Лазерный мир

Жидков М.В., Колобова А.Ю., Кудряшов С.И., Заярный Д.А., Ионин А.А., Лигачев А.Е. // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-10. – С. 1759-1762;  УДК 539.21:539.12.04

Исследованы возможности модификации внешних поверхностей титанового сплава ВТ1-0 лазерным излучением фемтосекундной длительности с дополнительным нанесением кальций-фосфатных соединений. Методом растровой электронной микроскопии и энергодисперсионного микроанализа исследованы структура и элементный состав модифицированных поверхностей экспериментальных образцов. Проводится анализ особенностей возникающего при лазерной обработке квазипериодического рельефа и рассматриваются возможности формирования биоактивных покрытий с использованием лазерной обработки.

Титан и его сплавы в настоящее время являются основным материалом для костных медицинских имплантатов в травматологии, стоматологии и ортопедии, что связано с их высокими механическими свойствами, малым удельным весом и высокой биосовместимостью [1]. Для увеличения остеоинтеграционной способности титановых имплантатов широко используется поверхностная модификация и нанесение биоактивных покрытий, наиболее эффективными из которых являются кальций-фосфатные соединения, как известно, являющиеся основной минеральной составляющей костной ткани.

Одним из перспективных и активно развивающихся в настоящее время методов бесконтактной обработки поверхности материалов является воздействие ультракороткими (фемтосекундными) лазерными импульсами, обладающими малой (суб – и около-микронной) зоной разогрева приповерхностных слоев [2]. Такая обработка позволяет изменять механические, электрофизические и физико-химические свойства как поверхности и приповерхностных слоев твердых тел, так и всего обрабатываемого материала в целом. Формирование пространственно-периодических структур (нанорешетки) на поверхности облученного материала с возможностью одновременного нанесения наногидроксилапатита [4] должно благоприятно влиять на рост костной ткани и закрепление имплантата в кости, что позволяет рассматривать возможность широкого применения фемтосекундных лазеров для модификации поверхности медицинских имплантатов [5].

Ранее в работе [3] показана возможность осаждения предварительно нанесенного наногидроксиаппатита на поверхность титанового сплава ВТ6 с использованием многоимпульсного лазерного излучения фемтосекундной длительности, исследовано влияние экспериментальных параметров (плотности энергии и скорости сканирования) на характер формируемой за счет лазерного воздействия поверхностной структуры и значения краевого угла смачивания. Считается [3], что улучшение биосовместимость медицинских материалов можно достичь, в том числе, и за счет изменения характеристик смачивания их поверхностей.

В рамках данного подхода в настоящей работе проведено исследование по нанесению биоактивных кальций-фосфатных соединений (наноразмерного гидроксиаппатита и трикальций-фосфата) на поверхность субмикрокристаллического титанового сплава ВТ1-0 с использованием лазерного излучения фемтосекундной длительности.

При использовании первого подхода сушка образцов после нанесения золь-гель раствора осуществлялась на воздухе. При использовании предварительной обработки фемтосекундным лазером для ускорения процесса экстракции влага удалялась в потоке горячего воздуха (средняя температура воздушного потока ≈ 250 °С).

Нанесения КФС на поверхность образцов титановых сплавов проводили в лаборатории газовых лазеров Физического института им. П.Н. Лебедева с использованием фемтосекундной лазерной системы с активной средой на базе волокна, легированного иттербием (Satsuma, Amplitude Systemes: длина волны лазерной генерации – 1030 нм, ширина на полувысоте – 7 нм, длительность импульса на полувысоте – 300 фс, частота следования – 0–1 МГц, энергия в ТЕМ00-моде – до 10 мкДж), предназначенной для прототипирования перспективных текстур на площадях в несколько квадратных сантиметров и более

Согласно данным растровой электронной микроскопии (РЭМ), после нанесения КФС и последующего лазерного облучения на поверхности титанового сплава ВТ1-0 формируется периодическая поверхностная структура (нанорешетка) со средним периодом ~ 0.7 ± 0.04 мкм (рис. 1, а).

Так, проведенные в [8] исследования на различных металлических материалах, показали, что непосредственно после лазерного облучения все образцы хорошо смачиваются водой и для них характерно супергидрофильное состояние, и только с течением времени при выдержке на воздухе значение краевого угла смачивания вследствие загрязнения органическими примесями возрастает.

Полное содержание статьи: http://applied-research.ru/ru/article/view?id=8374