METODY BADAŃ MATERIAŁÓW NA IMPLANTY
advertisement
METODY BADAŃ MATERIAŁÓW NA IMPLANTY Materiały na implanty poddawane są różnorodnym badaniom. Badane są: skład chemiczny i fazowy, struktura, mikrostruktura i morfologia składników, własności fizyczne, własności chemiczne, własności mechaniczne, właściwości biologiczne. Badania służą zarówno do oceny jakości biomateriałów i wytworzonych z nich implantów konstrukcyjnych, jak i prognozowaniu własności dla nowowprowadzanych materiałów. Część badań jest określana przy użyciu standardowych, powszechnie znanych metod, ale wiele jest specyficznych dla biomateriałów. Ocena biomateriałów jest bardziej złożona, niż przeważającej większości materiałów konstrukcyjnych. Metody określania składu chemicznego i fazowego materiałów na implanty Badania składu chemicznego prowadzi się przy użyciu powszechnie znanych metod fizycznych i o wiele rzadziej chemicznych. Służą one przede wszystkim do oceny spełniania wymagań normowych dla biomateriałów metalowych zarówno w odniesieniu do pierwiastków stopowych, które muszą zawierać się w pewnych granicach, jak i zanieczyszczeń, których ilości nie mogą przekraczać określonego poziomu. Metody te stosowane są do badań objętościowych lub do badań warstwy wierzchniej. Spektroskopowe metody badań biomateriałów Spektroskopowe metody badań Spektroskopia- wytwarzanie, pomiar i analiza widm promieniowania elektromagnetycznego lub korpuskularnego powstającego na skutek emisji, absorpcji lub rozpraszania tego promieniowania przez różne substancje Podział spektroskopii ze względu na: rodzaj promieniowania (neutronowe, rentgenowskie, podczerwień, radiospektroskopowe), badany obiekt (atomowa, jądrowa, molekularna), sposób badań (fotoelektryczna, mössbauerowska, ramanowska, NMR,masowa). Spektroskopowe metody badań Spektroskopia masowa Spektroskopia atomowa – optyczna ( pompowanie optyczne, spektroskopia laserowa) Spektroskopia fotoluminiscencyjna Spektroskopia w podczerwieni i Ramana Radiospektroskopia (magnetyczny rezonans jądrowy NMR, spektroskopia EPR (elektronowy rezonans paramagnetyczny) Spektroskopia jądrowa Spektroskopia mössbauerowska Spektroskopia subtelnej struktury progu absorpcji (EXAFS) Spektroskopia fotoelektronów Spektroskopia masowa Metody określania składu pierwiastkowego lub cząstkowego substancji: Metody oparte na oddziaływaniu wiązki naładowanych cząstek z badaną substancją (RBS- Rutherford backscattering spectroscopy, NRA – nuclear reaction analysis, ERD- elastic recoil detection analysis), Metody, w których określa się bezpośrednio masy jonów wiązki (mms magnetic mass spectroscopy, AMS accelerator mass spectroscopy), Metody spektroskopii czasu przelotu (TOF –time of flight). WAŻNE: ZDOLNOŚĆ ROZDZIELCZA (róznica mas 1000/1001) I CZUŁOŚĆ (ile może być zarejestrowanych) Spektroskopia masowa Pozwala na rozdzielenie jonów o różnych e/m w polu elektrycznym i magnetycznym: 2 W polu elektrycznym siła: Fe= qE m 1 B.r W polu magnetycznym: Fm=q/c( v x B) e 2 U c siła dośrodkowa Fdos=mv2/r ro Identyfikacja nieznanego białka – białko strawiono pepsyna a następnie zindentyfikowano mapę peptydów (wołowa rybonukleaza A Spektroskopia optyczna Energia fotonów światła widzialnego i nadfioletu o energii 2-10 eV, Spektroskopia emisyjna Spektroskopia absorpcyjna (aktywność optyczna) Analiza śladowa (g/ml) Badania cytofluorometryczne Fotoluminiscencja Fluorescencja: krótkotrwała 10-7-10-9s, długotrwała, rezonansowa- jeśli oba kwanty-pochłonięty i emitowany mają tę samą częstość- emisja i absorpcja kwantu równocześnie – rozpraszanie światła na cząsteczkach w stanie wzbudzonym). Fosforescencja: luminiscencja o długim czasie 10-3-10 s Elementy opisowe: widmo, czas życia, wydajność kwantowa, polaryzacja, które zależą od temperatury Widma są: liniowe, pasmowe i ciągłe, zależne od stanu skupienia i długości fali wzbudzającej Spektroskopia w podczerwieni i Ramana Podczerwień 0,76-1000 m (bliska 0.76-1.5 m , średnia 1.5-5.6 m , daleka 5.6-1000 m) Informacje o strukturach molekularnych – czyli jak atomy trzymają się razem.... Spektroskopia Ramana: rozpraszanie promieniowania podczerwonego ze zmianą częstotliwości na skutek oddziaływania z cząstkami substancji rozpraszającej Widma w podczerwieni Widmo bursztynu (do porównania z żywicą fenylową lub innymi syntetykami) W tej okolicy pojawiają się różnice Typy drgań obserwowane spektroskopią w podczerwieni Spektroskopia rentgenowska Promienie Roentgena – długość fali =hc/E rzędu 10-11-5. 10-8 m, powstajace przy bombardowaniu tarczy cząstkami o energii 1-500 eV Widmo ciągłe (hamowania) oraz widmo liniowe Z (KLM) Metody fizyki jądrowej Rodzaje promieniowania jądrowego Dozymetria Oddziaływanie promieniowania z materią Spektroskopia jądrowa Promienie - promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali = Oddziaływanie promieni z materią poprzez: efekt Comptona, fotoelektryczny, tworzenia par elektronpozytron Spektroskopia dyfrakcyjna na kryształach, spektroskopia scyntylacyjna, półprzewodnikowa Efekt Mössbauera Metoda badania ciał stałych oparta na zjawisku bezodrzutowej emisji i absorpcji promieniowania - dla 57 Fe energia odrzutu fotonu o energii 14,4 keV wynosi 1,95.10-3 eV – dopasowanie efektem Dopplera ( prędkość ok..0,2 mm/s) Badanie jądrowych oddziaływań nadsubtelnych (oddziaływanie momentów jądrowych z poza-jądrowymi polami elektromagnetycznymi: oddziaływania elektryczne, magnetyczne itp.. ) – izotopy 57Fe,K,Zn,Cs,Sn,I , Eu. Kształt i naturalna szerokość linii, poszerzenie temperaturowe Spektroskopia mössbauerowska Wyznaczane wielkości: 1. Przesunięcie izomeryczne(oddziaływanie E0), 2. rozszczepienie zeemanowskie (M1), 3.elektryczne rozszczepienie kwadrupolowe (E2), 4. intensywność linii, 5. szerokość linii. Badania: białka hemowe, białka żelazowo-hemowe, biomineralizacja, dynamika białek Spektroskopia mössbauerowska Spektroskopia subtelnej struktury progu absorpcji (EXAFS) Spektroskopia EXAFS (extended x-ray absorption fine structure) zajmuje się badaniem wybranych efektów fizycznych, które obserwujemy mierząc osłabienie wiązki promieniowania X (synchrotron) przechodzącej przez próbkę jako funkcji padającego promieniowania ( współczynnik absorpcji (błąd <1%)– progi absorpcji 50-1000 eV) absorpcja Cu Zn Energia promieniowania keV Badania: -osteoporoza- procesów mineralizacji tkanki kostnej, struktury jonów Zn w depozytach nieorganicznych aorty Magnetyczny Rezonans Jądrowy Nuclear Magnetic Resonance (NMR) Warunek rezonansu : =Bo Pole magnetyczne + częstość radiowa Bo Metody określania składu chemicznego i fazowego materiałów na implanty Do najczęściej stosowanych metod fizycznych badania składu chemicznego należą: spektroskopia dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego EDX/EDS (energy dispersive X-ray spectroscopy) dyfrakcja rentgenowska, XRD spektroskopia elektronów do celów analizy chemicznej ESCA/XPS spektroskopia elektronów Augera metody nuklearne Podstawowe zasady działania mikroskopu skaningowego W mikroskopach skaningowych wiązka elektronów bombarduje próbkę, skanując jej powierzchnię linia po linii. Pod wpływem wiązki elektronów próbka emituje różne sygnały (m. in. elektrony wtórne, elektrony wstecznie rozproszone, charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie), które są rejestrowane za pomocą odpowiednich detektorów, a następnie przetwarzane na obraz próbki lub widmo promieniowania rentgenowskiego. Mikroskop skaningowy składa się z (rys. 1): działa elektronowego, gdzie wytwarzana jest wiązka elektronów, kolumny, w której następuję przyspieszanie i ogniskowanie wiązki elektronów, komory próbki, gdzie ma miejsce interakcja elektronów wiązki z próbką, zestawu detektorów odbierających różne sygnały emitowane przez próbkę systemu przetwarzania sygnałów na obraz. Wiązka elektronów jest wytwarzana przez działo elektronowe (rys.2) na szczycie kolumny mikroskopu. Pole elektrostatyczne w dziale elektronowym kieruje wyemitowane z niewielkiego obszaru na powierzchni katody elektrony do małego otworu – źrenicy elektrono-optycznej. Rys.2. Schemat budowy działa elektronowego. Następnie elektrony są rozpędzane (przyspieszane) w kolumnie mikroskopu, w kierunku próbki, z energią od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy elektronowoltów. Jest kilka rodzajów dział elektronowych: wolframowe, LaB6 (lanthanum hexaboride) i działa z emisją polową. Wykonane są one z różnych materiałów i ich działanie opiera się na różnych zjawiskach fizycznych, lecz wszystkie mają za zadanie wytworzenie wiązki elektronów o stabilnym i wystarczającym prądzie przy możliwie małym rozmiarze. Elektrony wydostające się z działa elektronowego tworzą wiązkę rozbieżną. Wiązka ta zyskuje zbieżność i zostaje zogniskowana przez zestaw soczewek magnetycznych i apertur w kolumnie. Zestaw cewek skanujących u podnóża kolumny odpowiada za przemieszczanie wiązki w obszarze skanowania. Soczewka obiektywu ogniskuje wiązkę w możliwie małą plamkę (spot) na powierzchni próbki. Komora próbki jest wyposażona w ruchomy stolik umożliwiający przesuwanie próbki w trzech prostopadłych kierunkach, jej obrót wokół osi pionowej i odchylanie od pionu. Specjalne drzwiczki pozwalają na umieszczanie próbki w komorze. Kilka portów dostępu umożliwia zainstalowanie różnych detektorów. Elektrony wiązki oddziaływując z próbką powodują emisję energii pod różnymi postaciami. Każdy rodzaj emitowanej energii jest potencjalnym sygnałem do przetworzenia na obraz. Włókno Napięcie katody np. 30.0 kV Napięcie wehneltu np. 30.5 kV Wehnelt pró ba Źrenica elektrono-optyczna Średni Anoda (0 V) ca plamki Elektrony Charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie Widmo charakterystyczne powstaje w wyniku oddziaływania elektronów wiązki z elektronami wewnętrznych powłok atomów próbki. Normalnie powłoki K i L atomów o liczbach atomowych większych od 10 są zapełnione. Jeśli jeden z elektronów K zostanie usunięty, atom może doznać przejścia, w którym elektron L lub M "przeskoczy" na puste miejsce, a wyzwolona przy tym energia potencjalna zostanie wyemitowana jako kwant promieniowania elektromagnetycznego. Typowe wartości energii takich przejść leżą w zakresie rentgenowskim widma promieniowania elektromagnetycznego. Energia tego kwantu jest ściśle określona dla każdego rodzaju przejścia w danym pierwiastku i dlatego jest cechą diagnostyczną. Spektrometr rentgenowski rejestruje charakterystyczne promieniowanie rentgenowskie. Zadaniem spektrometru jest zliczenie impulsów promieniowania rentgenowskiego i posegregowanie ich. Spektroskopia promieni rentgenowskich może być przeprowadzona dwiema metodami: metoda dyspersji energii promieniowania rentgenowskiego (Energy Dispersive Spectrometry - EDS). Stosuje się detektory, w których natężenie sygnału wyjściowego jest proporcjonalne do energii padających impulsów, np. liczniki scyntylacyjne, proporcjonalne liczniki przepływowe, detektory Li/Si. W naszym mikroskopie zainstalowany jest detektor Sapphir metoda dyspersji długości fali promieniowania rentgenowskiego (Wave Dispersive Spectrometry - WDS). Stosuje się spektrometr promieni rentgenowskich z kryształem analizującym. Linie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego W celu wytworzenia charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego konieczna jest luka w wewnętrznych powłokach elektronowych atomu. W zależności od tego, na której powłoce powstała luka, wyróżniamy odpowiednie serie linii. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki K to obserwowane w widmie charakterystycznego promieniowania rentgenowskiego linie, odpowiadające emisji energii towarzyszącej przejściu elektronu w celu uzupełnienia luki nazywamy liniami K: K - gdy przejście elektronu następuje z powłoki L, K - dla przejścia z powłoki M, K - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki L to mamy do czynienia z liniami L: L - gdy przejście elektronu następuje z powłoki M, L - dla przejścia z powłoki N. Jeśli wybity zostanie elektron z powłoki M to obserwujemy linie M (patrz rys. 6) Mapy rentgenowskie Promieniowanie rentgenowskie daje obraz o znacznie gorszej jakości niż obraz „elektronowy”. Jednym z powodów jest duży obszar oddziaływania, z którego pochodzi rejestrowane promieniowanie rentgenowskie, co powoduje słabszą rozdzielczość (rys. 4). Inną przyczyną jest ciągłe promieniowanie rentgenowskie (Bremsstrahlung), które w kombinacji z niskim z natury poziomem impulsów promieniowania charakterystycznego powoduje, że stosunek sygnał – szum jest niekorzystny. Na ogół obrazy rentgenowskie są prezentowane jako mapy. Wiązka analityczna skanuje analizowany obszar punkt po punkcie. Spektrometr jest ustawiany tak, aby rejestrował punkt na analizowanym obszarze, gdy wykryje impuls rentgenowski o energii charakterystycznej dla danego pierwiastka. W ten sposób powstaje mapa odwzorowująca rozmieszczenie tego pierwiastka w badanym obszarze. Nowoczesne systemy EDS potrafią utworzyć mapy w odcieniach szarości, pokazujące względną intensywność impulsu w każdym punkcie, wymaga to jednak zastosowania wystarczająco długiego czasu postoju wiązki w każdym punkcie analitycznym. Podczas jednego przebiegu wiązki analitycznej można zarejestrować mapy rozkładu dla kilkunastu pierwiastków. ESEM Environmental Scanning Electron Microscopy Podstawowymi ograniczeniami możliwości konwencjonalnych SEM są wymagania jakie musi spełnić próbka, która ma być umieszczona w warunkach wysokiej próżni (10-5 Torra) w komorze mikroskopu: Odporność na warunki próżniowe – umieszczenie w warunkach wysokiej próżni nie może powodować zmian w strukturze i składzie próbki. Próbka taka nie może zawierać wilgoci ani innych zanieczyszczeń (np. lotnych węglowodorów) których wydzielenie się w wysokiej próżni mogłoby spowodować podwyższenie ciśnienia w komorze, uszkodzenie detektora lub zanieczyszczenie mikroskopu. Przewodnictwo elektryczne . Wiązka elektronów przekazuje próbce duży ładunek elektryczny. W materiałach przewodzących jest on odprowadzany za pośrednictwem stolika mikroskopu do ziemi. Próbki nie wykazujące przewodnictwa muszą być pokryte warstwą substancji przewodzącej (węgla, srebra lub złota), w celu uniknięcia gromadzenia się na ich powierzchni ładunku, który może powodować lokalne zakłócenia w emisji elektronów wtórnych, a nawet odbicie wiązki elektronów. Większość próbek wymaga więc specjalnego przygotowania – suszenia, odgazowania i napylenia warstwą przewodzącą. Należy pamiętać o tym, że przygotowania te mogą spowodować uszkodzenie próbki, a także powstanie artefaktów. Rozwiązanie wielu powyższych problemów przyniosła środowiskowa elektronowa mikroskopia skaningowa (ESEM), która rozwinęła się w połowie lat osiemdziesiątych. ESEM posiada wszystkie zalety konwencjonalnej SEM, a ponadto nie wymaga umieszczenie próbki w wysokiej próżni. Dzięki zastosowaniu specjalnego systemu zaworów, pomiędzy kolumną mikroskopu i komorą próbki można umieścić próbkę w środowisku o zmiennych parametrach: Skład gazu tworzącego atmosferę w komorze jest dowolny Ciśnienie do 50 Torrów Temperatura do 1500 C. W ESEM próbki nie przewodzące, zawierające wilgoć czy substancje lotne mogą być obserwowane w stanie naturalnym, bez specjalnych przygotowań. Ponadto ESEM stwarza dodatkowe możliwości badawcze, np. obserwacji próbek: uwodnionych, emitujących światło, wykazujących fluorescencję i katodoluminescencję obserwacji delikatnych struktur np. biologicznych, utrzymywanych przez wewnętrzne siły hydrostatyczne obserwacji dynamicznych zmian, jakim podlegają próbki w zmiennych warunkach ciśnienia, temperatury i składu atmosfery (rozciąganie, ściskanie, rozprzestrzenianie się spękań, rozwarstwianie, uwadnianie, odwadnianie, sublimacja) obserwacji interakcji między próbką i zmieniającym się środowiskiem (pochłanianie i oddawanie wilgoci do środowiska, wzrost kryształów i ich rozpuszczanie, korozja, trawienie). Dyfraktometria rentgenowska XRD Przypomnienie – skąd biorą się refleksy? konstrukcja Ewalda Teoria Braggów 1/d(22 0) nλ=2dsinΘ R’ 2Θ R K Θ Najbardziej ogólny schemat urządzenia do dyfrakcji rentgenowskiej Źródło x detektor próbka Linia wiązki padającej Linia wiązki odbitej Metody pomiarowe Monokrystaliczne: Polikrystaliczne (proszkowe): • Metoda Lauego • Deby’a-Scherrer’a-Hull’a • Metoda obracanego kryształu • Dyfraktometr dwukołowy (geometria Bragg’a-Brentano) • Dyfraktometr czterokołowy Konstrukcja Ewalda a układy pomiarowe Metoda Lauego min Metoda obracanego kryształu max a* a* b* b* Metoda Lauego klisza „biała” wiązka monokryształ Lauegram krzemu Czterokołowy dyfraktometr do badań monokryształów f licznik 2 k Metody polikrystaliczne: DSH Współczesny dyfraktometr DSH (synchrotron Spring-8, Japonia) Dyfraktometr dwukołowy 2Θ Θ Inte sity(counts) Wynik pomiaru - dyfraktogram 1 44 1 00 64 36 10 15 20 25 30 35 40 45 50 5 5 2T h et a 60 (° ) Intensity (counts) Rentgenogram substancji amorficznej 1500 1000 500 0 20 25 30 35 40 45 50 Rentgenogram substancji krystalicznej 55 60 65 2Theta (°) Jakich informacji dostarcza nam dyfraktogram? Pozycja refleksów Grupa symetrii przestrzennej Parametry komórki elementarnej Naprężenia wewnętrzne (jednorodne) - ciśnienie Intensywność Szerokość połówkowa Rozmieszczenie jonów w komórce elementarnej Naprężenia wewnętrzne (niejednorodne) Tekstura Ilość materiału w substancjach wielofazowych Wielkość krystalitów Metody nuklearne Metody nuklearne, wykorzystujące radioizotopy, są bardzo przydatne w badaniach składników mineralnych i ciężkich pierwiastków, a możliwe jest również ich zastosowanie do badań pierwiastków lekkich przez stosowanie cząstek naładowanych. Metody te znaleźć mogą przykładowo zastosowanie do analizy warstwy hydroksyapatytu wzbogaconej o pierwiastki związane ze wzrostem kości. Metody chemiczne Stosowane są do wszystkich rodzajów biomateriałów Obejmują najczęściej metody takie, jak: analiza chemiczna ilościowa „mokra”, analiza chemiczna instrumentalna spektrofotometria Ramanowska spektroskopia optyczna emisyjna spektroskopia w podczerwieni Metody określania składu fazowego implantów Do najczęściej stosowanych metod badań składu fazowego materiałów, głównie tworzyw metalowych, należą: spektroskopia masowa jonów wtórnych (SIMS Secondary Ion Mass Spectroscopy) dyfrakcja elektronów wtórnie rozproszonych (EBSD Electron Back Scaterring Diffractometry) Metoda Augera Metoda LEED Metody badań mikrostruktury Ocenę mikrostruktury powierzchni w aspekcie jej morfologii (wielkości ziaren, wielkości wydzieleń, ich rozkładu) prowadzi się głównie następującymi metodami: mikroskopia optyczna mikroskopia elektronowa prześwietleniowa (transmisyjna) mikroskopia elektronowa skaningowa Ważkim problemem jest pomiar grubości warstw tlenkowych i dyfuzyjnych. Do badania powierzchni tytanu i hydroksyapatytu przydatna jest spektroskopia elektronów Augera Metody oceny powierzchni Badania stanu powierzchni wykonuje się obecnie głównie metodami mikroskopii elektronowej: mikroskopia elektronowa skaningowa, mikroskopia laserowa skaningowa konfokalna mikroskopia siły atomowej, mikroskopia skaningowa tunelowa. Mikroskopia konfokalna - odmiana mikroskopii świetlnej charakteryzująca się powiększonym kontrastem, a zatem i rozdzielczością. Używana do uzyskania wysokiej jakości obrazów oraz rekonstrukcji obrazów w trzech wymiarach. Koncept mikroskopii konfokalnej w porównaniu z klasyczną świetlną-szerokiego pola, opiera się na usunięciu, przy wejściu do detektora, światła, które wpadło do obiektywu spoza płaszczyzny ogniskowania. Usuwa się także wszelkie odbłyski nie pochodzące bezpośrednio z miejsca ogniskowania. Używa się w tym celu dodatkowej przesłony z dziurką, umieszczonej przed wejściem do detektora. Technika mikroskopii konfokalnej znalazła szerokie zastosowanie w naukach biologicznych oraz w technice (na przykład do badania półprzewodników). Idea Podstawy obrazowania konfokalnego zostały opatentowane przez Marvina Minsky'ego w 1961. W zwykłej mikroskopii (szerokiego pola, w tym mikroskopie fluorescencyjnym) próbka jest oświetlana przez źródło światła w całości. W odpowiedzi na to, albo odbija światło, albo fluoryzuje, przy czym sygnały te są zbierane przez obiektyw. Obiektyw zbiera sygnał nie tylko z miejsca ogniskowania, ale z całego przekroju próbki. Powoduje to, że tło wobec sygnału z miejsca ogniskowania jest dość wysokie, co zmniejsza kontrast. Zastosowanie przesłony z małym otworem przed detektorem (na przykład kamerą CCD), odcina sygnał dochodzący spoza płaszczyzny ogniskowania, co znacznie powiększa kontrast i jakość uzyskanego obrazu. Grubość takiej płaszczyzny ogniskowania, a zatem rozdzielczość pionowa mikroskopu, jest zwykle zależna od soczewek obiektywu, ale też od właściwości samej próbki. Typy mikroskopów konfokalnych Obecnie używa się głównie trzech typów mikroskopów konfokalnych: skanujące laserowe mikroskopy konfokalne (ang. Scanning Laser Confocal Microscopes) mikroskopy konfokalne z wirującym dyskiem (ang. Spinningdisk Confocal Microscopes) PAM (ang. Programmable Array Microscopes). Pierwsze gwarantują obrazy najlepszej jakości, ale charakteryzują się długim czasem obrazowania FPS niższa niż 3/sek.. Mikroskopy konfokalne z wirującym dyskiem pozwalają z kolei na bardzo szybkie zbieranie obrazów, co pozwala na montowanie z nich sekwnencji filmowych, ale obrazy cechuje nieco gorsza jakość i inne ograniczenia. Mikroskop skaningowy tunelowy Budowa i zasada działania Skaningowy mikroskop tunelowy działa w oparciu o efekt tunelowy. Ostrze i próbkę zbliżamy na odległość około 1 nm. Następnie przykładamy różnicę potencjałów U rzędu 1-3 V, która powoduje powstanie różnicy w poziomach Fermiego ostrza i próbki, dostarczając tym samym wolnych stanów po stronie ostrza ( przy założeniu, że ma ono wyższy potencjał względem próbki). Przemieszczając teraz ostrze ponad badaną powierzchnią, system rejestruje zmiany prądu tunelowego IT w funkcji odległości ostrze-próbka, tworząc zbiór danych, który po odpowiednich przeliczeniach daje obraz próbki. Różnica w poziomach Fermiego ostrza Ef2 i próbki Ef2 po przyłożeniu napięcia polaryzującego U Schematyczne zobrazowanie działania mikroskopu tunelowego STM. U oznacza napięcie polaryzacji między ostrzem i próbką, IT mierzony prąd tunelowy, I0 - prąd odniesienia Badania powierzchni wykonuje się także w celu określenia ilościowych cech opisujących nierównomierność powierzchni, jak chropowatość i falistość. Do pomiarów stosuje się profilometry różnego rodzaju Do badania powierzchni tytanu i hydroksyapatytu przydatna jest spektroskopia elektronów Augera Badania adsorpcji cząstek organicznych (bakterii) lub warstw prowadzi się określając izotermy adsorpcji lub potencjał elektroforetyczny zeta Metody oceny korozji W przypadku biomateriałów metalowych badane są głównie formy korozji elektrochemicznej: ogólna, wżerowa i szczelinowa. Do tej pory brak jest jednolitych procedur badawczych. Temperatura roztworu korozyjnego wynosi zawsze 37C. W badaniach biomateriałów przewidzianych do stosowania w ciele ludzkim jako endoprotezy stawów proponowane są różne składowo, choć zbliżone roztwory korozyjne symulujące płyny ustrojowe (Simulated Body Fluids) UKŁAD TKANKOWY I DEGRADACJA BIOMATERIAŁÓW REAKCJE BIOLOGICZNE NA GRANICY IMPLANT-ORGANIZM Materiał przeznaczony do implantacji w tkanki żywego organizmu powinien być biozgodny i biofunkcjonalny. Jeśli taki nie jest, ciało może zareagować na „intruza” różnymi typami reakcji miejscowej. Reakcje zapalne mogą się objawiać np. odrywaniem się cząstek materiału z powierzchni implantu na skutek tarcia lub nacisku. Innym zjawiskiem występującym w odpowiedzi na wprowadzenie biomateriału do środowiska biologicznego zarówno in vitro, jak i in vivo jest wytworzenie biofilmu na jego powierzchni Procesy zachodzące na granicy faz implantorganizm mają charakter molekularny i dotyczą najmniejszych cząstek, takich jak woda lub większych, takich jak proteiny. Środowisko biologiczne wywiera wpływ na powierzchnię implantu m.in. poprzez swój skład chemiczny oraz pH Implantowany biomateriał w środowisku tkankowym jest najczęściej pokryty cienką warstwą makrofagów przylegających do implantu, gęsto upakowaną warstwą kolagenu o grubości ok. 100 µm oraz zewnętrzną, luźną warstwą naczyń krwionośnych. Molekuła, by przedostać się do powierzchni implantu musi te warstwy pokonać. Ważnym problemem związanym z wszczepianiem implantów jest niebezpieczeństwo infekcji. Na odpowiedź organizmu na wszczepienie obcego ciała wywierają wpływ zarówno czynniki ogólnoustrojowe, jak i lokalne. Tak więc odpowiedź układu immunologicznego na implant może być zmieniona przez obecność bakterii oraz biofilmów na powierzchni implantu. Powstanie biofilmu Rozmieszczenie i grubość biofilmu zależą od właściwości powierzchni, głównie takich jak: skład chemiczny, topografia, energia powierzchniowa i ładunek elektryczny. Może on tworzyć warstwy jednorodne i równomiernie rozmieszczone, nieregularną sieć lub wyspy. Rozrastanie się warstwy biofilmu jest możliwe dzięki powstawaniu bocznych połączeń między łańcuchami białek. Skład, rozmieszczenie i grubość biofilmu zmienia się w czasie kontaktu materiału z organizmem. Uszkodzenie warstwy pasywnej implantu powoduje, że dochodzi do bezpośredniego kontaktu komórek z powierzchnią materiału. Z biomateriału są wówczas uwalniane do środowiska otaczającego biomateriał składniki stopu. Zmiany korozyjne zachodzące na powierzchni materiału nasilają reakcję zapalną, a jej konsekwencją jest śmierć jednych i proliferacja innych komórek, co z kolei przyczynia się do przebudowy (remodeling) tkanek stykających się z biomateriałem. Badania korozyjne W przypadku materiałów metalicznych dochodzi do biokorozji, i w efekcie tego zjawiska, do pojawienia się w obrębie kontaktującej się z implantem tkanki jonów metali w dużej koncentracji. SBF Simulated Body Fluids Roztwór Tyrode`a Roztwór Hanksa Roztwór Ringera Roztwór Cigada Roztwór Michaelita Roztwór Homsysa Roztwór Earlsa Ogólnie: mieszaniny chlorków, fosforanów, węglanów, siarczanów, glukozy Inne środowiska Plazma krwi ludzkiej Serum krwi cielaka Sól fizjologiczna Cysteina Kwas mlekowy SBF z dodatkiem białek (np. krowiego) Szybkość korozji oceniana jest najczęściej metodami: wirującego dysku potencjodynamicznych krzywych polaryzacji; prowadzi się często badania cyklicznie oceniając odporność na korozję jako różnicę między potencjałami przebicia i repasywacji wyznaczania potencjału obwodu otwartego elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej cyklicznej polaryzacji Metody badań własności mechanicznych Próby wytrzymałościowe wykonuje się klasycznymi metodami, mierząc najczęściej wytrzymałość na rozciąganie dla tworzyw metalowych, na ściskanie dla ceramik i polimerów oraz na zginanie dla implantów, także z powłoką. Próby zginania wykonuje się najczęściej metodą 3-punktową Próby rozciągania przeprowadza się przy stosunkowo niskiej szybkości odkształcania, rzędu 0,5-1 mm/min, tj. 10-4 – 10-5 s-1 Moduł Younga mierzy się dla warstw metodami nanoindentacji Badania zużycia ściernego prowadzi się przy pomocy metody „pin-on-disc”. Stosuje się też modele stawu biodrowego Klasyczna metoda zmęczeniowa stosowana do materiałów na implanty stawu biodrowego zakłada stosowanie częstotliwości 10 Hz. Częstotliwość ta pozwala na przyspieszenie badań, ale odbiega od warunków rzeczywistych, nie pozwala też na badanie wpływu środowiska korozyjnego, dla którego szybkości odkształcania rzędu 10-2 s-1 oraz częstotliwości < 1 Hz muszą być stosowane. Ciekawym rozwiązaniem jest czteropunktowe badanie zmęczeniowe w roztworze Singera w 37°C przy nakładaniu obciążeń zmęczeniowych złożonych z bloków sumujących wchodzenie lub schodzenie (50 cykli) oraz pojedynczych ruchów imitujących stanie lub siedzenie. Takie widmo powoduje zmniejszenie żywotności zmęczeniowej o ponad 50% w stosunku do wyników uzyskanych klasyczną metodą. F [N] 3500 350 f=4Hz n = 100 000 cykli czas Badania tribologiczne i tribokorozyjne Oznaczenia: 1, 2 - badane próbki materiału, 3 - układ pomiarowy momentu tarcia, 4 - układ pomiarowy siły normalnej, 5 - stopa kulista łożyska hydrostatycznego 6 - samonastawne łożysko wzdłużne, 7 - nurnik hydrauliczny wywołujący siłę docisku próbek, 8 - silnik napędowy prądu stałego, 9 - przekładnia z pasem zespolonym wieloklinowym lub zębatym, 10 - łożysko hydrostatyczne wzdłużne, 11 - wrzeciono, 12 - prądnica tachometryczna do pomiaru prędkości, 13 - łożyska hydrostatyczne wrzeciona, 14 - łożyska hydrostatyczne nurnika, 15 - korpus. Głębokość w ytarcia w próbkach ze stopu tytanu nadtopionych laserow o 200 180 Głębokość wytarcia [um] 160 140 1P 120 2P 100 3P 80 ŚREDNIA 60 40 20 0 0 1 2 0,12 . 0,10 Ubytek masy [g] 0,08 1P 2P 0,06 3P ŚREDNIA 0,04 0,02 0,00 1 2 3 4 Czas [m in] 5 6 4 Czas [m in] Zużycie w ag. próbek ze stopu tytanu nadtopionych laserow o 0 3 7 5 6 7 Pomiary mikrotwardości mają na celu określenie twardości powierzchniowej materiału, często w obszarach ograniczonych do określonych wydzieleń. Ma to znaczenie przy obróbce powierzchniowej prowadzącej do wzrostu twardości. Z tego względu pomiary mikrotwardości prowadzone są także na przekrojach w celu określenia głębokości zmienionej strefy. Do najczęściej stosowanych metod należą: pomiary przy zastosowaniu wgłębnika Knoopa pomiary mikrotwardości Vickersa Metody badań biozgodności Biozgodność jest szerokim pojęciem bazującym na obserwacjach wrogich odpowiedzi i produktów degradacji biomateriałów. Jedną z możliwości takich odpowiedzi jest alergia na metale lub specyficzna immunologiczna nadwrażliwość. Uważa się, że taka nadwrażliwość występować może w przypadku materiałów do układu krążenia, ortopedycznych, stosowanych w chirurgii plastycznej i dentystycznych. Metody badania alergii … Biologiczna ocena biozgodności zgodna z normą ISO Test genotoksyczności, kancerogenności Toksyczność związana z rozrodczością Reakcja z krwią Cytotoksyczność in vitro Lokalny efekt po wszczepieniu materiału Toksycznośc ogólnoustrojowa Wpływ sterylizacji Testy oceniające wrażliwość i reakcje alergiczne na obecność materiału Identyfikacja i ocena ilościowa produktów degradacji Biologiczna ocena biozgodności zgodna z normą ISO Wymaga: badań in vitro na izolowanych komórkach lub tkankach badań in vivo na zwierzętach prób przedklinicznych Ocena biozgodności Podstawowe oceniane parametry: Proliferacja komórek (rozmnażanie komórek przez podział) Liczba komórek martwych w populacji Adhezja komórek i tworzenie biofilmu Adhezja bakterii Inne Proliferacja komórek Liczba komórek w hodowli, oceniana po różnym okresie inkubacji w porównaniu z hodowlą kontrolną Ekspresja białka 53 oraz białka Ki67 Badania adhezji Adhezja komórek i tworzenie biofilmu Interesującym sposobem badań adhezji komórek, bazującej na oddziaływaniach komórka – polimer, jest zastosowanie rezonatora wykonanego z kryształu kwarcu. Stosowane są cienkie błony różnych bioaktywnych polimerów nakładane na rezonator. Badania wrastania kości Badane parametry: szybkość wrastania (powierzchnia kontaktu) siła wiązania (siła niezbędna do oderwania implantu)
