Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Впервые были приготовлены образцы с Cu-Ti покрытиями на титановом сплаве Ti6Al4V автоматизированным методом электроискрового легирования нелокализованным электродом. Коррозионные и триботехнические испытания были проведены в растворе SBF, который по составу близок к плазме крови человека. Потенциодинамические испытания показали, что с ростом содержания меди в составе покрытия величины потенциала коррозии снижались. Установлено, что покрытия Cu10 ‒ Cu70 имеют более высокий потенциал коррозии, чем подложка, т.е. они более благородны. Показано снижение скорости коррозии сплава Ti6Al4V при применении электроискровых Cu-Ti покрытий с содержанием меди менее 70 ат.%. По данным импедансной спектроскопии установлено, что медно-титановые покрытия Cu10 ‒ Cu70 обладают лучшей коррозионной стойкостью в растворе SBF по сравнению с титановым сплавом, но формируемые на них барьерные пленки более проницаемы, чем на сплаве Ti6Al4V. В результате трибологических испытаний было установлено, что при повышении прикладываемой нагрузки с 10 до 25 Н средние величины коэффициента трения титанового сплава Ti6Al4V снижались. Это позволяет снизить силу трения сплава Ti6Al4V на 14 – 21 %. Износостойкость сплава была от 13 до 57 раз ниже, чем у покрытий. В отличие от сухого трения в растворе SBF на поверхности покрытий не наблюдаются оксидные чешуйки износа. Это говорит о том, что, при трении в жидкости продукты окисления активно удаляются из зоны трения и защитный трибооксидный слой не сохраняется, что выражается Показано, что основным механизмом изнашивания медно-титановых покрытий было сочетание окисления и абразивного износа, в то время как для титанового сплава был более типичен адгезионный механизм износа. Таким образом, раствор SBF многократно ускоряет износ титанового сплава, по сравнению с сухим трением, тогда как для Cu-Ti покрытий значения износа оставались прежними, либо немного возрастали. Была исследована антимикробная активность Cu-Ti покрытий на непатогенной культуре Escherichia coli, культивированной на мясопептонном агаре. Согласно проведенным исследованиям, антимикробная активность Cu-Ti покрытий к культуре Escherichia coli монотонно возрастала при увеличении концентрации меди. Показано, что все осажденные Cu-Ti покрытия проявили высокую бактерицидную активность. Было исследовано выделение ионов металлов после погружения образцов с покрытиями в раствор SBF с помощью масс-спектрометра с индуктивно связанной плазмой. Концентрация ионов меди, выделяемых в раствор SBF, из разработанных Cu-Ti покрытий многократно ниже референсных значений для крови человека, и поэтому они могут рассматриваться в качестве биосовместимых покрытий. Была исследована возможность регуляции концентрации меди в поверхностных слоях Cu-Ti покрытий, а также изучена возможность создания иерархической гидрофобной структуры путем травления в минеральных кислотах. Показано, что применение азотной и плавиковой кислот позволяет регулировать концентрации меди и титана на поверхности покрытий. Так азотная кислота преимущественно выщелачивает медь с поверхности покрытия, тогда как плавиковая – титан. Установлено, что травление Cu-Ti покрытий в азотной кислоте позволяет создавать на их поверхности дополнительные уровни структурной иерархии: аморфные и микро/наноструктуры с размерами структурных элементов от 38 до 88 нм. Впервые установлено, что при обработке плавиковой кислотой электролит проникает внутрь трещин исходного Cu-Ti покрытия, растворяет их стенки и приводит к увеличению ширины трещин до 3,3-5,3 мкм, что создает текстурированную поверхность на покрытии. Варьирование концентрации меди в исходных Cu-Ti покрытиях позволяет регулировать степень текстурирования поверхности от 3,9 до 7,0 %. После 5 минут травления в HNO3 шероховатость поверхности возросла от 2% до 15%, а после травления плавиковой кислотой - выросла от 21 до 28%. Впервые показано, что обработка в обоих кислотах приводит к росту гидрофобности поверхности Cu-Ti покрытий, что указывает на снижение их свободной поверхностной энергии. В результате травления плавиковой кислотой поверхность всех образцов стала гидрофобной с углами смачивания больше 90 град. и поверхностной энергией до 23,8-30,3 мДж/м2. В целом стратегия электроискрового нанесения Cu-Ti покрытий с последующей обработкой плавиковой кислотой позволяет двукратно снизить свободную поверхностную энергию титанового сплава Ti6Al4V (45,52 мДж/м2), что должно уменьшить накопление загрязнений на его поверхности и вызванную этим коррозию. Разработанные Cu-Ti покрытия позволяют многократно сократить износ биомедицинских изделий из титанового сплава, что особенно актуально для биологических сред. Антисептическая эффективность Cu-Ti покрытий призвана снизить риск воспалительных процессов после хирургического вмешательства и выбрать более щадящий режим применения антибиотиков в постоперационный период. Создание дополнительных уровней структурной иерархии на поверхности покрытий призвано улучшить пролиферацию биологических клеток (прежде всего фибробластов и остеобластов) для биомедицинских применений.