CC BY
16
УДК 621.793.72
М. М. Миронов, Е. Н. Храмов, М. М. Гребенщикова
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ МАТЕРИАЛОВ И РЕЖИМОВ ОСАЖДЕНИЯ ИОННОПЛАЗМЕННЫХ КОНДЕНСАТОВ НА СВОЙСТВА НАТУРАЛЬНОЙ КОЖИ
Ключевые слова: плазменные покрытия на коже, механизм конденсации.
Конденсировали покрытия из плазменной фазы на кожу ортопедическую. Металлические покрытия образуются в среде инертного газа, в атмосфере азота конденсируются нитриды. Механизм формирования покрытий на коже включает образование чешуйчатых структур, а затем вискероподобных элементов. Покрытия из меди и смеси нитридов титана и гафния угнетают рост болезнетворной микрофлоры, однако только нит-ридные структуры не проявляют токсических свойств.
Keywords: plasma coating on the skin, the condensation mechanism.
Condensed coverings from a plasma phase on skin orthopedic. Metal coverings are formed in the environment of inert gas, in the atmosphere of nitrogen nitrides are condensed. The mechanism of formation of coverings on skin includes formation of scaly structures, and then the whiskersimilar of elements. Coverings from copper and mix of nitrides of the titan and hafnium oppress growth of pathogenic microflora, however only nitride structures do not exhibit toxic properties.
В промышленном производстве протезно-ортопедических изделий, например, по ТУ 9396085-55220088-2007 используют биобезопасные конструкционные материалы, включая натуральную кожу ортопедическую и шорно-седельную.
Уменьшение микробного и аллергического воздействия ортопедической кожи по ГОСТ 3674 для протезов на организм инвалида актуально и может базироваться на укрытии кожевенного материала металлоподобными покрытиями с гипоалергенными на основе ниобия [1] и антимикробными на основе меди и гафния [2] свойствами.
Покрытия формируют в вакууме за счёт конденсации металлической пароплазменной фазы и воздействии низкоэнергетических ионов металла. Напуск азота во внутрикамерное пространство позволяет синтезировать химически инертные нитриды. Нитриды гафния проявляют фунгистатическое и
бактерицидное воздействие на патогенную микрофлору [3].
Низкотемпературная технология, структура и свойства плазменных металлоподобных конденсатов на натуральном коллагеновом материале представляют научный и практический интерес [4].
В таблице 1 приведены параметры формирования покрытий на коже ортопедической конденсацией из плазменной фазы в условиях ионной бомбардировкой (КИБ).
Покрытия из металлов конденсируют в атмосфере аргона или при низком давлении остаточной атмосферы. Нитриды синтезируют и конденсируют в атмосфере азота при более высоком давлении. Минимальный ток стабильного горения дуги испарителя у тугоплавкого гафния несколько выше, чем у титана и ниобия.
Таблица 1 - Параметры формирования покрытий
№ образ- Материал Давление в Ток дугового Реагирующий Время кон- Толщина покры-
ца покрытия камере, мм.рт.ст. испарителя, А газ денсации, с и кратность тия на коже , мкм
1 Nb (3-5) х10-4 60 Ar 30х4 0,2-0,5
2 Ti (3-5) х10-4 60 Ar 30х4 0,2-0,5
3 Cu (3-5) х10-4 75 Ar 40х1 0,2-0,5
4 HfN (1-3) х10-3 75 N2 30х5 0,2-0,5
5 TiN (1-3) х10-3 60 N2 30х5 0,2-0,5
Высокая теплопроводность меди также повышает минимальный ток стабильного горения дуги в вакууме. Время конденсации покрытия чередуется с равновременными паузами. Такая технология связана с ухудшением вакуума при испарении влаги из кожи и малой производительностью вакуумной откачки. Толщина покрытий определена по сколам покрытия при изгибе кожи.
Механизм формирования покрытия КИБ на поверхности металла достаточно хорошо изучен и базируется на последовательном послойном росте кристаллов за счет межфазных превращений из па-роплазменной фазы нитрида в конденсированное
состояние при одновременном действии ионной бомбардировки ионов металла. Топография поверхности покрытия на металле сформирована торцевыми выступами столбчатых кристаллов. Толщина покрытия соответствует длине кристалла с 1-4 мкм, поперечные размеры кристалла составляют около 200 нм.
Топография поверхности покрытия на коже в отсутствие опорного (ускоряющего) потенциала на подложке и наличии полярных группировок, кардинально отличается от покрытия на металле и представлена кристаллическими структурами вискеров упавших на подложку. Вискеры непосредственно
прилегают к поверхности кожи и заростают нитридами. Образование вискероподобных структур роста кристаллов при конденсации из плазменной фазы нитридов гафния зарегистрировано и представлено на рисунке 1.
Рис. 1 - Кристаллы вискероподобных структур
Нитридные вискеры имеют длину до 5 мкм и диаметр 50-400 нм. Вероятно, их механизм роста подобен росту дендритов при элетрохимическом осаждении покрытий из никеля, где регистрируется ускоренный рост столбчатых фрагментов, именуемых «грибами».
При ограничении времени конденсации нитридов на коже, кристаллы растут фрагментарно чешуйками (дендритами), которые не связаны друг с другом и могут перемещаться относительно друг друга, удерживаясь только за эластичную коллаге-новую основу (рис. 2).
Рис. 2 - Чешуйки кристаллов нитридов на коже
Такие покрытия не растрескиваются и не препятствуют газопроницаемости и эластическим свойст-
вам кожи. «Чешуйки» благодаря своим размерам 0,1-1,0 мкм и упорядоченности, вызывают дифракцию падающего света, что придаёт поверхности цветовой тон, а при монотонном изменении размеров чешуек появляются радужные цветовые картины с характерным металлическим блеском. Основные свойства кожи ортопедической с покрытием приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Свойства кожи с покрытием
Тем
По- кры тие на ко- пера тура сва-рива Предел прочности на растяжение, Отно-ситель ное удли- Мас со-вая доля Биологическая активность
ния, °С нение, % влаги, %
же МПа
Nb 100 12,6 114 10,5 Гипоалер-генна
Ti 94,5 14,3 80 9,4 Биоинертна
Cu 98,5 11,7 77 9,3 Биоактивна, токсична
HfN 92,5 12,30 28,0 10,6 Биоактивна, нетоксичена
TiN 92,0 12,0 42,5 8,8 Биоинертна
Определено, что покрытие с нитридом гафния не ухудшает свойств кожи, придает лицевой поверхности биосовместимые с тканями человека свойства и угнетает рост болезнетворной микрофлоры и патогенных микрогрибов [3]. Покрытие устойчиво к истиранию и не препятствует паропроницаемости.
В этих же условиях медное покрытие проявляет токсические свойства.
Планируется использование кожи с нитридгаф-ниевым покрытием в производстве кожно-металлических протезов нижних конечностей.
Литература
1. R. Thull, K.-D. Handke, E.J. Karle, Biomedizinische Technik, 40, 10, 17-23 (1995)
2. Пат. Россия 2 554 773 (2015).
3. В.П. Вейнов, Л.Т. Баязитова, Е.В. Халдеева, М.М. Миронов, М.М. Гребенщиова, Научная сессия КНИТУ 2015, 489 (2016).
4.М.М. Гребенщикова: Дисс. ... канд.тех.наук, Казанский гос.тех.ун-т , Казань, 2012, 167 с.
© М. М. Миронов - к.т.н., доцент каф. ПНТВМ КНИТУ, [email protected]; Е. Н. Храмов - магистр той же кафедры, [email protected]; М. М. Гребенщикова - к.т.н., доцент той же кафедры, [email protected].
© M. M. Mironov - Ph. D., associate Professor, plasma nanotechnology of high molecular weight materials, KNRTU, [email protected]; E. N. Khramov - trunk. in the same department, [email protected]; M. M. Grebenshchikova - Ph.D., associate professor in the same department, [email protected].
