Mechanické vlastnosti biokompatibilních vrstev pro použití v medicíně

Abstract

Cílem diplomové práce jsoubiokompatibilní materiály pro použití v oboru implantologie. Součástí je zpracování jednotlivýchmateriálů, povrchových úprav konkrétního materiálu pro zlepšení biokompatibility a vysvětlení obecného pojmu biokompatibilita. Součástí je kapitola pojednávající o materiálu Diamantu podobný uhlík (DLC), který je velmi důležitý pro zlepšení celkových vlastností implantovaného materiálu do lidského organismu. Z hlediska mechanických vlastností jsou pro biomedicínské aplikace vhodné vrstvy z tohoto materiálu společně s jiným prvkem „dopantem“. Tři druhy takto dopovaných vrstev jsou předmětem praktické části, kde byla měřena adheze těchto vrstev. Jsou to DLC vrstvy dopované třemi různými prvky (chrom, titan, stříbro). Jejich mechanické vlastnosti byly posuzovány pomocí vrypové zkoušky, tzv.: Scratch testu. Tyto vrypy byly nejdříve analyzovány pomocí mikroskopu Keyence VHX7000 a výsledná adheze byla poloautomaticky spočítána v programu Matlab. V případě chromem dopovaných diamantu podobných uhlíkových vrstev vyšla vrstva s nejlepší adhezí vrstva s obsahem 8,22 at.% chromu. Oba vrypy této vrstvy měly velmi podobné výsledky s kvalitní adhezí. V případě dopace vrstvy stříbrem byla nejlepší hodnota adheze naměřena u vrstev s obsahem stříbra 3,49 at.%, 4,9 at.% a 9,34 at.%. K prodření vrstev docházelo až při hodnotách přibližně 19 N. Oproti tomu vrstvy se stříbrem s koncentrací více než 20 at.% už tak vysoké hodnoty adheze neměly. Vrstvy dopované titanem vykazovaly největší adhezi s obsahem 3,26 at.% a 5,21 at.% titanu. S vyšším obsahem dopantu už nebylo pozorováno velké zlepšení hodnoty adheze. Výsledkem bylo změření mechanických vlastností tří druhů dopovaných DLC vrstev, u kterých jsme zjistili, že hodnota adheze s rostoucím obsahem dopantu sice stoupá, ale s rizikem, že je stále měkčí a po povrchu se při aplikaci vyšších sil spíše odtlačí.

The aim of the thesis is the theoretical development of biocompatible materials for use in the field of implantology. It includes the treatment of individual materials, surface treatments of specific materials to improve biocompatibility and an explanation of the general concept of biocompatibility. Included is a chapter discussing the material Diamond-Like Carbon (DLC) which is very important for improving the overall properties of the material implanted into the human body. In terms of mechanical properties, layers of this material together with another element (dopant) are suitable for biomedical applications and three types of such doped layers are the subject of the practical section where the adhesion of these layers was measured. They are DLC layers doped with three different elements (chromium, titanium, silver). Their mechanical properties were assessed through an indentation test, the so-called: scratch test. These scratches were first analyzed using a Keyence VHX7000 microscope and the resulting adhesion was semi-automatically calculated in Matlab. In the case of chromium-doped DLC layers, the layer with the best adhesion was the layer containing 8.22 at.% chromium. Both indentations of this layer had very similar results with good-quality adhesion. In the case of silver doping of the layer, the best adhesion value was measured for the layers with a silver content of 3.49 at.%, 4.9 at.% and 9.34 at.%. Here, the penetration of the layers occurred only at values of approximately 19 N. In contrast, layers with a silver element of more than 20 at.% did not have such high adhesion values. Titanium-doped layers showed the highest adhesion with 3.26 at.% and 5.21 at.% titanium. With higher dopant content, a large improvement in adhesion values was no longer observed. As a result, the mechanical properties of three types of doped diamond-like layers were measured, where we found that the adhesion value does increase with increasing dopant content, but with the risk of becoming increasingly softer and more likely to push off after the surface when higher forces are applied.