Влияние элементного состава и температуры осаждения покрытий Ti-AL-C-N на их морфологию и жизнеспособность клеток на таких покрытиях

Наноструктурные покрытия Ti-Al-C-N формировались методом реактивного магнетронного осаждения из мозаичных мишеней с различным соотношением Al/Ti при температурах подложки 220, 340 и 440 °C. Методами атомно-силовой и растровой электронной микроскопии обнаружено, что варьирование элементного состава приводит к изменению морфологии покрытий Ti-Al-C-N: при соотношении Al/Ti ~ 0,39 пленки имеют столбчато-зернистую структуру без видимых дефектов и низкую шероховатость S_q  (3,30–5,86 нм); при Al/Ti ~ 0,96 пленки показали столбчатую пористую структуру и более высокую шероховатость S_q (8,83–11,07 нм); при Al/Ti ~ 1,71 имели мелкозернистую структуру и наименьшие значения шероховатости S_q  (0,48–1,74 нм). Нагрев подложки от 220 до 440 °C не оказывал значительного влияния на элементный состав Ti-Al-C-N пленок, однако воздействовал на скорость осаждения, шероховатость поверхности и микроструктуру покрытий. По результатам МТТ-теста прямой зависимости между жизнеспособностью фибробластов, шероховатостью покрытий и их элементным составом не обнаружено, однако жизнеспособность клеток и их способность к пролиферации при контакте с поверхностью покрытий Ti-Al-C-N сохранялась.

1. Наноматериалы, нанопокрытия, нанотехнологии / Н. А. Азаренков [и др.]. – Харьков: ХНУ им. В. Н. Каразина, 2009. – 209 с.

2. A comparative study of titanium nitride (TiN), titanium oxy nitride (TiON) and titanium aluminum nitride (TiAlN), as surface coatings for bio implants / B. Subramanian [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2011. – Vol. 205, № 21/22. – P. 5014–5020. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.05.004

3. Yi, P. Multilayered TiAlN films on Ti6Al4V alloy for biomedical applications by closed field unbalanced magnetron sputter ion plating process / P. Yi, L. Peng, J. Huang // Mater. Sci. Eng. C. – 2016. – Vol. 59. – P. 669–676. https://doi.org/10.1016/j.msec.2015.10.071

4. Use of International Standard ISO 10993-1, Biological Evaluation of Medical Devices. Part 1: Evaluation and Testing within a Risk Management Process / Administration Food and Drug. – 2016. – 65 p.

5. Evaluation of Plasma Ion Beam Sputtered TiN/TiAlN Multilayers on Steel for Bio Implant Applications / S. Balasubramanian [et al.] // Trans. JWRI. – 2011. – Vol. 40, № 2. – P. 55–58.

6. Subramanian, B. Microstructural, mechanical and electrochemical corrosion properties of sputtered titanium – aluminum – nitride films for bio-implants / B. Subramanian, R. Ananthakumar, M. Jayachandran // Vacuum. – 2010. – Vol. 85, № 5. – P. 601–609. https://doi.org/10.1016/j.vacuum.2010.08.019

7. Система контроля расхода газов для применения в технологии реактивного магнетронного распыления / И. М. Климович [и др.] // Приборы и методы измерений. – 2015. – Т. 6, № 2. – С. 139–147.

8. Бурмаков, А. П. Система управления газовым напуском для магнетронных технологий нанесения пленочных покрытий / А. П. Бурмаков, В. Н. Кулешов, А. В. Столяров // Информационные системы и технологии: материалы Междунар. конгресса по информатике. – Минск: БГУ, 2016. – С. 771–776.

9. The effect of surface chemistry and nanotopography of titanium nitride (TiN) films on primary hippocampal neurones / L. A. Cyster [et al.] // Biomaterials. – 2004. – Vol. 25, № 1. – P. 97–107. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(03)00480-0

10. Nikš, M. Towards an optimized MTT assay / M. Nikš, M. Otto // J. Immunol. Methods. – 1990. – Vol. 130, № 1. – P. 149–151. https://doi.org/10.1016/0022-1759(90)90309-j

11. TiAlN coatings deposited by triode magnetron sputtering varying the bias voltage / D. M. Devia [et al.] // Appl. Surf. Sci. – 2011. – Vol. 257, № 14. – P. 6181–6185. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2011.02.027

12. Influence of oxygen impurities on growth morphology, structure and mechanical properties of Ti–Al–N thin films / H. Riedl [et al.] // Thin Solid Films. – 2016. – Vol. 603. – P. 39–49. https://doi.org/10.1016/j.tsf.2016.01.039

13. Microstructural evolution during film growth / I. Petrov [et al.] // J. Vac. Sci. Technol. A Vacuum, Surfaces, Film. – 2003. – Vol. 21, № 5. – P. S117–S128. https://doi.org/10.1116/1.1601610

14. Wuhrer, R. A study on the microstructure and property development of dc magnetron cosputtered ternary titanium aluminium nitride coatings Part III effect of substrate bias voltage and temperature / R. Wuhrer, W. Y. Yeung // J. Mater. Sci. – 2002. – Vol. 37, № 10. – P. 1993–2004. https://doi.org/10.1023/A:1015299115086

15. Effect of ion bombardment on properties of hard reactively sputtered Ti(Fe)N films / J. Musil [et al.] // Surf. Coat. Technol. – 2004. – Vol. 177/178. – P. 289–298. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2003.09.007

16. Musil, J. Physical and mechanical properties of hard nanocomposite films prepared by reactive magnetron sputtering / J. Musil // Nanostructured Coatings. – Springer, 2006. – P. 407–463. https://doi.org/10.1007/0-387-48756-5_10

17. Сурменева, М. А. Закономерности формирования, структурные особенности и свойства покрытий на основе фосфатов кальция, полученных ВЧ-магнетронным осаждением: дис. … канд. физ.-мат. наук / М. А. Сурменева. – Томск, 2012. –158 с.

18. Ашмарин, И. П. Быстрые методы статистической обработки и планирование экспериментов / И. П. Ашмарин, Н. Н. Васильев, В. А. Амвросов; ред. В. М. Николаева. – Л.: Изд-во ЛГУ, 1975. –76 с.

19. Relationship between surface properties (roughness, wettability) of titanium and titanium alloys and cell behaviour / L. Ponsonnet [et al.] // Mater. Sci. Eng. C. – 2003. – Vol. 23, № 4. – P. 551–560. https://doi.org/10.1016/S0928-4931(03)00033-X

20. Effect of surface topography and chemistry on adhesion, orientation and growth of fibroblasts on nickel – titanium substrates / L. Ponsonnet [et al.] // Mater. Sci. Eng. C. – 2002. – Vol. 21, № 1/2. – P. 157–165. https://doi.org/10.1016/S0928-4931(02)00097-8

21. Relationship between surface properties (roughness, wettability and morphology) of titanium and dental implant removal torque / C. N. Elias [et al.] // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. – 2008. – Vol. 1, № 3. – P. 234–242. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2007.12.002

22. Синтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологии / А. П. Алехин [и др.] // Рос. нанотехнологии. – 2010. – Т. 9, № 10. – С. 128–136.