České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství
Diamantu podobné uhlíkové vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad
Ing. Petr Písařík Kladno
[email protected] Listopad 2010
ČVUT, FBMI
Cíl práce
Docílení zlepšení biokompatibility a životnosti dnes používaných implantátů
Jak toho chceme dosáhnout Použitím
Diamantu podobné uhlíkové vrstvy
Co
je to DLC? Proč jsme se zaměřili na DLC? Kde všude se dá v lidském těle použít? Jaké jsou její nedostatky? Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Diamantu podobný uhlík
Amorfní struktura
Skládá se
z atomů uhlíku
sp1, sp2 a sp3
hybridizovaných stavech Diamond-like Carbon : DLC [online]. [2004], srpen 2007 [cit. 2010-04-05]. Dostupný z WWW:
.
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Dělení DLC
1 grafit 2 skelný uhlík 3 a-C 4 a-C(:H) 5 ta-C 6 diamant 7 ta-C:H 8 a-C:H 9 HC polymery 10 neexistující vrstvy ROBERTSON, J. Diamond-like Amorphous Carbon. Materials Science and Engineering. 2002, 37, s. 129-281.
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Vlastnosti DLC vrstev
Vysoká tvrdost
Hladkost povrchu
Nízký koeficient tření
Propustnost v VIS a v IR
Vysoká inertnost
Biokompatibilita
Hemokompatibilita
sp2
sp3 ROBERTSON, J. Diamond-like Amorphous Carbon. Materials Science and Engineering. 2002, 37, s. 129-281.
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Aplikace DLC vrstev
Kardiologii,
oftalmologii, ortopedii, neurologie, nefrologie a potahování lékařských nástrojů a zařízení
HAUERT , R. A review of modified DLC coatings for biological applications. Diamond and Related Materials. 2003, 12, s. 583-589.
KOCOUREK, T. Laserová depozice tenkých vrstev. Kladno, 2008. 61 s. Prezentace. ČVUT.
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Nedostatky DLC vrstvy
Vliv poměru sp3/sp2 vazeb na vlastnosti vrstvy Biokompatibilitu
Mechanické
vlastnosti
Špatná adheze k biomedicínským slitinám Titanová
slitina Kobaltová slitina Nerezová ocel Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Vliv poměru sp3/sp2 vazeb
Čtyři rozdílné poměry sp3/sp2 vazeb (PLD) Poměr
sp3/sp2 vazeb (XAES, XPS) Morfologie a hrubost povrchu (AFM) Adheze, tvrdost (AFM) Zeta potenciál Kontaktní úhel, povrchová energie Transmise Testy in vitro – cytotoxicita vrstev, růst a adheze fibroblastů a keratinocytů Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
Určení poměru sp3/sp2 vazeb - XAES a XPS
ČVUT, FBMI 100 90
XAES
80
sp3 [%]
70
XPS
60
y = 1,37x + 47,17
50 40 30
y = 0,75x + 28,33
20 10
0 0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
Hustota energie laseru [J/cm2]
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Biologické testy
Test cytotoxicity Test adheze a proliferace fibroblastů a keratinocytů
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Fibroblasty
BIODLC-2 (8 J/cm2)
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Fibroblasty
BIODLC-2 (8 J/cm2)
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Keratinocyty
BIODLC-2 (8 J/cm2)
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Keratinocyty
BIODLC-2 (8 J/cm2)
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Tvrdost
Tvrdost vrstvy [GPa]
10
9 8 7
y = 0,0925x + 7,325 R² = 0,98
6 5
4 3 2 1 0 4 (BIODLC-5)
6
8 (BIODLC-2)
10 (BIODLC-8)
Hustota energie laseru [J/cm2]
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Zlepšení adheze
Beznoska s.r.o. a Fyzikální ústav AV ČR
Titanová a kobaltová slitina
Mezivrstvy Dopace
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Mezivrstvy
Křemík, karbidy, nitridy, kovy Gradientní vrstvy
NARAYAN, R. J.. Functionally Gradient Hard Carbon Composites for Improved Adhesion and Wear. Materials Science and Engineering. 2002, 276 s.
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Dopování vrstev
Vnitřní pnutí (N, Si, Ti, Cr, Co, Cu) Adheze (N, Si, Ti, Cr, Co, Cu) Měrný elektrický odpor (Au a Al) Koeficient tření (Ag, F) Povrchovou energii (Ag, F) Hemokompatibilita (Ag, F, P) Antibakteriální vlastnosti (Ag, Si) Proliferace (P, Ag, Si, N)
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
ČVUT, FBMI
Shrnutí
Zlepšení implantátu Materiál: DLC Poměr sp3/sp2 vazeb Biokompatibilita Mech. vlastnosti
Adheze Potažení implantátu Beznoska s.r.o. [online]. [2010], [cit. 2010-09-05]. Dostupný z WWW: .
Ing. Petr Písařík. Biokompatibilní DLC vrstvy pro pokrytí kloubních náhrad. Kladno 2010
České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství
Děkuji za Vaši pozornost
Ing. Petr Písařík
[email protected]
