Наноструктурированные стеклокерамические покрытия для ортопедических применений. Часть 4

3. РЕЗУЛЬТАТЫ


3.1. Фазовый состав и микроструктура покрытий

СЭМ-микрофотографии покрытий HT и SP показаны на рисунке 1. На шероховатой поверхности покрытий можно наблюдать множество сплатов (рисунок 1a, c), что явилось результатом столкновения расплавленных порошков с существующими слоями покрытия. Виды с большим увеличением (рис. 1, б, г) четко показывают наличие наноструктур на поверхностях покрытия с размерами зерен менее 50 нм. Значения шероховатости поверхности (Ra), измеренные поверхностным профилометром, представлены на рисунке 2, показывающем, что покрытия HT и SP имеют сходные значения Ra около 7,5 мкм.

Рентгенограммы порошков в полученном состоянии и напыленных покрытий показаны на рисунке 3. Рентгенограммы порошков HT и SP состоят из множества острых пиков, соответствующих HT (JCPDS).

нет. 12-0453; 3a) и SP (JCPDS № 11-0142; фиг. 3b), указывающие, что распыляемое сырье представляет собой однофазные порошки с высокой кристалличностью. Рентгенограммы покрытий показывают, что некоторые пики перекрываются или исчезают, и появляется выпуклость стекла, но несколько разрешенных пиков все еще можно определить по контуру выпуклости. Это указывает на то, что покрытия как HT, так и SP в основном состояли из стеклянных (аморфных) фаз вместе с определенным количеством кристаллической фазы, и, соответственно, эти покрытия были названы стеклокерамическими покрытиями.


3.2. Межфазное соединение и наноиндентирование

На рисунке 4 показана морфология поперечного сечения покрытий HT и SP и их прочность сцепления.

с Ti-6Al-4V . По сравнению с HT-покрытиями (рисунок 4a), межфазное соединение SP-покрытий лучше (рисунок 4b). Прочность склеивания SP-покрытий (41,0 ± 3,5 МПа) значительно выше, чем у HT-покрытий (27,0 ± 3,9 МПа; рисунок 4с).

Значения твердости по Виккерсу покрытий HT и SP составляют 539,8 +/- 60,2 и 567,2 +/- 66,5 (Hv), соответственно, как показано на рисунке 5. При значении p менее 0,05 значительных различий по Виккерсу нет. твердость между этими двумя покрытиями.


3.3. Ионные выбросы и изменение pH

На рис. 6 показано изменение относительного содержания композиционных элементов покрытий HT и SP до и после погружения в HCl-трис-буферный раствор на 7 дней. После погружения относительное содержание Si и Zn в HT-покрытии увеличивалось, а содержание Ca уменьшалось (фигура 6a). Поскольку забуференный раствор не содержит Si, Ca и Zn, увеличение относительного содержания Si и Zn связано с уменьшением содержания Ca в HT-покрытии. Для SP-покрытий изменение относительного содержания Ca и Si до и после погружения было меньше, чем для HT-покрытий (рисунок 6b), хотя существенного изменения содержания Ti обнаружено не было. На фиг.6с показано значительное увеличение отношения Si / Ca в покрытиях HT и SP после погружения в буферный раствор, причем покрытие HT демонстрирует значительное увеличение по сравнению с покрытиями SP, что свидетельствует о большей способности покрытий HT выделять ионы Ca, чем Si ионы в забуференный раствор. Соответственно, после погружения покрытий HT может наблюдаться большее изменение значений pH забуференного раствора по сравнению со значениями, наблюдаемыми для покрытий SP (рисунок 6d). Высвобождаемое количество ионов Ca и Si из покрытий HT после 7 дней погружения в забуференный раствор значительно выше (p ≥ 0,05), чем из покрытия SP (таблица 2), что согласуется с вышеупомянутыми результатами EDS. Кроме того, определенное количество ионов Zn также высвобождалось из HT-покрытия, но высвобождение ионов Ti из SP-покрытия было незначительным.


3.4. Клеточная минерализация в бесклеточной культуральной среде.

Морфология поверхности покрытий HT после инкубации в бесклеточной среде показана на рисунке 7a, b. Через 5 ч инкубации на поверхности покрытий HT было обнаружено значительное количество грибовидных отложений (рис. 7a, b). На рис. 7, в, г показаны результаты ЭДС покрытия ГТ до минерализации и отложения, образовавшиеся на поверхности после минерализации. Интенсивность пиков Ca в значительной степени увеличилась, в то время как интенсивность Si значительно уменьшилась в EDS отложений (рисунок 7d). Соотношения Ca / Si и Ca / Zn покрытий HT до и после погружения перечислены в таблице 3. Соотношения Ca / Si и Ca / Zn отложений значительно выше, чем у покрытий HT, что свидетельствует о том, что Ca является одним из основные элементы месторождений. Помимо этих пиков композиционных элементов покрытий наблюдался пик P с интенсивностью, аналогичной пику Si (фигура 7c), что указывает на наличие P в отложениях.

Напротив, не было обнаружено отложений на покрытии SP после 5 ч инкубации в бесклеточной культуральной среде. Эти результаты показывают, что покрытия HT могут вызывать осаждение соединений Ca и P на их поверхностях.


3.5. Прикрепление клеток и пролиферация на покрытиях

Микрофотографии, показывающие прикрепление и растекание HOB, культивируемых на покрытиях HT и SP в течение 2, 5 и 24 ч, показаны на рисунке 8. На покрытиях HT HOB уже хорошо прикрепились и начали формировать удлинения для исследования поверхностей покрытия через 2 ч. инкубации (рис. 8а). К 5 часам клетки далее распространяются и становятся более уплощенными, а ламеллоподии вытягиваются из цитоплазмы, взаимодействуя с нижележащими покрытиями (рис. 8b). При ближайшем рассмотрении были обнаружены HOB, охватывающие угнетенную область от одного возвышенного участка до другого за счет их ламеллоподий (рисунок 8d).

Кроме того, некоторые края филоподий наблюдались на краю ламелоподий (рисунок 8d, стрелки). Подобное поведение клеток наблюдалось в HOB через 24 ч культивирования (фигура 8c, e). HOBs, выращенные на SP покрытиях также

проявляется хорошее прикрепление и разбрасывание (рисунок 9). Тем не менее, HOBs на SP покрытиях показали более

удлиненная, но менее уплощенная морфология в моменты времени 2 и 5 ч (рис. 9а, б). При более высоком увеличении можно было легко увидеть ламеллоподии, простирающиеся вдоль поверхностей покрытия SP, но явных филоподий не наблюдалось (рис. 9d, д).

Скорости пролиферации HOB на покрытиях HT и SP сравнивали с контролем (диск Ti-6Al-4V).

Результаты показали, что скорость пролиферации HOB на покрытиях HT была самой высокой (p, 0,05) по сравнению

с нанесенными на SP покрытиями и диском Ti-6Al-4V через 7 дней (рисунок 10). Клетки на SP покрытиях показали

низкая скорость пролиферации в первые 3 дня культивирования, которая затем увеличилась и достигла уровня, аналогичного уровню для дисков Ti-6Al-4V на 7-й день. Эти результаты означают, что HOB могут хорошо размножаться на покрытиях HT и SP.