Sinteza datelor din literature privind depunerile de hidroxiapatita prin metoda PLD

Sinteza datelor din literature de specialitate privind depunerile de hidroxiapatita prin metoda PLD

Materialelor pentru obtinerea tintelor sunt diverse: pulberea ceramica de HA , HA minerala naturala, HA obtinuta in urma prelucrarii tesuturilor osoase, toate fiind apoi tratate in diverse conditii de presiune si temperatura. Experimentele au aratat ca in filme apar usoare modificari atunci cand se schimba sursa pulberii de HA sau densitatea pastilelor (presiunea la care sunt presate). Mai mult, depunerea altor faze de fosfat de calciu decat cea de HA nu necesita schimbarea compozitiei tintei. Mai degraba, schimband temperatura si gazul ambiant se pot depune o serie de faze de fosfat de calciu din pastilele presate din pulbere de HA.

Din experiente s-a remarcat ca, pentru o tinta mai densa, numarul particulelor pe colector scade. Deci, pentru a reduce densitatea picaturilor se recomanda aplicarea uniu tratament termic tintelor de HA, la 300 C, timp de trei ore, in vid (10 torr), inaintea actionarii cu laser.

Cele mai utilizate substraturi sunt cele din titan si aliaje de titan (Ti-6Al-4V, Ti-4Al-2Sn, Ti-6Al-2,5Fe), otelurile inoxidabile (316L SS), aliaje Co-Cr.

Unele experimente s-au concentrat asupra mecanismiului de ablatie a materialului dintr-o tinta deHA si asupra compozitiei chimice a filmelor depuse. In aceste studii, pe o tinta de "hidroxiapatita naturala" s-a focalizat un laser cu rubin (l=654 nm, largimea pulsului=25 ns). Fluenta laser incidenta a fost aleasa in domeniul 2,5 J/cm. 250 J/cm. Substraturile, plasate plan paralel cu tinta la distanta de 9 mm au fost mentinute la temperatura camerei. Incinta de depunere a fost evacuata pana la presiune reziduala de 10torr. Desi spectrele de difractie de raze X (XRD) nu au fost inregistrate in cazul nici unuia dintre filmele depuse in aceste conditii, analizate au evidentiat ca filmele aveau o compozitie chimica

apropiata de cea a tintelor.Aceasta sugereaza ca, desi acesti parametrii de depunere nu au ca rezultat obtinerea HA cristaline , e posibil transferul stoechiometriei tintelor de HA pe colector prin PLD, folosind diferite lungimi de unda si fluente.

Cel mai mare avantaj al PLD pentru depunerea materialelor bioceramice rste capacitatea de a obtine direct HA in faza cristalina, fara contaminarea cu alte faze de fosfat de calciu.

Temperatura si gazul ambiant determina compozitia chimica si faza filmelor depuse prin PLD din tintele de HA.

Investigatiile de difractie de raze X efectuate pentru studierea cristalinitatii si a fazelor depunerilor au dovedit ca depunerea la temperaturi sub 400 C, filmele amorfe, indiferent de gazul ambiant. La temperaturi de peste 400 C, filmele sunt cristaline, fie amorfe, depinzand de gazul in care are loc depunerea.Figura II.3. - 1 ilustreaza efectul mediului gazos la temperatura constanta asupra fazei cristaline a filmului.

Datele obtinute au dus la concluzia ca realizarea filmelor cristaline necesita prezenta unui gaz ambiant reactiv sau tampon.

Temperatura substratului joaca un rol cheie in determinarea proprietatilor structurale ale filmelor deHA crescute prin PLD. Figura II.3. - 2 prezinta spectre XRD ale filmelor depuse folosind laseri cu excimeri in atmosfera de Ar/ HO sau O la 400 C, 600 C si 800 C. La 400 C, filmul depus in oricare din gazele ambiante contine cantitati mari de material amorf. La 600 C, filmul depus in Ar/ HO contine HA cristalina, iar cel depus in Oconsta in a-TCP cristalina. La 800 C, pe langa HA cristalina obtinuta in filmul depus in Ar/ HO, se regasesc si cantitati semnificative dintr-o faza partial deshidratata a HA, tetracalcium fosfat. Depunerea la 800 C in Oare ca rezultat un film care consta in principal din b-TCP.

Figura II.3. - 1

Imagini de difractie de raze X ale filmelor subtiri obtinute prin PLD folosind un laser cu excimeri, substraturi de Ti-6Al-4V la500 C, tinta de HA in:

(a)   Ar---film amorf;

(b)  O---film cristalin a-TCP;

(c)   Ar/ HO---film cristalin HA;

(d)  O/ HO---a-TCP cristalina, HA cristalina si material amorf.

Figura II.3. - 2

Spectre XRD ale filmelor subtiri depuse prin PLD de pe o tinta de HA PLD pe substraturi de Ti-6Al-4V

(a)   in Ar/ HO, la 400 C---material amorf si HAcristalina;

(b)  in Ar/ HO, la 600 C---HAcristalina;

(c)   in Ar/ HO, la 800 C---amestec de HA cristalina tetracalcium fosfat (TTCP) cristalin;

(d)  in Ola 400 C---film amorf;

(e)   in Ola 600 C---film cristalin -a-TCP

(f)     in Ola 800 C---amestec cristalin a-TCP, b-TCP si HA.

Tabelul reuneste conditiile optime de temperatura a substratului si presiune a mediului gazos pentru a favoriza cresterea prin PLD a fiecarei faze de fosfat de calciu in parte, folosind un laser cu excimeri KrF care opereaza la o fluenta de aproximativ 2 J/cm.

Tabel sinoptic pentru depunerile deHA prin PLD (248 nm)

Analizele RBS ( Rutherford backscattering spectroscopy ) evidentiaza exustenta unui raport invers intre continutul de oxigen sau al vaporilor de apa in atmosfera din timpul depunerii si raportul Ca/P caracteristic filmelor rezultate. Cum datele din literatura sugereaza ca bioresorbabilitatea ceramicilor pe baza de fosfat de calciu , depinde de raportul Ca/P specific, inseamna ca, introducand sau scotand oxigen in timpul depunerii, acest parametru - bioresorbabilitatea - poate fi controlat in modul dorit.

Raportul Ca/P se schimba si in functie de temperatura substratului. Aceasta dependenta se observa in principal pentru filmele depuse in vid sau in

vapori de HO pura si nu este importanta in cazul filmelor depuse in vapori de Ar/ HO, pentru care raportul Ca/P se afla in domeniul 1,8-2,2 pentru intrega scala de temperatura a substratului T.

Datorita acestor dependente, de mediul gazos si de temperatura substratului, se pot obtine "in situ" diferite rate de bioresorbabilitate in functie de distanta de la substrat la stratul depus. De exemplu, poate fi util ca filmul sa contina o faza neresorbabila imediat adiacenta substratului metalic, pentru a servi ca bariera permanenta la contactul dintre dispozitivul metalic si tesut. Langa suprafata exterioara, unde dispozitivul vine in contact direct cu tesutul si fluidele corpului si unde vor creste osteoblastele, poate fi de dorit sa existe o faza care sa se resoarba mai usor, pentru a accentua procesele naturale de disolutie si reformere care caracterizeaza formarea dinamica a osului.

Raportul Ca/P optim pentru realizarea filmelor de HA este 1,67.

Mecanismul de ablatie a tintelor de HA a fost studiat prin analiza de masa in gazul rezidual din camera de reactie in timpul a catorva secunde dupa fiecare puls laser al unei surse cu rubin care functioneaza in domeniul de fluenta ~2,5-250 J/cm. Printre numeroasele mase inregistrate folosind un spectrometru de masa cuadrupolar protejat de emisia directa din tinta, doar cateva pot fi atribuite in mod cert. Acestea include C, O,P,Ca, CaO si O.

Masuratorile RBS ale grosimii filmelor in diferite pozitii pe substrat releva o dependenta cosθ pentru θ>30 , unde θ este unghiul cuprins intre normala la tinta si dreapta care uneste centrul tintei cu punctul ales pe substrat. Aceasta dependenta in cosθ este in concordanta cu un proces de evaporare simpla. Stoechiometria tintelor a fost redusa desi temperatura tintei rezultate din iradierea laser a depasit 800 C, temperatura la care HA se descompune in TCP si in CaO. Aceasta sugereaza un mecanism de evaporare congruenta rezultand din

supraincalzirea pe o perioada de timp suficient de scurta incat sa previna descompunerea inainte de tranzitia de faza de la solid la topitura sau la vapori.

In schimb, la unghiuri mici fata de normala la tinta, se cere o lege exponentiala de tipul cosθ, cu n>1, pentru a filtra datele referitoare la grosime, sugerand o emisie puternic orientata inainte, care ar putea fi corelata cu observatia ca depunerea in aceste regiuni consta mai ales din particule de dimensiuni micrometrice, mai degraba decat dintr-un film neted.

Metodele de masurare a aderentei variaza si din, nefericire, exista o lipsa de consistenta privitoare la metodologia din literatura descriind aderenta acoperirilor de HA la aliajele care sunt folosite in implanturi protezice.

Aderenta depunerilor de HA la substratul de Ti-6Al-4V a fost evaluata prin "scratch tests" . Valorile aderentei sunt, in general, in domeniul zecilor de newton. Acurateteaa masuratorii este influentata de substratul de titan (aliaj de titan), relativ moale si de grosimea mica a filmului.

Nu toate filmele de bioceramici de fosfat de calciu prezinta o buna aderenta la substraturile lor. Desi filmele de HA depuse pe substraturi de Ti la temperatura camerei prin PLD folosind un laser cu rubin sunt declarate ca fiind foarte aderente, filmele amorfe depuse PLD cu laseri excimeri pe substraturi Ti-6Al-4V la temperatura camerei sau la temperaturi inalte in gaze inerte prezinta o aderenta foarte slaba. Filmele de HA cristalina depuse pe substraturi deTi-6Al-4V la temperaturi de aproximativ 600 C sunt mai putin aderente decat cele depuse intre 500-600 C , foarte probabil datorita formarii unui strat intermediar de oxid de titan intre film si substrat in timpul incalzirii substratului.

Microduritatea filmelor este, in general, mai buna pentru cele depuse la temperaturi ale substratului mici. Pentru Tmari , rogozitatea filmului creste si, in unele cazuri se observa neomogenitati si aspecte curbate ale filmului. Pentru densitati de energie mari, corespunde o suprafata a filmului neteda, cu o densitate mica de picaturi. De obicei, densitatea picaturilor este mai mare pentru filmele

depuse in vid decat pentru cele depuse in vapori de apa pura sau in vapori de Ar/ HO.

Studiile evidentiaza rolul important pe care il joaca presiunea atmosferei de vapori de apa in depunerile de HA prin ablatie laser, permitand controlul cristalinitatii si gradul de hidroxilare a filmului.

In HA exista doua tipuri de "apa" :

Apa absorbita: incalzirea pe intervalul 25-200 C (in functie de conditiile de presiune si gazul inconjurator) provoaca o pierdere de greutate revarsibila fara nici un efect asupra structurii cristaline a compusului.

Apa de structura (radicalii-OH): incalzirea de la 200-400 C in sus (in functie de presiunea si de gazul inconjurator) produce o contractie cu modificarea paramertului "a" al retelei cristaline.

Un studiu recent prezinta transformarile de faza care au loc in timpul ciclului de incalzire si racire in aer ambiant a pulberilor de HA , de la temperatura camerei la 1500 C. HA pierde gradual ionii OH in timpul incalzirii si se rehidrateaza gradual la racire.

Incalzire:

HA HA + OHAHA + OHA + OATTCP + a -TCP

HA nu se deshidrateaza complet inainte de inceperea descompunerii.

Racire:

TTCP + a -TCP TTCP + a -TCP + OA TTCP + a -TCP + OHA TTCP + a -TCP + OHA + HA HA

Pana la 1100 C inca mai ramane TTCP si a -TCP.

Nu s-au obtinut filme de HA cristalina in vapori de apa sau in vid.

Filmele de HA cel mai bine cristalizata se obtin in amestecul Ar /vapori de HO.

Raportul Ca/P se inrautateste, in general, cu cresterea temperaturii substratului, dar pentru depunerile realizate in amestecul Ar/ HO aceasta tendinta nu se observa.

Unele anelize dau rezultate incurajatoare pentru temperaturi mari ale substratului (XRD, microduritatea), altele sunt mai slabe (raportul Ca/P , morfologia).

In studiul evaluarii raspunsului biologic al filmelor de HA depuse prin PLD, experimentele preliminare au prezentat rezultate foarte promitatoare.Celulele osteoblaste au fost cultivate pe filme de HA cristalina depuse pe substraturi de siliciu la 600 C in Ar/ HO, pe filme amorfe depuse la temperatura camerei in Ar/ HO, pe probe de control (substraturi de siliciu neacoperit) si pe lamele din sticla.Celule individuale s-au atasat si raspandit pe toate substraturile, pe parcursul a doua zile de cultura. Osteoblastele au crescut si au acoperit uniform filmele de HA cristaline. Pentru acoperiri similare pe filme de HA amorfa au fost necesare patru zile, iar pentru substraturile de siliciu de control si lamelele de sticla, sase zile. Comparativ cu materialele de referinta din siliciu si sticla, si cu cele ale filmelor amorfe de HA, densitatea celulelor este semnificativ mai mare pe filmele de HA cristalina, pentru timpi de pana la sase zille.

Nu se cunosc inca motivele pentru care vitezele de proliferare a osteoblastelor pe HA cristalina si amorfa dirfera. Pe langa diferenta de cristalinitate

a celor doua seturi de filme, exista si o diferenta a raportului Ca/P , filmele cristaline avand valori mai mari pentru raportul Ca/P. Experimentele preliminare n-au oferit inca o cale de a face distinctie intre efectele datorate diferentelor sensibile in chimia suprafetei si cele datorate diferntelor de cristalinitate.

Deoarece raportul Ca/P depinde de cantitatea de oxigen prezenta in camera in timpul depunerii, filmele amorfe pot fi depuse cu raporturi Ca/P mai mari sau mai scazute, doar regland continutul de oxigen din atmosfera inconjuratoare. Astfel poate fi evaluata importanta relativa a chimiei de suprafata (raportul Ca/P) in proliferarea celulelor pe filmele amorfe. Mai mult, alegand conditiile care dau valori similare rapoartele Ca/P specifice filmelor cristaline si amorfe, se izoleaza importanta cristalinitatii. Astfel de experimente nu sunt posibile prin alte metode de depunere decat PLD, deoarece ele nu permit controlul cerut al chimiei suprafetei, cristalinitatii, fazei si morfologiei de suprafata.