Nový typ biokompatibilního pokrytí na bázi vápníkem dopovaného uhlíku

Abstract

Tenká vrstva Ca:DLC pokrývající implantát se zdá jako ideální pro zlepšení jeho materiálových i biokompatibilních vlastností. Za použití excimerových Kr:F laserů jsme provedli dva experimenty, v nichž jsme připravili vzorky, jejichž vlastnosti byly předmětem našeho výzkumu. V prvním experimentu jsme připravili vrstvy pouze z koupeného terče tvořeného CaCO3, ty měly sloužit k nastudování růstových rychlostí vrstev za různých depozičních podmínek. U pěti připravených vzorků jsme měřili tloušťku a drsnost pomocí přístroje Alphastep IQ, dále jsme vzorky pozorovali optickým mikroskopem a zkoumali jsme jejich povrchy pomocí metody AFM. Jelikož ve druhém experimentu jsme chtěli připravit škálu vzorků s atomovými koncentracemi vápníku v DLC od 1 at.% do 20 at.%, provedli jsme teoretický výpočet založený na relativních atomových hmotnostech a hustotách prvků, dále experimentálně získaných rychlostech růstu a požadované tloušťce vrstev 400 nm, vhodné pro následné charakterizační metody. Pro druhý experiment, jehož předmětem byla duální pulzní laserová depozice jsme použili koupený terč vytvořený z grafitové tyče pro depozici uhlíkové složky a lisováním a následným sintrováním jsme pro depozici vápníkové složky vytvořili terč z práškového CaCO3. Následně jsme podle napočítaných depozičních podmínek provedli sérii depozic, kterými jsme vytvořili pět vzorků, jejichž atomové koncentrace vápníku měly být 1, 4, 8, 11 a 15 at.%. Pro srovnání jsme vytvořili referenční vzorek vytvořený pouze z grafitového terče a referenční vzorek vytvořený pouze z terče CaCO3. Vzorky jsme podrobili měření tloušťky a drsnosti pomocí přístroje Alphastep IQ, povrchy jsme zkoumali jak metodou AFM, tak SEM a provedli jsme studium chemického složení vrstev pomocí metod XPS a WDS. Výsledky nám ukázaly, že ač jsme vytvořili škálu atomových koncentrací, získané atomové koncentrace vápníku v DLC jsou zhruba o polovinu nižší, než ty, na které jsme cílili.

Thin layers of Ca:DLC used as coating on implants should improve material properties and biocompatibility. Using the excimer Kr:F lasers, we have performed two pulsed laser depositions, samples prepared by these depositions were the objective of our research. In the first deposition, we have only used a bought CaCO3 target to prepare layers, these were only used to study growth rates. Five samples were measured for film thickness and roughness, the film homogeneity was examined by optical microscope and their surfaces were scanned using AFM. Because of the goal of the second experiment, to create a set of layers with atomic concentrations of Calcium in DLC from 1 at.% up to 20 at.%, we have conducted a calculation of deposition conditions based on relative atomic masses, elementary densities, experimentally gained growth rates and required film thickness of 400 nm, appropriate for further characterizations. For the dual laser deposition two targets were used, the graphite target was bought, the other one was made by pressing and sintering from the CaCO3 powder. A series of dual pulsed laser depositions was conducted to obtain five samples with various atomic concentrations of Calcium in DLC, targeted concentrations were 1, 4, 8, 11 and 15 at.%. We have also created reference samples, where one was deposited from graphite target only and the second from CaCO3 target only. Alphastep IQ was then used to measure thickness and roughness of samples, we have scanned surfaces with AFM and SEM. XPS and WDS methods were also used to characterize the chemical composition of prepared layers. Although we have created a scale of samples, we have found, that our layers contained lower atomic concentrations of Calcium compared to previous calculations.