Нанокристаллический титан привлекателен, во-первых, своими уникальными механическими свойствами – высокой прочностью и суперпластичностью. Однако, для биомедицинских применений, в частности, для модификации поверхности титановых имплантов, необходимы нано- (способствуют улучшению биосовместимости) и микротекстуры поверхности, которые создают «инкубатор» для клеток-остеобластов.
Создать поверхностную нано- и микротекстуру и при этом сохранить нанокристаллическую структуру, присущую материалу изначально с обычной обработкой, очень сложно. Например, плазменное травление или отжиг прогревают довольно толстый поверхностный слой, в результате чего нанокристаллы спекаются или сплавляются, появляются микрокристаллы, что сильно ухудшает механические свойства титана. А при воздействии ультракоротких лазерных импульсов за счёт их высокой мощности до больших температур очень быстро нагревается только тонкий поверхностный слой. После этого энергия начинает распространяться вглубь, температура поверхности падает, и никакого нежелательного спекания нанокристаллитов уже не происходит.
Получающаяся при этом наноструктурированная поверхность представляют собой хорошо выраженные одномерные решетки с характерным шагом в 70-600 нм. Так, при плотности лазерного излучения 17 мДж/с2 серия из 500 импульсов формирует на поверхности титановой мишени последовательность узких бороздок (толщина около 100 нм), отстоящих друг от друга в среднем на 400 нм. Появление таких квазипериодических структур ученые объясняют интерференцией электрических полей падающего излучения с поверхностной электромагнитной волной, которую возбуждают на поверхности фемтосекундные лазерные импульсы.
При увеличении плотности энергии ширина бороздок увеличивается и решетка рельефа становится хорошо выраженной и практически гармонической. Однако, при дальнейшем увеличении плотности лазерной энергии эта решётка практически исчезает, а на поверхности постепенно появляются выраженные зародыши микроконусов. Таким образом, за счет изменения различных параметров лазерного излучения – плотности энергии, длины излучения, продолжительности и количества импульсов — в предложенном методе оказывается возможным контролировать морфологию поверхности нанокристаллического титана.
Поверхность нанокристаллического титана с нано- и микрорельефом сохраняет повышенные прочность и пластичность, характерные для объемного материала, и приобретает высокую гидрофильность, необходимую для ее биосовместимости. Соответственно, такая морфология поверхности делает титан идеальным кандидатом для создания новых имплантов, которые уже проходят стадию доклинических испытаний в онкологическом институте имени П.А. Герцена.
Из нанокристаллического титана можно делать пластины для черепа, зубные импланты, разные стержневые конструкции. Еще очень интересное приложение – это микрохирургический инструмент с режущими кромками из нанотитана. Производства нанокристаллического титана сейчас появляются по всему миру. У России в этой области есть преимущества, связанные с хорошо развитым производством титана. Преимущество предлагаемого метода состоит в более дешевой, по сравнению с имеющимися, технологии производства и высокотехнологичной обработки нанокристаллического титана. Чтобы обеспечить первенство в этой области, остается только наладить такую обработку.
По материалам «ФИАН-информ»
