STUDIUM SKLOKERAMICKÝCH POVLAKŮ V BIOLOGICKÉM PROSTŘEDÍ

Transkript

1 STUDIUM SKLOKERAMICKÝCH POVLAKŮ V BIOLOGICKÉM PROSTŘEDÍ Ing. Vratislav Bártek vratislav.bartek.st@vsb.cz doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc. jitka.podjuklova@vsb.cz Ing. Tomáš Laník tomas.lanik.st@vsb.cz Ing. Kamila Hrabovská, Ph.D. VŠB-TU Ostrava, Institut fyziky kamila.hrabovska@vsb.cz Ing. Kateřina Suchánková katerina.suchankova.st2@vsb.cz Ing. Sylvie Kopaňáková sylvie.kopanakova.st@vsb.cz Ing. Petr Šrubař petr.srubar.st4@vsb.cz Ing. Petr Koutník Výzkumný ústav anorganické chemie, a.s., Revoluční 1521/84, Ústí nad Labem, petr.koutnik@vuanch.cz Abstract The paper deals with the study of glassyceramic coatings based enamels, suitable for contact with biological environment so as to place or to prevent the growth of cell cultures. Given the composition of glassy-ceramics coatings based on vitreous enamel can be classified as a group of bioactive ceramic, which are intended for the purposes of implant use. In particular, the size of the input components in the development of glassyceramics plays an important role in cell attachment and growth. This paper deals with the possibility of using these coatings and gives the first results of the experiments the potential for growth in cell cultures of these coatings. Key words: glassy-ceramic coating, biological environment, cell, clay, kaolin ÚVOD Sklokeramické povlaky jsou charakteristické kvalitní antikorozní ochranou a odolností vůči agresivním prostředím. Mezi výborné vlastnosti patří také chemická odolnost vůči kyselinám, odolnost proti otěru a zdravotní nezávadnost. Sklokeramické povlaky jsou řazeny mezi bioaktivní materiály, které vytváří podmínky pro úplnou symbiózu mezi implantátem a živou tkání. Vstupní složky přidané do těchto povlaků mají vliv na adaptaci a množení buněčných kultur. V medicínském oboru je sklokeramika využívána na experimentální úrovni především pro povlakování titanových implantátů. Předností sklokeramiky, je její pórovitost, která usnadňuje buňkám, tvořící kostní tkáň, snadnější přichycení na implantátu. Dominujícím prvkem ve sklokeramickém povlaku je křemík. EXPERIMENTÁLNÍ MATERIÁLY Jako podkladový materiál byl použit čistý titan (Ti-ISO ), který se používá na výrobu implantátů. Povrch vzorků byl mechanicky předupraven broušením a kartáčováním. Dalším podkladovým materiálem byly vzorky z titanové slitiny (Ti6Al4V-ISO ), která se rovněž používá na výrobu implantátů. Povrch vzorků byl vyroben soustružením bez dalších mechanických povrchových úprav. Všechny vzorky byly nařezané z tyčového materiálu o průměru 8 mm a délky 3 mm (viz obr. 1). Vzorky byly odmaštěny při teplotě 25 C a ph 9,44 po dobu 5 minut. Oplach byl proveden ponorem ve vodní lázni při teplotě 22,3 C a ph 8,27 po dobu 1 min. Poté byla aplikována smaltéřská břečka, vypálení při teplotě 820 až 840 C po dobu 8 až 12 minut, na úrovni sklovitého smaltového povlaku. Fotodokumentace povrchu vzorků byla provedena na řádkovacím elektronovém mikroskopu (SEM) Následující snímky jednotlivých povrchů byly pořízeny na přístroji Phillips XL30 Series v Laboratoři elektronové mikroskopie Centra Nanotechnologií, VŠB-TU Ostrava. Povrch vzorků z čistého Ti byl dále mechanicky upraven broušením a kartáčováním (viz obr. 2 a 3). 7

2 Obr. 1 Vzorek použitý v experimentu [1] Obr. 5 SEM snímek - povrch vzorku Ti6Al4V bez povrchové úpravy, zvětšení 80x (BSE) [1] Obr. 2 SEM snímek - povrch vzorku Ti broušený, kartáčovaný, zvětšení 80x (SE) [1] Obr. 3 SEM snímek - povrch vzorku Ti broušený, kartáčovaný, zvětšení 80x (BSE) [1] Vzorky ze slitiny Ti6Al4V soustružené upichováním, bez dalších mechanických povrchových úprav (viz obr. 4 a 5). Kromě jílů byl použit i kaolín. Druhy jílových a kaolínových složek použitých ve smaltéřské suspenzi: MIC klasický jíl Kalcinovaný kaolín T3 Kalcinovaný kaolín T4 éřské suspenze: smaltový povlak, odstín šedý Krycí smaltový povlak, odstín zelený éřská suspenze byla připravena klasickým způsobem s odpovídajícím množstvím jílu. Pro čtyři suspenze byla provedena náhrada jílu za kaolíny. Nanášení smaltéřské suspenze bylo provedeno ručně štětcem. Takto připravené vzorky se vysušily v sušičce při teplotě 100 C po dobu 5 minut. Vypalování proběhlo v peci při teplotě 820 až 840 C po dobu 8 až 12 minut s následným ochlazením na vzduchu. EXPERIMENTÁLNÍ PRÁCE Měření drsnosti vzorků dle ČSN EN ISO Měření parametrů drsnosti na vzorcích se sklokeramickým povlakem bylo provedeno pomocí dotykového profilometru MITUTOYO SURFTEST SJ 301. Největší výška nerovnosti profilu Rz i může mít kladný vliv na přilnavost buněčných kultur a jejich další kultivaci. Na vzorku z čistého Ti vykazoval největší průměrnou hodnotu Rz základní sklokeramický povlak s obsahem jemně mletého jílu MIC. Obr. 4 SEM snímek - povrch vzorku Ti6Al4V bez povrchové úpravy, zvětšení 80x (SE) [1] 8

3 tab. 1 Parametry drsnosti sklokeramického povlaku na čistém Ti [1] Průměrné hodnoty parametrů drsnosti Ra[ m] Rz[ m] 2,952 17,467 MIC klasický jíl 1,721 8,182 Kaolín T3 1,294 5,689 Kaolín T4 8,899 4,38 1,964 11,192 MIC +Krycí klasický jíl 2,682 14,414 Kaolín T3 0,45 2,38 Kaolín T4 0,86 4,579 U povlaku základního + krycího vykazovaly jílové složky vyšší průměrné hodnoty Rz než použité složky kaolínové. Nejvyšší průměrnou hodnotu Rz 14,414 m vykazoval sklokeramický povlak za použití jílové složky z klasického MIC. Jemně vykazoval na sklokeramickém povlaku základním + krycím průměrnou hodnotu Rz 11,192 m. Nižší hodnoty Rz vykazovaly sklokeramické povlaky s použitím kaolínových složek, tyto hodnoty měly za následek hladší povrch oproti použitým jílovým složkám. Kaolínová složka s označením T3 vykazovala nejnižší průměrnou naměřenou hodnotu Rz 2,38 m. Vyšší průměrná hodnota Rz 4,579 m byla naměřena u kaolínové složky s označením T4. tab. 2 Parametry drsnosti sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V [1] Průměrné hodnoty parametrů drsnosti Ra[ m] Rz[ m] 3,87 18,61 MIC klasický jíl 2,686 16,154 Kaolín T3 0,91 4,85 Kaolín T4 1,217 4,679 +Krycí 2,93 12,412 MIC klasický jíl 2,686 16,154 +Krycí Kaolín T3 0,87 3,21 Kaolín T4 1,012 6,314 Graf 1 - Průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz základního sklokeramického povlaku na čistém Ti Graf 2 - Průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz základního + krycího sklokeramického povlaku na čistém Ti Graf 3 - Průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz základního sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V 9

4 Graf 4 - Průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz základního + krycího sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V Z grafu 3 je patrné, že nejvyšší průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz vykazoval základní sklokeramický povlak aplikovaný na slitině Ti6Al4V. Hodnota parametru Rz byla 18,61 m na základním sklokeramickém povlaku s obsahem jemně mletého jílu MIC. Sklokeramický povlak s obsahem kaolínových složek T3 a T4 vykazoval průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz výrazně nižší viz graf 3. U sklokeramického povlaku základního + krycího se složkou klasického jílu MIC byly naměřeny nejvyšší průměrné hodnoty parametru drsnosti Rz a to 16,154 m. Průměrnou hodnotu parametru drsnosti Rz 12,412 m vykazoval sklokeramický povlak s obsahem jemně mletého jílu MIC. Použití kaolínových složek s označením T3 a T4 ve sklokeramických povlacích vykazovaly průměrné naměřené hodnoty parametru drsnosti Rz 3,21 m a 6, 314 m viz graf 4. Měření tloušťky povlaku dle ČSN EN ISO Měření tloušťek na vzorcích s naneseným sklokeramickým povlakem bylo provedeno pomocí elektromagnetického měřicího přístroje typu ELCOMETR 456. U povlaku s obsahem kaolínu M4 a W05 se nepodařilo naměřit tloušťku povlaku. tab. 3 Tloušťka sklokeramického povlaku na čistém Ti Průměrná tloušťka [ m] 323 MIC klasický jíl 257 Kaolín T3 342 Kaolín T MIC klasický jíl 448 +Krycí Kaolín T3 590 Kaolín T4 350 Graf 5 - Průměrné hodnoty naměřených tloušťek základního sklokeramického povlaku na čistém Ti Graf 6 - Průměrné hodnoty naměřených tloušťek základního + krycího sklokeramického povlaku na čistém Ti Měřené sklokeramické povlaky nanesené na čistém Ti vykazovaly průměrné hodnoty tloušťek v intervalu 184 až 323 m u základních povlaků. Povlaky základní + krycí vykazovaly interval průměrných naměřených hodnot tloušťek 350 až 590 m. Toto nerovnoměrné nanesení mohlo být způsobeno zvoleným typem aplikace smaltéřské suspenze. U smaltéřské suspenze složené z kaolínové složky T4 docházelo k rychlé sedimentaci této složky. Tento faktor mohl v konečném důsledku zapříčinit nanesení menší vrstvy smaltéřské břečky a dále celkové tloušťky povlaku. 10

5 tab. 4 Tloušťka sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V Průměrná tloušťka [ m] 305 MIC klasický jíl 246 Kaolín T3 298 Kaolín T MIC klasický +Krycí jíl 427 Kaolín T3 458 Kaolín T4 336 Měřené sklokeramické povlaky nanesené na slitině Ti6Al4V vykazovaly průměrné hodnoty tloušťek v intervalu 187 až 305 m u základních povlaků. Povlaky základní + krycí vykazovaly interval průměrných naměřených hodnot tloušťek 336 až 458 m. Toto nerovnoměrné nanesení mohlo být způsobeno zvoleným typem aplikace smaltéřské suspenze. Aplikace buněčných kultur na zvolené sklokeramické povlaky. Na připravené vzorky se sklokeramickým povlakem byla provedena aplikace buněčných kultur s typovým označením MG 63 (20 000b/ml). Buněčné kultury aplikované na nasmaltované titanové vzorky byly ponechány ve sterilizovaném prostředí ke kultivaci po dobu 72 hodin. Následně byla provedena cílená mikroskopická analýza SEM, ke stanovení vhodnosti sklokeramického povlaku pro život buněčných kultur. Vyhodnocení mikroskopické analýzy SEM Sklokeramický povlak základní s jemně mletým jílem na slitině Ti6Al4V Graf 7 - Průměrné hodnoty naměřených tloušťek základního sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V Obr. 6 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 500x [1] Graf 8 - Průměrné hodnoty naměřených tloušťek základního + krycího sklokeramického povlaku na slitině Ti6Al4V Obr. 7 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 1000x [1] Buněčná kultura je na zkoumaném vzorku dostatečně rozprostřena a adherována k povrchu zkoumaného vzorku. 11

6 Obr. 8 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 3000x [1] Obr. 11 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 1000x [1] Obr. 9 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 5000x [1] Na obr. 8 a 9 lze pozorovat úzké kontakty mezi buňkami sloužící pro výměny metabolické (přenos signálu a signalizace) a zároveň dlouhé, hrubé kontakty, sloužící pro prozkoumávání povrchu buňkou. Sklokeramický povlak základní s kaolínovou složkou T4 na čistém Ti Obrázky 10 až 13 zachycují kvalitně rozprostřenou, tzv. konfluentní vrstvu. Rovněž jsou zde zaznamenaný dostatečně rozprostřeny cytoplazmatické výběžky s kvalitně definovanými buněčnými prostory. Buněčná kultura je na zkoumaném vzorku dostatečně rozprostřena a adherována k povrchu zkoumaného vzorku. Obr. 12 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 3000x [1] Obr. 13 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 5000x [1] Sklokeramický povlak základní a krycí s kaolínovou složkou T4 na slitině Ti6Al4V Obr. 10 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 100x [1] Obr. 14 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 500x [1] 12

7 Obr. 15 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 1000x [1] Snímky 14 a 15 zobrazují velmi špatný stav buněčné kultury nanesené na daném materiálu. Zkoumaný povrch nejeví žádné známky buněčné kultivace. Buněčná adherence je zde mizivá. Obrázky 16 a 17 zaznamenávají pozůstatky odumřelých buněk, patologického charakteru. Obr. 16 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 3000x [1] ZÁVĚR Ze zkoumaných vzorků vyplynulo, že nejlepších výsledků, mající za následek velmi kvalitní kultivaci buněk, dosáhly dva vzorky, první je tvořen slitinou titanu Ti6Al4V, na jehož povrch byl nanesen sklokeramický povlak základní s jemným jílem. Druhý vzorek je tvořen čistým Ti, na jehož povrch byl nanesen sklokeramický povlak základní s kaolínovou složkou T4. Vzorky s těmito sklokeramickými povlaky vykazovaly živou již kultivovanou a dostatečně adherovanou buněčnou kulturu s rozprostřenými cytoplazmatickými výběžky. Tento výsledek naznačuje vhodnost použití sklokeramického povlaku v biologickém prostředí. Nejhoršího výsledku dosáhl vzorek ze slitiny Ti6Al4V na jehož povrch byl nanesen základní a krycí sklokeramický povlak s kaolínovou složkou T4. Tento vzorek nevykazoval žádné známky života schopných buněk ani případnou další kultivaci, pouze buňky patologického charakteru. Příspěvek byl zpracován za podpory projektu MŠMT KONTAKT ME Literatura [1] ZLÝ, L.: Studium povrchu substrátu pro kontakt s biologickým prostředím. Vysoká škola Báňská Technická univerzita Ostrava. Strojní fakulta. Katedra mechanické technologie, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc. [2] HNILICA, F.; VESELÝ, J. Nové typy slitin titanu pro medicínské aplikace. ČVUT Fakulta strojní, Ústav materiálového inženýrství, Karlovo nám. 13, Praha. [3] BÁRTEK, V.: Studium sklovitých smaltových povlaků pro kontakt s biologickým prostředím. Vysoká škola Báňská Technická univerzita Ostrava. Strojní fakulta. Katedra mechanické technologie, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Jitka Podjuklová, CSc. [4] ČSN EN ISO 4287 Geometrické požadavky na výrobky (GPS) Struktura povrchu: Profilová metoda Termíny, definice a parametry struktury povrchu. Praha, Český normalizační institut, Obr. 17 SEM snímek - buněčná kultura, zvětšení 5000x [1] 13