В Институте сильноточной электроники СО РАН в лаборатории газовых лазеров разработали способ ультрафиолетовой лазерной модификации поверхности металлических материалов медицинского назначения. Исследователи определили оптимальные параметры этого процесса, позволяющие значительно улучшить биосовместимость образцов из нержавеющей стали и титановых сплавов.
«В настоящее время существует целый ряд методов обработки поверхности металлических биоматериалов, наш коллектив — один из немногих в России, кто исследует возможности применения для этих целей ультрафиолетовой лазерной обработки. В едином цикле она позволяет не только очистить поверхность от органических загрязнений и провести её стерилизацию, но и модифицировать поверхность, придав ей заданный комплекс характеристик. Образование тонкого оксидного слоя без изменения топографии поверхности и заданной внутренней структуры увеличивает степень гидрофильности модифицированной поверхности биоматериалов. Повышенная гидрофильность способствует адгезии клеток, интеграции поверхности обработанного изделия с костной тканью, а также может давать вклад в улучшение гемосовместимости», — рассказала кандидат физико-математических наук Марина Кандаурова, научный сотрудник лаборатории газовых лазеров ИСЭ СО РАН.
Как пояснила кандидат технических наук Татьяна Саблина, научный сотрудник лаборатории, научный коллектив изучил возможности использования различных лазеров с длиной волны в ультрафиолетовой области (193-400 нанометров) для модификации поверхности широкого класса металлических биоматериалов. Если обработке требуется подвергнуть всю поверхность изделия целиком, образец помещается на специальный моторизированный столик, и с помощью программного обеспечения задаётся траектория перемещения изделия с определённой скоростью по направлению к лазерному лучу.
Процесс обработки образца УФ-лазером
Одно из преимуществ лазерной обработки заключается в возможности воздействовать на локальный участок поверхности изделия площадью от микрометров до миллиметров. Такое узконаправленное воздействие позволяет обрабатывать медицинские изделия сложной конфигурации, обеспечивая оптимальное сочетание различных свойств. Например, одна область должна отличаться повышенной шероховатостью для лучшего сцепления с тканями организма, а другая — оставаться гладкой для снижения риска воспаления или инфекции.
Первые полученные результаты показали, что для лазерной обработки оптимально применять короткие длины волн (около 266 нанометров), обеспечивающие минимальное тепловое воздействие на материал, что позволяет модифицировать субмикронный поверхностный слой и сохранить его объёмные физико-механические свойства. В этом случае удаётся получить биосовместимые образцы, которые соответствуют строгим требованиям безопасности. Использование лазерного излучения с длиной волны 266 нанометров позволило почти на 25 % снизить индекс цитотоксичности (с помощью этой величины оценивают повреждающее действие различных агентов на клетки организма), а также на 50–85 % повысить степень гидрофильности поверхности образцов, удерживая её в наиболее благоприятном диапазоне с учётом специфики и срока службы имплантата.
В ходе выполнения проекта авторам предстоит выявить, как параметры ультрафиолетовой лазерной обработки — энергия лазерного излучения, длина волны лазерного излучения, шаг и скорость сканирования — влияют на характеристики медицинских изделий, выполненных из материалов с разной теплопроводностью и коэффициентом поглощения излучения. Предложенный метод позволит обрабатывать поверхность металлических изделий для стоматологии и ортопедии, а также эндопротезирования.
Исследования выполняются при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-29-01116).
Источник: пресс-служба ТНЦ СО РАН.