Warstwy polisiloksanowe modyfikowane nanorurkami węglowymi na podłożach metalicznych


                

Kierownik projektu:

Wykonawcy projektu:

Numer grantu:

  • 2017/25/B/ST8/02602

Data rozpoczęcia:

  • 2018-03-05

Data zakończenia:

  • 2021-03-04

1. Cel naukowy projektu

Podstawowym paradygmatem dziedziny wiedzy, określnej jako Inżynieria Materiałowa, jest twierdzenie, że właściwości materiału są wypadkową jego struktury, budowy w skali atomowej. Oznacza to, że wiedza o materiale tkwi w jego właściwościach, rozpatrywanych na poziomie atomowym. Badania, jakie planujemy prowadzić w ramach projektu, to analiza zjawisk na granicy nanorurka węglowa (CNT)/polisiloksan. Warstwy polisiloksanowe modyfikowane nanorurkami uważane są za nową generację tworzyw, chrakteryzujących się specyficzną mikro-nanotopografią powierzchni [np. 1]. Naszym zdaniem, warstwom, zbudowanym z nanorurek węglowych i polisiloksanów, można nadać właściwości pożądane z punktu widzenia zastosowania w modyfikacji implantów metalicznych, przeznaczonych do osteosyntezy. Planujemy prowadzić badania, które wykażą, jak poszczególne parametry nanorurek węglowych, matrycy polimerowej oraz rodzaju obróbki termicznej nanokompozytu wpływać będą na właściwości fizykochemiczne warstw, w tym również na parametry istotne dla materiałów przeznaczonych do chirurgii tkanki kostnej. Mamy zamiar prowadzić badania przede wszystkim nad zjawiskami, mającymi miejsce na granicy fazy węglowej i matrycy oraz tłumaczyć na poziomie molekularnym ich wpływ na właściwości nanokompozytowej warstwy. Pragniemy udowodnić, że modyfikując nanorurki węglowe oraz sterując odpowiednio procesem wytwarzania powłok, można otrzymać materiały o zróżnicowanych parametrach fizykochemicznych i biologicznych, przydatne dla zatasowań medycznych.

W związku z tym za główny cel projektu przyjęto uzyskanie możliwie pełnego opisu zjawisk, zachodzących na granicy matryca/CNT, w zależności od parametrów nanocząstek i polimeru. W końcowym efekcie pozwoli to na świadome projektowanie nanokompozytów o z góry założonych własnościach, odpowiednich dla konkretnych zastosowań. Do tego konieczna jest precyzyjna znajomość zarówno ich struktury (polisiloksanu, CNT, granicy CNT/polimer), jak i mikrostruktury. Obecnie zjawiska, związane z wytwarzaniem powłok modyfikowanych nanofazami, przedstawiane są głównie w oparciu o dane o charakterze fenomenologicznym i często analizowane narzędziami zupełnie nieadekwatnymi dla materiałów, występujących w skali nanometrycznej.

Przedmiotem badań będą warstwy zbudowane z CNT pokrytych polimerem krzemoorganicznym oraz te same materiały, poddane obróbce temperaturowej - ceramizacji. Pokrywanie nanorurek krzemoorganicznymi polimerami, jak również poddawanie ich obróbce termicznej sprawia, że otrzymuje się materiały o pożądanej dla wielu zastosowań topografii, odporne na działanie środowiska utleniającego oraz o wysokich parametrach mechanicznych i dobrym przewodnictwie elektrycznym [np. 2,3]. Spodziewamy się, że nasze badania doprowadzą do uzyskania dwóch rodzajów warstw (polimerowej i ceramicznej) modyfikowanych obecnością CNT, nadających im nowe, pożądane właściwości. Wskażemy również, które z parametrów nanorurek i jakie cechy polimeru mają decydujący wpływ na ich strukturę, skład fazowy, topografię czy inne parametry fizykochemiczne lub biologiczne. Oprócz charakterystyki powłok nanokompozytowych w zakresie ich właściwości fizykochemicznych, w powiązaniu z rodzajem stosowanych do ich wytworzenia nanorurek węglowych, szczególny nacisk pragniemy położyć na analizę właściwości, istotnych z punktu widzenia zastosowań medycznych - zwilżalności, trwałości w środowisku biologicznym, szczelności, odporności na korozję, bioaktywności czy cytotoksyczności.

2. Znaczenie projektu

Nanorurki węglowe to materiał o unikatowych właściwościach, który może znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach techniki, jak i w medycynie [np. 4,5]. Jedna z dróg, która prowadzi do wykorzystania właściwości CNT, to wytwarzanie na ich bazie nanokompozytów polimerowych [np. 6]. Są to tworzywa, w których nanocząstki, wprowadzane do matrycy polimerowej, modyfikują ją na poziomie molekularnym, tym samym nadając jej nowe właściwości, niemożliwe do uzyskania innymi drogami. Wprowadzenie CNT do matryc polimerowych może prowadzić do otrzymywania tworzyw o różnorodnych własnościach. Podstawowym wymogiem, związanym z funkcjonalnością nanokompozytów, jest odpowiednia dyspersja nanocząstek w matrycy. W naszym przekonaniu, kluczem do uzyskania pożądanych właściwości nanokompozytów polimerowych jest w pierwszej kolejności analiza zjawisk na granicy nanocząstka/polimer, uzyskiwana w oparciu o nawzajem uzupełniające się metody spektroskopowe, mikroskopowe i testy nanomechaniczne. Wiedza ta posłuży do dobrania warunków skutecznej modyfikacji nanorurek węglowych i polimeru, co zapewni takie oddziaływania na granicy polimer/nanocząstka, które przełożą się na oczekiwane właściwości materiału.

Wraz z rozwojem medycyny wzrasta zapotrzebowanie na materiały przydatne do terapii i diagnostyki. Pomimo dużego postępu w dziedzinie materiałów dla osteosyntezy w ortopedii czy stomatologii, nadal pracuje się nad nowymi rozwiązaniami w zakresie modyfikacji powierzchni, zwłaszcza implantów wytwarzanych ze stali czy tytanu. Od materiałów, przeznaczonych do implantacji w chirurgii kostnej, wymaga się również bioaktywności, czyli tzw. właściwości osteoinduktywnych. W naszym przekonaniu, nanokompozytowe warstwy zbudowane z CNT i polisiloksanów będą spełniać powyższe wymagania. Spodziewamy się, że pokrycie odpowiednio modyfikowanych nanorurek warstwą polisiloksanu czy materiału ceramicznego nada powłoce nanokompozytowej właściwości pożądane dla zastosowań medycznych.

Polisiloksany to organiczno-nieorganiczne polimery, chrakteryzujące się dużymi możliwościami w zakresie modyfikacji struktury, a co za tym idzie, i własności. Stosowane są od wielu lat w medycynie, gdyż są polimerami biozgodnymi o wyjątkowo niskiej toksyczności [np. 7]. Pomimo wielu bezdyskusyjnych zalet, czyste powłoki na bazie polisiloksanów mają również wiele ograniczeń. Główne problemy, ograniczające ich szersze wykorzystanie w medycynie, związane są z często niedostateczną wytrzymałością mechaniczną warstw, zbyt niską hydrofobowością czy brakiem przewodnictwa elektrycznego. W naszym przekonaniu, problemy te można wyeliminować poprzez modyfikację polisiloksanów nanorurkami węglowymi. Wprowadzenie CNT do matrycy polimerowej powinno doprowadzić do wzrostu wytrzymałości mechanicznej warstwy - swego rodzaju siatka zbrojąca. Pozwoli także na uzyskanie specyficznej topografii powierzchni o geometrii, wynikającej z kształtu i rozmiaru nanorurek, którą będzie można kontrolować poprzez ilość i rodzaj wprowadzanych CNT. Zatem wytwarzanie powłok z polisiloksanów, czyli materiałów o udokumentowanej biozgodności, a dodatkowo bioaktywnych, o narzuconej przez kształt i rozmiar użytych nanorurek węglowych topografii powierzchni, to naszym zdaniem droga do uzyskania nowej generacji powłok dla urządzeń medycznych.

Warstwy, będące przedmiotem projektu, zazwyczaj wytwarza się poprzez nałożenie polimeru na układ nanocząstek o określonej nanotopografii. Autorzy projektu prowadzali tego typu badania nad nanorurkami jak i materiałami wytwarzanymi na ich bazie [np. 8,9]. Wykazano między innymi, że dla właściwości warstwy CNT na podłożu metalicznym kluczowa jest funkcjonalizacja nanorurek węglowych. Dobierając odpowiednio sposób modyfikacji, możliwe jest uzyskanie biozgodnych pokryć, które otrzymywane są z przeznaczeniem do kontaktu z różnymi rodzajami komórek żywego organizmu. Opracowano powierzchniowe układy nanorurek z potencjalną możliwością kontroli topografii powierzchni, chrakteryzujące się brakiem cyto- i genotoksyczności oraz o dużej biozgodności, zwłaszcza w kontakcie z komórkami kostnymi [np. 8-10]. Wyniki badań wykazały jednak, że nie zawsze możliwe jest uzyskanie powłok, które posiadałyby pożądane właściwości biologiczne i charakteryzowałyby się odpowiednio silną adhezją do podłoża metalicznego. Niektóre rodzaje nanorurek, nanoszone na podłoże metaliczne metodą elektroforezy, nie łączą się z nim dostatecznie silnie i nie tworzą warstw, z których nie uwalniałyby się słabiej oddziałujące z sąsiadami lub z podłożem nanorurki. W związku z tym nie można wykluczyć uwalniania się pewnej ilości nanorurek z podłoża do otaczającego go medium. W zastosowaniach medycznych zjawisko takie może być bardzo niepożądane [np. 11].

Problem ten można rozwiązać poprzez wytworzenie warstw polisiloksan/nanorurki, w których CNT łączone będą z polimerem w formę nanokompozytu. Takie rozwiązanie doprowadzi do otrzymania warstw, spełniających szereg wspomnianych wcześniej wymagań w dziedzinie medycyny, równocześnie pozbawionych pewnych niedoskonałości, jakie charakteryzować mogą powłoki wytwarzane z samych nanorurek czy polisiloksanów. Problem trwałego związania nanorurek węglowych w polimerze przy jednoczesnym wzroście wytrzymałości mechanicznej można również rozwiązać poprzez przekształcenie polisiloksanu w tzw. czarne szkło na drodze ceramizacji (pirolizy) [12]. Czarne szkła to materiały posiadające strukturę amorficznej krzemionki, w której nastąpiło podstawienie dwóch jonów O2- jednym anionem C4-, co skutkuje gwałtownym wzrostem: wytrzymałości mechanicznej, stabilności termicznej, odporności na utlenianie oraz odporności chemicznej szkła [12]. Nasze dotychczasowe badania wykazały, że na bazie silseskwioksanów drabinkowych można otrzymywać szczelne warstwy o bardzo dobrych parametrach mechanicznych i odporności chemicznej na podłożach metalicznych [13,14]. Wykazaliśmy również, że charakteryzują się one wysoką bioaktywnością przy jednoczesnej odporności na działanie płynów fizjologicznych - zastrzeżenie patentowe [15]. Właściwości biologiczne tych materiałów chcemy poprawić, generując nanorurkami węglowymi biomimetyczną topografię powierzchni.

Podsumowując, nasze badania mają doprowadzić do powstania wiedzy o charakterze podstawowym, ułatwiającej świadome sterowanie procesem wytwarzania nanokompozytowych powłok. Wskaże ona korelacje pomiędzy zjawiskami, przebiegającymi na granicy dwóch tworzących warstwę faz na poziomie molekularnym a jej właściwościami (takimi jak: topografia powierzchni, swobodna energia powierzchniowa, przewodnictwo elektryczne, adhezja do podłoża), czy wreszcie parametrami warstw, istotnymi z punktu widzenia ich późniejszych aplikacji. Jednoczesne wykorzystanie własności polisiloksanów lub czarnych szkieł i nanorurek węglowych doprowadzi do zaproponowania nowej klasy materiałów do zastosowań medycznych. Ich opracowanie, z punktu widzenia wcześniej przedstawionych powodów, ma potencjalnie duże znaczenia dla poprawy jakości życia człowieka.

3. Koncepcja i plan badań

Udowodnienie tezy, sformułowanej w początkowej części opisu, wymaga złożonych badań, zarówno elementów składowych nanokompozytu, jak i warstw wytworzonych z ich udziałem.

Własności otrzymywanych warstw nanokompozytowch można kontrolować poprzez użycie różnych polisiloksanów i wprowadzenie do warstwy odpowiedniej ilości różnie sfunkcjonalizowanych nanorurek węglowych. Jako matrycę nanokompozytowych warstw planujemy wykorzystać polisilseskwioksany drabinkowe. Silseskwioksany to związki, w strukturach których występują tzw. jednostki T. Jako główny prekursor polisilseskwioksanów drabinkowych użyty zostanie metylotrietoksysilan - MTES (CH3Si(OC2H5)3), który zawiera jednostki T. Wyniki naszych badań wykazały, że produktem kwaśnej hydrolitycznej polikondensacji (metoda zol-żel) tego związku jest struktura drabinkowa [13,14]. Wprowadzenie do struktury polisilseskwioksanów drabinkowych jednostek D pozwala zmieniać i jednocześnie kontrolować ilość wprowadzanych jonów węgla. Odbywa się to poprzez dodanie do mieszaniny reakcyjnej dimetylodietoksysilanu - DMDES ((CH3)2Si(OC2H5)2).

Do konstrukcji warstw nanokopozytowych będziemy wykorzystać przede wszystkim wielościenne nanorurki węglowe (MWCNT) o różnych parametrach, zarówno niepoddane modyfikacji, jak i nanorurki sfunkcjonalizowane w mieszaninie kwasów. Głównym celem funkcjonalizacji nanorurek jest usunięcie katalizatorów metalicznych, używanych w procesie syntezy, oraz wprowadzenie grup funkcyjnych, głównie karboksylowych, na powierzchnię nanorurek. Obecność grup funkcyjnych na powierzchni nanorurek węglowych ułatwia proces dyspersji w roztworach wodnych i zachowanie stabilnej zawiesiny. Jest to kluczowe z punktu widzenia uzyskania jednorodnych warstw na powierzchniach metalicznych metodą elektroforetycznego osadzania (EPD) oraz wiązania nanorurek z matrycą polimerową. Charakterystyka nanorurek, przy zastosowaniu metod spektroskopowych (Raman, FTIR, XPS) oraz mikroskopowych (SEM, TEM AFM), doprowadzi do pełnego ich opisu w zakresie struktury, stopnia zdefektowania, rodzaju i ilości grup funkcyjnych na powierzchni. Planujemy, że ten etap badań zakończy się wytypowaniem dwóch istotnie różniących się populacji nanorurek oraz wyborem dwóch grup silseskwioksanów drabinkowych, różniących się stosunkiem jednostek T/D.

Metoda EPD jedno- lub dwustopniowa (sekwencyjna) lub kodepozycja, wspomagana metodą zol-żel, to skuteczna droga, prowadząca do wytwarzania powłok o złożonej budowie. W naszych badaniach wykazaliśmy, że dobre rezultaty otrzymuje się stosując metody dwustopniowe: EPD+EPD (sekwencyjna) jak i łączona metoda EPD z metodą zol-żel (tzw. dip-coating) [9-11]. Wstępne badania w zakresie nanoszenia warstw polisiloksan/CNT wykazały, że bardzo dobre wynik daje również metoda kodepozycji, czyli elektroforeza zolu polisiloksanowego, zawierającego CNT. Analizę metodyki wytwarzania warstw chcemy rozpocząć właśnie od zastosowania metody kodepozycji. W badaniach pragniemy stosować rożne rodzaje nanorurek i najprawdopodobniej nie każdy z nich będzie tworzył z zolem polisiloksanowym trwałą zawiesinę o pożądanej dyspersji. Zatem przewidujemy również stosowanie złożonych metod: EPD+EPD, EPD–kodepozycja oraz EPD i/lub zol-żel (dip-coating) i w oparciu o uzyskane wyniki tłumaczyć ich przewagę nad innymi sposobami wytwarzania warstw. Część warstw, poza procesem suszenia, zostanie poddana procesowi pirolizy w celu przekształcenia silseskwioksanów drabinkowych w czarne szkła.

Grupa powłok nanokompozytowych, zbudowanych z wielościennych nanorurek węglowych, różniących się parametrami, oraz z polisiloksanów (również tych po ceramizacji) o rożnych stosunkach T/D, zostanie poddana badaniom, mającym na celu określenie ich potencjału w zakresie stymulacji procesu osteosyntezy. W pierwszej kolejności badania dotyczyć będą oddziaływań pomiędzy składnikami warstwy - nanorurkami i polimerem. Poszukiwane będą zależności pomiędzy charakterem grup na powierzchni CNT, a budową chemiczną powierzchni warstwy nanokompozytowej. Badania te prowadzone będą przy wykorzystaniu konfokalnej spektroskopii ramanowskiej, spektroskopii XPS oraz spektroskopii FTIR w korelacji z metodami mikroskopowymi i nanomechanicznymi. Oprócz badań, związanych z chemiczną budową powierzchni i jej przełożeniem na oddziaływania chemiczne w obrębie warstwy, przeprowadzona zostanie rozbudowana analiza mikro- i nanotopografii powłok (SEM, TEM, AFM, mikroskop konfokalny) wraz z badaniami swobodnej energii powierzchniowej i jej składowymi (goniometr). Następnie warstwy będą poddane testom bioaktywności - tzw. test Kokubo [16]. Wyniki badań spektroskopowych i mikroskopowych, w połączeniu z wynikami, dotyczącymi chemii i topografii badanych materiałów, będą stanowiły podstawę do wytypowania próbek do pierwszego etapu badań biologicznych. Badania biologiczne w warunkach in vitro będą dotyczyć tzw. profilu kostnego. Obejmą testy w kierunku poziomu fosfatazy alkalicznej i wielu innych markerów, używanych do oceny właściwości osteoinduktywnych materiałów implantacyjnych [17].

Badania materiałowe obejmować będą pełną analizę powłok nanokompozytowych, istotną dla wielu różnych zastosowań. Prowadzone będą badania grubości warstw, adhezji do podłoża, parametrów mechanicznych, współczynnika tarcia czy odporności na korozję. Szczególną wagę przywiązujemy do badań spektroskopii Ramana, której wyniki pragniemy korelować z właściwościami powłok nanokompozytowych. Mamy nadzieję, że przy zastosowaniu spektroskopii Ramana uda nam się monitorować naprężenia, występujące w nanorurkach węglowych, tłumaczyć ich pochodzenie w powiązaniu z oddziaływaniami faz składowych i przekładać na wyniki, otrzymane w badaniach nanoindentacyjnych. Wyniki badań elektrochemicznych czy badania przewodnictwa elektrycznego dostarczą danych, które w powiazaniu z wynikami spektroskopii Ramana, dotyczącymi stopnia uporządkowania struktury fazy węglowej oraz rodzaju oddziaływań na styku CNT/CNT i CNT/polimer, wskażą te cechy materiałów, które odpowiedzialne są za szczelność warstwy czy jej przewodnictwo elektryczne. Wykorzystanie mikrospektroskopii Ramana pozwoli na identyfikację faz, powstających na styku powierzchnia metalu/warstwa nanokompozytowa. Te wyniki, powiązane z wynikami dotyczącymi adhezji warstwy do podłoża, doprowadzą z kolei do określenia czynników, odpowiedzialnych za oddziaływania na granicy metal/nanokompozytowa powłoka.

Analiza danych, uzyskanych w trakcie doświadczeń związanych z badaniami warstw wytworzonych w oparciu o dwa rodzaje nanorurek węglowych oraz dwa rodzaje polisiloksanów, pozwoli na wskazanie tych cech materiałów, wchodzących w skład nanokompozytowej warstwy, które są najistotniejsze z punktu widzenia określonych właściwości. W ten sposób wytypowane zostanie optymalne rozwiązanie, dotyczące warstwy zbudowanej z nanorurek węglowych i polimeru krzemoorganicznego. Spodziewamy się również uzyskania oryginalnych danych w zakresie właściwości biologicznych, wytwarzanych przez nas materiałów. Dotyczyć będą wpływu chemii powierzchni oraz mikro- i nanotopografii na charakter odpowiedzi biologicznej, jak i określenia warunków nukleacji biomimetycznego apatytu na powierzchni warstwy i wskazania ugrupowań chemicznych, odpowiedzialnych za właściwości osteoinduktywne materiału.

4. Metodyka badań

W projekcie planowane jest otrzymanie na stali austenitycznej oraz tytanie kilkudziesięciu różnego rodzaju warstw na bazie silseskwioksanów drabinkowych, modyfikowanych nanorurkami węglowymi o różnym kształcie, długości czy funkcjonalizacji. Wszystkie planowane przez nas warstwy będą nakładane metodą EPD i/lub dip-coatingu. Zaplanowane warstwy to materiały kompozytowe, w związku z czym konieczne jest zastosowanie sekwencyjnego procesu nakładania i/lub współosadzania. W przypadku czarnych szkieł, otrzymane warstwy zostaną poddane procesowi ceramizacji w atmosferze ochronnej (piroliza). Warunki ceramizacji zostaną dobrane na podstawie analizy termicznej (DTA, DSC, DTG). Kluczowymi badaniami, z punktu widzenia realizacji całego projektu, są badania strukturalne. Określenie struktury materiałów kompozytowych jest zadaniem niezwykle trudnym, głównie ze względu na konieczność określenia struktury zarówno matrycy, fazy rozproszonej o rozmiarze nanometrycznym, jak i granicy pomiędzy nimi czy też granicy pomiędzy podłożem a warstwą. Do tego idealnie nadają się metody spektroskopowe, a w szczególności spektroskopia w podczerwieni (FTIR) i Ramana, zwłaszcza w konfiguracji z mikroskopami. Spektroskopia oscylacyjna (FTIR, Raman) pozwoli z dużą precyzją określić rodzaj wiązań, występujących w otrzymanych warstwach. Wykorzystanie mikroskopii ramanowskiej daje szansę na oddzielne określenie struktury matrycy i nanorurek. Sprzężenie optycznego mikroskopu konfokalnego ze spektrometrem ramanowskim, wyposażonym w ruchomy stolik, pozwala skanować badane próbki z rozdzielczością rzędu kilkudziesięciu nanometrów, uzyskując tym samym informacje na temat ich heterogeniczności. Mapowanie punkt po punkcie pozwala otrzymać graficzne przedstawienie dystrybucji związków chemicznych na powierzchni próbki. Dzięki wysokiej rozdzielczość mikroskopu możliwe będzie określenie sposobu wiązania nanocząstek z matrycą oraz naprężeń istniejących w badanych materiałach. Dodatkowo przeprowadzone zostaną również badania XPS, co umożliwi zobrazowanie stan chemiczny pierwiastków na powierzchni badanych materiałów.

Oprócz struktury, o własnościach powłok decyduje również ich grubość oraz stan powierzchni. Zostanie to określone poprzez badania mikroskopowe (mikroskop konfokalny, SEM, TEM, AFM) .

Badania właściwości elektrycznych otrzymanych materiałów będą prowadzone zarówno w skali nano - badania AFM (użycie odpowiednich przystawek), jak i makro, metodą elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej (EIS) oraz stałoprądową metodą dwusondową.

Jednym z podstawowych parametrów projektowanych warstw jest zwilżalność, która będzie badana na podstawie analizy kształtu kropli goniometrem z komorą temperaturową – możliwość pomiarów w temp. pracy nanokompozytów. Dodatkowo wyznaczona zostanie swobodna energia powierzchniowa oraz napięcie powierzchniowe.

W celu precyzyjnego określenia parametrów mechanicznych warstw nanokompozytowych, wykonane zostaną badania nanomechaniczne (współpraca) w oparciu o metodę nanoindentacji (NanoTest). Precyzyjne określenie twardości, modułu Younga, energii elastycznej czy plastycznej materiału, możliwe jest w oparciu o odpowiedź mechaniczną badanej próbki, otrzymaną z poziomu pojedynczych nanometrów. Wybrany układ badawczy umożliwia prowadzenie badań nanomechanicznych od temperatury pokojowej do temperatur rzędu 750°C, jak również w komorze klimatycznej z regulowaną wilgotnością (symulacja środowiska biologicznego). Pozwoli to więc na zbadanie właściwości mechanicznych nanokompozytów w rzeczywistych warunkach pracy. Ostatecznie planowane jest sporządzenie map rozkładu parametrów mechanicznych dla otrzymanych nanokompozytów. Na ich podstawie możliwe jest uzyskanie map rozkładu naprężeń. Pozwoli to określić rodzaj i wielkość naprężeń istniejących w nanokompozycie w temp. pokojowej oraz w symulowanych warunkach pracy materiału (in situ), wynikających z niedopasowania współczynników rozszerzalności cieplnej podłoża i warstwy oraz współistnienia kilku faz (nanokompozyt). Urządzenie NanoTest wyposażone jest również w głowicę do wykonywania scratch testów. Zapewnia ono możliwość prowadzenia badań trybologicznych warstw od kilku do kilkuset µm. Badania te pozwolą określić przyczepność poszczególnych warstw do podłoża metalicznego.

Otrzymywane warstwy muszą charakteryzować się bardzo dobrą szczelnością i odpornością korozyjną. Proces korozji warstw śledzony będzie z zastosowaniem wcześniej wymienionych metod mikroskopowych oraz spektroskopowych. Dodatkowo, we współpracy z Wydziałem Chemii Politechniki Śląskiej, zostaną przeprowadzone odpowiednie testy korozji w tzw. roztworze Ringera.

Z punktu widzenia zastosowania otrzymywanych warstw jako biomateriałów konieczne jest określenie ich bioaktywności. Zostanie ona oceniona na podstawie tzw. testu Kokubo [16] - inkubowanie badanych materiałów w sztucznym osoczu (SBF) i kontrola narastania faz fosforanowych. Materiały będą również oceniane pod względem ich właściwości biologicznych w laboratorium hodowli komórek na Wydziale Biologii i Nauk o Ziemi UJ (współpraca).

Wszystkie zaplanowane badania struktury, mikrostruktury oraz własności fizykochemicznych otrzymanych materiałów, pozwolą określić główne parametry użytkowe zaprojektowanych funkcjonalnych warstw. Szczególnie ciekawe wydaje się być skorelowanie map rozkładu przewodności elektrycznej, właściwości mechanicznych i naprężeń z uzyskanymi mapami ramanowskimi.

Praktycznie wszystkie urządzenia, niezbędne do realizacji projektu, znajdują się na wyposażeniu Wydziału Inżynierii Materiałowej i Ceramiki i są dostępne nieodpłatnie dla doktorantów oraz pracowników Wydziału.

5. Literatura

1. R.P.S. Chakradhar, G. Prasad, P. Bera, C. Anandan, Applied Surface Science 301 (2014) 208.

2. A. Asthana, T. Maitra, R. Büchel, M.K. Tiwari, D. Poulikakos, ACS Applied Mat. & Inter. 6 (2016) 8859.

3. L. Zhang, T.J. Webster, Nano Today 4 (2009) 66.

4. M. Foldvari, M. Bagonluri, Nanomedicine 4 (2008) 173.

5.R.H. Baughman, A.A. Zakhidov, W.A. de Heer, Science 297 (2002) 787.

6. A. Wesełucha-Birczyńska, M. Świętek, E. Sołtysiak, P. Galiński, M. Błażewicz, Analyst 140 (2015) 2311.

7. S. Braley, J. Macrom. Sci.: Part A – Chemistry 4 (1970) 529.

8. E. Długon, W. Niemiec, P. Jelen, M. Sitarz, M. Błażewicz, Spectrochimica Acta Part A 133 (2014) 872.

9. E. Dlugon, W. Simka, A. Fraczek-Szczypta, W. Niemiec, M. Blazewicz, Bull. Mater. Sci. 38 (2015) 1339.

10. A. Benko, A. Wiecheć, B. Rajchel, E. Długoń, M. Błażewicz, Acta Physica Polonica. A 129 (2016) 176.

11. A. Fraczek, E. Menaszek, Cz. Paluszkiewicz, M. Blazewicz, Acta Biomaterialia 4 (2008) 1593.

12. G.D. Soraru, Q. Liu, L.V. Interrante, T. Apple, Chem. Mater. 10 (1998) 4047.

13. M. Sitarz, W. Jastrzębski, P. Jeleń, E. Długoń, M. Gawęda, Spectrochimica Acta Part A 132 (2014) 884.

14. P. Jeleń, M. Bik, M. Nocuń, M. Gawęda, E. Długoń, M. Sitarz, , J. Mol. Struct. 1126 (2016) 172.

15. M. Sitarz, E. Długoń, P. Jeleń, M. Gawęda, Application of bioactive coatings on the basis of silicon oxycarbide, PL 411638 A1. 2015-03-18 (patent).

16. T. Kokubo, H. Takadam, Biomaterials 27 (2006) 2908.

17. A.M. Osyczka, U. Nöth, J. O'Connor, E.J. Caterson, K. Yoon, Calcif. Tissue Int. 71 (2002) 447.