Модификация поверхности наноструктурированного титана методами химического травления и молекулярного наслаивания для регулирования биомедицинских свойств тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 02.00.21, кандидат наук Назаров Денис Васильевич

• Назаров Денис Васильевич
• кандидат наук
• 2019

Оглавление диссертации кандидат наук Назаров Денис Васильевич

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Химия и физика поверхности твердого тела. Остовная модель

1.2 Биоматериалы для медицинских имплантов. Характеристики поверхности

1.2.1 Общая характеристика биоматериалов

1.2.2 Роль поверхности биоматериалов

1.3 Титан как материал для медицинских имплантов

1.3.1 Механические свойства крупнозернистого, ультрамелкозернистого титана и сплавов на его основе

1.3.2 Особенности структуры и состава поверхности титана

1.4 Влияние рельефа поверхности на биомедицинские свойства титана

1.4.1 Микрорельеф

1.4.2 Нанорельеф

1.4.3 Гибридный и иерархический микро/нанорельеф. Синергетический эффект и биомиметика

1.5 Методы модификации поверхности биоматериалов

1.5.1 Методы, направленные на модификацию рельефа и состава поверхности

1.5.2 Методы нанесения покрытий для улучшения биомедицинских свойств

1.6 Метод молекулярного наслаивания

1.6.1 Синтез нанопокрытий диоксида титана методом МН-ALD

1.7 Процесс остеоинтеграции

1.8 Методы исследования биомедицинских свойств имплантов in vitro и in vivo

1.9 Заключение по литературному обзору

ГЛАВА 2 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

2.1 Основные вещества, использованные в работе и их назначение

2.2 Подготовка поверхности и химическое травление титана в сернокислом и аммиачном растворах пиранья

2.3 Синтез покрытий на поверхности титана методом МН-ALD

2.4 Рентгенофазовый анализ

2.5 Сканирующая электронная микроскопия

2.6 Весовой анализ образцов (ТГА)

2.7 Метод эллипсометрии

2.8 Атомно-силовая микроскопия

2.9 Рентгенофлуоресцентный анализ

2.10 Метод лежащей капли

2.11 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия

2.12 Времяпролетная вторично ионная масс-спектрометрия

2.13 Исследование биоактивности образцов in vitro

2.13.1 Анализ адгезии клеток остеобластов МС3Т3-Е1

2.13.2 Определение жизнеспособности клеток остеобластов

2.13.3 Определение пролиферации клеток остеобластов

2.13.4 Определение дифференцировки клеток остеобластов

2.14 Исследование биоактивности образцов in vivo

ГЛАВА 3 ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ

3.1 Исследование скорости травления КЗ и УМЗ титана в основном и кислотных растворах пиранья

3.2 Исследование рельефа и морфологии поверхности КЗ и УМЗ титана после травления в кислотном и основном растворах пиранья

3.2.1 Сканирующая электронная микроскопия

3.2.2 Атомно-силовая микроскопия

3.2.3 Сравнительный анализ морфологии и рельефа поверхности травленного УМЗ и КЗ титана

3.3 Исследование состава поверхности КЗ и УМЗ титана после травления в кислотном и основных растворах пиранья

3.3.1 Рентгеновская фотоэлектронная спектроскопия и рентгеновский флуоресцентный анализ

3.3.2 Времяпролетная вторично ионная масс-спектрометрия

3.4 Общая характеристика травления КЗ и УМЗ титана

3.5 Оптимизация процесса травления УМЗ титана

3.6 Нанесение покрытий методом МН-ALD

3.6.1 Разработка методики нанесения пленок на подложках с развитой поверхностью

3.6.2 Синтез нанопокрытий диоксида титана на поверхности травленного УМЗ титана

3.7 Рельеф и морфология поверхности образцов с нанесенным покрытием

3.7.1 Сканирующая электронная микроскопия

3.7.2 Атомно-силовая микроскопия

3.8 Исследование состава и кристаллической структуры поверхности образцов с нанесенным покрытием

3.8.1 Анализ состава поверхности образцов

3.8.2 Анализ кристаллической структуры поверхности образцов

3.9 Анализ смачиваемости поверхности

3.10 In vitro испытания образцов модифицированного УМЗ титана

3.10.1 Оценка адгезии клеток остеобластов МС3Т3-Е1

3.10.2 Оценка жизнеспособности и пролиферации клеток остеобластов МС3Т3-Е1

3.10.3 Оценка дифференцировки клеток остеобластов МС3Т3-Е1

3.11. In vivo испытания образцов модифицированного УМЗ титана

3.11.1 Клинические наблюдения

3.11.2 Рентгенологические испытания

3.11.3 Анализ приживляемости имплантов

3.11.4 Анализ поверхности образцов после извлечения

3.12 Взаимосвязь между морфологией, рельефом, составом и цитологическим откликом

3.13 Сравнение полученных результатов с литературными данными

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список сокращений и условных обозначений

Благодарности

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Модификация поверхности наноструктурированного титана методами химического травления и молекулярного наслаивания для регулирования биомедицинских свойств»

Актуальность темы исследования

Одной из важнейших задач химии твердого тела и современного материаловедения является разработка новых методов синтеза и модификации поверхности материалов с целью улучшения их функциональных свойств. В настоящий момент одной из наиболее интересных и актуальных тем для исследований в области материаловедения является разработка биоматериалов для ортопедических и дентальных имплантов. Титан его сплавы обладают рядом уникальных механических свойств и биосовместимостью, что позволяет успешно использовать эти материалы для изготовления медицинских имплантов на протяжении более 50 лет [1-3]. В последние годы значительно возрос интерес наноструктурированному титану, который в современной литературе также называют ультрамелкозернистым (УМЗ). УМЗ титан обладает более подходящими для медицинских имплантатов механическими свойствами (высокая усталостная прочность, прочность на разрыв, пластичность, низкое значение модуля Юнга) в сравнении с крупнозернистыми (КЗ) аналогами [4-6], что обеспечивает надежность и увеличение срока службы имплантата.

Следует отметить, что вышеперечисленные механические свойства являются необходимым, но недостаточным фактором для успешного применения материала в качестве имплантата. Не менее важной характеристикой является биоактивность материала. Биоактивность определяется в первую очередь характеристиками поверхности, такими как химический состав, морфология, рельеф, гидрофильность, кристаллическая структура поверхностного слоя и др. [1,2]. Направленное регулирование характеристик поверхности титана проводят либо химическими, механохимическими, электрохимическими методами модификации либо путем создания на поверхности покрытий методами физического, химического либо электрохимического осаждения [1,7].

Степень разработанности темы исследования

Исследованию влияния характеристик поверхности титана и его сплавов на цитологический отклик in vitro и успешность применения в качестве имплантов в живых организмах in vivo посвящено множество работ [1-3]. За последние годы разработано огромное количество материалов для медицинских имплантов. Многие из них успешно применяются. Тем не менее, данная область исследований до сих пор ставит перед исследователями большое количество важных вопросов. Например, какова роль и эффект воздействия микроразмерного и наноразмерного рельефа, а также микро- и/или наноструктур на биоактивность материала? Проявляется ли синергетический эффект для иерархических двухуровневых микро/наноструктур поверхности и если он проявляется, то каковы его причины и особенности? Каковы особенности модифицирования УМЗ материалов по сравнению с КЗ аналогами и как эти особенности влияют на биоактивность материала?

Цели и задачи

Целью данной работы является исследование особенностей модификации рельефа, морфологии и состава поверхности ультрамелкозернистого (УМЗ) и крупнозернистого (КЗ) титана методами химического травления и молекулярного наслаивания, а также выявление взаимосвязи между физико-химическими характеристиками и биоактивностью модифицированных поверхностей in vitro и in vivo.

Для достижения цели были поставлены и решены следующие задачи:

1. Исследование особенностей химического травления УМЗ и КЗ титана в аммиачном (NH4OH/H2O2) и сернокислом (H2SO4/H2O2) растворах пиранья.

2. Разработка методик химического травления, позволяющих варьировать рельеф, морфологию и состав поверхности УМЗ и КЗ титана.

3. Разработка методики синтеза нанопокрытий оксида титана на поверхности титана с сохранением особенностей рельефа поверхности методом молекулярного наслаивания.

4. Анализ рельефа, морфологии и состава модифицированных поверхностей УМЗ и КЗ титана.

5. Исследование биомедицинских характеристик полученных образцов in vitro и in vivo.

6. Поиск взаимосвязи между характеристиками рельефа, морфологии, состава и биоактивностью модифицированных поверхностей.

7. Анализ возможностей методов химического травления и молекулярного наслаивания для регулирования биомедицинских характеристик поверхности титана. Поиск наиболее перспективных образцов и методик для практического использования.

Научная новизна

1. Впервые исследованы особенности химического травления КЗ и УМЗ титана в аммиачном и сернокислом растворах пиранья, а также физико-химические характеристики поверхности модифицированных образцов.

2. Впервые проведено сравнительное исследование особенностей химического травления УМЗ и КЗ титана. Показано, что УМЗ титан проявляет большую активность, а образующиеся структуры на поверхности более однородны.

3. Впервые методом молекулярного наслаивания получены нанопокрытия диоксида титана на поверхности химически травленного УМЗ титана с развитым рельефом. Разработана методика синтеза покрытий оксида титана со структурой анатаза на поверхности УМЗ титана с сохранением особенностей его рельефа.

4. In vitro и in vivo исследованы биомедицинские свойства УМЗ титана с различными характеристиками состава, рельефа и морфологии поверхности (наличие микро-, нано- и гибридного микро-/нанорельефа). Образцы УМЗ титана с гибридным рельефом, покрытые наноплёнкой оксида титана, показали наилучшие результаты по дифференцировке и пролиферации клеток остеобластов in vitro и приживляемости in vivo.

5. Впервые применен комплексный подход, включающий использование методов интенсивной пластической деформации (ИПД), химического травления и молекулярного наслаивания для создания биоактивного материала костного импланта с улучшенной приживляемостью. In vitro и in vivo показана успешность и перспективность комплексного подхода.

Теоретическая и практическая значимость работы

1. Полученные экспериментальные данные о химическом травлении УМЗ и КЗ титана подтверждают теоретические представления о большей химической активности УМЗ материалов в сравнении КЗ аналогами.

2. Продемонстрирована перспективность использования растворов пиранья для создания развитого рельефа на поверхности как КЗ, так и УМЗ титана.

3. Разработана методика получения нанопокрытий оксида титана со структурой анатаза на поверхности титана с сохранением особенностей рельефа подложки методом молекулярного наслаивания при температуре синтеза 250оС.

4. Показана перспективность комплексного подхода, включающего использование методов ИПД, химического травления и молекулярного наслаивания, для создания биоактивного материала ортопедического импланта. Полученные с помощью данного подхода импланты c развитым микро/нанорельефом показали наилучшие результаты по дифференцировке клеток остеобластов in vitro (в 2,5-3 раза выше контроля) и приживляемости (толщина кортикального слоя и сила извлечения в 5,5 и 3,5 раза выше соответственно в сравнении с немодифицированными образцами) согласно данным in vivo испытаний.

Методология и методы исследования

Экспериментальные образцы УМЗ титана подготавливались с использованием метода ИПД. Модификация поверхности проводилась с помощью методов химического травления и молекулярного наслаивания. Рельеф, морфология и состав поверхности исследовались при помощи атомно-силовой

микроскопии (АСМ), сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), рентгенофазового анализа (РФА), спектральной эллипсометрии (СЭ), рентгенофлуоресцентной спектроскопии (РФлА), рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (РФЭС) и время пролетной вторично ионной масс-спектроскопии (ВПВИМС). Биомедицинские характеристики материалов и имплантов исследовались in vitro и in vivo. Статистическая и математическая обработка полученных данных проводилась при помощи программного обеспечения MS Office 2010 и Origin 9.0. На заключительной стадии проводился подробный анализ полученных результатов и их сравнение с современными литературными данными.

Основная часть работы выполнена автором самостоятельно. Вклад соискателя заключается в анализе литературных данных по теме исследования, постановке цели и задач исследования, приготовлении образцов, самостоятельной обработке, анализе и обобщении экспериментальных данных, подготовке публикаций. Часть исследований проведена с использованием оборудования и при участии сотрудников ресурсных центров «Инновационные технологии композитных наноматериалов», «Нанотехнологии», «Нанофотоника», «Физические методы исследования поверхности», «Рентгендифракционные методы исследования» Научного Парка СПбГУ. Экспериментальные исследования биомедицинских свойств были проведены сотрудниками «ФГБУН Институт цитологии РАН» к.б.н. Шевцовым М.А. и к.б.н. Юдинцевой Н.Ю.

Положения, выносимые на защиту

1. Результаты исследования влияния условий химического травления (тип травителя и длительность выдержки) на морфологию, рельеф, гидрофильность и химический состав поверхности УМЗ и КЗ титана.

2. Результаты сравнительного анализа особенностей химического травления УМЗ и КЗ титана.

3. Методика синтеза методом молекулярного наслаивания нанопокрытий оксида титана со структурой анатаза на поверхности УМЗ титана с

сохранением особенностей рельефа подложки при температуре синтеза 250оС.

4. Результаты in vitro и in vivo исследований УМЗ титана с различными физико-химическими характеристиками поверхности, полученными методами химического травления и молекулярного наслаивания.

5. Выявленные взаимосвязи между рельефом, морфологией, составом поверхности и цитологическим откликом клеток остеобластов линии МС3Т3-Е1. Полученные данные демонстрируют, что различные характеристики рельефа, морфологии, смачиваемости и состава поверхности могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на скорость адгезии, жизнеспособность, пролиферацию, дифференцировку клеток остеобластов.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов определяется использованием комплекса современных независимых физико-химических методов исследования, проверкой воспроизводимости результатов и проведения статистического анализа полученных данных.

Основные результаты были представлены на 8 всероссийских и международных конференциях и симпозиумах: 11-й международной научно-технической конференции «современные металлические материалы и технологии (CMMT-15, Санкт-Петербург, 2015), 18 и 19-й международных междисциплинарных симпозиумах «Order, disorder and Properties of Oxides» (Ростов-на-Дону - п. Южный, 2015, 2016), X Международной конференции молодых учёных по химии «Менделеев-2017» (Санкт-Петербург, 2017), международных конференциях Euromat-2017 (Салоники, 2017), «Atomic Layer Deposition: Russia - 2017» (Санкт-Петербург, 2017), международных конференциях-семинарах «New trends in producing UFG materials by SPD processing» (Санкт-Петербург, 2016) и «New trends in research of UFG materials produced by SPD» (Санкт-Петербург, 2017).

Данная работа выполнена в соответствии с планом работы по НИР «Разработка научно-технологических основ получения композиционного

наноматериала на основе наноструктурированной матрицы титана и поверхностного биоактивного нанопокрытия для повышения механических и биомедицинских свойств имплантатов» в рамках ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», контракт № 14.604.21.0084, в рамках мегагранта Министерства образования и науки России (Договор 14.В25.31.0017) и гранта СПбГУ Мероприятие 3 «Актуальные проблемы механики объёмных наноматериалов» 2018-2020 г.

По материалам диссертации опубликовано 4 статьи в научных журналах, индексируемых в базе данных Scopus, Web of Science и 7 тезисов докладов на всероссийских и международных научных конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 3 глав, выводов, списка литературы (1 51 наименование) и приложения. Работа изложена на 157 страницах машинописного текста, содержит 85 рисунков и 14 таблиц.

ГЛАВА 1 ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1 Химия и физика поверхности твердого тела. Остовная модель

Явления, возникающие на поверхности твердого тела, такие как адсорбция, катализ, смачивание и др., использовались в хозяйственной и культурной деятельности человечества на протяжении многих веков. Однако серьезное научное исследование поверхности твердого тела началось только в XIX веке. Серьезных успехов в исследовании этих процессов удалось достичь Майклу Фарадею, который разработал качественную теорию каталитического действия. Дж. Уиллард Гиббс заложил математические основы термодинамики и статистической механики, которые в дальнейшем были им использованы для описания термодинамики поверхностных явлений. В начале XX века большой теоретический и практический вклад в изучение физики и химии поверхности внес нобелевский лауреат по химии 1932 г. Ирвин Лэнгмюр. Первая половина XX века ознаменовалась огромными достижениями в области теоретических исследований физики поверхности (работы Тамма, Шокли, Шоттки, Мотта, Герни [8]). Развитие радиотехники, электроники, и, в частности, изобретения диода и транзистора оказало огромное влияние на представления о физике поверхности полупроводников. Успехи химической промышленности привели к повышенному интересу к явлениям адсорбции и катализа. Вторая половина XX века, благодаря развитию методов исследования поверхности, отличается большим количеством экспериментальных исследований, позволивших более глубоко понять различие между «реальной» и «атомарно-чистой» или «идеальной» поверхностью. Именно развитие экспериментальных методов изучения состава и структуры поверхности во многом обусловило прогресс последних лет в областях нанонауки и нанотехнологии.

Особенности природы и свойств поверхностного слоя твердого тела были очевидны для ученых в течение многих столетий. Еще Д.И. Менделеев отмечал, что атомы на поверхности твердого тела отличаются от атомов в его объеме [9]. Об особом характере химической реакционной способности поверхности писал

также Лэнгмюр в начале XX века [10]. Энергетическое состояние поверхности твердого тела значительно отличается от объема. Для некристаллических тел отличие вызвано изменением длины связей в приповерхностном слое (обычно поверхностный слой менее плотный), нарушением связей ближнего порядка, влиянием адсорбированных молекул, изменением концентрации дефектов и примесных атомов. Для кристаллических материалов отличие может быть также обусловлено изменением и наличием большого количества дефектов периодической решетки. Именно отличие энергетического состояния поверхности от объема с одной стороны и большая удельная доля поверхностных атомов с другой объясняет многие особенности свойств наночастиц и наноматериалов, такие как снижение температуры плавления и фазовых переходов [11].

Оригинальный подход к описанию химических процессов на поверхности твердого тела предложил В.Б. Алесковский в 50-х годах XX века. Согласно остовной гипотезе Алексковского: «в химическом строении твердого тела можно различить остов - сверхмногоатомный радикал, состоящий из структурных единиц «Ш», соединенных в одно целое ковалентными связями, и облекающие его функциональные группы А1, А2..., образующие поверхность Б данного твердого тела» (рисунок 1.1) [12,13].

Рисунок 1.1 - Остовная модель твердого тела по Алесковскому [12]

В связи с этим, все химические реакции c участием твердого тела можно разделить на остовные и поверхностные химические реакции. При этом реакционная способность остова обычно значительно меньше в сравнении с активностью поверхностных функциональных групп. Следует особо отметить, что, по мнению Алесковского, твердое тело необходимо рассматривать как гигантскую молекулу - надмолекулу, химические реакции с которой должны подчиняться классическим законам химии [9,12]. Остов можно представить как макрорадикал, поверхность которого занята химическими функциональными группами. Вследствие этого, появление на поверхности твердого тела новой функциональной группы, атома или молекулы химически связанных с ним может привести к получению нового вещества (надмолекулы) с новыми свойствами.

Особая важность химии поверхностных функциональных групп была показана в дальнейших работах В.Б. Алесковского и его учеников по изучению катализа и сорбции, химической сборке и молекулярного наслаивания [13,14], а также в разработке метода твердофазного синтеза пептидов нобелевским лауреатом Робертом Меррифильдом [15] и ряда методов получения тонких пленок таких как атомно-слоевое осаждение (Atomic Layer Deposition) [16], молекулярно-лучевая эпитаксия (Molecular Beam Epitaxion) [17] и др.

1.2 Биоматериалы для медицинских имплантов. Характеристики

поверхности

Необходимость в безопасных и эффективных биоматериалах значительно возрастает вследствие растущих требований к качеству медицинского обслуживания, увеличения численности населения на планете и общего старения человеческой популяции развитых стран. Так как процедура вживления в организм чужеродных ему объектов (имплантация) в большинстве случаев является довольно болезненной, дорогостоящей и несет значительные риски, современная медицина предъявляет серьезные требования к качеству и функциональным свойствам биоматериалов (таблица 1.1). Механические свойства материалов (прочность, пластичность, износостойкость, упругость и др.),

являются чрезвычайно важными характеристиками для долговременного и успешного применения в медицине. Механические свойства определяются объемом материала (объемное свойство). Однако основное требование к биоматериалам заключается в том, чтобы материал и окружающая физиологическая среда сосуществовали без какого-либо негативного воздействия друг на друга. Поскольку именно поверхность является интерфейсом, через который биоматериалы взаимодействуют с биологической средой, характеристики поверхности в первую очередь определяют успешность функционирования биоматериала в организме.

Таблица 1.1 - Характеристики металлов для биомедицинского применения

Свойство Применение Эффект

Модуль Юнга близкий Фиксация и замена костной ткани Предотвращение резорбции

к характерному для и ослабления фиксации

костной ткани импланта

Высокая усталостная Импланты, заменяющие ткани и Увеличение долговечности

прочность органы, подверженные длительным физическим нагрузкам

Коррозионная Все импланты Увеличение долговечности

устойчивость

Износостойкость Импланты, заменяющие ткани и органы, подверженные длительным физическим нагрузкам Увеличение долговечности

Биодеградируемость Стенты, фиксаторы костной ткани Удаление импланта после заживления без повторного хирургического вмешательства

Адгезия к мягким Дентальные импланты, искусственная Улучшенная фиксация в

тканям кожа и др. мягких тканях, препятствие распространения инфекций

Ингибирование адгезии тромбоцитов Имланты, контактирующие с кровью Антитромбогенные свойства

Низкая магнитная Все импланты и материалы Отсутствие артефактов при

восприимчивость МРТ исследованиях

1.2.1 Общая характеристика биоматериалов

Биоматериалы - это материалы, обладающие свойствами необходимыми для специфического взаимодействия с биологическими системами. Данные материалы используются в медицине для создания искусственных органов, реабилитационных устройств или для замены тканей [18].

Все материалы можно разделить по характеру взаимодействия с тканями живого организма на несовместимые, биоинертные, биотолерантные и биоактивные [18]. Несовместимые материалы выделяют либо содержат на своей поверхности вещества, неблагоприятные и опасные для живого организма, что может приводить либо к существенным проблемам в функционировании имплантата, его отторжению, либо к возникновению воспалительных процессов или даже смерти. Биоинертные материалы не выделяют и не содержат на своей поверхности токсичные для организма вещества. Биотолерантные материалы выделяют и могут содержать на своей поверхности токсичные для организма вещества, однако их концентрация недостаточна для возникновения негативных последствий для функционирования имплантата и здоровья. Биоактивные материалы обладают свойствами, обеспечивающими позитивное взаимодействие на границе имплантат-ткань и ускоренному приживлению имплантата.

Биоактивность является необходимым, но недостаточным фактором для успешного использования биоматериала. Важной характеристикой является высокая степень биосовместимости, то есть способность материала вызывать необходимую реакцию организма и успешность в конкретном приложении [1,18]. Биосовместимый материал не должен вызывать смерть клеток, воспаление, ухудшение клеточных и тканевых функций. Кроме того, биосовместимый имплант должен быть коррозионноустойчив в среде организма, обладать рядом механическими характеристик (твердость, модуль эластичности близкий к модулю костной ткани, высокая прочность на разрыв и усталостная прочность), а так же обладать определенной формой и дизайном.

1.2.2 Роль поверхности биоматериалов

Биоактивность материала определяется множеством факторов, однако ключевыми являются свойства поверхности. Наиболее существенный вклад в биосовместимость материала вносят такие параметры как смачиваемость, заряд поверхности, химический состав, рельеф (рисунок 1.2). [1,2]. Химический состав поверхности является важнейшей характеристикой, так как именно

поверхностные функциональные группы определяют характер взаимодействия биомолекул (протеины, интегрины, сигнальные молекулы и др.) с материалом импланта. Известно, что изменение состава поверхности может существенно изменить скорость адсорбции специфических протеинов, которые в свою очередь оказывают значительное влияние на клеточные структуры выступающих в роли триггера многих биохимических процессов [19]. Химический состав поверхности определяет коррозионную устойчивость материала. Например, наличие естественного окисла толщиной в несколько нанометров препятствует диффузии ионов титана в организм реципиента, обуславливает коррозионную устойчивость титана, что делает его одним из наиболее успешных материалов для ортопедических и дентальных имплантатов [1].

Характеристики поверхности металлических биоматериалов

О с л еээээзэеэ

Смачиваемое I ь ч .....У Заряд поверхности

Рельеф поверхности V Г . ч л у*у тУ Состав поверхности

Рисунок 1.2 - Основные характеристики поверхности, определяющие

биоактивность материала Величина заряда поверхности импланта является одной из главных характеристик, определяющих как скорость адсорбции биомолекул, так и адгезию клеток [20]. Положительный заряд поверхности стимулирует адсорбцию протеинов, а также адгезию и миграцию клеток [21,22]. Однако снижение адгезии при отрицательном заряде поверхности может не наблюдаться в случае высокой ионной силы среды (плазмы крови). В этом случае электростатическое отталкивание становится гораздо меньше сил Ван-дер-Ваальса [23].

Очевидно, что смачиваемость (гидрофильность) поверхности импланта также является ключевым фактором, определяющим скорость протекания

биохимических процессов. После того как биоматериал имплантируется, он находится в постоянном взаимодействии с физиологическими жидкостями организма. Несмотря на то, что наиболее гидрофильный имплантат благоприятствует смачиваемости плазмой крови и препятствует адсорбции тромбоцитов, гидрофобность поверхности может стимулировать адсорбцию протеинов [24,25], которая является первой и необходимой стадией приживления имплантата. Считается, что гидрофобная поверхность имеет меньшую теплоту адсорбции и способствует приобретению многими адсорбированными протеинами необходимой конфигурации [26]. С другой стороны, ряд исследователей показывают, что гидрофильная поверхность приводит к значительному улучшению адгезии, миграции, пролиферации и дифференцировке клеток [27,28].

Рельеф поверхности оказывает значительное влияние на морфологию, адгезию, миграцию, пролиферацию и дифференцировку клеток [1,29]. Рельеф поверхности может быть очень разнообразен как по форме тех или иных неоднородностей, так и по масштабу (можно различать макро-, микро- и нанорельеф). Поэтому каждая отдельная область применения биоматериалов требует использования специфичного рельефа. Более подробно это будет показано в разделе 1.4. В целом, большинство исследований показывают, что чем более развита поверхность, тем быстрее идут процессы сорбции биомолекул, адгезии и пролиферации клеток.

Следует отметить, что характеристики состава, заряда, рельефа и смачиваемости поверхности являются взаимосвязанными. Например, было показано [30,31], что увеличение концентрация ОН- групп на поверхности титана (фактор химического состава) улучшает адгезию и пролиферацию клеток за счет их диссоциации и увеличения положительного заряда поверхности (фактор заряда). В свою очередь концентрация гидроксильных групп растет при увеличении удельной поверхности имплантата (фактор рельефа).

Помимо вышеперечисленных свойств поверхности важно учитывать толщину слоя, которая определяет ту или иную характеристику. Например, такие факторы как смачиваемость, сорбция биомолекул или адгезия определяются приповерхностным слоем толщиной не более нескольких нанометров, в то время как ряд механических характеристик, таких как трибология или твердость могут затрагивать слои толщиной до нескольких сотен микрон. Диффузия металла через поверхность или коррозионная устойчивость в зависимости от множества факторов может ограничиваться защитным слоем толщиной от нескольких нанометров до десятков и сотен микрон [1].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Назаров Денис Васильевич, 2019 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Titanium in medicine / D.M. Brunette [et al.]; - New York, USA: Springer-Verlag, 2001. - P.1019.

2. Geetha, M. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants - A review / M.Geetha // Progress in Materials Science. - 2009. - V.54. - P.397-425.

3. Elias, C.N. Biomedical Applications of Titanium and its Alloys / C.N.Elias, [et al.] // JOM. - 2008. - V.60. - P.46-49.

4. Valiev, R.Z. Bulk Nanostructured Materials: Fundamentals and Applications / R.Z.Valiev, A.P.Zhilyaev, T.G.Langdon. - NJ, USA: John Wiley &. Sons, Inc: Hoboken, 2014. - P.440.

5. Mishnaevsky, L. Jr. Nanostructured titanium-based materials for medical implants: Modeling and development / L.Jr.Mishnaevsky [et al.] // Materials Science and Engineering R. - 2014. - V.81. - P.1-19

6. Tiwari, A. Advanced Biomaterials and Biodevices / A.Tiwari, A.N.Nordin (Eds.). -NJ, USA: John Wiley &. Sons, Inc: Hoboken, 2014. - P.578.

7. Liu, X. Surface modification of titanium, titanium alloys, and related materials for biomedical applications / X.Liu, P.K.Chu, C.Ding // Mater. Sci. Eng. R. - 2004. -V.47. - P.49-121.

8. Зенгуил, Э. Физика поверхности / Э.Зенгуил. - М.: Мир, 1990 - 536 с.

9. Алесковский, В.Б. Стехиометрия и синтез твердых соединений / В.Б.Алесковский. - Л.: Наука, 1976. - 142 с.

10. Лангмюир, И. Расположение электронов в атомах и молекулах и химические реакции на поверхности твердых тел / И.Лангмюир; пер. под ред. Л.Ф.Фокина. - Л.: Academia, 1925. - 168 с.

11. Родунер, Э. Размерные эффекты в наноматериалах / Э.Родунер. - М.: Техносфера, 2010. - 368 с.

12. Алесковский, В.Б. Остовная гипотеза и опыт приготовления некоторых активных катализаторов: автореф. дис. докт хим. наук: 02.00.04 / В. Б. Алесковский - Л., 1952. - 48с.

13. Алесковский, В.Б. Химия надмолекулярных соединений / В.Б.Алесковский. -СПб.: Изд-во С.-Петербургского ун-та, 1996. - 256 с.

14. Malygin, A.A. From V. B. Aleskovskii's "framework" Hypothesis to the Method of Molecular Layering/Atomic Layer Deposition / A.A.Malygin [et al.] // Chemical Vapor Deposition. - 2015. - V.21. - I.10-12. - P.216-240.

15. Merrifield, R.B. Solid Phase Peptide Synthesis. I. The Synthesis of a Tetrapeptide / R.B.Merrifield // Journal of the American Chemical Society. - 1963. - V.85. -P.2149.

16. George, S.M. Atomic Layer Deposition: An Overview / S.M.George // Chem. Rev. - 2010. - V.110. - P.111-131.

17. Ченг, Л. Молекулярно-лучевая эпитаксия и гетероструктуры / Л.Ченг, К.Плюг; пер. с англ. под ред. Ж.И. Алферова, Ю.В. Шмарцева. - М.: Мир, 1989. - 600 с.

18. Bauer, S. Engineering biocompatible implant surfaces Part I: Materials and surfaces / S.Bauer [et al.] // Progress in Materials Science. - 2013. - V.58. - P.261-326.

19. Puleo, D.A. Biological interactions on materials surfaces / D.A.Puleo, R.Bizios (Eds.). - New York, USA: Springer-Verlag, 2009. - P. 429.

20. Hamamoto, N. Histological, histocytochemical and ultra structural study on the effects of surface charge on bone formation in the rabbit mandible / N.Hamamoto [et al.] // Archives of Oral Biology. - 1995. - V.40. - P.97-106.

21. Bongrand, P. Physics of cell adhesion / P.Bongrand, C.Capo, R.Depieds // Progress in Surface Science. - 1982. - V.12. - P.217-285.

22. Anselme, K. Osteoblast adhesion on biomaterials / K.Anselme // Biomaterials. -2000. - V.21. - P.667-681.

23. Trommler, A. Red blood cells experience electrostatic repulsion but make molecular adhesions with glass / A.Trommler, D.Gingell, H.Wolf // Biophysical Journal. -1985. - V.48. - P.835-841.

24. Wnek, G. Encyclopedia of biomaterials and biomedical engineering / G.Wnek, G.L.Bowlin (Eds.). - Miami, USA: Taylor & Francis, 2008. - P. 3552.

25. Silva-Bermudez, P. An overview of protein adsorption on metal oxide coatings for biomedical implants / P.Silva-Bermudez, S.E.Rodil // Surface & Coatings Technology. - 2013. - V.233. - P.147-158.

26. Ellingsen, J.E. Bio-implant interface, improving biomaterials and tissue reactions / J.E. Ellingsen, S.P. Lyngstadaas (Eds.). - Boca Raton, USA: CRC Press, 2003, - P. 464.

27. Eberli, D. Regenerative medicine and tissue engineering—cells and biomaterials / D.Eberli (Ed.). - London, UK: InTech, 2011. - P. 588.

28. Eriksson, C. Implantation of hydrophilic and hydrophobic titanium discs in rat tibia: cellular reactions on the surfaces during the first 3 weeks in bone / C.Eriksson,

H.Nygren, K.Ohlson // Biomaterials. - 2004. - V.25. - P.4759-4766.

29. Wennerberg, A. Implant Surfaces and their Biological and Clinical Impact / A.Wennerberg, T.Albrektsson, R.Jimbo. - New York, USA: Springer Heidelberg, 2015. - P. 182.

30. Feng, B. Characterization of surface oxide films on titanium and adhesion of osteoblast / B.Feng [et al.] // Biomaterials. - 2003. - V.24. - P.4663-4670.

31. Zeng, Q. Surface modification of titanium implant and in vitro biocompatibility evaluation / Q.Zeng [et al.] // Key Engineering Materials. - 2005. - V.288-289. -P.315-318.

32. Diomidis, N. Tribo-electrochemical characterization of metallic biomaterials for total joint replacement / N.Diomidis [et al.] // Acta Biomaterialia. - 2012. - V.8. -

I.2. -P.852-859.

33. Browne, M.G. Effect of mechanical surface pretreatment on metal ion release / M.G.Browne // Biomaterials - 2000. - V.21. -1.4. - P.385-392.

34. Song, Y. Theoretical study of the effects of alloying elements on the strength and modulus of ß-type bio-titanium alloys / Y.Song [et al.] // Materials Science and Engineering A. - 1999. - V.260. -1.1-2. - P.269-274.

35. Sakaguchi, N. Effect of Ta content on properties of Ti-30Nb-XTa-5Zr / N.Sakaguchi [et al.] // Mater. Sci. Eng. C. - 2005- V.25. - P.370-376.

36. Prymak, O. Morphological characterization and in vitro biocompatibility of a porous nickel-titanium alloy / O.Prymak [et al.] // Biomaterials. - 2005. - V.26. - I.29. -P.5801-5807.

37. Ryhanen, J. In vivo biocompatibility evaluation of nickel-titanium shape memory metal alloy: Muscle and perineural tissue responses and encapsule membrane thickness / J.Ryhanen [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research. - 1998. -V.41. -I.3.-P.481-488.

38. Assad, M. Comparative in vitro biocompatibility of nickel-titanium, pure nickel, pure titanium, and stainless steel: Genotoxicity and atomic absorption evaluation / M.Assad [et al.] // Bio-Medical Materials and Engineering. - 1999. - V.9. - I.1. -P.1-12.

39. Gleiter, H. Nanocrystalline materials / H.Gleiter // Prog. Mater. Sci. - 1989. - V.33 -P.223-330.

40. Valiev, R.Z. Nanomaterial advantage / R.Z.Valiev // Nature. - 2002. - V.419. -P.887-889.

41. Гусев, А.И. Нанокристаллические материалы: методы получения и свойства / А.И. Гусев. - Екатеринбург: УрОРАН, 1998. - 198 с.

42. Zhilyaev, A.P. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications / A.P.Zhilyaev, T.G.Langdon // Progr. Mater. Sci. - 2008. - V.53. -P.893-979.

43. Valiev, R.Z. Principles of equal-channel angular pressing as a processing tool for grain refinement / R.Z.Valiev, T.G.Langdon // Progr. Mater. Sci. - 2006. - V.51. -P.88.

44. Салищев, Г.А. Формирование субмикрокристаллической структуры в титане при пластической деформации и её влияние на механическое поведение / Г.А. Салищев, [и др.] // Металлы. - 1996. - V.4. - С.86-91.

45. Pachla, W. Nanocrystalline titanium produced by hydrostatic extrusion / W.Pachla [et al.] // Journal of materials processing technology. - 2008. - V.205. - P.173-182.

46. Кузнецов, Р.И. Пластическая деформация твердых тел под давлением. I.

Оборудование и методика / Р.И.Кузнецов [и др.] // Препринт ИФМ УНЦ АН СССР. Свердловск. 1985. - 32 с.

47. Valiev, R.Z. Deformation behaviour of ultra-fine-grained copper / R.Z.Valiev [et al.] // Acta Metall. Et Mater. - 1994. - V.42. - P.2467-2475.

48. Bagherifard, S. Cell response to nanocrystallized metallic substrates obtained through severe plastic deformation / S.Bagherifard [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2014. - V.6. - P.7963-7985.

49. Boehm, H.P. Acidic and basic properties of hydroxylated metal oxide surfaces / H.P.Boehm // Discussions of the Faraday Society. - 1971. - V.52. - P.264-275.

50. Parfitt, G.D. Surface Chemistry of Oxides / G.D.Parfitt // Pure and Applied Chemistry. - 1976. - V.48. - I.4. P.415-418.

51. Hendrich, V.E. The surfaces of metal oxides / V.E.Hendrich // Reports on Progress in Physics. - 1985. - V.48. - P.1481.

52. Parks, G.A. The isoelectric point of solid oxides, solid hydroxides and aqueous hydroxo complex systems / G.A.Parks // Chem. Rev. - 1965. - V.65. - P.177-198.

53. Chowdhary, R. Evaluation of Stress Pattern Generated Through Various Thread Designs of Dental Implants Loaded in a Condition of Immediately After Placement and on Osseointegration An FEA Study / R.Chowdhary [et al.] // Implant Dent. -2013. - V.22. - P.91-96.

54. Kieswetter, K. Surface roughness modulates the local production of growth factors and cytokines by osteoblast-like MG-63 cells / K.Kieswetter [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. - 1996. - V.32. - P.55-63.

55. Hansson, S. The relation between surface roughness and interfacial shear strength for bone-anchored implants. A mathematical model / S.Hansson, M.Norton // J. Biomech. - 1999. - V.32. - P.829-836.

56. Albrektsson, T. Oral implant surfaces: part 1 - review focusing on topographic and chemical properties of different surfaces and in vivo responses to them / T.Albrektsson, A.Wennerberg // Int. J. Prosth. - 2004. - V.17. - P.536-543.

57. Albrektsson, T. Oral implant surfaces: part 2 - review focusing on clinical knowledge of different surfaces / T.Albrektsson, A.Wennerberg // Int. J. Prosth. -2004. - V.17 - P.544-564.

58. Mendonca, G. Advancing dental implant surface technology-from micron to nanotopography / G.Mendonca [et al.] // Biomaterials. - 2008. - V.29. - P.3822-3835.

59. Lord, M.S. Influence of Nanoscale Surface Topography on Protein Adsorption and Cellular Response / M.S.Lord, M.Foss, F.Besenbacher // Nano Today. - 2010. -V.5. - P.66—'78.

60. The extracellular matrix facts book / S.Ayad [et al.]; - San Diego, USA: Academic Press, - 1998. - P. 301.

61. Cavalcanti-Adam, E.A. Cell spreading and focal adhesion dynamics are regulated by spacing of integrin ligands / E.A.Cavalcanti-Adam [et al.] // Biophys. J. - 2007.

- V.92. - P.2964-2974.

62. Andersson, A.S. Nanoscale features influence epithelial cell morphology and cytokine production / A.S.Andersson [et al.] // Biomaterials. - 2003. - V.24. -P.3427-3436.

63. Seddiki, O. Evidence of antibacterial activity on titanium surfaces through nanotextures / O.Seddiki [et al.] // Appl. Surf. Sci. - 2014. - V.308. - P.275-284.

64. Lakes, R. Materials with structural hierarchy / R.Lakes // Nature. - 1993. - V.361 -P.511-515.

65. Tay, C.Y. Micro-/Nano-engineered Cellular Responses for Soft Tissue Engineering and Biomedical Applications / C.Y.Tay [et al.] // Small. - 2011. - V.7. - I.10. -P.1361-1378.

66. Li, B.E. Synergistic Effects of Hierarchical Hybrid Micro/Nanostructures on the Biological Properties of Titanium Orthopaedic Implants / B.E.Li [et al.] // RSC Adv.

- 2015. - V.5. - P.49552-49558.

67. Li, Y. Effect of a Hierarchical Hybrid Micro/Nanorough Strontium-Loaded Surface on Osseointegration in Osteoporosis / Y.Li [et al.] // RSC Adv. - 2015. - V.5. -P.52296-52306.

68. Jiang, N. Development of a Novel Biomimetic Micro/Nanohierarchical Interface for Enhancement of Osseointegration / N.Jiang [et al.] // RSC Adv. - 2016. - V.6. -P.49954-49965.

69. Xu, J. Improved Bioactivity of Selective Laser Melting Titanium: Surface Modification with Micro-/Nano-Textured Hierarchical Topography and Bone Regeneration Performance Evaluation / J.Xu, [et al.] // Mater. Sci. Eng. C. - 2016. -V.68. - P.229-240.

70. Zhang, W. The synergistic effect of hierarchical micro/nano-topography and bioactive ions for enhanced osseointegration / W.Zhang [et al.] // Biomaterials. -2013. - V.34. - P.3184-3195.

71. Teoh, S.H. Engineering materials for biomedical applications / S.H.Teoh. -Singapore: World Scientific Publishing, 2004. - P. 352.

72. Stea, S. Microradiographic and histochemical evaluation of mineralization inhibition at the bone-alumina interface / S.Stea [et al.] // Biomaterials. - 1992. -V.13. - P.664-667.

73. Thompson, G.J. Ti-6Al-4V Ion solution inhibition of osteogenic cell phenotype as a function of differentiation timecourse in vitro / G.J.Thompson, D.A.Puleo // Biomaterials. - 1996. - V.17. - P.1949-1954.

74. Wong, M. Effect of surface-topology on the osseointegration of implant materials in trabecular bone / M.Wong, [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. - 1995. - V.29. -P.1567-1575.

75. Cho, S.A. The removal torque of titanium screw inserted in rabbit tibia treated by dual acid etching / S.A.Cho, K.T.Park // Biomaterials. - 2003. - V.24. - P.3611-1617.

76. Ellingsen, J.E. Improved retention and bone-tolmplant contact with fluoridemodified titanium implants / J.E.Ellingsen [et al.] // Int. J. Oral. Maxillo. Implants. - 2004. -V.19. - P.659-666.

77. Cooper, L.F. Fluoride modification effects on osteoblast behavior and bone formation at TiO2 grit-blasted c.p. titanium endosseous implants / L.F.Cooper [et al.] // Biomaterials. - 2006. - V.27. - P.926-936.

78. Cochran, D.L. Bone response to unloaded and loaded titanium implants with a sandblasted and acid-etched surface: A histometric study in the canine mandible / D.L.Cochran [et al.] // Journal of Biomedical Materials Research. - 1998. - V.40. -I.1. -P.1-11.

79. Vetrone, F. Nanoscale Oxidative Patterning of Metallic Surfaces to Modulate Cell Activity and Fate / F.Vetrone [et al.] // Nano Letters. - 2009. - V.9. - I.2 - P.659-665.

80. Лучинский, Г.П. Химия титана / Г.П.Лучинский. - М.: Издательство "Химия", 1971. - 471 с.

81. Sul, Y.T. The electrochemical oxide growth behaviour on titanium in acid and alkaline electrolytes / Y.T.Sul [et al.] // Med. Eng. Phys. - 2001. - V.23. - P.329.

82. Masahashi, N. Photo-induced properties of anodic oxide films on Ti6Al4V / N.Masahashi [et al.] // Thin Solid Films. - 2012. - V.520 - P.4956-4964.

83. Chrzanowski, W. Influence of the anodic oxidation on the physicochemical properties of the Ti6Al4V ELI alloy / W.Chrzanowski [et al.] // Journal of Materials Processing Technology. - 2005. - V.162-163. - P.163-168.

84. Rautray, T.R. Ion implantation of titanium based biomaterials / T.R.Rautray, R.Narayanan, K.-H.Kim // Progress in Materials Science. - 2011. - V.56. - P.1137-1177.

85. Unger, P. Application of titanium RIE to the fabrication of NM-scale structures / P.Unger, V.Bogli, H.Beneking // Microelectronic Engineering. - 1986. - V.5. -P.279-286.

86. Xiao, S.J. Covalent Attachment of Cell-Adhesive, (Arg-Gly-Asp)-Containing Peptides to Titanium Surfaces / S.J.Xiao [et al.] // Langmuir. - 1998. - V.14. -P.5507.

87. Weber, M. Glycosylidene Carbenes. Part 27. Glucosidation of titanium dioxide with 1-aziglucoses: Preparation and characterization of modified titanium dioxide surfaces / M.Weber [et al.] // Helvetica Chimica Acta. - 1998. - V.81. - P.1359.

88. Iwasaki, Y. Immobilization of phosphorylcholine polymers to Ti-supported vinyldimethylsilyl monolayers and reduction of albumin adsorption / Y.Iwasaki, N.Saito // Colloids Surf. B Biointerfaces. - 2003. - V.32 - P.77.

89. Tosatti, S.M. Peptide functionalized poly(L-lysine)-g-poly(ethylene glycol) on titanium: resistance to protein adsorption in full heparinized human blood plasma / S.M.Tosatti [et al.] // Biomaterials. - 2003. - V.24. - P.4949.

90. Ben-Nissan, B. Sol-gel production of bioactive nanocoatings for medical applications. Part 1: an introduction / B.Ben-Nissan, A.H.Choi // Nanomed. - 2006. - V.1. - P.311-319.

91. Ohring, M. Materials Sciences of Thin Film: Deposition and Structure / M.Ohring, (Ed.). - New York, USA: Academic Press Ltd., 2002. - P. 794.

92. Baryshnikova, M. Formation of hydroxylapatite on CVD deposited titania layers / M.Baryshnikova [et al.] // Phys. Status Solidi C. - 2015. - V. 12. - P.918-922.

93. Tang, L. Biocompatibility of chemical-vapour-deposited diamond / L.Tang [et al.] // Biomaterials. - 1995. - V.16. - P.483-488.

94. Кольцов, С.И. Влияние степени дегидратации силикагеля на механизм гидролиза адсорбированного четыреххлористого титана / С.И.Кольцов, В.Б.Алесковский // Журн. Физ.Хим. - 1968. - Т.42. - С.1210-1214.

95. Suntola, T. International patent. Method for producing compound thin films / T.Suntola, J.Antson. FIN 52359, US 4 058 430, priority Nov. 29, 1974, publication Nov. 15, 1977.

96. Puurunen, R.L. Growth per cycle in atomic layer deposition: A theoretical model / R.L.Puurunen // Chemical Vapor Deposition. - 2003. - V.9. - I.5. - P.249-257.

97. Кравченко, Д. Технологии молекулярной сборки / Д.Кравченко, В.Тузовский // Наноиндустрия. - 2008 - №6. - С.12-14.

98. Miikkulainen, V. Crystallinity of inorganic films grown by atomic layer deposition: Overview and general trends / V.Miikkulainen [et al.] // J. Appl. Phys. - 2013. -V.113. - P.021301:1-021301:101.

99. Hwang, C.S. Atomic Layer Deposition for Semiconductors / C.S.Hwang, C.Y.Yoo (eds.). - New York:Springer, 2014. - P. 263.

100. Ritala, M. Perfectly conformal TiN and Al2O3 films deposited by atomic layer deposition / M.Ritala [et al.] // Chem. Vap. Deposition. - 1999. - V.5. - P.7.

101. Wank, J.R. Nanocoating individual cohesive boron nitride particles in a fluidized bed by ALD / J.R.Wank, S.M.George, A.W.Weimer // Powder Technol. - 2004. -V.142. - P.59.

102. Skoog, S.A. Atomic layer deposition: medical and biological applications / S.A.Skoog, J.W.Elam, R.J.Narayan // International Materials Reviews. - 2013. -V.58. - I.2. - P.113-129.

103. Basiaga, M. Evaluation of physicochemical properties of surface modified Ti6Al4V and Ti6Al7Nb alloys used for orthopedic implants / M.Basiaga [et al.] // Materials Science and Engineering C. - 2016. - V.68. - I.1. - P.851-860.

104. Putkonen, M. Atomic layer deposition and characterization of biocompatible hydroxyapatite thin films / M.Putkonen [et al.] // Thin Solid Films. - 2009. - V.517. - P.5819-5824.

105. Niemela, J.-P. Titanium dioxide thin films by atomic layer deposition: a review / J.-P.Niemela, G.Marin, M. Karppinen. // Semicond. Sci. Technol. - 2017. - V.32. -P.093005.

106. Lin, J.-M. Competing reactions during metalorganic deposition: Ligand-exchange versus direct reaction with the substrate surface / J.-M.Lin, A.V.Teplyakov, J.C.F.Rodriguez-Reyes // J. Vac. Sci. Technol. A. - 2013. - V.31(2). - P. 021401.

107. Wen, C. Surface Coating and Modification of Metallic Biomaterials / C.Wen. -New York: Woodhead Publishing, 2015. - P. 448.

108. Von der Mark, K. Engineering Biocompatible Implant Surfaces Part II: Cellular Recognition of Biomaterial Surfaces: Lessons From Cell-Matrix Interactions / K.Von der Mark, J.Park // Prog. Mater. Sci. - 2013. - V.58. - P.327-381.

109. Wilmowsky, C.V. Implants in bone: Part II. Research on implant osseointegration Material testing, mechanical testing, imaging and histoanalytical methods / C.von Wilmowsky [et al.] // Oral Maxillofac. Surg. - 2014. - V.18. - P.355-372.

110. Князев, А.В. Основы рентгенофазового анализа: учебно-методическое пособие / А.В.Князев, Е.В.Сулейманов. - Нижний Новгород : Изд-во Нижегородского гос. университета им. Н.И. Лобачевского, 2005. - 22 с.

111. Власов А.И. Электронная микроскопия: учеб. пособие / А.И. Власов, К.А. Елсуков, И.А. Косолапов. - М. : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011. - 168 с.

112. Суворов, Э.В. Физические основы экспериментальных методов исследования реальной структуры кристаллов / Э.В.Суворов. - Черноголовка: Изд-во ИПХВ РАН, 1999. - 232 с.

113. Швец, В.А. Эллипсометрия - прецизионный метод контроля тонкопленочных структур с субнанометровым разрешением / В.А. Швец [и др.] // Российские нанотехнологии. - 2008. - Т.4. - №3-4. - С.72-84.

114. Миронов, В.Л. Основы сканирующей зондовой микроскопии: учеб. пособие для студентов старших курсов высших учебных заведений / В.Л. Миронов; РАН, Институт физики микроструктур. - г. Нижний Новгород, 2004. - 114 с.

115. Bracco, G. Surface Science Technique / G.Bracco, B.Holst. Berlin, Heidelberg: Springer-Verlag, 2013. - P. 663.

116. Елисеев, А.А. Функцнональные наноматериалы / А.А. Елисеев, А.В. Лукашин. - М. : ФИЗМАТЛИТ, 2010. - 456 с.

117. Fearn, S. Characterisation of biological material with ToF-SIMS: a review / S. Fearn // Materials Science and Technology. - 2015. - V.31. - I. 2. - P. 148-161.

118. Nazarov, D.V. Specific features of etching of ultrafine and coarse-grained titanium in base and acid solutions of hydrogen peroxide / D.V. Nazarov [et al.] // Rus. J. Appl. Chem. - 2016. - V.89. - P.284-286.

119. D'jkonov, G.S. Regulation of the surface microrelief of coarse-grained and ultrafine-grained titanium by etching method / G.S.D'jkonov [et al.] // Mater. Phys. Mech. - 2014. - V.21. - N.3. - P.259-265.

120. Андриевский, Р.А. Наноструктурные материалы. Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Р.А.Андриевский, А.В.Рагуля. - М.: Академия, 2005. -192 c.

121. Nazarov, D.V. Modification of the Surface Topography and Composition of Ultrafine and Coarse Grained Titanium by Chemical Etching / D.V. Nazarov [et al.] // Nanomaterials. - 2017. - V.7 - P.15:1-15.

122. Wennerberg, A. Suggested Guidelines for the Topographic Evaluation of Implant Surfaces / A.Wennerberg, T.Albrektsson // The International Journal of Oral & Maxillofacial Implants. - 2000. - V.15. - N.3. - P.331-344.

123. Miyamoto, H. Corrosion of ultrafine grained materials by severe plastic deformation, an Overview / H.Miyamoto // Mater. Trans. - 2016. - V.57. - P.559-572.

124. Garbacz, H. Corrosion resistance of nanostructured titanium / H.Garbacz, M.Pisarek, K.J.Kurzydlowski // Biomol. Eng. - 2007. - V.24. - P.559-563.

125. Hoseini, M. Comparative effect of grain size and texture on the corrosion behavior of commercially pure titanium processed by equal channel angular pressing / M.Hoseini [et al.] // Corros. Sci. - 2009. - V.51. - P.3064-3067.

126. Kim, H.S. Ultrafine grained titanium sheets with high strength and high corrosion resistance / H.S.Kim [et al.] // Mater. Sci. Eng. A. - 2011. - V.528. - P.8479-8485.

127. Balyanov, A. Corrosion resistance of ultra fine-grained Ti / A.Balyanov [et al.] // Scr. Mater. - 2004. - V.51. - P.225-229.

128. Martin, H.J. Piranha Treated Titanium Compared to Passivated Titanium as Characterized by XPS / H.J. Martin, K.H. Schulz, B.Keisha // Surface Science Spectra. -2008. - V.15. - P.23-30.

129. Mühlebach, J. The peroxo complexes of titanium / J. Mühlebach, K. Müller, G. Schwarzenbach // Inorg. Chem. - 1970. - V.9. - P.2381-2390.

130. Nazarov, D.V. Formation of Micro- and Nanostructures on the Nanotitanium Surface by Chemical Etching and Deposition of Titania Films by Atomic Layer Deposition (ALD) / D.V. Nazarov [et al.] // Materials. - 2015. - V.8. - P.8366-8377.

131. Grigal, I.P. Correlation Between Bioactivity and Structural Properties of Titanium Dioxide Coatings Grown by Atomic Layer Deposition / I.P.Grigal [et al.] // Appl. Surf. Sci. - 2012. - V.258. - P.3415-3419.

132. Solovyev, A.A. Correlation Between Structural and Bioactive Properties of Titanium Dioxide Formed by Atomic Layer Deposition / A.A.Solovyev [et al.]// Nanotechnologies in Russia. - 2013. - V.8. - P.388-391.

133. He, J. The Anatase Phase of Nanotopography Titania Plays an Important Role on Osteoblast Cell Morphology and Proliferation / J.He [et al.] // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2008. - V.19. - P.3465-3472.

134. Nazarov, D.V. Enhanced Osseointegrative Properties of Ultra-Fine-Grained Titanium Implants Modified by Chemical Etching and Atomic Layer Deposition / D.V. Nazarov [et al.] // ACS Biomater. Sci. Eng. - 2018. - V.4 - P.3268-3281.

135. Martin, H.J. Piranha Treated Titanium Compared to Passivated Titanium as Characterized by XPS / H.J.Martin, K.H.Schulz, K.B.Walters // Surf. Sci. Spectra. -2008. - V.15. - P.23-30.

136. Hansson S, The Relation Between Surface Roughness and Interfacial Shear Strength for Bone-Anchored Implants. A Mathematical Model / S.Hansson, M.Norton // J. Biomech. - 1999. - V.32. - P.829-836.

137. Kim, M.J. Microrough Titanium Surface Affects Biologic Response in MG63 Osteoblast-Like Cells / M.J.Kim [et al.] // J. Biomed. Mater. Res. A. - 2006. - V.79. - P.1023-1032.

138. Schwartz, Z. Mechanisms Regulating Increased Production of Osteoprotegerin by Osteoblasts Cultured on Microstructured Titanium Surfaces / Z.Schwartz [et al.] // Biomaterials. - 2009. - V.30. - P.3390-3396.

139. Saito, T. Suppressed Proliferation of Mouse Osteoblast-Like Cells by a Rough-Surfaced Substrate Leads to Low Differentiation and Mineralization / T.Saito [et al.] // Mater. Sci. Eng. C. - 2010. - V.30. - I.1. - P.1-7.

140. Lord, M.S. Influence of Nanoscale Surface Topography on Protein Adsorption and Cellular Response / M.S.Lord, M.Foss, F.Besenbacher // Nano Today. - 2010. -V.5. - P.66—78.

141. Cai, K. Does the Nanometre Scale Topography of Titanium Influence Protein Adsorption and Cell Proliferation? / K.Cai, J.Bossert, K.D.Jandt // Colloids and Surfaces B: Biointerfaces. - 2006. - V.49. - P.136-144.

142. Solar, P. Particles Induced Surface Nanoroughness of Titanium Surface and its Influence on Adhesion of Osteoblast-Like MG-63 Cells / P.Solar [et al.] // Appl. Surf. Sci. - 2015. - V.324. - P.99-105.

143. Gittens, R.A. A Review on the Wettability of Dental Implant Surfaces II: Biological and Clinical Aspects / R.A.Gittens [et al.] // Acta Biomater. - 2014. -V.10. - P.2907-2918.

144. Bagherifard, S. Cell Response to Nanocrystallized Metallic Substrates Obtained Through Severe Plastic Deformation / S.Bagherifard [et al.] // ACS Appl. Mater. Interfaces. - 2014. - V.6. - P.7963-7985.

145. Zheng, C.Y. Enhanced in Vitro Biocompatibility of Ultrafine-Grained Titanium with Hierarchical Porous Surface / C.Y.Zheng [et al.] // Appl. Surf. Sci. - 2011. -V.257. - P.5634-5640.

146. Zhao, L. The Influence of Hierarchical Hybrid Micro/Nano-Textured Titanium Surface with Titania Nanotubes on Osteoblast Functions / L.Zhao [et al.] // Biomaterials - 2010. - V.31. - I.19. - P.5072-5082.

147. Zhao, L. Effects of Micropitted/Nanotubular Titania Topographies on Bone Mesenchymal Stem Cell Osteogenic Differentiation / L.Zhao [et al.] // Biomaterials.

- 2012. - V.33. - I.9. - P.2629-2641.

148. Kubo, K. Cellular Behavior on TiO2 Nanonodular Structures in a Micro-to-Nanoscale Hierarchy Model / K.Kubo [et al.] // Biomaterials. - 2009. - V.30. - I.29.

- P.5319-5329.

149. Zhuang, X.M. Enhanced MC3T3-E1 Preosteoblast Response and Bone Formation on the Addition of Nanoneedle and Nano-Porous Features to Microtopographical Titanium Surfaces / X.M.Zhuang [et al.] // Biomed. Mater. - 2014. - V.9. - I.4. -P. 045001: 1 -045001:11.

150. Sul, Y.T. Electrochemical Growth Behavior, Surface Properties, and Enhanced in Vivo Bone Response of TiO2 Nanotubes on Microstructured Surfaces of Blasted, Screw-Shaped Titanium Implants / Y.T.Sul // Int. J. Nanomedicine. - 2010. - V.5. -P.87-100.

151. Sullivan, D.Y. The reverse-torque test: a clinical report / D.Y.Sullivan [et al.] // Int. J. Oral. Maxillofac. Implants. - 1996. - V.11. I.2. - P.179-185.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Параметры рельефа поверхности травленных УМЗ и КЗ титана

Таблица А1 - Параметры рельефа поверхности УМЗ титана, травленного в растворе Ы2804/И202

Область сканирования, цт Время травления Яшах, ПШ Яа, ПШ ЯМ8, пш

1 X 1 0 17,1±3,1 1,35 ± 0,17 1,91 ± 0,19 1,023 ± 0,004

5 мин 18,0±2,9 1,46 ± 0,18 2,01 ± 0,22 1,031 ± 0,005

15 мин 17,8±3,4 1,10 ± 0,15 1,51 ± 0,16 1,040 ± 0,004

1ч 17,2±1,9 1,51 ± 0,10 1,92 ± 0,12 1,015 ± 0,002

2ч 16,5±3,5 1,17 ± 0,23 1,52 ± 0,24 1,021 ± 0,004

6ч 71,4±11,9 5,14 ± 1,00 6,93 ± 1,10 1,040 ± 0,007

24ч 49,3±7,8 4,00 ± 0,80 5,41 ± 0,85 1,060 ± 0,006

10 X 10 0 126 ± 11 3,62 ± 0,67 6,54 ± 0,79 1,013 ± 0,003

5 мин 109 ± 13 3,77 ± 0,58 6,43 ± 0,92 1,012 ± 0,003

15 мин 125 ± 13 3,55 ± 0,55 6,18 ± 0,76 1,010 ± 0,002

1ч 95,7 ± 9,9 5,04 ± 0,50 6,85 ± 0,59 1,012 ± 0,004

2ч 142 ± 14 3,50 ± 0,73 4,93 ± 1,04 1,014 ± 0,003

6ч 474 ± 42 21,5 ± 4,2 31,9 ± 5,1 1,071 ± 0,007

24ч 601 ± 48 37,8 ± 3,8 53,1 ± 6,5 1,065 ± 0,006

Таблица А2 - Параметры рельефа поверхности УМЗ титана, травленного в растворе КН40Н/Н202

Область сканирования, цт Время травления -Яшах, нм Яа, нм ЯМ8, нм

1 X 1 0 17,1 ± 3,1 1,35 ± 0,17 1,91 ± 0,19 1,023 ± 0,004

5 мин 57,7 ± 2,9 7,31 ± 0,16 9,29 ± 0,24 1,044 ± 0,014

15 мин 78,1 ± 3,9 7,58 ± 0,25 9,68 ± 0,23 1,402 ± 0,011

1ч 97,9 ± 7,5 9,96 ± 0,56 12,7 ± 0,6 1,561 ± 0,015

2ч 97,7 ± 5,2 11,3 ± 0,5 14,3 ± 0,5 1,419 ± 0,019

6ч 96,4 ± 4,6 10,5 ± 0,4 13,5 ± 0,8 1,206 ± 0,017

24ч 80,4 ± 5,0 8,64 ± 0,49 11,0 ± 0,6 1,328 ± 0,012

10 X 10 0 126 ± 11 3,62 ± 0,67 6,54 ± 0,79 1,013 ± 0,003

5 мин 199 ± 15 13,5 ± 1,1 17,6 ± 1,9 1,099 ± 0,012

15 мин 476 ± 40 40,6 ± 4,3 52,6 ± 5,2 1,151 ± 0,013

1ч 486 ± 29 33,7 ± 3,6 45,5 ± 5,1 1,154 ± 0,023

2ч 912 ± 37 63,8 ± 4,3 80,2 ± 5,2 1,350 ± 0,021

6ч 1037±69 95,0 ± 9,0 127 ± 13 1,280 ± 0,034

24ч 888 ± 71 75,3 ± 6,8 103 ± 7 1,117 ± 0,021

Таблица А3 - Параметры рельефа поверхности КЗ титана, травленного в растворе Н2804/И202

Область сканирования, цт Время травления -Ятах, нм Яа, нм КМЗ, нм

1 X 1 0 19,6 ± 1,4 1,84 ± 0,17 2,33 ± 0,21 1,029 ± 0,002

5 мин 22,3 ± 1,8 1,98 ± 0,19 2,78 ± 0,24 1,021 ± 0,002

15 мин 25,6 ± 2,9 2,23 ± 0,28 2,90 ± 0,31 1,027 ± 0,003

1ч 21,1 ± 1,0 1,58 ± 0,09 2,12 ± 0,12 1,013 ± 0,002

2ч 22,7 ± 1,3 2,30 ± 0,10 2,90 ± 0,16 1,017 ± 0,002

6ч 36,0 ± 2,9 3,39 ± 0,35 4,33 ± 0,51 1,057 ± 0,007

24ч 46,4 ± 7,7 3,13 ± 0,47 4,24 ± 0,62 1,030 ± 0,004

10 X 10 0 96,0 ± 4,2 4,84 ± 0,35 6,33 ± 0,46 1,0089 ± 0,0006

5 мин 86,0 ± 3,7 4,55 ± 0,33 6,45 ± 0,55 1,0101 ± 0,0009

15 мин 80,1 ± 6,3 4,68 ± 0,26 6,13 ± 0,31 1,0082 ± 0,0006

1ч 149 ± 23 6,45 ± 0,89 10,0 ± 1,6 1,0107 ± 0,0009

2ч 82,8 ± 39,0 5,00 ± 0,32 7,05 ± 0,41 1,0054 ± 0,0005

6ч 343 ± 45 17,1 ± 2,2 24,4 ± 3,1 1,058 ± 0,005

24ч 329 ± 44 20,3 ± 2,4 28,4 ± 3,5 1,051 ± 0,005

Таблица А4 - Параметры рельефа поверхности КЗ титана, травленного в растворе КН40Н/Н202

Область сканирования, цт Время травления ^тах, нм Яа, нм КМЗ, нм

1 X 1 0 19,6 ± 1,4 1,84 ± 0,17 2,33 ± 0,21 1,029 ± 0,002

5 мин 102 ± 7 7,84 ± 1,30 9,37 ± 0,81 1,030 ± 0,003

15 мин 105 ± 9 9,22 ± 0,78 11,9 ± 0,9 1,323 ± 0,027

1ч 94,8 ± 4,7 10,0 ± 0,5 12,7 ± 0,7 1,158 ± 0,016

2ч 77,3 ± 8,2 8,14 ± 0,91 10,5 ± 1,3 1,088 ± 0,007

6ч 170 ± 20 19,1 ± 2,7 24,6 ± 3,2 1,276 ± 0,023

24ч 70,5 ± 9,7 7,71 ± 1,1 10,0 ± 1,8 1,069 ± 0,005

10 X 10 0 96,0 ± 4,2 4,84 ± 0,35 6,33 ± 0,46 1,0089 ± 0,0006

5 мин 289 ± 11 19,4 ± 1,0 25,8 ± 1,2 1,0686 ± 0,0043

15 мин 303 ± 26 17,2 ± 1,3 23,9 ± 1,8 1,079 ± 0,005

1ч 368 ± 21 27,6 ± 1,8 36,3 ± 1,9 1,098 ± 0,012

2ч 830 ± 76 67,0 ± 7,0 95,1 ± 9,9 1,130 ± 0,016

6ч 830 ± 69 68,7 ± 5,2 87,7 ± 6,1 1,299 ± 0,031

24ч 690 ± 38 56,1 ± 2,8 77,8 ± 4,1 1,087 ± 0,004