Сотрудниками лаборатории физики наноструктурных биокомпозитов ИФПМ СО РАН в коллаборации с сотрудниками Томского политехнического университета установлено влияние концентрации ионов Si на кинетику кристаллизации и особенности структуры кальцийфосфатных покрытий, полученных методом ВЧ магнетронного распыления на Zr-Nb подложках в условиях отжига в вакууме.

Осаждение покрытий из замещенных гидроксиапатитов на поверхность имплантатов из биоинертных сплавов позволяет придавать биокомпозитам новые функциональные свойства за счет ионов-заместителей. Кроме того, модификация поверхности металлических материалов наноструктурированным покрытием на основе гидроксиапатита (ГА) позволяет получить поверхность, обладающую многоуровневой топографией, улучшенной биосовместимостью, высокими смачиваемостью, износостойкостью и коррозионной стойкостью. Цель работы – исследовать микроструктурные особенности, кинетику кристаллизации и изменения элементного состава Si-содержащих кальцийфосфатных покрытий, нанесенных на подложку из сплава Zr-Nb методом ВЧ магнетронного распыления после отжига в вакууме.

Установлено, что отжиг в вакууме дает ряд преимуществ, как: отсутствие оксидов на подложке из сплава Zr-Nb, отсутствие трещин и расслоения пленки, возможность управлять кристаллизацией аморфной фазы. Механизм формирования кристаллической структуры зависит от содержания Si в покрытии ГА. Экспериментальные результаты показали, что отожженные чистые пленки ГА и Si-ГА (1,22 ат. % Si) обладают гетерогенной зеренной микроструктурой. Структура покрытия на основе ГА после отжига характеризуется ростом кристаллов колонкового типа в приповерхностном слое которые, ориентированы перпендикулярно поверхности подложки. Напротив, в отожженном Si-содержащем покрытии (1,22 ат. % Si) вблизи интерфейса покрытия-подложка присутствует аморфная фаза фосфата кальция с небольшим количеством зародышей кристаллитов. Добавка Si играет существенную роль в развитии микроструктуры пленок Si-содержащих пленок. Термическая обработка в вакууме при 700 °C, приводит к кристаллизации покрытия, когда концентрацией Si является сравнительно низкой. Хотя толщина пленок Si-ГА с наибольшим содержанием кремния оказалась наименьшей, следует отметить, что увеличение концентрации кремния в пленке оказало существенное влияние на характер кристаллизации. Количество гидроксильных групп в составе пленки взаимосвязано с концентрацией Si, и играет ключевую роль в механизме фазового превращения ГА из аморфного состояния в кристаллическое. 

Результаты исследования опубликованы в высокорейтинговом журнале Vacuum. Исследование выполнено в рамках государственного задания ИФПМ СО РАН, тема FWRW-2022-0007.

Источник: ИФПМ СО РАН.