Projekti / Programi
Multifunkcionalne nanostrukturne prevleke za umetne vsadke - korozijski in tribokorozijski procesi
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.02.06 |
Tehnika |
Kemijsko inženirstvo |
Biokemijsko inženirstvo |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P352 |
Naravoslovno-matematične vede |
Površinska kemija in kemija tankih plasti |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
multifuncionalne prevleke, antibakterijski učinek, obrabna obstojnost, korozija, tribokorozija, biomateriali
Raziskovalci (12)
Organizacije (5)
Povzetek
Povzetek
V predlaganem projektu bomo preučevali nove antibakterijske tanke plasti, ki jih bomo nanesli na kovine in zlitine, ki se uporabljajo ali so potencialno zanimive za umetne vsadke v človeški organizem. Razvili bomo prevleke na osnovi ogljika in nitrida, ki z dodatkom komponente srebra ali bakra izkazujejo poleg dobrih obrabnih in korozijskih lastnosti tudi antibakterijske in biokompatibilne lastnosti.
Za pripravo nanostrukturnih multifunkcionalnih plasti bomo uporabili fizikalne metode nanašanja iz parne faze – PVD (Physical Vapor Deposition). Osnova novih PVD-prevlek bodo nitridi prehodnih kovin kot so TiN, CrN ali TaN. To so keramični materiali, za katere so značilne kovalentne vezi, ki so zelo usmerjene, zato so takšni materiali zelo trdi, krhki, kemijsko inertni in imajo visoko tališče. S spreminjanjem parametrov nanašanja kot so gostota plazme, temperatura podlag in režim nanosa (magnetronski, pulzni) bomo spreminjali njihovo strukturo in lastnosti.
Z uvedbo tretje komponente (srebra ali bakra) v prevleke bomo spremenili sestavo, strukturo in lastnosti. Srebro in baker nista topna v (Ti,Cr,Ta)N, njuna nitrida pa nestabilna. Tako bomo pripravili nanokompozitne prevleke s kompleksno strukturo (Slika 1), kjer se izmenjujejo trde in mehke kristalne faze, kovinske in nekovinske faze. Trda faza je odgovorna za visoko odpornost proti obrabi pri večji obremenitvi, mehka faza pa zmanjša koeficient trenja in trdoto.
Inherentne antimikrobne lastnosti srebra in bakra bodo nanokompozitnim prevlekam dodale novo lastnost, ki je zanimiva za nove aplikacije, kot so biomedicina in prehrambna industrija.
V okviru tega projekta bomo pripravili tudi prevleke na osnovi ogljika (diamantu podobne prevleke - DLC) z dodatkom srebra ali bakra. DLC prevleke so trde, inertne in kažejo dobre biokompatibilne lastnosti. Z dodatkom bakra in srebra bomo pridobili še antibakterijski učinek. Adhezija teh prevlek na mehko podlago npr. nerjavno jeklo, še vedno predstavlja iziv za nadaljnje raziskave. Adhezijo bomo poskusili izboljšati na dva načina: 1) nanos vmesne plasti kovine (Cr in/ali Ti), ki zmanjša napetosti med podlago in DLC prevleko 2) dodatek N2 v reaktivni plin acetilen, ki zmanjša trdoto in poveča grafitizacijo plasti.
Naslednji del projekta bo namenjen fizikalni, strukturni in mehanski karakterizaciji pripravljenih prevlek. V ta namen bomo uporabili površinske tehnike za karakterizacijo kot npr. vrstična elektronska mikroskopija (SEM/EDS), presevna elektronska mikroskopija (TEM), mikroskop na atomsko silo (AFM), uklon rentgenskih žarkov (XRD) in rentgenska fotoelektronska spekroskopija (XPS).
Lastnosti, kot so adhezija, trdota in gostota, bomo določali za vsako prevleko.
Zadnji del raziskovalnega projekta obsega korozijsko in tribokorozijsko karakterizacijo prevlek ter določitev njihovega antibakterijskega učinka. Tribokorozijski testi v fiziološkem mediju bodo pokazali primernost prevleke tako s stališča obrabe kot tudi korozije. Razumevanje mehanizmov korozije je ključnega pomena za pripravo prevlek z ustrezno korozijsko zaščito. Uporabili bomo tako potenciostatske in galvanostatske tehnike, kot tudi elektrokemijsko impedančno spektroskopijo (EIS) ter korozijski test v slani komori.
Antibakterijski učinek prevlek bomo določili s testom preživetja bakterij, ki ga bomo prilagodili glede na vrsto uporabljenih bakterij.
Pomen za razvoj znanosti
Pomen za razvoj znanosti lahko sklenemo z naslednjimi ugotovitvami. Mikrostrukturne raziskave, kjer je poudarek na pripravi in karakterizaciji nanokristaliničih mutifuncionalnih prevlek, smo povezali z elektrokemijskimi raziskavami. Področje raziskav predstavlja interdisciplinarno smer, saj povezuje osnovna znanja s področja elektrokemije, fizike površin, površinske analize, metalurgije, tribologije in plazemskih površinskih tehnologij ter medicine. V projektu smo poleg najrazličnejših elektrokemijskih metod uporabili tudi najsodobnejše metode površinske analize. Raziskave so pripomogle k pridobivanju novih, kvalitetnih znanstvenih spoznanj, ki jih ne bi bilo mogoče razviti znotraj posameznih področij, to je medicine oz. znanosti o inženirstvu površin. Interdisciplinarni pristop omogoča boljšo obravnavo zahtevene problematike površinske zaščite umetnih sklepov v človeškem telesu. Znanstveni pomen dokazujejo številne publikacije članov projektne skupine v uglednih mednarodnih znanstvenih revijah, kot npr. dva prispevka v Corrosion Science s faktorjem vpliva 3.6. Omeniti je treba tudi, da je bil eden od prispevkov iz tematike projekta citiran že 49-krat.
Pomen za razvoj Slovenije
Elektrokemijski postopki nanašanja zaščitnih prevlek (korozijskih in dekorativnih) se v slovenski industriji zelo pogosto uporabljajo. Zaradi poostrene evropske in nacionalne zakonodaje na področju zaščite okolja so uporabniki prisiljeni omenjene zdravju in okolju nevarne postopke nadomestiti z ekološko neoporečnimi vakuumskimi postopki. PVD-prevleke so se izkazale kot realna alternativa. Z njimi lahko pripravimo tako kovinske in keramične prevleke kot tudi različne zlitine. Delo na projektu je močno povezalo doslej nekoliko preveč samostojno delujoče raziskovalne skupine na petih institucijah. Pomemben podatek je tudi, da so bile udeležene raziskovalne skupine iz različnih slovenskih mest in iz različnih tipov raziskovalnih organizacij. Nenazadje so rezultati potencialno pripomogli k boljši obstojnosti umetnih sklepov v človeškem telesu, kar bo zmanjšalo stroške javne blagajne v zdravstvu.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
