Синтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологии

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Кафедра ВМС и нефтехимии

Реферат

Синтез биосовместимых поверхностей методами нанотехнологии

Проверил:

Профессор, дхн:

О.В. Водянкина

Выполнил:

Магистрант 1-го года

А.М. Аюрова

Томск 2010

Содержание

Введение

1. Синтез углеродных нанокластерных структур для получения гемосовместимых поверхностей

2. Зависимость биологических свойств от технологических параметров наноструктур

3. Модификация поверхности полиметилметакрилата

4. Плазмохимическая обработка поверхности ПММА

Выводы

Список литературы

Введение

В последние годы реализация синтеза углеродных наноструктур в виде кластеров, фуллеренов, трубок, на поверхностях различных материалов позволяет управлять их биомедицинскими параметрами.

В тоже время отсутствие знаний о механизме формирования гемосовместимых поверхностей не позволяет установить однозначной зависимости свойств углеродного наноструктурного покрытия и биомедицинских параметров, что сильно затрудняет их внедрение их в практическую имплантологию.

1. Синтез углеродных нанокластерных структур для получения гемосовместимых поверхностей

Модифицирование кластерным углеродом поверхности полиэтилена низкой плотности (ПЭНП) толщиной 60 мкм и полиуретана “Витур” (ПУ) толщиной 150 мкм, используемых в медицинской практике, проводилось по методике импульсно-плазменного осаждения. Попытки использовать углеродное покрытие в виде сплошной пленки на поверхностях медицинских полимеров не приводили к устойчивому положительному результату. В тоже время формирование на поверхности слоя углерода из кластеров с размерами, позволяющими адсорбироваться “полезным” молекулам белка крови - альбумина и запрещающими адсорбироваться “ вредным” молекулам фибриногена, дает заметный эффект, выражающийся в увеличении тромборезистивности модифицированных материалов.

Предложена схема реализации гемосовместимой поверхности, которая базируется на двух фактах:

1) к сплошному углеродному покрытию нет адгезии никаких молекул белков плазмы крови;

2) адгезия осуществляется по избирательному принципу в свободные от углерода места полимера в соответствии геометрических размеров молекул белков плазмы крови с размерами свободных от углерода областей поверхности.

А - на исходную поверхность адсорбируются оба типа молекул. Причем, молекула фибриногена, имеющая размеры (порядка 50 нм), которые в 4-5 раз превышают размеры альбумина( пор. 9 нм), в силу термодинамических требований будет почти необратимо адсорбироваться максимально возможной площадью молекулы.

В - после модификации, когда часть поверхности экранируется кластерами углерода. Молекуле фибриногена не хватает “посадочного” места. В то же время на свободные от углерода области могут адсорбироваться молекулы альбумина, имеющие значительно меньшие размеры. Практическая реализация такой адсорбции позволит улучшить гемосовместимые свойства поверхности полимеров избежать образование тромбов.

синтез нанотехнология биосовместный поверхность

Рис 1. механизм избирательной адсорбции молекул альбумина по сравнению с молекулами фибриногена

Для осуществления избирательной адсорбции альбумина и фибриногена, показанной на рис 1., требуется наноструктурировать поверхность углеродными кластерами таким образом, чтобы открытые пробельные области поверхности между ними, являющиеся активными центрами адсорбции, имели размеры уровня единиц или десятков нм.

Известно, что импульсный режим плазменного нанесения углеродного покрытия, в отличие от непрерывного осаждения, позволяет достаточно просто регулировать степень пересыщения пара углерода и, следовательно, механизм начальных стадий роста покрытия. При небольших степенях пересыщения (дельта g) рост пленки может осуществляться через послойный или двухмерный механизм. При этом вероятность такого процесса, характеризуемая изобарно-изотермическим потенциалом, ?G2 пропорциональна 1/?g. При увеличении пересыщения пара возможна смена двухмерного механизма зародышеобразования на трехмерный механизм, причем ?G3 пропоциональна 1/?g2, то есть зависимость уже степенная, а более неравновесные условия обозначают большую возможность влияния на морфологические свойства поверхностных образований углерода посредством изменения технологических условий процесса.

Кроме того, импульсный режим способствует улучшению отвода тепла с поверхности подложки, так как время между импульсами превышает на порядок длительность импульса.

По характерным особенностям морфологии можно сделать оценку параметров технологических режимов установки, внести коррективы и получить требуемый для дальнейших исследований рельеф морфологии.

Динамика зародышеобразования и роста пленки по модели Фольмера - Вебера схематично показано на рис 2.

На стадии формирования углеродного покрытия необходимо определить порог перколяции- образование на поверхности материала углеродной сетки с электрической сплошной структурой, условно проводящей электрический ток при заполнении подложки на 70-80% . На стадии осаждения углеродного покрытия порог перколяции определяет формирование на поверхности полимера мозаичных углеродных наноструктур с размерами углеродных кластеров в нм диапозоне. Это приводит к изменению физико-химических и медико-биологических свойств, что делает возможным управлять гемосовместимостью модифицированной поверхности. С большой вероятностью порог перколяции определяет конечный этап формирования на поверхности гемосовместимой мозаичной кластерной наноструктуры. порог перколяции определяется в зависимости от количества импульсов генератора углеродной плазмы(N ) и частоты их следования (f).

2. Зависимость биологических свойств от технологических параметров наноструктур

Морфология поверхности экспериментальных образцов изучались методами сканирующих электронной (СЭМ) и зондовой микроскопии (СЗМ).

По характерным особенностям морфологии можно сделать оценку параметров технологических режимов установки, внести коррективы и получить требуемый для дальнейших исследований рельеф морфологии. Установлено, что рельеф модифицированной поверхности полимеров значительно менялся в зависимости от количества импульсов углеродной плазмы и частоты следования импульсов.

Прямым доказательством структуры образования кластерной структуры углерода на поверхности полиэтилена служат исследования, проведенные сканирующей зондовой микроскопией на воздухе при комнатной температуре.

Наиболее характерные сканы модифицированной при различных частотах импульса углеродной плазмы при количестве импульсов N=30-50 поверхности ПЭНП и ПУ приведены на рис 3 и 4.

При увеличении частоты следования импульсов от 0,1 до 1,0 Гц и количества импульсов от 2 до 50 происходит увеличение размеров углеродных кластеров или их агрегатов и заполняемости поверхности углеродом на 70-80% . При этом наблюдается формирование мозаичной углеродной сетки с электрически проводящей структурой.

С целью получения дополнительной информации о структуре модифицирующих углеродных покрытий был проведен математический анализ их рамановских спектров из которых следуют следующие выводы об электронной структуре сформированных слоев на полимерных подложках. Элементы с SP2 - гибридизацией формируются в кластеры небольшого размера.

Медико-технические испытания показали, что модификация поверхностей полимеров углеродом приводит к уменьшению адгезивных свойств по отношению к тромбоцитам.

То есть, модифицирование значительно улучшает гемосовместимые свойства поверхности полимеров, при толщине углеродной пленки 5-12 нм и размерах кластеров 50-120нм.

3. Модификация поверхности полиметилметакрилата

В настоящее время полиметилметакрилат находит широкое практическое применение как базовый материал для создания имплантантов в трансплантологии.

4. Плазмохимическая обработка поверхности ПММА

За счет деструкции полимеров, образования активных химических радикалов и частиц существует возможность управлять биосовместимыми параметрами материала. Следствием приповерхностных превращений полимера является изменение его наношероховатости.

Исходная пленка ПММА толщиной около 0, 8 мкм наносилась центрифугированием на полированную поверхность Si и дополнительно наноструктурировалась в кислородной высокочастотной плазме в течение 20сек.

Анализ поверхности проводись методами сканирующей зондовой микроскопии.

Обнаружено, что в результате плазмохимической обработки пленки ПММА поверхности образовались нанозерна.

Образование нанозерен можно объяснить локальными изменениями плотности пленки ПММА. Локальные изменения плотности связаны с наличием в большинстве полимеров неоднородностей - в первую очередь глобул, ламель, клубков, пучков, перекручиваний , переплетений молекулярных цепей.

В ходе обработки ПММА в кислородной плазме происходит существенная химическая модификация полимера: возникают полярные функциональные группы - карбонатная, карбонильная.

Выводы

Разработаны технологические методы построения структур “модифицированный полимер” - “кровь”, включающие создание мозаичной структуры на поверхности некристаллической подложки в виде углеродных кластеров размерами 10-500 нм.

Получены зависимости медико-технических параметров изготовленных структур от технологических условий модификации поверхности за счет обеспечения конкурентной адсорбции белков плазмы крови.

Изучено сглаживание неровностей пленки ПММА обработкой в кислородной высокочастотной плазме.

Сформированная наноструктурная поверхность состояла из нанозерен со средним диаметром 66 нм и средней высотой 2 нм. Среднее расстояние между соседними нанозернами равнялось 104 нм. Обнаружено, что наноструктурированная поверхность пленки ПММА является частично упорядоченной.

Список литературы

1. Алехин А.П., Кириленко А.Г., Лапшин Р.В. // Исследование наноструктурированного углерода на полиэтилене. Журнал прикладной химии.2003.Т 76. С 1536-1560.

2. Лисичкин Г.В. Химия привитых поверхностных соединений. М:Физмалит.2003.

Размещено на Allbest.ru