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 37C.
 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)
Download
Random flashcards
Motywacja w zzl

3 Cards ypy

Create flashcards