Povrchové vlastnosti biokompatibilních materiálů připravovaných pomocí pulzní laserové depozice Jan Mikšovský Miroslav Jelínek Jan Remsa Tomáš Kocourek Katedra přírodovědných oborů FBMI ČVUT Fyzikální ústav AV ČR v.v.i, Praha

Motivace a cíle projektu Řešení 7. RP – bezpečný katetr Záměrem je vytvoření uretrálního katetru s antibakteriálními vlastnostmi. Podle WHO se v nemocnicích v EU nakazí každoročně asi 2,4 miliony pacientů infekcí. Z toho asi 40 % v důsledku aplikace uretrálních katetrů. Vzniknul projekt kladoucí si za cíl přerušit kontaminační cesty pomocí vložení katetru s vrstvou oxidu titaničitého aktivovaného pomocí UV diody a zamezit tak šíření bakterií. Projekt se soustředil na nalezení podmínek pro získání dostatečných fotokatalytických vlastnosti TiO2 vrstvy i za nižších teplot, které bude možnost aplikovat na plastový katetr.

Motivace a cíle projektu Řešení 7. RP – bezpečný katetr Růst krystalických fází TiO2 za nízkých teplot Fotokatalytická účinnost krystalických fází Zkoumané bakterie: Enterobacteriaceae (E.coli, Klebsiella sp., Enetrobacter sp.), Pseudomonas aeruginosa, Eneterococci, Candida sp.) Možné kontaminační cesty při aplikaci urinálních katetrů

Oxid titaničitý TiO2 Základní krystalické fáze: Anatas, Rutil, Brokit Běžně používaný polovodič a průmyslový produkt: Eg = 3 eV u Rutilu Eg = 3,2 eV u Anatasu Výborné fotokatalytické vlastnosti → rozklad chemických látek a antibakteriální účinky

Pulzní laserová depozice Laserový svazek Křemenné okno Křemenná čočka Terč Topný stolek Podložka Vakuová komora Plasmový obláček Laser Vakuové čerpání Vakuová měrka Princip PLD – ablace materiálu terče, vznik plazmového obláčku, nukleace a růst vrstvy Použitý laser: Excimerový laser COMPexPro™ 205 s KrF náplní. Vlnová délka byla λ = 248 nm, délka jednoho pulzu 20 ns, výstupní energie 800 mJ max.

Depozice vrstev TiO2 Depoziční podmínky: Materiál terče Podložka vrstvy Hustota energie Teplota podložky Tlak v komoře Vzdálenost podložka-terč Frekvence Počet pulzů RF výboj 1 3 2 4 5 6 11 10 9 8 7 Vakuová komora pro depozice TiO2 vrstev.

Analýzy vrstev Krystalická struktura: XRD a Ramanova spektrometrie Morfologie: AFM Solver NEXT od firmy NT-MDT Tloušťka vrstev a drsnost: profiloměr Alpha-Step IQ Surface Profiler od firmy KLA Tencor Ukázka XRD analýzy 5000 4000 3000 2000 1000 800 700 600 500 400 300 200 100 40/4 1% '59_FS_A3' '59_FS_A4' '59_FS_A0r' 244 320 324 Transmitance: UV – VIS spektrometr Shimadzu UV-1601 Měření kontaktního úhlu a povrchové energie: DSA 100 Kruss Měření fotokatalytických vlastností (změna pH) Ukázka Ramanova spektra

Analýzy vrstev Určení tloušťky vrstvy a drsnosti. AFM sken oblast 25 x 25 μm s ukázkou velkých částic uvolněných z terče. AFM sken oblast 3,5 x 5 μm nahoře 2D snímek fáze a 3D zobrazení dole.

Měření kontaktního úhlu a povrchové energie 1 4 3 2 5 Statický kontaktní úhel Povrchová energie Fowkesova metoda Použité kapaliny Testování homogenity Testování krystalických fází

Fotokatalytické vlastnosti vrstev TiO2 Princip fotokatalýzy Měření fotokatalytických účinků Změna pH Rozklad kyseliny olejové Další metody 1 3 6 5 4 7 2 Nahoře princip fotokatalýzy Vlevo měřící aparatura Dole výstup z měření

Testování mechanických vlastností Provádíme měření adheze pomocí Nanosklerometrické hlavy na přístroji AFM Solver Next. Zkoušeli jsme progresivní a konstantní zátež.

Zhodnocení výsledků a možnosti pokračování Byly nadeponovány vzorky s různými krystalickými fázemi a vzorky amorfní. Krystalické fáze byly vytvořeny i za teplot 200°C a nižších. Amorfní vzorky vykazovaly vyšší povrchovou energii než vzorky krystalické. Měření fotokatalytických účinků ukazuje na lepší fotokatalytické vlastnosti anatasových a rutilových vzorků. Nejhůře se jevila brokitová fáze, která je podle výsledků horší než amorfní vzorky. Celkové fotokatalytické účinky námi vytvořených vrstev metodou PLD, se ukazují jako dobré. Také se potvrdil lepší růst a lepší fotokatalytická účinnost na křemíkových podložkách. Nejvýraznější pokles je u anatasového vzorku připraveného metodou sol-gel z prášku Degussa P25, zde je nutno doplnit, že plocha referenčního vzorku byla o 10 az 25 % vyšší.

Laboratoře PLD Prof. Miroslav Jelínek Ing. Tomáš kocourek, Ph.D. Ing. Jan Remsa Ing. Jan Mikšovský Ing. Makréta Zezulová Ing. Petr Písařík Hybridní laserové systémy Dvoulaserové systémy PLD + MG PLD + RF PLD + MG + RF Iont beam RTA, FTIR, AFM + sclerometr head, CA-SFE, Profiloměr, vláknový spektrometr, UV a O3 zdroje DLC, HA, HA+Ag, TiO2

Děkuji za pozornost!