České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství Diamantu podobné uhlíkové vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad Ing. Petr Písařík petr.pisarik@fbmi.cvut.cz Kladno Listopad 2010
Cíl práce Docílení zlepšení biokompatibility a životnosti dnes používaných implantátů Jak toho chceme dosáhnout Použitím Diamantu podobné uhlíkové vrstvy Co je to DLC? Proč jsme se zaměřili na DLC? Kde všude se dá v lidském těle použít? Jaké jsou její nedostatky?
Diamantu podobný uhlík Amorfní struktura Skládá se z atomů uhlíku sp 1, sp 2 a sp 3 hybridizovaných stavech Diamond-like Carbon : DLC [online]. [2004], srpen 2007 [cit. 2010-04-05]. Dostupný z WWW: <http://www.diameterltd.co.uk/dlc.htm>.
Dělení DLC 1 grafit 2 skelný uhlík 3 a-c 4 a-c(:h) 5 ta-c 6 diamant 7 ta-c:h 8 a-c:h 9 HC polymery 10 neexistující vrstvy ROBERTSON, J. Diamond-like Amorphous Carbon. Materials Science and Engineering. 2002, 37, s. 129-281.
Vlastnosti DLC vrstev Vysoká tvrdost Hladkost povrchu Nízký koeficient tření Propustnost v VIS a v IR Vysoká inertnost Biokompatibilita Hemokompatibilita sp 2 sp 3 ROBERTSON, J. Diamond-like Amorphous Carbon. Materials Science and Engineering. 2002, 37, s. 129-281.
Aplikace DLC vrstev Kardiologii, oftalmologii, ortopedii, neurologie, nefrologie a potahování lékařských nástrojů a zařízení HAUERT, R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials. 2003, 12, s. 583-589. KOCOUREK, T. Laserová depozice tenkých vrstev. Kladno, 2008. 61 s. Prezentace. ČVUT.
Nedostatky DLC vrstvy Vliv poměru sp 3 /sp 2 vazeb na vlastnosti vrstvy Biokompatibilitu Mechanické vlastnosti Špatná adheze k biomedicínským slitinám Titanová slitina Kobaltová slitina Nerezová ocel
Vliv poměru sp 3 /sp 2 vazeb Čtyři rozdílné poměry sp 3 /sp 2 vazeb (PLD) Poměr sp 3 /sp 2 vazeb (XAES, XPS) Morfologie a hrubost povrchu (AFM) Adheze, tvrdost (AFM) Zeta potenciál Kontaktní úhel, povrchová energie Transmise Testy in vitro cytotoxicita vrstev, růst a adheze fibroblastů a keratinocytů
sp 3 [%] ČVUT, FBMI Určení poměru sp 3 /sp 2 vazeb - XAES a XPS 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 XAES XPS y = 1,37x + 47,17 y = 0,75x + 28,33 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Hustota energie laseru [J/cm 2 ]
Biologické testy Test cytotoxicity Test adheze a proliferace fibroblastů a keratinocytů
Fibroblasty BIODLC-2 (8 J/cm 2 )
Fibroblasty BIODLC-2 (8 J/cm 2 )
Keratinocyty BIODLC-2 (8 J/cm 2 )
Keratinocyty BIODLC-2 (8 J/cm 2 )
Tvrdost vrstvy [GPa] ČVUT, FBMI Tvrdost 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 y = 0,0925x + 7,325 R² = 0,98 4 (BIODLC-5) 6 8 (BIODLC-2) 10 (BIODLC-8) Hustota energie laseru [J/cm 2 ]
Zlepšení adheze Beznoska s.r.o. a Fyzikální ústav AV ČR Titanová a kobaltová slitina Mezivrstvy Dopace
Mezivrstvy Křemík, karbidy, nitridy, kovy Gradientní vrstvy NARAYAN, R. J.. Functionally Gradient Hard Carbon Composites for Improved Adhesion and Wear. Materials Science and Engineering. 2002, 276 s.
Dopování vrstev Vnitřní pnutí (N, Si, Ti, Cr, Co, Cu) Adheze (N, Si, Ti, Cr, Co, Cu) Měrný elektrický odpor (Au a Al) Koeficient tření (Ag, F) Povrchovou energii (Ag, F) Hemokompatibilita (Ag, F, P) Antibakteriální vlastnosti (Ag, Si) Proliferace (P, Ag, Si, N)
Shrnutí Zlepšení implantátu Materiál: DLC Poměr sp 3 /sp 2 vazeb Biokompatibilita Mech. vlastnosti Adheze Potažení implantátu Beznoska s.r.o. [online]. [2010], [cit. 2010-09-05]. Dostupný z WWW: <http://www..medtechnik.cz/beznoska.htm>.
České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství Děkuji za Vaši pozornost Ing. Petr Písařík petr.pisarik@fbmi.cvut.cz