Биомедицинские применения 2:

Адгезия и устойчивость к царапинам при скретч-тестах

За последние несколько десятилетий наблюдается растущий интерес к лучшему пониманию механических свойств биоматериалов. Помимо значений твердости и модуля упругости, которые могут быть определены с использованием методов индентирования, исследователи и разработчики также заинтересованы в знании адгезии и устойчивости к царапинам многих типов поверхностных покрытий, наносимых на эти материалы. Скретч-тест является подходящим методом, результаты которого могут быть использованы для улучшения срока службы и остеоинтеграции имплантатов, стентов или протезов. Этот отчет демонстрирует использование скретч-теста для определения характеристик нескольких биоматериалов с помощью скретч-тестеров Anton Paar.

1           Введение

Быстро растущая область механических испытаний биоматериалов требует все более совершенных методов измерения. Исследователи и разработчики заинтересованы в знании не только механических свойств биологических материалов и биоматериалов (твердость и модуль упругости), но также и адгезии, и устойчивости к царапинам многих типов поверхностных покрытий, наносимых на биоматериалы. Знание адгезии функциональных покрытий имеет первостепенное значение для обеспечения хорошей биосовместимости имплантатов, улучшенной остеоинтеграции и, как правило, длительного срока службы многих протезов или стентов.

В этом отчете обобщается использование метода скретч-теста для оценки адгезии функциональных покрытий поверхности (твердых или мягких) и их устойчивости к царапинам. Он дополняет отчет о применении, посвященный измерению твердости и модуля упругости с использованием наноиндентирования.

2           Метод скретч-теста

Скретч-тест используется для определения адгезии материалов с покрытием, где покрытие обычно выполняет защитную функцию. В биомедицинских приборах покрытия часто используются для уменьшения коэффициента трения суставных имплантатов (твердых покрытий), на костных имплантатах для лучшей остеоинтеграции (гидроксиапатит) или на стентах для биосовместимости и элюции лекарственного средства (полимолочная-гликолевая кислота, PLGA). Все эти покрытия должны быть биосовместимыми и должны хорошо прилипать к подложке. Скрэтч-тест является одним из немногих методов, который может проверить адгезию покрытия и тем самым обеспечить достаточно длительный срок службы имплантата.

2.1          Скретч-тесты на зубных имплантантах

Гидроксиапатитовые (HA) покрытия широко используются для ортопедических и зубных

имплантатов из-за их преимуществ, которые включают увеличенную поверхность контакта для улучшенной остеоинтеграции, и того факта, что они сделаны из материала, подобного кости, что облегчает перекрытие небольших зазоров между имплантатами и окружающей кости. Однако адгезия гидроксиапатитового покрытия должна быть проверена, чтобы обеспечить преимущества этой поверхностной обработки - без хорошей адгезии гидроксиапатит оторвется от (обычно металлического) субстрата и произойдет недостаточная интеграция с костью или переломом.

Во время скретч-теста разрушение покрытия можно определить с помощью оптической микроскопии, изменения глубины проникновения, акустической эмиссии или тангенциальной силы трения между наконечником и образцом. Скретч-тесты на зубном винте с тонким покрытием ~ 2 мкм были выполнены с использованием микроскретч-тестера Anton Paar (MST) с алмазом радиуса 0,2 мм и длиной царапины 1 мм (см. Рисунок 1). Нормальная нагрузка была увеличена в течение 30 с с 0 Н до 10 Н. Пример данных, записанных во время таких скретч-тестов, показан на рисунке 2. Обратите внимание, что изображение Panorama почти всегда записывается для облегчения автономной оценки результатов, а также с целью архивирования.

Запатентованное изображение Panorama синхронизируется с записанными сигналами (сила, глубина, акустическая эмиссия и т. д.) и сохраняется в файле измерений.

На рисунке 3 показана область, соответствующая критическому провалу (критическая нагрузка, Lc1) в нулевой дорожке. Покрытие было полностью удалено (показано стрелкой), поскольку во время испытания был достигнут субстрат (более светлая область). Значение критической нагрузки составляло 1,2 Н ± 0,1 Н, что показывает отличную воспроизводимость результатов испытаний.

препараты), которые помогают заживлению и предотвращают высвобождение ионов из металлического стента. Подобно другим покрытым биоматериалам, адгезия функциональной пленки важна для правильного функционирования стента. Однако, по сравнению со многими другими имплантатами, покрытые части стента обычно образованы сеткой с диаметром проволоки ~ 50 мкм и длиной ~ 300 мкм (см. Рисунок 4). Стент в форме плоской проволочной сетки должен быть помещен на плоскую опору (например, предметное стекло микроскопа) и аккуратно приклеен эпоксидной смолой, чтобы обеспечить хорошее сцепление с этой опорой.