BG107247A - Method for growing of hydroxyapatite layers by a system materializing the laser-solution-substrate interaction - Google Patents

Abstract

The method is used in medicine, diagnostics and biotechnologies. By it, in vitro systems can be formed for the investigation of the processes of biomineralization in nature, for the production of coatings of bioceramic layers, e.g. hydroxyapatite on orthopaedic or dentistry implants of different material, having large surface and complex form, as well as for the formation of systems, testing the urine for the formation of stone-forming compounds. By the method, the growth of hydroxyapatite layers is effected by laser radiation of a solid state substrate submerged in over-saturated solution of salts, imitating blood plasma. The laser-substrate interaction is caused outside the medium of growth by a system of pulse laser radiation and a system for a scanning the substrate which is immersed in the solution. 2 claims, 1 figure

Description

Изобретението се отнася до метод за създаване на in vitro система за израстване на хидроксиапатитни слоеве от разтвори върху подложка чрез лазерно стимулиране, намиращ приложение в медицината, диагностиката и биотехнологиятаThe invention relates to a method for creating an in vitro system for the growth of hydroxyapatite layers of solutions on a substrate by laser stimulation, which is used in medicine, diagnostics and biotechnology

Предшестващо състояние на техникатаBACKGROUND OF THE INVENTION

Известен е метод за отлагане на калциево-фосфатни покрития [1], който се състои в изпарението на стехиометрична хидроксиапатитна мишена върху силициева подложка чрез електонен лъч. Последващото отгряване при температура 1200 ⁰ С поризвежда кристално покритие от хидроксиапатит със съотношение на Са/Р подобно на стехиометричния хидроксиапатит.A method for depositing calcium phosphate coatings [1] is known, which consists in the evaporation of a stoichiometric hydroxyapatite target on a silicon substrate by an electron beam. Subsequent annealing at 1200 ^° C gives a crystalline coating of hydroxyapatite with a Ca / P ratio similar to stoichiometric hydroxyapatite.

Известен с метод за израстване на слоеве от апатит е определена дебелина, подобен на този в костите на човек [2], който се състои в осъществяване на предварителен контакт на полимерна подложка с частици от стькло на базата на CaO-SiO^ в разтвор, симулиращ човешката кръвна плазма, в резултат на който върху подложката се формират ограничен брой апатитни зародиши. След това подложката се потапя в друг разтвор с йонна концентрация 1.5 - пъти по-висока от тази на първия разтвор и върху подложката израства слой от апатит.Known for the method of growing layers of apatite, a certain thickness is similar to that in human bones [2], which consists in making pre-contact of a polymer substrate with glass particles based on CaO-SiO2 in a solution simulating human blood plasma, which results in a limited number of apatite embryos forming on the substrate. Subsequently, the pad was immersed in another solution with an ionic concentration 1.5 times higher than that of the first solution and a layer of apatite grew on the pad.

Известен е метод за получаване на хидроксиапатит [3], който се състои в стимулирането на процеса на пресипитация от разтвори на калциево-фосфорни съединения върху титанова подложа, която предварително е модифицирана чрез имплантация на различни йони.A method for the preparation of hydroxyapatite [3] is known, which consists in stimulating the process of precipitation of solutions of calcium-phosphorus compounds on a titanium substrate, which is pre-modified by implantation of various ions.

Известен е метод за получаване на наночастици от сребро, никел, никелов окис и сребърно-никелова сплав [4], който се състои в импулсно лазерно облъчване на въртяща се в съответния разтвор метална подложка.A method is known for the preparation of silver, nickel, nickel oxide and silver-nickel alloy nanoparticles [4], which consists of pulsed laser irradiation of a metal substrate rotating in the corresponding solution.

Известен е метод за получаване на плътни и пориозни, а така също и на кристални и аморфни хидроксиапатитни покрития [5], който сс състои във фокусиране на лазерен лъч върху въртяща се мишена от хидроксиапатит, наклонена под ъгъл около 45° и разстояние до подложката от титан около 5 cm, като процеса протича във вакуумна система, в която се въвежда смес от Аг и водни пари при температура на подложката 500-515 С.There is a method of obtaining dense and porous, as well as crystalline and amorphous hydroxyapatite coatings [5], which involves focusing a laser beam on a rotating target of hydroxyapatite inclined at an angle of about 45 ° and a distance to the substrate of titanium about 5 cm as the process takes place in a vacuum system in which a mixture of Ar and water vapor is introduced at a temperature of 500-515 C.

♦·· · ♦·*·· • · · ·· · ····· ···· · ·· · · • ······ · · * · « _# • · · · ·*··♦ · · ♦ * * · · · _# * * * _{# # # # # # # # # # # # # # # # # #}

Известните методи за полуМавайе на ТМо-ТбфамйЧнй· слоеве чрез пресипитация па разтворите върху модифицирана подложка, чрез електронно-лъчево отлагане, чрез осъществяване на предварителен контакт на подложка с частици от сгькло на базата на CaO-SiO, а така също и при импулсното лазерно отлагане не създават условия за ускорено израстване на хидроксапатитни слоеве върху твърдотелни подложки,Known methods for the preparation of TMO-Tfamy layers by precipitation of solutions on a modified substrate, by electron-beam deposition, by pre-contacting the substrate with glass particles based on CaO-SiO, and also by a pulse do not create conditions for accelerated growth of hydroxapatite layers on solid supports,

Техническа същност на изобретениетоSUMMARY OF THE INVENTION

Методът за израстване на хидроксиапатитни слоеве чрез система, осъществяваща лазер-разтвор-подложка взаимодействие, се състои в импулсно лазерно облъчване на твърд отелна подложка, потопена в разтвор. Взаимодействието лазер-разтвор-подложка е предизвикано, извън средата за израстване, чрез система за импулсно лазерно лъчение и система за сканиране на подложката, която е потопена в разтвора. Чрез потапяне, подложката е приведена в контакт с прилежащия разтвор, който е преситен воден разтвор на соли, имитиращи човешкана кръвна плазма. Едновременно с това повърхността на подложката и прилежащия разтвор са приведени в лазсрразтвор-подложка взаимодействие. Това взаимодействие е резултат на предизвикано извън средата за израстване импулсно лазерно лъчение с дължина на вълната 578 пш, честота на лъчението 19 kHz, брой на импулсите - 19000 impuls/s, продължителност па импулса 30 ns и сканиране на подложката със скорост 1000 mm/s.The method for the growth of hydroxyapatite layers through a laser-solution-substrate interaction system consists of pulsed laser irradiation of a solid substrate immersed in a solution. The laser-solution-substrate interaction is induced, outside the growth medium, by a pulsed laser irradiation system and a substrate scan system immersed in the solution. By immersion, the pad is brought into contact with the adjoining solution, which is a saturated aqueous solution of salts that mimic human blood plasma. At the same time, the surface of the substrate and the adjoining solution are brought into a solution-substrate interaction. This interaction is the result of an out-of-growth pulsed laser radiation with a wavelength of 578 ps, a radiation frequency of 19 kHz, a pulse count of 19000 pulses / s, a pulse duration of 30 ns, and a scan of the substrate at a speed of 1000 mm / s .

На първия етап от взаимодействието лазер-твърдотелна подложка, енергията на лазерното лъчение се трансформира в топлина [б]. Понататъшните етапи от процеса лазер-разтвор-подложка се определят от електпофизичните свойства па подложката и разтвора, така също и от количеството и специалното разпределение на на енергията абсорбирана от подложката и разтвора. Така например взаимодействието на силно абсорбиращо лазерно лъчение с някои полупроводници, такива като inSb |7J, Si [8], Cdie [9j показват, че термоградиетният ефект [10] играе съществения роля при преразпределението на примесните атоми и генерирането на вътрешни дефекти в кристалната решетка. Получаването на слоеве от хидоксиапатит се осъщес твява чрез механизмите на зародиш-ооразувансто и израстване, започвайки е аосорнцията на фотонна енергия чрез подложката. Фотонната енертя се абсорбира от повърхността на подложката, като едновременно с това локално взаимодейства с прилежащия разтвор т.е. осъществява се лазер-разтвор-подложка взаимодействие, като по този начин се ускорява процеса на израстване на слоеве.In the first stage of the laser-solid-substrate interaction, the energy of the laser radiation is transformed into heat [b]. The further steps of the laser-solution-substrate process are determined by the electrophysical properties of the substrate and solution, as well as the amount and special distribution of energy absorbed by the substrate and solution. For example, the interaction of highly absorbing laser radiation with some semiconductors, such as inSb | 7J, Si [8], Cdie [9j] show that the thermo-gradient effect [10] plays an essential role in the redistribution of impurity atoms and the generation of internal defects in the crystal lattice . The formation of layers of hydroxyapatite is accomplished through the mechanisms of embryo formation and growth, beginning with the aorticisation of photonic energy through the substrate. The photonic energy is absorbed from the surface of the substrate, while simultaneously interacting locally with the adjacent solution, i. a laser-solution-substrate interaction takes place, thus accelerating the process of layer growth.

Чрез предизвиканото, извън средата на израстване импулсно лазерно взаимодействие се създават условия за ускорен кристален растеж, което е предимство при in vitro експериментите, моделиращи сравнително бавните процеси на биоминерализацията в природата .Through the impulse laser interaction induced by the medium of growth, the conditions for accelerated crystalline growth are created, which is an advantage in in vitro experiments modeling the relatively slow processes of biomineralization in nature.

Описание на приложената фигураDescription of the attached figure

Фигура 1 представлява принципна схема за реализиране на метода за израстване на слоеве от хидроксиапатит върху подложка, осъществяваща лазер-разтвор-подложка взаимодействие.Figure 1 is a schematic diagram of a method for the growth of hydroxyapatite layers on a substrate for laser-solution-substrate interaction.

Примерно ’изпълнение на изобретениетоAn exemplary embodiment of the invention

Едно примерно изпълнение на метода за еъздавене на система за израстване на хидроксиапатитни слоеве върху твьдотелна подложка включва контейнер от плексиглас 1, потопен в термостатна система 2, държател 3 за подложка 4, която се закрепва неподвижно, хоризонтално или вертикално към него, като по този начин се експонира към разтвора 5, който е предварително приготвен преситен разтвор, при дадена температура Tj, имитиращ кръвната плазма. От горната страна на контейнера 1. чрез система 6 се осъществява сканирането на подложката 4 с импулсния лазерен лъч 7, а измерването на температурата и йонната концентрация на разтвора се осъществява посредством температурен датчик 8 и селективен йопметър 9 съответно.An exemplary embodiment of the method of mounting a hydroxyapatite layer growth system on a solid support includes a plexiglass container 1 immersed in a thermostat system 2, a support holder 3 for the support 4, which is fixed fixedly, horizontally or vertically thereto. is exposed to the solution 5, which is a pre-prepared saturated solution, at a temperature Tj simulating blood plasma. From the top of container 1. scanning of the substrate 4 with the pulsed laser beam 7 is carried out by system 6, and the temperature and ionic concentration of the solution are measured by means of a temperature sensor 8 and a selective yopmeter 9, respectively.

Измененията на параметрите на лазерното импулсно лъчение, такива като дължината на вълната, енергия, честотата, продължителност на импулса, скорост на сканиране, се задават от системата за импулсно лазерно лъчение 7 и от системата за сканиране 6, като се настройват на дължина на вълната 57Я nm с честота 19 kHz, с брой на импулсите 19000 inipuls/s, с продължителност 30ns при скорост на сканиране на лъча 1000 mm/s. Предизвиканата, чрез системата за импулсно лазерно лъчение 7 и системата за сканиране 6, фотонна енергия сс абсорбира от повърхността на подложката 4 и локално в разтвора 5, и ги превежда във взаимодействие. В резултат на възникналото лазер-разтворподложка взаимодействие между повърхността на подложката 4, експонирана към прилежащия разтвор 5, протича процес па ускорено израстване па слой. Свойствата на израстналите слоеве, като например състав, дебелина, морфология, зависят основно от физико-химичните свойства на разтвора и параметрите, както на лазерното импулсно лъчение, а така също и параметрите на сканиране върху повърхността на подложката.Changes in laser pulse parameters, such as wavelength, energy, frequency, pulse duration, scanning speed, are set by the pulsed laser system 7 and by the scanning system 6 by adjusting to the wavelength 57Y. nm at 19 kHz, pulse count 19000 inipuls / s, 30 ns duration at 1000mm / s beam scanning speed. The photon energy induced by the pulsed laser system 7 and the scanning system 6 is absorbed from the surface of the substrate 4 and locally into the solution 5, and interacts with them. As a result of the resulting laser-solution interaction between the surface of the substrate 4 exposed to the adjacent solution 5, a process of accelerated growth of the layer takes place. The properties of the adult layers, such as composition, thickness, morphology, depend mainly on the physicochemical properties of the solution and parameters, as well as the laser pulsed radiation, as well as the scan parameters on the surface of the substrate.

Приложение на изобретениетоApplication of the invention

Чрез метода могат да се създадат in vitro системи за изследване на процесите па биомиперализация в природата, за получаване па покрития от биокерамични слоеве, например хидроксиапатит, върху ортопедични или стоматологични имплантн от различен материал, е голяма площ и сложна форма, а така също и за създаването на ситеми, тестващи урината на пациентите за камъко-образуващи съединения.Through the method, in vitro systems can be created to study the processes of biomiperalization in nature, to obtain coatings from bioceramic layers, such as hydroxyapatite, on orthopedic or dental implants of different material, large area and complex shape, and also for the establishment of patient urine testing systems for stone-forming compounds.

Claims (2)

1. Метод за създаване на in vitro система за израстване на хидроксиапатитни слоеве върху подложка, характеризиращ се с това, че израстването става върху твърдотелна подложка, чиято повърхност и прилежащия преситен разтвор, имитиращ кръвната празма, са приведени в лазер-разтвор-подложка взаимодействие чрез лазерно импулсно лъчение с дължина на вълната 578 nm. с честота 19 kHz и с продължителност на импулса 30 ns, което е предизвикано извън средата на израстване.1. A method for creating an in vitro system for the growth of hydroxyapatite layers on a substrate, characterized in that the growth takes place on a solid support whose surface and the adjoining saturated solution, simulating blood leaks, are brought into the laser solution-substrate by laser pulsed radiation with a wavelength of 578 nm. with a frequency of 19 kHz and a pulse duration of 30 ns, which is triggered outside the midgrowth. 2. Метод за създаване на in vitro система за израстване на хидроксиапатитни слоеве върху подложка, съгласно претенция 1,A method for creating an in vitro system for the growth of hydroxyapatite layers on a support according to claim 1, Си характеризиращ се с това, че повърхността на подложката се сканира със скорост на на лазерния лъч 1000 mm/s, което е предизвикано извън средата на израстване.Characterized by the fact that the surface of the substrate is scanned at a laser beam speed of 1000 mm / s, which is caused outside the growth medium.