, усиливаются физико-механические, потребительские и
эксплуатационные свойства материала. Однако не все заданные свойства природного материала можно регулировать, опираясь только на традиционные методы модификации.
Существуют инновационные методы модификации структур натуральных коллаген- и кератинсо-держащих материалов, среди которых применение ионизирующего излучения, лазера, гидродинамических полей и низкотемпературной плазмы разных типов разряда [2]. Большинство известных методов обеспечивают ограниченный набор структурных изменений материалов, в основном ограничивающийся поверхностью или приповерхностным слоем, либо излишне громоздки в аппаратном исполнении метода и обеспечении его производственной безопасности [1]. Метод ионной бомбардировки (КИБ) может использоваться при модификации поверхности материалов с развитой структурой, свойства их можно регулировать в зависимости от материала, конденсируемого на поверхность. При взаимодействии с полимерными материалами покрытия не изменяют пористости натуральной кожи, не ухудшают физико-механические свойства природного материала [3]. При этом такие покрытия сообщают поверхностям антимикробные, бактериостатические свойства, повышают биологическую совместимость материала [4]. Для улучшения физико-механических свойств материала применялась предварительная высокочастотная емкостная (ВЧЕ) модификация.
Целью работы являлось выявление изменения структуры натурального коллагенсодержащего материала при модификации его плазменными методами.
Основным объектом исследования служила натуральная кожа хромового дубления, применяемая для изготовления протезов и ортопедических изделий. В качестве дополнительных объектов исследования были использованы желатин - продукт денатурации коллагена и гольевое вещество - белковая составляющая кожи. Таким образом все объекты исследо-
вания объединены химическим составом, основную часть которого составляют белки.
Для модификации образцов материалов с объемно-пористой структурой ионной бомбардировкой (КИБ) использовалась экспериментальная плазменная установка (рис 1).
Рис. 1 - Схема установки
На рис. 1 приняты следующие обозначения: 1 -дуговые испарители; 2 - клапан вентиляции; 3 - вакуумная камера; 4 - манометрический преобразователь; 5 - напускной клапан и натекатель; 6 - высоковакуумный затвор; 7 , 9 - клапан вакуумный электромеханический; 8 - диффузионный насос (паромас-лянный); 10 - механический насос(роторно-пластинчатый); 11 - станина; 12 - узел вращения стола; 13 - дуговой испаритель.
Для модификации образцов материалов неравновесной низкотемпературной плазмой (ННТП) использовалась экспериментальная плазменная установка [1].
Исследование изменений, происходящих в структуре коллагенсодержащих материалов, проводилось как косвенно - по изменению динамического угла смачивания с применением тензиометра DCAT 21, по изменению пористости материала с использованием поромера Porolux, так и прямыми методами - визуально на конфокальном лазерном микроскопе OLYMPUS LEXT 4100 и с применением метода рентгеновской дифрактометрии, порошковым дифракто-метром D2 PHASER. Обработка полученных дифракционных спектров проводилась программным пакетом DIFFRAC. SUITE.
Для исследования изменения структуры проведено нанесение на образцы натурального коллагенсо-держащего материала - натуральную кожу, желатин и гольевое вещество покрытия из плазменной фазы. В качестве материала покрытия использовали медь и смесь - нитрид титана и гафния. Режимы модификации представлены в таблице 1.
Таблица 1 - Параметры плазменной модификации
Плазменная конденсация покрытий, режим ВЧ - обработка
т = 180 с; It = 60 А; = 60 А; Icu = 50 А; Р = 3х10-3 мм.рт.ст металл Hf+Ti; Cu плазмообразующий газ азот, остаточная атмосфера Аргон 100%; Wp= 2 кВт; Р=26,6 Па; G= 0,06 г/с; f = 13,56МГц; т= 3 мин
Провели тензиометрическое исследование органических образцов - натуральной кожи хромового дубления, желатина. Из-за неустойчивости гольевого вещества и его быстрой растворимости в данном исследовании оно не участвовало. Образцы выдерживали в вакуумной камере в течение суток.
Показатели краевого угла смачивания получены как среднее значение по результатам 3 измерений. Результаты представлены в таблице 2.
Таблица 2 - Результаты тензиометрических исследований
Образец материала Краевой угол смачивания, град
Об] (желатин до обработки) 92,3
Об2 (желатин после обработки) 94,0
Обз (натуральная кожа до обработки) 100,9
Обд (натуральная кожа после обработки) 104,8
Мерой интенсивности межмолекулярного взаимодействия является поверхностное натяжение на границе раздела вещества и воды. Чем больше гидро-фильность вещества, тем ниже поверхностное натяжение. Чем больше краевой угол смачивания, тем более гидрофобными являются образцы. Судя по данным, представленным в таблице 2, у кожевенных образцов и желатина после вакуумирования в процессе нанесения покрытия увеличивается угол смачивания, следовательно, они становятся гидрофобными.
Поверхность желатина менее развита, его состав значительно проще, чем состав кожи, он состоит в основном из коллагена. Его поверхность хорошо смачивается, а капля воды растекается по его поверхности.
Дополнительно провели исследование времени впитывания капли поверхностью натуральной кожи при увеличении времени нахождения в вакуумной камере до 5 суток. Образцы находились в вакуумной камере плазменной установки. Оценивалась смачиваемость поверхности материала. Установлено, что при вакуумировании в течение первых двух суток время впитывания капли образцом увеличивается. Образцы теряют собственную влагу при вакуумной сушке, и волокна стремятся захватить ее из воздуха и окружающей среды. Однако на 5 день содержания образцов при давлении около 0,2 Па поверхность резко меняет свои свойства, гидрофобизируясь. Капля воды держится на поверхности более 200 секунд. Возможно, наружный слой капиллярно-пористого тела потерял свою эластичность в результате ссыха-ния колллагеновых волокон, т.е. природа гидрофоб-ности в механическом сжатии поверхности. Желатиновые образцы через 5 суток заметно деформировались. Вода, находящаяся в межволоконном пространстве, испаряясь, нарушила структуру белковых молекул, водородные связи переориентировались, а поскольку именно они отвечают в первую очередь за вторичную и отчасти - за четвертичную структуру белка, то вид белковых фибрилл и их структура нарушилась.
Плазменная модификация происходит при пониженном давлении. В результате этого образцы при высушивании теряют влагу. Причем испаряется как свободная, так и связанная вода.
Наибольшая, наиболее активная потеря массы происходит с 6 г до 2 г у желатина. Вода значительно медленнее испаряется из кожи, в первую очередь из-за ее существенно более сложной и объемной структуры.
Кинетика потери массы напрямую связана с составом и свойствами поверхности материала. Установлено, что натуральная кожа со временем вакуумной сушки в процессе нанесения покрытия теряет способность восстанавливать внутренний объем воды, что может быть связано с изменением ее структуры. Желатин, как продукт денатурации коллагена имеет более простую структуру и при измельчении растворяется в воде.
Элементами микроструктуры коллагена кожи являются пучки волокон и отдельные волокна. Волокна в пучках уложены параллельно, между собой пучки образуют сложное трехмерное переплетение и определенный, характерный, угол к поверхности кожи. Пористость кожи непосредственно связана с укладкой волокон. Так вторичные волокна при взаимном трехмерном переплетении образуют макропоры (1-50 мкм), первичные коллагеновые волокна, продольно упаковываясь внутри вторичных, образуют мезопоры (0,05-2 мкм); фибриллы внутри первичных волокон могут образовывать микропоры на-нометрового размера.
Пористость образцов исследовали на поромере Рого1их. Результаты исследования в общем, усредненном виде представлены на рисунке 2.
Oopäseu J OipSiüti; Oöpaseu 2 Образен 1
О 1 2 3 J
р1Ш5р пор ла
□бйяьша* naps □ ¿редлм пира аышкныап кора
Образец №1—натуральная кожа до обработки (контроль) Образец №2 —натуральная кожа после обработки в течение 30 сек Образец № 3 — натуральная кожа после обработки в течение 60 с Образец №4 — натуральная кожа после обработки в течение 180 с.
Рис. 2 - Распределение пор в образцах
Из данных, представленных на рисунке 2, можно сделать промежуточный вывод о распределении пор в объемно-пористом теле после вакуумирования.
Для изучения структуры молекул коллагена, составляющих основу натуральных полимерных материалов - натуральной кожи, желатина, проведено исследование образцов методом рентгеновской дифракции. На рисунке 3 представлена дифрактограм-ма желатина. Он выбран как коллагенсодержащий материал с наиболее простым составом.
1 - необработанный образец
2 - образец с медным покрытием
Рис. 3 - Сравнительные дифрактограммы желатина
Описание рентгеновской дифракции от желатиновой пленки укладывается в общую картину дифракции от коллагеновых материалов. По данным исследований природные коллагеновые волокна показывают пики дифракции при 20 = 7.8° (1,2 нм), 21.8° и 31.1°. Острый пик при 7.8° указывает на расстояние между молекулярными цепями а-спирали, в то время как широкий рефлекс (размытый максимум) при 21.8° (0,45 нм) соответствует аморфному рассеянию вследствие неупорядоченности компонентов коллагеновых волокон. Пик небольшой интенсивности при 31.1° (0,29 нм) соответствует периодичности между аминокислотными остатками вдоль коллагеновых молекул тройных спиралей, т.е. межвитковому расстоянию в а-спирали [5, 6]. Межмолекулярное расстояние поперечной упаковки между гидратированными молекулами коллагена может увеличиваться после гидратации в процессах обработки кожи (до ~ 1,55 нм), тогда как дегидратация приводит к уменьшению до ~1,2 нм.
Провели попарное сравнение исследуемых образцов. В образце с напылением заставляет обратить на себя внимание дифракционный максимум в области 24 Ä (2,4 нм), появление которого может быть обусловлено образованием упорядоченной периодической структуры.
Провели рентгеновскую дифракцию гольевого вещества, покрытого медью и сравнили с дифракто-граммой образца, покрытого нитридом титана и гафнием. На дифрактограмме отчетливо проявляются дифракционные максимумы характерные для металлической меди, а гольевое вещество с покрытием гафния и титана дифракционные максимумы не наблюдаются. Так же рассмотрели натуральную кожу без покрытия, с покрытием титана и гафния, и с покрытием меди. На дифрактограмме отчетливо проявляются дифракционные максимумы характерные для металлической меди. В остальном дифрактограммы идентичны.
Проведено исследование срезов кожи на конфокальном лазерном микроскопе Olympus LEXT 4100. Поскольку значимых изменений в структуре коллагена не было выявлено, оценили возможные изменения во взаимном расположении волокон, образованных колагеном. Установлено, что по сравнению с конт-
ролем образцы с покрытием несколько разволокне-ны, не уплотнены. Это может бать связано с дегидратацией образцов. Натуральная кожа, модифицированная в ВЧЕ разряде обладает более рыхлой структурой. Эти изменения не носят структурный характер, все изменения в свойствах и расположении волокон связаны с изменением содержания влаги.
Выводы
Получены образцы коллагенсодержащих материалов, модифицированных плазменными методами. Для этого применяли метод плазменной конденсации наноструктурирванных покрытий, а также высокочастотную емкостную обработку поверхности. Часть образцов вакуумировалась без плазменной обработки для установления влияния вакуума на объемно-пористое капиллярное тело. Установлено изменение смачиваемости поверхностей, повергавшихся вакуумной сушке - гидрофобность увеличивается от времени и вида материала. Поверхность желатина менее развита, его состав значительно проще, чем состав кожи, а поверхность более смачиваема.
Установлено, что плазменная модификация не изменяет структуру натурального коллагенсодержаще-го материала на наноуровне, все изменения происходят в микро- и макроуровнях, о чем косвенно свидетельствует изменение физико-механических и гигиенических свойств материалов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Ми-
нобрнауки РФ, проект № 1779 от 01.12.14.
Литература
1. Абдуллин, И.Ш. Моделирование микроструктуры кожевенного материала на стадиях производства и при ВЧЕ-плазменной обработке: монография / И.Ш. Абдуллин, Э.Ф. Вознесенский, В.С. Желтухин, И.В. Красина. -Казань: Изд-во Казан. гос. технол. ун-та. - 2009. - 229 с.
2. Гребенщикова М.М. Биологически безопасные кожевенные материалы протезно-ортопедического назначения, полученные с применением плазменных технологий: ав-тореф. дис. по ВАК, канд. техн. наук: 05.19.01 / Марина Михайловна Гребенщикова; КХТИ. - Казань. 2012. - 22 с.
3. Ванюкова Е.А. Изменение гидрофильности натуральных полимерных материалов, модифицированных ионно-плазменным методом. / Е.А. Ванюкова, О.Н. Кузьмина. // Вестник технологического университета. -2015. -Т. 18. -№ 1. - С.215-217.
4. Ванюкова Е.А. Воздействие наноструктурированных слоев, конденсированных из плазменной фазы, на бакте-риостатические свойства ортопедической кожи. / Е.А. Ванюкова, Л.М. Хайдарова, И.Ш. Абдуллин. // Вестник Казанского технологического университета. -2014. -Т. 17. - № 17. - С.78-80.
5. Михайлов А.Н. Коллаген кожного покрова и основы его переработки / А.Н. Михайлов // М.: Легкая индустрия, 1967. - 528 с.
6. Китайгородский А.И. Рентгеноструктурный анализ мелкокристаллических и аморфных тел / А.И. Китайгородский // М: Гос. изд. техн.-теорет. литер., 1952 - 588 с.
© М. М. Гребенщикова, доцент, к.т.н., доцент кафедры ПНТВМ КНИТУ, [email protected]; Л. Р. Зинна-туллина, магистрант факультета наноматериалов и нанотехнологий, [email protected]; А. А. Лиганов, магистрант факультета наноматериалов и нанотехнологий КНИТУ.
© M. M. Grebenshchikova, ph.D., Associate Professor at The Department of Plasma Technology and Nanotechnology of High Molecular Weight Materials of Kazan National Research Technological University; L. R.Zinnatullina, undergraduate of faculty of nano-materials and nanotechnologies of Kazan National Research Technological University; А. А. Liganov, undergraduate of faculty of nanomaterials and nanotechnologies of Kazan National Research Technological University.
