Multilayer structures based on bone tissue in plasma hydrogen flows
Multilayer structures based on bone tissue in plasma hydrogen flows
Abstract
Issues relating to the physical science of biological tissues and biomaterials are playing a key role in the modern medical sector and are traditionally included in the agendas of all conferences on innovative development, particularly regarding predicting the effectiveness of the associated technological processes. Current research into tear-resistant multilayer structures based on bone tissue (e.g. joints) remains understudied; in particular, there is a lack of data on tear surfaces and critical values of rupture stress. This work presents previously unpublished new results from our research into the effect of plasma treatment on these characteristics, using model specimens; at this stage, these are illustrated for orthodontic braces. The tear surfaces were examined using atomic force microscopy (AFM). The average surface roughness of the initial state of the metal brace surface was 118.1 nm, and that of the ceramic brace was 64 nm. It was found that, following a single exposure to hydrogen plasma, the average surface roughness of the metal brace was 184.4 nm and that of the ceramic brace was 97.4 nm, i.e. it had increased. Following intensive treatment, however, these values decreased to 118.9 nm and 68 nm, respectively. These results, obtained for the first time, may prove useful in clinical practice, particularly in the restoration of the skeletal system.
1. Введение
Проблема физического материаловедения играет одну из ключевых ролей в фармацевтической, косметологической, промышленной, сельскохозяйственной, медицинской отраслях. Материал медико-биологического направления (биологический материал) — это вещество, материал, препарат, изделие, которое функционирует в непосредственном контакте с различными системами и тканями организма. Основополагающей задачей которого является обеспечение его функций, а также оптимизация жизнедеятельности. В настоящее время одним из первостепенных направлений использования материалов медико-биологического назначения является создание имплантатов и эндопротезирование. Исследование, разработка и технологии получения новых биоматериалов имеет огромное практическое значение, поскольку модернизация структуры веществ предоставляет возможность создания материалов с улучшенными механическими свойствами , . В современных исследованиях авторам статьи неизвестны работы, касающиеся изменения поверхности основания брекета, которое должно служить в качестве оцениваемого параметра. На сегодняшний день интерес практикующих врачей стоматологов-ортодонтов состоит в более глубоком исследовании прочности соединения, сцепления , , , так как брекет-системы являются одними из самых применяемых ортодонтических аппаратов в процессе лечения дефектов зубочелюстной системы. Данный аспект проблемы позволяет прогнозировать эффективность тех или иных технологических приемов.
Цель данного исследования — выявить и проанализировать особенности морфологии поверхностей образцов основания металлических и керамических брекетов до и после осуществления обработки потоком водородной плазмы.
2. Материалы и методы
Для осуществления поставленной цели были проведены исследования участков поверхности на двух брекет-системах одной компании производителя: металлические Victory Series TM (3М Unitek) и керамические Clarity TM (3М Unitek). Известно, что металлические брекеты производят из сплава нержавеющей стали марки 17-4РН (это прочный износостойкий материал, хорошо выдерживающий постоянные нагрузки), а керамические брекеты изготавливают из прочного поликристаллического оксида алюминия (алюмооксидная керамика), плюсом материала является его эстетичность и термостойкость, а также химическая инертность. Основания данных образцов брекетов имеют неровную поверхностную структуру, углубления, микрорельеф, которые увеличивают площадь соединения с адгезивом, что важно при сцеплении с эмалью зуба. Исследование морфологии участков поверхности брекетов производилось с помощью поверхностного профилирования методом АСМ (атомно-силовая микроскопия) до и после воздействия потока водородной плазмы. Атомно-силовой микроскоп представляет собой сканирующий зондовый микроскоп высокого разрешения, в основе которого лежит измерение силового взаимодействия между изучаемой поверхностью и консольной балкой (кантилевером) с острой иглой (зондом) на свободном конце. Аппарат позволяет определить не только геометрию изучаемой поверхности, но и локальные физико-механические свойства материала на наноструктурном уровне.
Закрепленный образец брекета на предметном столике сканера и кантилевер сканирующего зондового микроскопа
Обработка брекетов проводилась потоком водородной плазмы. Следует отметить, что результат воздействия которой может быть, как полезным , , так и разрушительным. В полностью ионизированной водородной плазме среда состоит исключительно из свободных частиц: в качестве положительной компоненты она содержит ионы водорода, т. е. протоны, а отрицательно заряженной компонентой являются электроны. Как известно, массы этих частиц равны mp = 1.67x10-24 г, me = 0.91x10-27 г. Температура равна 8000 ºС. В водородной плазме ионы могут находиться в состояниях H+, Н+2, Н+3. Одними из предполагаемых эффектов воздействия является изменение микрорельефа, образование трещин , , внедрение водорода и образование соединений в приповерхностном слое , , а также возможна его модификация за счет изменения фазового состава.
3. Результаты исследования и обсуждение
Результаты изучения структуры поверхности образцов по вышеописанной измерительной процедуре представлены далее на рис. 2 – 4. По окончании сканирования микроскопом участков поверхностей керамического и металлического брекетов был проведен сравнительный анализ полученных растровых изображений по двум ортогональным направлениям. На всех последующих иллюстрациях показаны линии сканирования кантилевера, вдоль которых измерялась шероховатость.
Данное сканирование велось по линиям 1–5, которые указаны на рис. 2, a, б и 3, a, б. В частности, при сканировании вдоль выбранного направления профиля 1 установлено, что при значении координаты x = 23-28 происходит скачок по высоте y в диапазоне значений 0,984–0,986 (рис. 2, в). На рис. 3, в представлен результат при сканировании вдоль профиля 3. Установлено, что наблюдался скачок по высоте y в диапазоне значений 0,955–0,98 при значении координаты x = 45.
Зависимости высоты рельефа от координаты сканирования по двум ортогональным направлениям (a, б) и график сканирования поверхности основания металлического брекета (в)
Зависимости высоты рельефа от координаты сканирования по двум ортогональным направлениям (а, б) и график сканирования поверхности основания керамического брекета (в)
Растровые 3D-изображения поверхностей, полученные после сканирования основания металлического (a) и керамического (б) брекетов
Диаграмма значений средней шероховатости поверхностей основания металлического и керамического брекетов
Изменение значений средней шероховатости поверхности основания металлического брекета без воздействия, после однократного и интенсивного воздействия водородной плазмы
Растровые 3D-изображения поверхностей основания металлического брекета без воздействия (а), полученные после однократного (б) и интенсивного (в) воздействия водородной плазмы
По итогам, средняя шероховатость поверхности керамического брекета после одномоментного плазменного воздействия показала значение 97,4 нм (увеличилась относительно изначальных характеристик), а после интенсивного воздействия снизилась близко к контрольным значениям параметра — 68 нм (рис.8,9).
Приведенные результаты развитости шероховатости, полученной после однократного применения водородной плазмы, указывает на то, насколько прочным будет процесс сцепления в трехслойных композициях.
Изменение значений средней шероховатости поверхности основания керамического брекета без воздействия, после однократного и интенсивного воздействия водородной плазмы
Растровые 3D-изображения поверхностей основания керамического брекета без воздействия (a), полученные после однократного (б) и интенсивного (в) воздействия водородной плазмы
4. Заключение
На данном этапе нами были предоставлены первые результаты воздействия потока водородной плазмы на поверхность основания брекета. Развитие шероховатости микрорельефа и изменение структуры участков изучаемой поверхности должно неизбежно сказаться на усилиях отрыва, которые нуждаются в существенном уточнении, и эти исследования будут сделаны в будущем. Полученные в работе и представленные в статье результаты могут принести пользу в практической медицине, в частности при реставрации костного скелета .