Содержание

Уникальные фотографии поверхности спутника Титана, которые были опубликованы спустя 12 лет (Фото, Видео) | Космос и Наука

Причины того, что данные фотографии поверхности спутника газового гиганта, были опубликованы лишь спустя десятилетие – до сих пор неизвестны. Самым интересным является то, что именно на этих снимках можно увидеть удивительное сходство спутника с нашей родной планетой.

Причины того, что данные фотографии поверхности спутника газового гиганта, были опубликованы лишь спустя десятилетие – до сих пор неизвестны. Самым интересным является то, что именно на этих снимках можно увидеть удивительное сходство спутника с нашей родной планетой.

В 2005 году на поверхность спутника приземлился космический аппарат «Гюйгенс» для исследования удивительного мира с озерами и морями. Небольшой зонд высадился на поверхности спутника, преодолев достаточно толстые слои дымки.

Фото: поверхность Титана, НАСА

Фото: поверхность Титана, НАСА

Это был первый космический аппарат, который прикоснулся к этому удивительному и в то же время загадочному спутнику. Аппарату удалось сделать несколько фотографий космического объекта и собрать важную научную информацию. Несмотря на то, что сбор данных осуществлялся на протяжении часа, а после батареи аппарата сели, он смог передать специалистам интересные данные.

Ученые говорят о том, что высадка космического аппарата «Гюйгенс» — научный прорыв в области исследования лун газового гиганта Сатурна. Данная миссия действительно изменила понимание ученых об этом загадочном мире.

Читайте интересную статью на нашем канале Самые сильные солнечные вспышки за 12 лет (новое видео от НАСА)

Ставьте лайки, делитесь статьями в социальных сетях, подписывайтесь на канал и читайте интересные факты про космос. Подписаться можно кликнув по названию канала Космос и Наука.

Титан — все статьи и новости

Титан — спутник Сатурна, второй по величине среди спутников Солнечной системы после Ганимеда, спутника Юпитера. По диаметру (1552 км) Титан превосходит Луну на 50%, а по массе — на 80%. Обращается вокруг Юпитера примерно за 16 земных суток при среднем удалении от планеты около 611 тыс. км.

В первую очередь Титан интересен для астрономов тем, что это единственное, кроме Земли, космическое тело Солнечной системы, на поверхности которого доказано существование жидкости. При этом, как и вода на Земле, эта жидкость осуществляет круговорот в природе Титана. Также он является единственным спутником Сатурна, имеющим плотную атмосферу.

Поверхность Титана в основном состоит из водяного льда, из-за низких температур имеющего скальную твердость, и органических осадочных веществ. Толщина атмосферы составляет более 400 км, состоит она преимущественно из азота. Содержащиеся в ней метан и этан собираются в облака, являющиеся источником жидких и, возможно, твердых осадков. Попадая на поверхность Титана, имеющую среднюю температуру -179,5°C, эти осадки существуют там в жидком виде, после чего испаряются вновь. Вследствие круговорота метана-этана на поверхности Титана существуют озера, моря и реки. Три крупнейших «водоема» спутника: моря Лигейи, Кракена и Пурги — наполнены чистым метаном и окружены множеством углеводородных озер и рек.

Астрономы высказывают осторожные предположения о существовании на Титане жизни в виде микроорганизмов, потребляющих ацетилен и «выдыхающих» метан. Иным образом они не могут объяснить дефицит ацетилена на поверхности Титана.

Титан был открыт 25 марта 1655 года голландским физиком, математиком и астрономом Христианом Гюйгенсом. Орбита спутника с тех пор была хорошо изучена, однако, поскольку поверхность скрывалась под густой атмосферой, до конца прошлого века о ней ничего не было известно. Первые снимки Титана были получены пролетавшими мимо спутника космическими аппаратами Pioneer (в 1979 году сделал пять снимков Титана) и Voyager 1 (в 1980 году). Основная информация о спутнике начала поступать с июня 2004 года, когда к Сатурну прибыл зонд Cassini–Huygens. 14 декабря 2005 года спускаемый аппарат Huygens, ранее отделившийся от Cassini, опустился на поверхность Титана, по пути проведя анализ атмосферы Титана и впервые сделав снимки его поверхности.

Изображение: Courtesy NASA/JPL-Caltech

15 лет высадке зонда Huygens на Титан

Сегодня исполняется ровно 15 лет со дня одного из самых значимых событий в истории межпланетных исследований. 14 января 2005 г. европейский зонд Huygens совершил посадку на поверхность Титана — крупнейшего спутника планеты Сатурн. До сих пор эта операция остается самой удаленной от Земли мягкой посадкой на какое-либо тело Солнечной системы.

Диаметр Титана составляет 5150 км — по размеру он даже превышает Меркурий. Еще в середине XX века астрономы установили, что у него есть атмосфера, состоящая из азота и метана. В 1980 г. космический аппарат Voyager 1 совершил близкий пролет спутника. К сожалению, сделанные им фотографии не позволили выявить каких-либо деталей на поверхности Титана: оказалась, что он полностью окутан непрозрачной оранжевой углеводородной дымкой.

Титан и Сатурн. Источник: NASA/JPL-Caltech/SSI Титан. Источник: NASA/JPL/Space Science Institute Слои углеводородного смога в атмосфере Титана. Источник: NASA/JPL-Caltech

Тем не менее, Voyager 1 собрал много данных, позволивших определить основные свойства титанианской атмосферы. Их анализ показал, что средняя температура и давление на поверхности спутника близки к тройной точке метана. Это позволяло предположить, что метан на Титане может выполнять те же функции, что вода на Земле.

Неудивительно, что ученые захотели проверить это предположение. Такая возможность появилась после того, как NASA и ESA согласовали проект межпланетной миссии Cassini, предназначенной для изучения Сатурна. Конструкторы учли опыт зондов Voyager и оснастили новый аппарат радаром, а также инфракрасным спектрометром, способным «пробиться» через скрывающую поверхность Титана дымку. Но все же, основная задача по изучению спутника была возложена на посадочный модуль Huygens. Он представлял собой 319-килограммовый зонд, оснащенный камерами и набором инструментов для исследований титанианской атмосферы. Стоит отметить, что, поскольку конструкторы не знали, каковы свойства поверхности этого небесного тела, им приходилось учитывать самые необычные возможности — например, скомпоновать модуль таким образом, чтобы он остался на плаву в случае посадки в озеро, наполненное жидкими углеводородами.

Схема зонда Huygens. Источник: NASA Сборка зонда Huygens. Источник: NASA Зонд Huygens на Титане в представлении художника. Источник: NASA Сборка зонда Huygens. Источник: NASA

Зонд был запущен в связке с базовым аппаратом Cassini осенью 1997 г. Спустя семь лет они достигли Сатурна. 25 декабря 2004 г. Huygens отделился от Cassini и продолжил самостоятельный полет. 14 января 2005 г. он вошел в атмосферу Титана, совершил аэродинамическое торможение мягкий спуск на поверхность с помощью парашютов.

Во время посадки зонд проанализировал множество проб атмосферы, измерил скорость ветра и даже сумел записать звуки. Опасения конструкторов не оправдались: Huygens сел на твердую поверхность. Но сделанные во время снижения снимки показали сложный рельеф со множеством следов воздействия жидкости. На переданных изображениях обнаружены формации, напоминающие русла рек и даже «береговую линию». А на фотографиях непосредственно с поверхности видны камни округлой формы, похожие на гальку.

Сейчас мы знаем, что основные углеводородные резервуары Титана сосредоточены в окрестностях его полюсов. Huygens же сел в районе экватора. Считается, что появления жидкости там носят сезонный характер.

Стереографическая проекция изображения поверхности Титана, сделанная зондом Huygens . Источник: ESA/NASA/JPL/University of Arizona Коллаж из изображений поверхности Титана, сделанных зондом Huygens во время спуска. Источник: ESA/NASA/JPL/University of Arizona Изображение поверхности Титана, сделанное зондом Huygens. Источник: ESA/NASA/JPL/University of Arizona Карта Титана. Красная точка отмечает место посадки зонда Huygens. Источник: NASA/JPL-Caltech/Space Science Institute/USGS

В целом Huygens выполнил все возложенные на него задачи. Единственной «ложкой дегтя» стал досадный сбой в программном обеспечении, из-за которого была потеряна половина сделанных снимков. Но даже с учетом этого успешная посадка зонда по праву считается одним из самых знаковых космических событий 21 века. По сей день Huygens остается единственным аппаратом, передавшим изображения с поверхности объекта за пределами Главного пояса астероидов.

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

https://ria.ru/20201028/titan-1581924489.html

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле — РИА Новости, 28.10.2020

На Титане обнаружили странную органическую молекулу, которой нет на Земле

Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на. .. РИА Новости, 28.10.2020

2020-10-28T14:12

2020-10-28T14:12

2020-10-28T16:08

наука

наса

космос — риа наука

химия

биология

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21.img.ria.ru/images/103106/82/1031068239_0:0:600:338_1920x0_80_0_0_7c39a4156d975cc36f8dc3e55d00fc5e.jpg

МОСКВА, 28 окт — РИА Новости. Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на одной планете. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.Титан, крупнейший спутник Сатурна, — единственное, за исключением Земли, небесное тело, на поверхности которого присутствует жидкость. Моря и озера Титана состоят из жидких углеводородов, и ученые предполагают, что там, вполне возможно, существует жизнь. Астрономы под руководством Конора Никсона (Conor Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА использовали радиотелескоп ALMA, расположенный в чилийской пустыне Атакама, для поиска органических молекул в атмосфере Титана. В разреженных верхних слоях, высоко над поверхностью, они обнаружили спектр неизвестного соединения. Сравнив его с базой химических профилей, ученые определили, что это циклопропенилиден (C3h3) — чрезвычайно редкая молекула на основе углерода, полученная на Земле только в лабораторных условиях. Она не может долго существовать в атмосферных условиях, потому что очень легко реагирует с другими молекулами, образуя более сложные соединения. Циклопропенилиден никогда раньше не находили где-либо в Солнечной системе. Теоретически он может оставаться стабильным только в холодном межзвездном пространстве, где практически отсутствуют химические взаимодействия.Это соединение для ученых представляет особый интерес, поскольку его кольцевые молекулы, состоящие из трех атомов углерода, когда-то могли стать строительными блоками для более сложных органических молекул, которые однажды привели к возникновению жизни на Земле. Известно, что азотистые основания ДНК и РНК основаны на таких молекулярных кольцах. «Циклический характер циклопропенилидена открывает дополнительную ветвь химии, которая позволяет создавать биологически важные молекулы», — приводятся в пресс-релизе Центра космических полетов имени Годдарда НАСА слова одного из авторов статьи астробиолога Александра Телена (Alexander Thelen).Чем меньше молекула, тем больше у нее потенциал. Ученые предполагают, что реакции с участием мелких молекул с меньшим количеством связей, таких как циклопропенилиден, будут происходить быстрее, чем реакции с участием крупных и сложных молекул, что чисто статистически приведет к более разнообразным результатам. До этого считалось, что самая маленькая молекула углеводородного кольца — бензол (C6H6), который уже выявили ранее в атмосфере Титана. Авторы предполагают, что верхних слоях атмосфера этого спутника настолько разреженная, что в ней может сохраняться циклопропенилиден.»Титан уникален в нашей Солнечной системе. Он оказался сокровищницей новых молекул, — говорит руководитель исследования Конор Никсон. — Мы думаем о Титане как о реальной лаборатории, где можно увидеть химию, подобную той, что была на древней Земле, когда здесь зарождалась жизнь».Азот и метан на поверхности Титана распадаются под действием солнечного света, вызывая каскад химических реакций. Могут ли эти реакции привести к возникновению жизни — вопрос, на который ученые хотят найти ответ.

https://ria.ru/20201027/planeta-1581809538.html

https://ria.ru/20201026/luna-1581628545.html

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2020

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og. xn--p1ai/awards/

https://cdnn21.img.ria.ru/images/103106/82/1031068239_0:0:600:450_1920x0_80_0_0_cfe8376b750aaf39162724f3103041ff.jpg

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

наса, космос — риа наука, химия, биология

МОСКВА, 28 окт — РИА Новости. Астрономы обнаружили в атмосфере Титана циклопропенилиден — чрезвычайно редкую молекулу, состоящую из атомов углерода и водорода, которая не встречается ни на одной планете. Результаты исследования опубликованы в журнале The Astronomical Journal.

Титан, крупнейший спутник Сатурна, — единственное, за исключением Земли, небесное тело, на поверхности которого присутствует жидкость. Моря и озера Титана состоят из жидких углеводородов, и ученые предполагают, что там, вполне возможно, существует жизнь.

Астрономы под руководством Конора Никсона (Conor Nixon) из Центра космических полетов имени Годдарда НАСА использовали радиотелескоп ALMA, расположенный в чилийской пустыне Атакама, для поиска органических молекул в атмосфере Титана.

В разреженных верхних слоях, высоко над поверхностью, они обнаружили спектр неизвестного соединения. Сравнив его с базой химических профилей, ученые определили, что это циклопропенилиден (C3H2) — чрезвычайно редкая молекула на основе углерода, полученная на Земле только в лабораторных условиях. Она не может долго существовать в атмосферных условиях, потому что очень легко реагирует с другими молекулами, образуя более сложные соединения.

Циклопропенилиден никогда раньше не находили где-либо в Солнечной системе. Теоретически он может оставаться стабильным только в холодном межзвездном пространстве, где практически отсутствуют химические взаимодействия.

27 октября 2020, 18:13НаукаАстрономы нашли 17 кандидатов на роль Девятой планеты

Это соединение для ученых представляет особый интерес, поскольку его кольцевые молекулы, состоящие из трех атомов углерода, когда-то могли стать строительными блоками для более сложных органических молекул, которые однажды привели к возникновению жизни на Земле. Известно, что азотистые основания ДНК и РНК основаны на таких молекулярных кольцах.

«Циклический характер циклопропенилидена открывает дополнительную ветвь химии, которая позволяет создавать биологически важные молекулы», — приводятся в пресс-релизе Центра космических полетов имени Годдарда НАСА слова одного из авторов статьи астробиолога Александра Телена (Alexander Thelen).

Чем меньше молекула, тем больше у нее потенциал. Ученые предполагают, что реакции с участием мелких молекул с меньшим количеством связей, таких как циклопропенилиден, будут происходить быстрее, чем реакции с участием крупных и сложных молекул, что чисто статистически приведет к более разнообразным результатам.

До этого считалось, что самая маленькая молекула углеводородного кольца — бензол (C6H6), который уже выявили ранее в атмосфере Титана. Авторы предполагают, что верхних слоях атмосфера этого спутника настолько разреженная, что в ней может сохраняться циклопропенилиден.

«Титан уникален в нашей Солнечной системе. Он оказался сокровищницей новых молекул, — говорит руководитель исследования Конор Никсон. — Мы думаем о Титане как о реальной лаборатории, где можно увидеть химию, подобную той, что была на древней Земле, когда здесь зарождалась жизнь».

Азот и метан на поверхности Титана распадаются под действием солнечного света, вызывая каскад химических реакций. Могут ли эти реакции привести к возникновению жизни — вопрос, на который ученые хотят найти ответ.

26 октября 2020, 19:00НаукаNASA подтвердило наличие воды на солнечной стороне Луны

А шнек идет: разработан аппарат для исследования спутника Сатурна | Статьи

Российские ученые разработали планетоход для исследования спутника Сатурна Титана, потенциально пригодного для колонизации. Машина способна двигаться по воде, суше и болотистой местности. Вездеходность аппарата обеспечивает особый метод передвижения: два винта проталкивают его вперед без проскальзывания вне зависимости от свойств грунта. Планетоход обладает высокой проходимостью, согласны эксперты, однако указывают, что он подвержен износу. О колонизации говорить еще рано, но изучение Титана даст возможность найти иные формы жизни и понять, как зарождалась жизнь на Земле, добавили специалисты.

Закрутилось, завертелось

Крупнейший спутник Сатурна Титан ученые рассматривают как один из кандидатов на колонизацию. 15 лет назад автоматическая межпланетная станция «Кассини-Гюйгенс» зафиксировала на поверхности Титана озера и даже моря, заполненные жидкими углеводородами. Это первый случай обнаружения подобных природных образований на космических телах.

Ученые из института № 6 «Аэрокосмический» МАИ разработали аппарат, подходящий для исследования Титана. У него особый способ передвижения, основанный на применении двух винтов, подобных тем, что вращаются внутри мясорубки. Аппарат похож на танк, только вместо гусениц винты. Благодаря такой технической задумке титаноход одинаково эффективно сможет передвигаться как по воде, так и по суше, а также по болотистой местности. Такая вездеходность актуальна для Титана, где есть водоемы из углеводородов, снегообразный железистый грунт, местами возможен лед.

«Аппарат планируется оснастить двумя параллельными друг другу винтами, так называемыми шнеками, — рассказала автор работы Элеонора Войцицкая. — Шнеки в отличие от винта мясорубки имеют более толстый стержень и менее выраженную винтовую линию. Они при вращении в одну сторону будут отталкиваться от поверхности и продвигать машину вперед и немного боком, зато не будет проскальзывания».

Ранее шнекоходы не разрабатывались для космических миссий, отметила доцент кафедры «Космические системы и ракетостроение» МАИ, руководитель работы Алена Моржухина.

«Помимо принципа передвижения титанохода необходимо рассмотреть расположение внутренней аппаратуры, в частности систем энергорегулирования и энергопитания, — отметила специалист. — Важно, чтобы аппарат раньше времени не выработал ресурс, так как технике придется работать на холодном Титане при температуре минус 170 °C. Многие приборы функционируют в четко определенных температурных границах. Для обеспечения их работы понадобятся системы терморегулирования, возможно, создание специальных контейнеров».

Лететь до Титана зонд будет около 10 лет. Чтобы сохранить возможность размещения на борту аппаратуры, необходим ряд так называемых гравитационных маневров. С их помощью зонд может приобретать ускорение от гравитационного поля планет и спутников, что позволит сэкономить на топливе и, следовательно, увеличить массу полезной нагрузки.

«Размер зонда будет задавать радиоизотопный термоэлектрический генератор (РИТЭГ), — пояснила Элеонора Войцицкая. — В основе его работы лежит распад радиоактивного элемента, в процессе которого выделяется тепло. Оно преобразуется в электричество, которое питает шнекоход. Дело в том, что до Титана свет звезды нашей системы не достает, поэтому получать энергию от солнечных батарей будет невозможно. РИТЭГи крупные по габаритам, поэтому займут большую часть полезной нагрузки, ведь шнекоходы — очень энергозатратные механизмы. Размер такой батареи — около метра по всем измерениям. Таким образом, шнекоход будет иметь длину и высоту около полутора метров и метр в ширину».

Предназначение разрабатываемого аппарата — подробное изучение состава поверхности и атмосферы Титана, фотографирование местности, забор грунта. Предполагается, что информация со шнекохода будет передаваться орбитальному аппарату, а оттуда она пойдет на Землю. Это позволит не думать о том, как возвращать машину обратно.

Вспомнить молодость

Устройство шнекохода было изобретено еще в прошлом веке, однако распространения они не получили.

«Шнекоходы действительно обладают высокой проходимостью, в частности, по болотистой местности, они довольно плавучие. Кроме того, они маневренные — могут двигаться в любую сторону. Однако у них небольшая скорость передвижения, и винты при прохождении по твердому грунту ломаются. Больше подходят такие аппараты для передвижения по снегу или болотам, а также воде», — пояснил эксперт в области бронетанкового вооружения Сергей Суворов.

Вероятно, аппарат позволит более детально изучить процессы, которые привели к образованию Титана, предположил заведующий отделением исследований Луны и планет Государственного астрономического института им. П.К. Штернберга МГУ Владислав Шевченко. Спутник Сатурна схож по своим характеристикам с молодой Землей, поэтому его изучение может стать ключом к пониманию того, что происходило на нашей планете. При этом специалист считает, что колонизировать Титан вряд ли удастся.

«Сама химия и природа этой среды довольно агрессивны, и люди смогут находиться на открытом пространстве только в скафандрах, а жить лишь в закрытых помещениях, — сказал эксперт. — Мне кажется, основная задача исследования Титана — поиск внеземных форм жизни. Ведь некие первичные формы жизни находили на Земле даже в очень необычных условиях. Значит, могут быть и вне нашей планеты условия для существования неких примитивных форм жизни. Это важно для фундаментальной науки и даже прикладной».

Сейчас уже проработано несколько вариантов конструкции титанохода. В планах — определить расположение всех систем и источников питания.

Справка «Известий»

Титан — крупнейший спутник Сатурна. Это единственное кроме Земли тело в Солнечной системе с доказанным стабильным существованием жидкости на поверхности и плотной атмосферой. Поэтому у Титана есть потенциал для колонизации. В этом плане он более привлекателен, чем Марс или Луна. Атмосфера может защитить людей от космических лучей и метеоритов. Что касается ресурсов, на спутнике Сатурна есть цикл углеводородов, схожий с циклом круговорота воды в природе на Земле. Жидкость (в основном метан и ряд других соединений) с поверхности спутника испаряется, формируется в виде облаков и снова выпадает обратно в виде осадков. Эти углеводороды можно использовать для получения энергии.

В NASA разрабатывают возвращаемую миссию на Титан

В NASA задумались об отправке на спутник Сатурна Титан возвращаемой миссии. Чтобы вернуть образцы на Землю, ученые хотят использовать в качестве ракетного топлива метан, которым заполнены моря и реки на этом небесном теле.

За всю историю космонавтики было не так много небесных тел, с которых на Землю удалось доставить образцы для изучения. Частицы грунта были доставлены на Землю американскими и советскими аппаратами с Луны, также были взяты пробы астероидного и кометного вещества, в недалеком будущем в NASA планируют привезти с Марса вещество, собранное их ровером Perseverance.

Однако в NASA смотрят в будущее и уже планируют более далекие цели для взятия проб с тел Солнечной системы. И возможно, следующей станет Титан – весьма интересный с научной точки зрения крупнейший спутник Сатурна.

Радарные изображения, сделанные аппаратом Сassini, ранее показали, что поверхность спутника состоит из водяного льда и «водоемов», заполненных жидкими углеводородами, в основном метаном. На Титане метан и этан выпадают из атмосферы в виде дождей, заполняют глубокие моря и озера.

Титан – второй по величине спутник планеты в Солнечной системе, по размеру он превосходит Меркурий, и является единственным кроме Земли телом в Солнечной системе, где есть реки, озера и моря. Правда, состоят они не из воды, как на Земле, а из углеводородов, таких, как жидкий метан.

И вот в NASA объявили, что в рамках программы отбора перспективных идей по исследованию космоса Innovative Advanced Concepts (NIAC) выделено первоначальное финансирование в размере $125 тыс. на проработку посадочной миссии на Титан, которая вернет на Землю собранные со спутника образцы.

«NIAC – это один из способов, с помощью которого NASA поддерживает «дикие» идеи, требующие на разработку десять и более лет, но способные в конце концов привести к революционным инновациям для новых и удивительных миссий», — считает глава научного подразделения NASA Томас Зурбучен. – Сегодняшние миссии годы назад казались дикими идеями». Разработка нового проекта ведется лабораторией Compass Lab при Исследовательском центре NASA имени Гленна, которая ранее предлагала отправить на Титан подлодку для исследования его метановых морей.

«Титан – поразительный мир, — уверен Джефри Лендис, научный руководитель лаборатории. – Он покрыт органическими веществами под толстым слоем азотной атмосферы, имеет природные моря из жидкого газа размером с Великие озера. А под его поверхностью скрыт океан жидкой воды».

Посадка аппарата на поверхность Титана выглядит более простой, чем посадка на Марс. Дело в том, что атмосфера спутника в шесть раз плотнее атмосферы Земли, что позволит эффективно использовать парашюты для торможения и мягкой посадки без использования ракетных двигателей.

«Мы ожидаем, что посадка на Титан будет относительно простой, — считает Стивен Олесон, разработчик конструкции. – Титан имеет толстую азотную атмосферу – с давлением в 1,5 раза выше земного, которая может погасить скорость аппарата с помощью лобового экрана и парашютов для мягкой посадки, подобно тому, как происходит при возвращении астронавтов на Землю».

Ученые не теряют надежды, что водяной подповерхностный океан Титана может содержать в себе неизвестные формы жизни подобно тем, что находят в глубинах земных океанов.

Кроме того, ранее учеными на поверхности Титана был обнаружен толин – класс органических веществ, которые могли играть важную роль в происхождении жизни на Земли миллиарды лет назад. Однако второй важной задачей миссии будет доставка собранных образцов обратно на Землю, и тут инженерам поможет сама природа Титана, поверхность которого по сути изобилует готовым ракетным топливом.

«Производство ракетного топлива на Титане не потребует химического производства – вам всего лишь потребуется труба и насос, — считает Олесон. – Метан уже находится в жидком состоянии, готовом к использованию».

Проблема будет с окислителем – в настоящее время ученые думают, как получить кислород в условиях Титана. Один из способов – топить водяной лед при помощи радиоизотопных источников тепла, и затем расщеплять воду на водород и кислород.

По расчетам полет к Титану должен занять порядка семи лет. Но даже если возвращаемая миссия не полетит к спутнику, в 2026 году к нему точно отправится миссия NASA Dragonfly – крупный квадрокоптер с двойными винтами.

Прилет аппарата на спутник запланирован в 2034 году. Достигнув точки назначения, аппарат размером с марсианский ровер приземлится в области экватора и начнет долгое путешествие, перелетая с точки на точку на поверхности Титана.

Ученые надеются, что им удастся направить дрон к 90-километровому ударному кратеру Селк, который представляет для них особенный интерес с точки зрения возникновения жизни.

15 лет со дня посадки «Гюйгенса» на Титан: kiri2ll — LiveJournal

Сегодня исполнилось ровно 15 лет со дня одного из самых значимых событий в истории межпланетных исследований. 14 января 2005 года европейский зонд «Гюйгенс» совершил посадку на поверхность Титана.

Титан является крупнейшим спутником Сатурна. Диаметр тела составляет 5150 км. Он даже больше, чем Меркурий. Еще в середине 20 века астрономы установили, что у спутника есть атмосфера, состоящая из азота и метана. В 1980 году аппарат «Вояджер-1» совершил близкий пролет спутника. К сожалению, сделанные им фотографии не позволили выявить каких-либо деталей на поверхности Титана. Оказалась, что он полностью окутан непрозрачной углеводородной дымкой.Тем не менее, «Вояджер-1» собрал много данных, позволивших определить основные свойства атмосферы Титана. Их анализ показал, что средняя температура на поверхности спутника близка к тройной точке метана. Это давало интригующую возможность того, что метан на Титане может выполнять те же функции, что вода на Земле.Неудивительно, что ученые захотели проверить эту гипотезу. Такая возможность появилась после того, как NASA и ESA согласовали проект межпланетной миссии «Кассини», предназначенной для изучения Сатурна. Конструкторы станции учли опыт «Вояджеров» и оснастили ее радаром и инфракрасным спектрометром, способными «пробиться» через скрывающую поверхность Титана дымку. Но все же, основная задача по изучению спутника была возложена на аппарат «Гюйгенс».«Гюйгенс» представлял собой 319-килограммовый зонд, оснащенный камерами и набором инструментов для исследования атмосферы Титана. Стоит отметить, что поскольку конструкторы аппарата не знали, каковы свойства поверхности спутника, им приходилось учитывать самые необычные возможности. Например, «Гюйгенс» был скомпонован таким образом, чтобы остаться на плаву в случае посадки в резервуар, наполненным жидкими углеводородами.
Зонд был запущен в космос в связке с «Кассини» осенью 1997 года. Спустя семь лет они достигли Сатурна. 25 декабря 2004 года «Гюйгенс» отделился от «Кассини» и продолжил самостоятельное путешествие. 14 января 2005 года зонд вошел в атмосферу Титана и совершил мягкий спуск на поверхность на парашютах.Во время посадки зонд сделал множество проб атмосферы, измерил скорость ветра и даже сумел записать звуки. Опасения конструкторов не оправдались: «Гюйгенс» сел на твердую поверхность. Но сделанные во время снижения снимки показали сложный рельеф со множеством следов воздействия жидкости. На изображениях можно было увидеть формации, напоминающие русла и рек и даже «береговую линию». А на снимках с поверхности были видны камни округлой формы, напоминающие гальку.
Сейчас мы знаем, что основные углеводородные резервуары Титана сосредоточены в районе его полюсов. «Гюйгенс» же сел в экваториальных широтах. Считается, что появления жидкости там носят сезонный характер.В целом, «Гюйгенс» выполнил все возложенные на него задачи. Единственной «ложкой дегтя» стал досадный сбой в программном обеспечении, из-за которого была потеряна половина сделанных снимков. Но даже с учетом этого, успешная посадка зонда по праву считается одним из самых знаковых космических событий 21 века. По сей день«Гюйгенс» остается единственным аппаратом, севшим на поверхность тела во внешней части Солнечной системы.

Материал на сайте журнала «Вселенная, пространство, время»

Изображения различных поверхностей титана с помощью сканирующего электронного микроскопа:…

… ;Sennhenn-Kirchner et al., 2009;Tamai et al., 2009;Goncalves et al., 2010;Ercan et al., 2011; Giordano et al., 2011; Trujillo et al., 2012; Bürgers et al., 2012; Lilja et al., 2012; Roberts et al., 2013; Holmberg et al., 2013; De Giglio et al., 2013; Alcheikh et al., 2013; Chen et al. , 2014; Drago et al., 2014; Godoy-Gallardo et al., 2014; Hauser-Gerspach et al., 2014; Kaliaraj et al., 2014; Kang et al. , 2014; Лв и др., 2014; Massa et al., 2014; Schmage et al., 2014; Yamada et al., 2014; Zhang et al., 2015; Jennings et al., 2015; Narendrakumar et al., 2015; Yucesoy et al., 2015;Wood et al., 2015;Jankovićet al., 2015;Lewandowska et al., 2015;Ayre et al., 2016;Chen et al., 2016;Ciandrini et al., 2016;Cotolan et al., 2016; Cunha et al., 2016; Giannelli et al., 2016; Godoy-Gallardo et al., 2016; Gopal et al., 2016; Guan et al., 2016; Kuehl et al., 2016; Mang et al., 2016. ;Preissner et al., 2016;Rodrıǵuez-Contreras et al., 2016;Shi et al., 2016; Бацух и др., 2017; Канулло и др., 2017; Чиандрини и др., 2017; Комета и др., 2017; Эйк и др., 2017; Феррарис и др., 2017; Джаннелли и др., 2017;Granick et al., 2017;Hirschfeld et al., 2017;Kim et al., 2017;Kulkarni Aranya et al., 2017;Macpherson et al., et al., 2017;Wiedmer et al., 2017;Ye et al., 2017;Akhavan et al., 2018;Atefyekta et al. , 2018;Azizi et al., 2018;Ferraris et al., 2018;Fukushima et al., 2018;Hidalgo-Robatto et al., 2018; Hoyos-Nogueś et al., 2018; Lee et al., 2018; Pissinis et al., 2018; Santos-Coquillat et al., 2018; Souza et al., 2018; Trobos et al., 2018; Zhang et al., 2018; Huang et al., 2019). Десять исследований биопленки смешанных видов (n = 10, 8,6%) (Fröjd et al., 2011; Cortizo et al., 2012; Subramanian et al., 2012; Sahrmann et al., 2014; Schmidt et al., 2014; Cruz et al., 2015; Cochis et al., 2016; Ramesh et al., 2017; Schneider et al., 2018; Vilarrasa et al., 2018), в то время как восемь исследований сравнивали биопленки отдельных и смешанных видов (n = 8, 6,9%) (Baffone et al., 2011; Ntrouka et al., 2011; Эйк и др., 2013; Чиандрини и др., 2014; Аннунциата и др., 2017 г.; Schmidt et al., 2017; Montelongo-Jauregui et al., 2018; Pantaroto et al., 2018). Методы обеззараживания с применением противомикробных препаратов, химической обработки, электрохимической обработки, пробиотиков и результаты соответствующих исследований представлены в дополнительной информации 3.

(А) Фотографии титановых дисков до (слева) и после (справа) …

Контекст 1

… гладкий титановый образец травился в течение 5, 10 и 20 мин. Фотографии и микрофотографии гладких контрольных и протравленных образцов титана собраны в Электронной дополнительной информации, рисунок S1. Поверхностные наноструктуры улавливают свет внутри, и поэтому характерный блестящий металлический вид поверхности титана становится черным на всех протравленных образцах. …

Контекст 2

… поверхности титана улучшили смачиваемость поверхности водой (ESI, рисунок S1).Анализ шероховатости поверхности подтвердил наноразмерную гладкость контрольной поверхности титана до травления со среднеквадратичным значением шероховатости 8 нм ± 1 нм (таблица S1). …

Контекст 3

… контрольного и черного титановых дисков до и после травления соответственно показаны на рис. 1. Характеристика поверхности черного титана с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) подтвердила присутствие титана как основного компонента наноструктурированной поверхности (рис. 1Б). Наноструктуры ориентированы случайным образом подобно наноструктурам, присутствующим на черном кремнии и на поверхности крыльев насекомых (рис. 1C) 4,11. …

Контекст 4

… контрольного и черного титановых дисков до и после травления соответственно показаны на рис. 1. Характеристика поверхности черного титана с помощью энергодисперсионной спектроскопии (ЭДС) подтверждена наличие титана как основного компонента наноструктурированной поверхности (рис. 1Б).Наноструктуры ориентированы случайным образом подобно наноструктурам, присутствующим на черном кремнии и на поверхности крыльев насекомых (рис. 1C) 4,11. Высота черных наностолбиков титана составляла примерно 1 мкм. Расстояние между наностолбиками было случайным, так как многие наностолбики были сгруппированы вместе, а диаметр …

Контекст 5

… соответственно показан на рис. 1. Характеристика поверхности черного титана с помощью энергодисперсионной спектроскопии. (EDS) подтвердили присутствие титана в качестве основного компонента наноструктурированной поверхности (рис.1Б). Наноструктуры ориентированы случайным образом подобно наноструктурам, присутствующим на черном кремнии и на поверхности крыльев насекомых (рис. 1C) 4,11. Высота черных наностолбиков титана составляла примерно 1 мкм. Расстояние между наностолбиками было случайным, так как многие наностолбики были сгруппированы вместе, а диаметр отдельного наностолбика составлял ≈ 80 …

Контекст 6

… высокоэффективное бактерицидное поведение явно похоже на описанное для крылья насекомых, где бактериальные клетки выглядят разорванными под действием наностолбиков (рис. S10).Считается, что архитектура наностолбиков вызывает механическое повреждение бактериальной мембраны, о котором недавно сообщалось в отношении крыльев насекомых, а также черных поверхностей кремния 4,5,11. …

Контекст 7

… рост репрезентативных грамотрицательных (E. coli) и грамположительных (S. aureus) бактериальных клеток на планшетах для тканевых культур, контрольных образцах титана и черного титана также оценивали с помощью измерение поглощения (рис. S11). Было обнаружено, что бактериальная пролиферация в суспензии на образцах из черного титана значительно ослабляется по сравнению с контрольными образцами титана, поскольку значение OD 600 на образцах из черного титана значительно ниже, чем при чтении абсорбции на контрольных образцах титана и на образцах из контрольного титана. Табличка ПТС….

Контекст 8

… наноструктуры, по-видимому, служат опорными точками для стволовых клеток, а морфология клеток хорошо распределена (рис. 4). Морфология стволовых клеток на черном титане заметно отличается от схемы прикрепления на контрольном титане (SI, рисунок S12). Стволовые клетки на черном титане тонкие и удлиненные по сравнению с равноосными распростертыми клетками, наблюдаемыми на контрольных титановых поверхностях.

Контекст 9

… для дальнейшего подтверждения остеогенной приверженности была изучена экспрессия некоторых известных маркеров. BMP-2 представляет собой костный морфогенный белок надсемейства TGFβ и является специфическим маркером развития скелета. Известно, что передача сигналов BMP-2 индуцирует экспрессию Runx-2 51 . Изменение экспрессии белка анализировали с помощью вестерн-блоттинга (рис. 8E и SI, рис. S13), что подтвердило повышенную экспрессию BMP-2 и Runx-2 на поверхности черного титана по сравнению с контрольной поверхностью.Эти результаты подтверждают результаты анализа ALP и количественного определения минералов. В совокупности измерения ЩФ, отложения минералов и результаты экспрессии белков подтверждают, что наноструктурированный черный титан …

Фотоактивированная поверхность титана придает зависящую от времени бактерицидную активность в отношении грамположительных и грамположительных бактерий

https://doi.org/ 10.1016/j. colsurfb.2021.111940Получить права и содержание

Основные моменты

Активные формы кислорода (АФК) могут использоваться в качестве замены антибиотиков, чтобы избежать устойчивости к противомикробным препаратам.

АФК, образующиеся на поверхностях TiO 2 при УФ-облучении на воздухе, проявляют бактерицидную активность.

Виды грамотрицательных и положительных бактерий реагируют на АФК с различной кинетикой инактивации.

Abstract

Имплантаты на основе титана (Ti) широко применяются в медицине, но связанные с ними инфекции могут привести к отказу имплантата. Фотооблучение металлических материалов для создания антимикробных агентов, альтернативы антибиотикам, является многообещающим методом снижения бактериальной инфекции и использования антибиотиков.Поэтому важно понять, как бактериальные патогены реагируют на поверхности титана. Здесь в качестве модельных штаммов использовались грамотрицательные Pseudomonas aeruginosa и грамположительные Staphylococcus aureus , наиболее распространенные патогены, связанные с инфекциями, связанными с оказанием медицинской помощи. Были нанесены два различных типа поверхностей Ti, соответственно хранившиеся в сухом состоянии и с 0,9% раствором NaCl. При УФ-облучении и в отсутствие бактерий обе испытуемые поверхности проявляли одинаковую бактерицидную активность, даже несмотря на то, что поверхности хранились в 0.9 % раствор NaCl генерировал несколько более высокий уровень активных форм кислорода (АФК). Интересно, что P. aeruginosa и S. aureus по-разному реагировали на облученные поверхности Ti по времени взаимодействия: количество жизнеспособных P. aeruginosa снижалось до 90 % после 30-минутного взаимодействия с обработанными поверхностями по сравнению с необработанные, но это снижение снижается до 69–81 % через 240 мин. Напротив, УФ-обработка поверхностей не влияла на жизнеспособность S.aureus после 30-минутного взаимодействия, однако, привело к снижению более чем на 99 % после 240-минутной инкубации. Эти результаты предоставляют первое экспериментальное свидетельство того, что виды грамотрицательных и положительных бактерий реагируют на АФК с различной кинетикой инактивации. Эта работа также продемонстрировала, что обработка фотооблучением в отсутствие бактерий придает поверхности Ti эффективную бактерицидную активность.

Ключевые слова

Ключевые слова

Ключевые слова

Ключевые слова

Титана (Ti) Имплантаты

Реактивное облучение

Реактивных видов кислорода (ROS)

Antimicrobial

Pseudomonas aeruginosa

Staphylococcus aureus

Рекомендуемые статьи

© 2021 Авторы .Опубликовано Elsevier BV

Изготовление многофункциональных титановых поверхностей путем создания иерархических структур поверхности с использованием методов лазерной абляции

Изготовление кратероподобных структур с использованием DLW

В первой серии экспериментов образцы Ti (рис. 1a) были обработаны использование прямого лазерного письма (DLW) для создания крупномасштабных микроструктур. На рисунках 1b,c показаны образцы титановых заготовок, которые были сформированы для получения кратерообразной геометрии с пространственным периодом 50 мкм с использованием DLW.

Целевая структура DLW в этом эксперименте выполняет разные задачи. Во-первых, это должно улучшить сцепление с клетками кости, как это уже продемонстрировано, например, Hallgren и др. . 35 . Во-вторых, они также должны защищать мелкие элементы (которые будут описаны в следующем разделе), а также тонкий слой оксида титана от механических повреждений 35 .

Рисунок 1

Изображения поверхности титана, полученные с помощью сканирующего электронного микроскопа. ( a ) Необработанная поверхность титана ( b ) Поверхность, обработанная DLW с импульсами 100 нс.( c ) DLW-обработка поверхности Ti с импульсами 200 нс. Узоры имеют пространственный период 50 мкм и были изготовлены с использованием плотности потока лазерного излучения ( b ) 3,0 Дж/см 2 и ( c ) 5,9 Дж/см 2 соответственно.

Морфология структуры варьировалась с использованием различной длительности импульса от 100 нс до 200 нс, поскольку хорошо известно, что длительность импульса может сильно влиять на зоны термического влияния, а также на количество расплавленного материала во время лазерной обработки (см.

1б,в для импульсов длительностью 100 и 200 нс соответственно). Каждая воронка создавалась одним выстрелом. Эталонная поверхность, показанная на рис. 1а, имела среднюю шероховатость поверхности Sa, равную 0,4 мкм, среднеквадратичную высоту Sq, равную 0,5 мкм, и высоту от пика до впадины Sz, составлявшую примерно 5,2 мкм.

Путем изменения плотности потока лазерного излучения (плотности энергии) самые глубокие кратеры были получены при 3,0 Дж/см 2 и 5,9 Дж/см 2 для импульсов длительностью 100 нс и 200 нс соответственно. Эти значения плотности потока лазерного излучения составляют около ~1.в 8 раз выше порога абляции, который составляет 1,6 Дж/см

2 и 3,5 Дж/см 2 для импульсов 100 нс и 200 нс соответственно. Последнее было определено экспериментально путем построения квадрата диаметра аблированных областей в зависимости от энергии импульса и экстраполяции диаметров к нулю 36 . Кроме того, лазерная обработка DLW позволила уменьшить шероховатость материала Ti в кратерах до 4,1 ± 1,4 мкм и 2,6 ± 0,1 мкм при длительности импульса 100 нс и 200 нс соответственно. Средняя шероховатость поверхности и среднеквадратическая высота образцов оставались постоянными, с Sa = 0,4 ± 0,1 мкм и Sq = 0,5 ± 0,1 мкм для обеих длительностей импульса.

Уменьшение шероховатости от пика к впадине может быть связано с расплавлением исходной шероховатости поверхности в кратеры с последующим повторным затвердеванием материала с образованием гладкого слоя расплава.

Как известно, диффузию тепла в материал можно рассчитать, используя длину тепловой диффузии

l T по уравнению.1:

$${l}_{T}=\sqrt{\frac{K\cdot \tau}}{\rho \cdot {c}_{p}}}$$

(1)

где τ — длительность импульса лазерного источника, K — теплопроводность, ρ — плотность и c p — удельная теплоемкость материала.

Как видно, при увеличении длительности импульса со 100 нс до 200 нс длина термодиффузии также увеличивается с 1.{3}}\) и \({{\rm{c}}}_{{\rm{p}}}=544\frac{J}{kg\cdot K}\) для Ti). Таким образом, для более длинных импульсов образуется более толстый слой расплавленного материала, уменьшающий конечную шероховатость. Этот эффект уже был продемонстрирован разными авторами, а это означает, что большая ванна расплава приводит к лучшему сглаживанию поверхности 37 . Кроме того, наблюдаемая корона вокруг аблированного кратера образуется из-за переноса материала, который вызывается при средних и высоких плотностях лазерного излучения давлением отдачи (также называемым поршневым механизмом)

38,39 .Поршневой механизм вызывает боковой перенос материала за счет разницы давлений на поверхности слоя жидкости, что приводит к боковому потоку материала в сторону области более низкого давления. Расплав повторно затвердевает по краям, и вокруг кратера формируется коронообразная геометрия. Основываясь на ранее описанных результатах, для остальных экспериментов длительность импульса для создания больших структур была зафиксирована на уровне 200 нс.

Круглая форма кратера и однородное образование короны в основном определяются точным контролем положения, в котором лазерные импульсы достигают поверхности с помощью используемого гальваносканера и применяемого лазерного флюенса 40 .

На точность позиционирования могут влиять изменения температуры и погрешности управления зеркалами, а также синхронизация движения зеркала сканера с часами лазерного источника. В этой работе использовался несинхронизированный метод «на лету» и не проводилась оптимизация в отношении ошибок позиционирования. Таким образом, положение образовавшихся кратеров между двумя стрелками нельзя было полностью контролировать, но была получена такая же плотность элементов.

Для количественного описания качества получаемых рисунков в зависимости от используемой плотности потока лазерного излучения изучалась средняя высота структуры кратеров, а также их вариация.Таким образом, ошибка высоты конструкции может использоваться как индикатор однородности всей структурированной поверхности. В качестве второго параметра также измерялась округлость кратеров. Идеальная круглая форма указывает на четко определенную геометрию короны, что означает, что поверхность кратера свободна от дефектов, таких как частицы, исходящие от фронта расплава.

Как упоминалось ранее, более высокая структура может улучшить адгезию клеток к поверхности имплантата, а также повысить устойчивость к механическим повреждениям небольших элементов DLIP, которые будут созданы на втором этапе.

На рис. 2 двухцветные и топографические изображения структурированных поверхностей DLW, полученные с использованием флюенсов F = 5,9 Дж/см 2 (рис. 2a,b) и F = 7,3 Дж/см 2 (рис. 2c, г) показаны. Двухцветные изображения представляют синим цветом область ниже средней плоскости измеренного топографического профиля, связанную с образовавшимися кратерами. Чтобы проанализировать образовавшиеся кратеры на двухцветных изображениях, необходимо было использовать фильтр, состоящий из критерия округлости 0,3 (1 означает идеальную круглую геометрию) и критерия минимального диаметра кратера 10 мкм.Также необходимо было исключить из анализа кратеры на краю изображения, так как они были неполными.

Рис. 2 d ) F = 7,3 Дж/см 2 . ( a , c ) Показать двухцветные изображения шаблонов, где синий цвет представляет область, расположенную ниже средней плоскости топографического профиля.( b , d ) Показать соответствующее изображение топографии для ( a , c ) соответственно.

Сравнивая рис. 2a,c, можно увидеть, что при более низкой плотности энергии 5,9 Дж/см 2 образовалось более правильных кратеров, чем при плотности энергии 7,3 Дж/см 2 лазера. К такому же выводу можно прийти, проанализировав соответствующие топографические изображения (рис. 2б,г), где кратеры с хорошо выраженными коронами были получены для более низкого флюенса. Кроме того, при более высокой плотности потока лазерного излучения можно наблюдать несколько дефектов.Количественный анализ качества полученного рисунка с использованием упомянутых выше параметров в зависимости от плотности потока лазерного излучения показан на рис. 3. ( a ) Показывает высоту конструкции, ( b ) относительную ошибку высоты конструкции, ( c ) относительную округлость и ( d ) относительную однородность в зависимости от используемого потока энергии.

Как видно на рис.3а, развитие структуры высотой ч с плотностью потока лазерного излучения изучалось для значений плотности энергии выше порога абляции в диапазоне от F = 4,0 Дж/см 2 до F = 8,1 Дж/см 2 . Между 4,0 Дж/см 2 и 5,9 Дж/см 2 высота структуры кратеров увеличивалась почти линейно, в диапазоне от h = 3,1 ± 0,4 мкм до h = 6,4 ± 0,6 мкм. Используя более высокие плотности энергии, высота структуры уменьшилась до h = 2,9 ± 1,1 мкм при плотности энергии 8,1 Дж/см 2 .

Чтобы количественно определить однородность структуры, ошибка высоты структуры Err% (рис. 3b) была рассчитана с использованием уравнения. 2, который выражает отношение изменения высоты конструкции ( SD ) к измеренной средней высоте h :

$$Err \% =100 \% \cdot \frac{SD}{h}$$

(2)

Полученные результаты показывают, что в режиме флюенса почти линейно возрастающей высоты конструкции ошибка высоты структуры остается практически постоянной в пределах от 6% до 13%. Для более высоких потоков энергии были измерены более высокие ошибки высоты конструкции, от 8% до 25%.

В качестве дополнительного параметра для описания качества геометрии кратеров была рассчитана округлость кратеров Λ% circ , представляющая собой отношение площади кратера A кратера к площади диска диаметр которого соответствует наибольшему расстоянию между двумя точками аблированного кратера A Диск :

$${\rm{\Lambda}}{{\rm{ \% }}}_{circ}=100{ \rm{ \% }}\cdot \,\frac{{A}_{кратер}}{{A}_{Диск}}$$

(3)

Когда это значение близко к 100%, это означает, что обе области идентичны и, таким образом, соответствуют кругу идеальной формы.

Подобно изменению высоты конструкции, рассчитанные округлости показывают линейное увеличение до максимума 81% при плотности потока энергии F = 5,4 Дж/см 2 и уменьшаются при более высоких плотностях.

Чтобы унифицировать оба параметра для описания однородности крупномасштабных структур, мы объединяем информацию из ошибки высоты структуры и округлости, получая относительный коэффициент однородности H% в соответствии с уравнением. 4:

$$H{\rm{\%}}=\frac{(100{\rm{\%}}-Err{\rm{\%}})\,\cdot {\rm{\Lambda }}{{\rm{ \% }}}_{circ}}{100}$$

(4)

Построив график зависимости H% от плотности потока лазерного излучения, поведение аналогично погрешности высоты конструкции (рис.3b), а округлость (рис. 3c) рассчитывали, как показано на рис. 3d. Оптимум также был достигнут при плотности потока энергии F = 5,4 Дж/см 2 с H% = 72%.

Высота структуры наиболее однородного паттерна при F = 5,4 Дж/см 2 составила 5,3 ± 0,5 мкм, что составляет 83% от максимально достигнутой высоты структуры при F = 5,9 Дж/см 2 .

После экспериментов с лазером также было проанализировано, влияет ли лазерная обработка на химический состав обрабатываемых поверхностей. Качественно это было выполнено измерениями EDX.В случае необработанного эталона содержание Ti и O составляло 85 ± 1% и 12 ± 1% соответственно. В случае образца, обработанного лазером (при F = 5,9 Дж/см 2 ), были измерены аналогичные значения (Ti = 88 ± 1% и O = 9 ± 1%), что означает, что одноимпульсный процесс DLW не повлиял на значительно химический состав образцов титана.

Хотя самый высокий коэффициент гомогенности был получен для образца, обработанного при плотности потока энергии 5,4 Дж/см 2 , мы решили провести остальные эксперименты по DLW при плотности потока энергии 5.9 Дж/см 2 , так как можно было получить самые высокие диаграммы (на 11% выше). Следует отметить, что коэффициент однородности поверхности Ti при 5,4 Дж/см 2 существенно не отличался от оптимального случая.

Изготовление дыроподобных структур с использованием DLIP

Для оценки возможности создания дыроподобных структур меньшего размера с использованием 4-лучевой интерференционной установки были обработаны образцы из чистого титана (без предварительной обработки DLW). На рис. 4 показаны как неструктурированная поверхность, так и дырчатые структуры, полученные с пространственным периодом 5 мкм.Средняя высота структуры h полученных узоров составила 1,1 ± 0,3 мкм. В этом случае использованная плотность энергии составляла 0,93 Дж/см 2 и использовалось пять лазерных импульсов (число импульсов N = 5). Для стратегии структурирования образцы были перемещены горизонтально и вертикально с расстояниями штриховки H∆x и H∆y, равными 39,5 мкм и 38,5 мкм соответственно (см. Экспериментальный раздел).

Рисунок 4

СЭМ-изображения поверхностей титана: ( a ) необработанная поверхность титана, ( b ) дырчатый узор, обработанный DLIP, с пространственным периодом Λ 5  мкм, обработанный с использованием плотности потока энергии 0.93 Дж/см 2 и 5 лазерных импульсов, ( c ) большее увеличение ( b ) со вставкой, показывающей возникновение низкочастотных и высокопространственных лазерно-индуцированных периодических поверхностных структур (LSFLs и HSFLs) ).

В дополнение к дырообразному периодическому рисунку (с пространственным периодом 5 мкм) на поверхности, обработанной лазером, также появились более мелкие детали. На рис. 4с видно расположение периодических штриховых рисунков с поперечным интервалом примерно 400 нм поверх интерференционной структуры. Кроме того, эти структуры ориентированы перпендикулярно поляризации лазерного луча. Из-за измеренного размера, ориентации и с учетом того, что длина волны используемого лазера составляла 532 нм, эти особенности могут быть идентифицированы как лазерно-индуцированные периодические поверхностные структуры (LIPSS) с низкой пространственной частотой (LSFL) в соответствии с Skolski et al. . 41 . Эти особенности также наблюдались в прошлом на других металлических поверхностях, обработанных ps-DLIP 41,42 .Помимо LSFL, между LSFL также можно было наблюдать еще одну периодическую решетку, ориентированную параллельно поляризации луча (см. вставку на рис. 4c). Эти элементы значительно меньше, чем элементы LSFL, с повторяющимся расстоянием примерно 150 нм. Из-за размера, ориентации и периодичности этих особенностей их можно классифицировать как высокочастотные LIPSS (HSFL) 41 .

Также для рисунков, полученных с помощью DLIP, был проведен количественный анализ качества рисунка, в данном случае в зависимости от кумулятивной плотности потока лазерного излучения F cum , как показано на рис. 5. Суммарный флюенс F cum можно рассчитать по уравнению. 5, и описывает общую энергию на единицу площади, которая была использована на определенной площади для обработки поверхности:

$${F}_{cum}=F\cdot N$$

(5)

, где F — плотность потока энергии каждого отдельного лазерного импульса, а N — количество импульсов. Что касается изменения высоты конструкции и ошибки высоты конструкции (показанной на рис.5а,б соответственно) было измерено очень значительное отклонение высоты конструкции (от 28% до 63%) для всех использованных кумулятивных флюенсов. Возможная причина такого высокого отклонения может быть связана с начальной шероховатостью поверхности (высокая высота от пика до впадины) необработанной поверхности титана. Средняя высота структуры, полученная с использованием кумулятивной плотности энергии в диапазоне от 4,0 Дж/см 2 до 23,3 Дж/см 2 , варьировала от 0,9 мкм до 1,4 мкм, что было до 5 раз меньше, чем пик-впадина. высота шероховатости необработанных поверхностей.

Рисунок 5

Структурный анализ одиночных диаграмм DLIP в зависимости от используемой кумулятивной плотности потока. ( a ) Высота конструкции, ( b ) Относительная погрешность высоты конструкции, ( c ) Относительная округлость и ( d ) Относительная однородность в зависимости от используемой кумулятивной плотности потока лазерного излучения.

С другой стороны, средние значения высот структур, полученные для дырчатого периодического узора размером 5  мкм, увеличились до 1,1 мкм для F cum  = 4.0 Дж/см 2 . При использовании более высоких плотностей лазерного излучения высота структуры оставалась постоянной.

Также была оценена округлость структуры DLIP. Как видно на рис. 5c, округлость немного уменьшается с увеличением суммарной плотности энергии с 63% до 46%. Наконец, используя уравнение 5, рассчитывали коэффициент однородности, получая практически независимую зависимость с используемыми параметрами обработки на постоянном уровне H% = 29 ± 3%.

Обработка иерархических кратерных и дыроподобных структур с использованием DLW и DLIP

Наконец, мы приступаем к созданию иерархических структур поверхности, комбинируя DLW и DLIP.На рис. 6 представлены репрезентативные СЭМ-изображения иерархической поверхности титана, обработанной DLW и DLIP. Кратероподобные структуры DLW были изготовлены с использованием плотности энергии F = 5,9 Дж/см 2 и одного лазерного импульса на кратер. После этого были изготовлены DLIP-структуры с плотностью энергии F = 0,93 Дж/см 2 и числом импульсов N, равным 5.

-поверхность. Кратеры DLW были созданы с использованием длительности импульса 200 нс и плотности потока F = 5.9 Дж/см 2 . Для функций DLIP использованная кумулятивная плотность энергии составила F = 4,7 Дж/см 2 . ( b ) Изображение с большим увеличением, показывающее также функции LIPSS (LSFL на изображении и HFSL на вставке). (угол наклона: 30°).

Расстояния штриховки были H∆x = 39,5 мкм и H∆y = 38,5 мкм (дополнительную информацию см. в экспериментальном разделе). Полученный дыровидный рисунок DLIP имел пространственный период 5 мкм и высоту структуры h = 0,9 ± 0,1 мкм, которая была измерена в кратерах DLW.Топография образцов Ti на рис. 6а показывает, что картина DLIP видна в кратерах, а также на их короне и между ними. Также видно, что DLW не разрушается и не ухудшается при обработке DLIP. На рис. 6b полученная топография показана при большом увеличении. Аналогично, как и в предыдущем случае, LSFL и HSFL присутствуют на поверхности, обработанной ps-DLIP, и имеют те же пространственные периоды и ориентацию, что и те, которые изготовлены с помощью одного процесса DLIP (~ 400 нм и 150 нм для LSFL и HSFL, соответственно).На изображениях также видно лучшее определение структур DLIP по сравнению со структурами, показанными на рис. 4. было выполнено и в этом случае. Так же, как и в предыдущих случаях, использовались те же критерии.

На рис. 7а показана средняя высота конструкции в зависимости от суммарной плотности потока лазерного излучения. Видно, что высота структуры увеличивается от 0.2 ± 0,1 мкм до 1,4 ± 0,1 мкм для суммарной плотности потока энергии F включая в диапазоне от 1,1 Дж/см 2 до 11,9 Дж/см 2 . При использовании более высоких флюенсов увеличения высоты конструкции не наблюдалось. Это поведение было очень похоже на результаты, представленные в предыдущем разделе.

Рисунок 7

Топографический анализ изображений DLIP, полученных в кратерах DLW, в зависимости от используемого кумулятивного потока энергии. ( a ) Высота конструкции, ( b ) относительная ошибка высоты конструкции, ( c ) относительная округлость и ( d ) относительная однородность в зависимости от кумулятивной плотности потока.

Что касается погрешности высоты конструкции (см. рис. 7b), то можно увидеть, что отклонение высоты конструкции при каждом кумулятивном флюенсе было значительно меньше по сравнению с одним процессом DLIP. В среднем он был снижен с 44% для одиночных структур DLIP до 11% для структур DLIP в кратерах DLW. Причина более низкого стандартного отклонения измеренных высот может быть связана с уменьшением шероховатости высоты от пика до впадины в кратеры большого размера, образовавшиеся в результате обработки DLW.Аналогичные результаты были получены Alamri et al. , где наблюдалось значительное улучшение морфологии рисунка для дыроподобных структур, полученных с использованием трехлучевого DLIP на стальных поверхностях, выровненных лазером. Однако в будущем требуются дальнейшие исследования для количественного анализа влияния исходной шероховатости поверхности на качество рисунка структуры.

Результаты, касающиеся округлости полученных шаблонов DLIP, показаны на рис.7в. Результаты показывают, что оптимальная округлость была достигнута при использовании относительно низких кумулятивных флюенсов от 2,5 Дж/см 2 до 4,7 Дж/см 2 . В этом режиме можно было достичь круглости до 65% (для F = 0,79 Дж/см 2 и N = 3). Используя более высокие кумулятивные плотности энергии, округлость уменьшилась до 43% (F = 0,70 Дж/см 2 и N = 25 импульсов). Объяснением такого поведения могут быть дефекты в области помех DLIP или отсутствие совпадения перекрытий областей помех.Наконец, оптимальный коэффициент гомогенности может быть определен для кумулятивной плотности энергии от 2,5 Дж/см 2 до 4,7 Дж/см 2 , с наивысшей однородностью H% = 61% для F cum  = 2,6 3 Дж/см3 . 2 (F = 0,86 Дж/см 2 и N = 3 импульса). Средняя однородность по всем структурам составила 46 ± 6%, что в 1,6 раза лучше по сравнению с одним процессом DLIP.

В этом случае также проводились измерения EDX на обработанных поверхностях для определения влияния лазерной обработки на химический состав поверхности.Для образца Ti, обработанного кумулятивной плотностью энергии F cum , равной 4,7 Дж/см 2 , наблюдалось увеличение содержания кислорода в реакционноспособном слое по сравнению с необработанным эталоном и поверхностями, обработанными DLW. Для указанного флюенса было измерено содержание кислорода 28 ± 1% (66 ± 2% для Ti). Различие между обоими лазерными процессами можно объяснить следующим образом. Из-за небольшой длины тепловой диффузии в Ti для импульсов длительностью 70 пс (25 нм, рассчитано по уравнению 1) очень концентрированное тепло на поверхности может абляции и испарения металлического материала в положениях интерференционных максимумов.Пары горячего металла могут впоследствии окисляться при контакте с кислородом воздуха и подталкиваться к областям интерференционных минимумов из-за разности давлений паров. Затем материал частично осаждается в областях минимумов. Наблюдаемое окисление титана может быть многообещающим с точки зрения долгосрочной стабильности зубных имплантатов, как сообщает McQueen et al . и Sundgren и др. . 12,13 .

Испытания на износ и бактериальную адгезию на иерархических структурах поверхности

Испытания на износостойкость были проведены на обработанных поверхностях Ti методами DLW и DLIP, чтобы подтвердить способность большого рисунка защищать дырчатую структуру, а также титан оксидный слой внутри кратеров от механических повреждений. Эти тесты проводились с использованием трибометра с шариком на диске (см. Экспериментальный раздел). Для целей сравнения образцы Ti, обработанные DLIP, также оценивали точно в тех же условиях (без обработки DLW).

СЭМ-изображения полученных следов износа показаны на рис. 8. DLIP-рисунки были созданы с использованием плотности энергии F, равной 0,93 Дж/см 2 , и количества импульсов N, равного 5, в обоих случаях. Результирующая высота структуры образовавшихся DLIP кратеров составила h = 1,1 ± 0,3 мкм для одиночного DLIP и h = 0.9 ± 0,1 мкм для DLIP в DLW кратерах.

Рис. 8

СЭМ-изображения следов износа, полученные в результате испытания шарик на диске. Используемый шарик из 100Cr6 имел диаметр 6 мм, а нормальная сила поддерживалась постоянной на уровне 0,8 Н. ( a , b ) След износа на структурированной поверхности DLIP; ( c , d ) Трек износа на иерархическом образце Ti со структурой DLW и DLIP.

В случае образца, обработанного только DLIP (рис. 8a,b), периодическая 5-микронная дыровидная геометрия была полностью разрушена в области скольжения в контакте с шариком.Средняя глубина следов износа для этого случая составила 1,4 ± 0,4 мкм. Напротив, DLIP-структуры, созданные в кратерах DLW, не подверглись испытанию на износ (см. рис. 8c, d). В данном случае шар воздействовал только на короны кратеров, созданных DLW, что свидетельствует об отсутствии механического контакта между шаром и рисунком DLIP. Средняя высота структуры корон кратеров уменьшилась с 6,4±0,6 мкм до 5,1±0,9 мкм за счет абразивного износа.

Наконец, на необработанных и обработанных лазером образцах титана были проведены тесты на бактериальную адгезию.Поскольку основная цель заключалась в том, чтобы доказать многофункциональность образцов, обработанных DLW-DLIP, тестировались только рабочие характеристики этих подложек. Используемая плотность энергии лазера F и число импульсов N для процесса DLIP составляли 0,20 Дж/см 2 и 10 соответственно, получая суммарную плотность энергии F cum , равную 2,0 Дж/см 2 . Для этого условия была достигнута высота структуры h = 0,4 ± 0,1 мкм. Субстраты инкубировали с E . Клетки coli (палочковидные, шириной около 1 мкм и минимальной длиной 2–3 мкм) в питательной среде в течение 24 часов.Затем была количественно определена относительная площадь, покрытая прилипшими клетками (см. экспериментальный раздел).

На рисунке 9 показано измерение нормализованного покрытия поверхности бактериями, а также СЭМ-изображения необработанных и структурированных поверхностей с прикрепленными бактериями.

Рисунок 9

Тест на бактериальную адгезию к титановым поверхностям. ( a ) показывает нормализованное покрытие поверхности бактериями для клеток E. Coli через 24 часа. На графиках с усами половина точек данных находится внутри прямоугольника, а 100 % — внутри усов.Черные сплошные линии и черные ромбы в прямоугольниках обозначают медиану и среднее значение соответственно. Значения нормированы на среднюю колонизированную поверхность неструктурированной области образцов. ( b ) показывает СЭМ-изображение бактериальной колонизации (темные области) на неструктурированных поверхностях и ( c ) на структурированной поверхности с уменьшенной бактериальной колонизацией.

На графиках с квадратными усами на рис. 9а поверхность, покрытая бактериями, была нормализована к средней колонизированной поверхности неструктурированной области.Средняя бактериальная адгезия на комбинированном шаблоне DLW-DLIP была снижена примерно на 30%. Что касается изображений SEM (рис. 9b,c), на структурированной поверхности можно увидеть уменьшенную бактериальную колонизацию (темные области) по сравнению с неструктурированным эталоном. В прошлом сообщалось, что как шероховатость, так и гидрофобность поверхности могут существенно повлиять на бактериальную колонизацию. Кроме того, трудно определить, какой эффект преобладает при сравнении поверхностей из различных материалов с точки зрения их свойств колонизации 22,23,43,44 .Что касается топографических аспектов, полученные LSFL имеют пространственный период примерно 400 нм (см. рис. 4c или 6d), что может объяснить более низкую адгезию бактерий, поскольку размер их элементов значительно меньше, чем размер бактериальной клетки (~800–2000 нм). . Этот результат согласуется с предыдущими недавними исследовательскими работами, в которых наблюдалось снижение удержания бактерий на LIPSS с пространственными периодами между 0,5–0,9 мкм 22,23 . Что касается кратерообразной геометрии, создаваемой DLW (диаметром ~ 50 мкм), мы считаем, что они могут не снижать задержку бактерий, поскольку другие даже наблюдали небольшое увеличение адгезии бактерий на крупномасштабных структурах 23,45 .С другой стороны, дыроподобная структура размером 5 мкм, созданная DLIP, также может способствовать репеллентности к бактериям, как Helbig et al . наблюдали за бактериями E. Coli на таких структурах, изготовленных на поверхностях фоторезиста 21 . Что касается смачивания поверхности, Lutey et al . обсуждали повышенную бактериоотталкивающую способность поверхностей, которые уже демонстрируют меньшую адгезию бактерий 23,45 . Однако в этом исследовании поверхности были гидрофильными (угол контакта с водой 32 ± 8°), и поэтому смачивание поверхности не должно сильно влиять на бактериоотталкивающие свойства.

Влияние плазменной обработки поверхности титана на ткани, окружающие материал имплантата

Int J Mol Sci. 2021 июль; 22(13): 6931.

Сэйдзи Такао

2 Кафедра съемного протезирования и прикуса, Осакский стоматологический университет, 8-1, Кузухаханазоно-чо, Хираката-ши, Осака 573-1121, Япония; [email protected]

Сатоши Комаса

2 Кафедра съемного протезирования и прикуса, Стоматологический университет Осаки, 8-1, Кузухаханазоно-чо, Хираката-ши, Осака 573-1121, Япония; пи[email protected]

Ральф Смитс, академический редактор и Андерс Хеннингсен, академический редактор

2 Кафедра съемного протезирования и окклюзии, Стоматологический университет Осаки, 8-1, Кузухаханазононо-чо, Хираката-ши , Осака 573-1121, Япония; pj. [email protected]

Поступила в редакцию 18 мая 2021 г.; Принято 25 июня 2021 г.

Abstract

Ранняя остеоинтеграция важна для достижения начальной стабильности после установки имплантата. Ранее мы сообщали, что обработка плазмой атмосферного давления придает титану сверхгидрофильность.Здесь мы исследовали влияние материала титанового имплантата, которому была придана супергидрофильность при обработке плазмой атмосферного давления, на окружающую ткань бедренной кости крысы. Контрольная и экспериментальная группы включали необработанные винты и винты, облученные плазмой атмосферного давления с помощью пьезощетки соответственно. Бедра 8-недельных самцов крыс Sprague-Dawley использовали для экспериментов in vivo. Различные данные, полученные в результате анализа микро-КТ, показали результаты, показывающие, что в испытуемой группе образовалось больше новой кости, чем в контрольной группе.Аналогичные результаты были показаны при гистологическом анализе. Таким образом, титановый винт, обработанный плазмой атмосферного давления, может индуцировать высокую дифференцировку твердых тканей даже на уровне in vivo. Этот метод может быть полезен для достижения начальной стабильности после установки имплантата.

Ключевые слова: остеоинтеграция, зубной имплантат, титан, обработка плазмой атмосферного давления, гидрофильность, дифференцировка тканей

1. Введение играет важную роль в остеоинтеграции [1,2,3,4,5].Многочисленные отчеты исследовали корреляцию между поверхностями материала и различными клетками [6,7,8,9,10,11]. Сообщалось, что изменения шероховатости поверхности материала способствуют увеличению адгезии и дифференцировки клеток костного мозга. Также сообщалось, что при увеличении шероховатости поверхности титана, который является одним из основных материалов для материалов для имплантатов, также увеличивается начальная адгезия, пролиферация, дифференцировка клеток, связанных с костью, и адсорбция белка. 12,13,14,15].Комаса и др. сообщили, что материалы имплантатов из титана и наноструктурированного композита циркония/оксида алюминия (NANOZR), модифицированные ультрафиолетом (УФ), плазмой атмосферного давления и щелочью, могут способствовать раннему образованию твердых тканей в тканях, окружающих имплантат [16,17,18, 19,20,21,22,23,24,25].

Другие широко используемые методы обработки поверхности включают кислотное травление, пескоструйную обработку, анодирование, физическое осаждение из паровой фазы, покрытие фосфатом кальция и покрытие гидроксиапатитом [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11].

Гидрофилизация известна как метод обработки поверхности титановых материалов, который может выполняться клиницистами [26,27,28]. Супергидрофильная обработка поверхности материала усиливает адгезию белков клеточной адгезии и костных белков [29,30]. Сообщалось, что индуцируются остеоинтеграция, подавление эпителиальной адгезии и бактериальная адгезия мягких тканей вокруг имплантата, и весьма ожидается клиническое применение. Примеры методов физической модификации для придания гидрофильности поверхности материала включают метод низкотемпературной плазмы атмосферного давления и метод ультрафиолетового (УФ) облучения.Методы химической модификации включают метод погружения в раствор перекиси водорода и метод обработки раствором NaOH [31,32]. Однако внимание клиницистов привлекли методы физической модификации, такие как обработка низкотемпературной плазмой атмосферного давления и обработка УФ-излучением, которые имеют низкий риск загрязнения материала. В методе низкотемпературной плазмы атмосферного давления свободные молекулы диссоциируют слабым электрическим полем при низком напряжении с образованием плазмы.Например, при атмосферном давлении при плазменной обработке образуются ионизированные электроны и катионы, поскольку к воздуху прикладывается высокое напряжение [33,34,35,36]. Озон образуется из плазмы, а окислительно-восстановительная реакция активного кислорода, генерируемого из плазмы, вызывает разложение органического вещества и образование гидроксильных групп. В методе УФ-облучения радикалы кислорода, образующиеся в результате фотокатализа, немедленно окисляются в местах молекулярного связывания органических соединений, расщепляемых УФ-облучением, с образованием гидроксильных групп.Эти реакции активируют поверхность и улучшают клейкость и смачиваемость поверхности за счет силы Ван-дер-Ваальса. Хотя в нескольких исследованиях изучалась полезность обоих методов, согласно последнему исследованию с использованием системы кварцевых микровесов (QCM), Matsumoto et al. исследовали его как средство для обработки титановых поверхностей [37]. При наблюдении с течением времени сразу после падения на поверхность материала выяснилось, что материал, участвующий в остеоинтеграции, показал высокую адгезионную прочность на обработанной плазмой поверхности титана [37].

Спектр применения плазменной терапии продолжает расширяться, и она применяется не только в стоматологии, но и во многих других областях. В различных работах изучалось, как плазменная обработка поверхности титана влияет на ткани, окружающие имплантат [38,39,40]. Эффект плазменной обработки заключается в том, чтобы сделать гидрофобные материалы гидрофильными за счет эффектов абляции и поверхностной активности на поверхности материала. Хотя влияние плазменной обработки на поверхность материала выяснено, большие размеры устройства невыгодны для клиницистов. Устройство, используемое в этом исследовании, представляет собой пьезощетку. Поскольку это устройство удобного типа, оно полезно в повседневной клинической практике. В прошлых отчетах Ujino et al. показали, что обработка титана с помощью этого устройства удаляет загрязнения с поверхности материала и придает ему гидрофильность [41]. Также было выяснено, что эта поверхность индуцирует начальную адгезию и индукцию дифференцировки клеток костного мозга крыс (ККМ) [41]. Кроме того, Takao et al. и Zeng et al. уже использовали это устройство и выяснили влияние плазменной обработки как на титан, так и на NANOZR, который, как ожидается, будет использоваться у пациентов с аллергией на металлы [42,43].Однако для того, чтобы клиницисты могли с уверенностью использовать пьезощетку, влияние обработки плазмой атмосферного давления на ткани, окружающие имплантат, необходимо изучить на уровне in vivo. Необходимы дальнейшие исследования того, как обработка плазмой атмосферного давления влияет на материалы имплантатов на уровнях in vitro и in vivo.

В этом исследовании изучалось влияние плазменной обработки титановых винтов пьезощеткой на ткани, окружающие имплантат.

2. Результаты

2.1. Подготовка образца

Было исследовано, как обработка поверхности титана плазмой атмосферного давления повлияет на поверхность материала. Результаты анализа с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ) показаны на рис. Различий в структуре поверхности титанового винта из-за плазменной обработки не наблюдалось. Результаты анализа рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии (XPS) показаны на рис. Тестовая группа показала снижение содержания углерода, что указывает на наличие загрязнителя на поверхности материала.показаны результаты контактного угла на поверхности титанового винта. Контактный угол опытной группы показал 32°, тогда как экспериментальная группа показала супергидрофильность.

Показаны СЭМ-изображения титанового винта. (обработанные плазмой образцы; ( a , c ), необработанные образцы; ( b , d ) изменение наблюдалось на поверхности материала вследствие плазменной обработки.

Показаны результаты XPS-анализа титанового винта. Образцы, обработанные плазмой; ( a ), необработанные образцы; ( б ). При применении плазменной обработки при атмосферном давлении наблюдалось увеличение пика кислорода и уменьшение пика углерода на поверхности имплантата.

Показано изображение поверхности имплантата, на которую капают дистиллированную воду. Образцы, обработанные плазмой; ( a ), необработанные образцы; ( б ). При измерении краевого угла необработанная поверхность имплантата показала гидрофобность, тогда как обработанная плазмой поверхность имплантата показала супергидрофильность.

2.2. Морфология клеток

Морфологию эритроцитов, прикрепленных к поверхности титанового диска, наблюдали через 6 ч после культивирования (). Наблюдались изменения формы клеток, высеянных на поверхность титана, в зависимости от наличия или отсутствия обработки плазмой атмосферного давления. На необработанном титановом диске отчетливо наблюдалась овальная форма ОКМ. Во время наблюдения сильного увеличения нитевидных псевдоподий не наблюдалось. Морфология РМК имела форму веретена в виде поверхности титана, обработанной плазмой атмосферного давления.Наблюдения сильного увеличения показали, что были приобретены нитевидные псевдоподии. Было выяснено, что адгезии клеток способствовала обработка плазмой при атмосферном давлении.

Показаны СЭМ-изображения эритроцитов на титановых дисках. Образцы, обработанные плазмой; ( a , c ) необработанные образцы; ( б , д ). Адгезия ОКМ наблюдалась на поверхности титана как с плазменной обработкой, так и без нее. На необработанной поверхности титана расширения клеточного отростка МККК не наблюдалось.Однако при обработке плазмой наблюдались изменения в морфологии эритроцитов. При наблюдении при большом увеличении наблюдали удлинение клеточного отростка.

2.3.

Внутриклеточный уровень АФК для эритроцитов

Внутриклеточные активные формы кислорода (АФК) в эритроцитах не наблюдались на обработанной плазмой поверхности титана. То есть было показано, что при проведении плазменной обработки на поверхности материала генерируется активный кислород и формируется среда, в которой клетки могут легко расти ().

Показаны ROS-изображения эритроцитов на титановых дисках. Образцы, обработанные плазмой; ( a ) необработанные образцы; ( б ). Адгезия эритроцитов наблюдалась в виде поверхности титана в обеих группах. (Синий; ДНК ОКМ) АФК наблюдали в ОКМ на необработанных образцах титана. (Розовый; АФК). С другой стороны, присутствие АФК не было обнаружено на поверхности титана, обработанной плазмой атмосферного давления.

2.4. Индуцированная плазмой дифференцировка кости на титановых поверхностях In Vivo

показывает результаты анализа бедренной кости крысы, удаленной через 8 недель после имплантации, с помощью трехмерной компьютерной томографии (КТ). Выявлено, что в испытуемой группе на КТ-снимках наблюдалось большое количество новообразований кости. Количественная оценка в области интереса (ROI) показана на . По результатам анализа ROS количество новой кости вокруг имплантата было значительно выше, чем в необработанной группе с титановым винтом, обработанным плазмой атмосферного давления. ().

Показаны КТ-изображения титанового винта вокруг бедренной кости крысы, удаленного через 8 недель после имплантации. Образцы, обработанные плазмой; ( a ) необработанные образцы; ( b ) Было обнаружено, что имплантаты, обработанные плазмой, показали КТ-изображения с большим количеством новообразований кости.

Объем кости (BV)/объем ткани (TV) ( a ), среднее число трабекул (Tb.N) ( b ) и средняя толщина трабекул (Tb.Th) ( c ) были значительно выше в группе тестовых имплантатов по сравнению с контрольной группой имплантатов ( p <0,05). Наоборот, среднее трабекулярное разделение (Tb.Sp) ( d ) показало значительно более низкое значение для титановых имплантатов, обработанных плазмой, по сравнению с необработанными имплантатами.

Недекальцинированный образец, полученный из бедренной кости, в которую помещен имплантат, показан на рис.Как показано на , было выяснено, что количество образовавшейся новой кости было большим на поверхности обработанного плазмой титанового винта имплантата. Результат количественного анализа, проведенного в этой области измерений, показан на . Значения площади кости (BA) и контакта с костным имплантатом (BIC), рассчитанные с помощью количественного анализа, были значительно выше в экспериментальной группе ( p < 0,05).

Гистопатологическое изображение костной ткани вокруг имплантата через 8 недель после имплантации. Образцы, обработанные плазмой; ( a ) необработанные образцы; ( b ) Часть, обозначенная белой стрелкой, указывает на новую кость. Как показано на рисунке, вокруг обработанного плазмой винта имплантата образуется большое количество новой кости.

Анализ новообразованной кости вокруг имплантатов в обработанных плазмой и необработанных титановых винтах. Используя количественный гистоморфометрический анализ отношения площади кости (BA) ( a ) и контакта кости с имплантатом (BIC) ( b ) по результатам обоих измерений, было выяснено, что количество сформированной новой кости было большим. на поверхности материала имплантата, обработанного плазмой.

Флуоресцентные метки вводили через 4 и 8 недель после имплантации и наблюдали динамическую морфометрию ткани с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа. Были показаны цветные линейные сигналы, представляющие ализариновый красный S (4 недели) и гидрохлорид окситетрациклина (8 недель). Наблюдение за расстоянием между флуоресцентно окрашенными новыми костями в каждый момент времени измерения показало, что количество новой кости, образованной на обработанной плазмой поверхности титанового винта имплантата, было высоким в течение всех недель (10). Кроме того, количественный анализ этого аналитического изображения показал, что доля площади кости (процент площади меченой кости; %LBA), окрашенной меченым антителом, была высокой в ​​экспериментальной группе. Кроме того, предполагается, что в группе, получавшей плазму, относительно рано сформировалось большое количество новой кости (1).

Флуоресцентная метка и динамическая морфометрия ткани наблюдались с помощью конфокального лазерного сканирующего микроскопа. Образцы, обработанные плазмой; ( a ) необработанные образцы; ( б ).Красный линейный сигнал указывает на 4 недели после имплантации, а синий линейный сигнал указывает на 8 недель после имплантации. Было показано, что новая костная масса, обозначенная расстоянием между линиями, высока на обработанной плазмой поверхности титанового имплантата.

Результат анализа участка кости, окрашенного меченым антителом, показан на рисунке. Оба результата анализа через 4 и 8 недель после имплантации показали, что в группе лечения плазмой атмосферного давления наблюдалось большое количество новообразований кости ( p < 0. 05).

3. Обсуждение

В предыдущих исследованиях мы показали, что на уровне in vitro плазменная обработка с использованием пьезощетки на поверхности металлического титана способствует формированию твердых тканей в тканях, окружающих имплантат. Когда этот метод был применен к титановому винту имплантата и имплантирован в бедренную кость крысы, было обнаружено, что вокруг поверхности материала имплантата образовалось значительное количество новой кости. При исследовании поверхности титана, обработанной плазмой атмосферного давления, поверхности материала придавалась гидрофильность, снижался окислительный стресс на поверхности титана, наблюдалось удлинение клеточных отростков.Добавляя предыдущие отчеты, этот результат предполагает, что лечение плазмой атмосферного давления является методом, который можно рекомендовать клиницистам.

Характеристики поверхности имплантата оказывают сильное влияние не только на адгезию и развитие клеток, но также на дифференцировку и экспрессию клеток. Как правило, шероховатая поверхность имеет более сильную адгезию клеток, чем зеркальная поверхность. В наших предыдущих отчетах мы показали, что обработка титана концентрированной щелочью формирует механическую структуру нанометрового масштаба на поверхности титана, что полезно для повышения начальной адгезионной способности эритроцитов и способности индуцировать дифференцировку твердых тканей [16,17, 18].В то же время говорят, что текстура поверхности материала в значительной степени влияет на начальную адгезию и кинетику RBMC. Говорят, что среди поверхностных свойств гидрофильность тесно связана с клеточной адгезией. Во многих исследованиях сообщается, что начальная адгезия, пролиферация и дифференцировка клеток имеют тенденцию к увеличению на поверхности высокогидрофильных материалов [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10]. Как правило, УФ-обработка и обработка плазмой атмосферного давления являются примерами клинических методов, которые могут придать гидрофильность поверхности материала имплантата [44,45,46,47]. Среди них обработка плазмой атмосферного давления часто используется для модификации материала с использованием явления ионизации электронов и катионов, в основном путем приложения высокого напряжения к кислороду. Ускоренные электроны разрывают межатомные связи молекул кислорода, образуя активный кислород. Механизм обработки плазмой атмосферного давления заключается в том, что этот активный кислород разлагает гидрофобные органические вещества, адсорбированные на поверхности материала, и придает поверхности материала супергидрофильность.В наших предыдущих отчетах сообщалось, что применение обработки плазмой атмосферного давления с использованием пьезощетки к поверхности титана полезно на уровне in vitro для улучшения начальной адгезии эритроцитов и способности индуцировать дифференцировку твердых тканей [41, 42, 43, 44]. ]. В этом исследовании влияние обработки плазмой атмосферного давления на поверхности титана изучалось для оценки in vivo. Как и в отчете Ujino [41], структура поверхности титанового винта не изменилась, и наблюдалось C, указывающее на состояние загрязнения на поверхности, что указывает на то, что поверхность материала была супергидрофильной. Плазменная обработка вводит гидрофильные функциональные группы на поверхность основного материала из титана и диоксида циркония в качестве материалов для имплантатов. Различные клетки и белки, участвующие в остеоинтеграции, прикрепляются к поверхности имплантированного материала имплантата. Сообщалось, что эти вещества легко адсорбируются на поверхности материала, которому придается гидрофильность. Условия придания гидрофильности поверхности материала включают удаление загрязнений с поверхности и передачу поверхностной энергии.По сравнению с УФ-обработкой, обработка плазмой атмосферного давления имеет более сильную энергию плазмы, поэтому говорят, что количество удаляемых органических загрязнителей велико. Аналогичные результаты были показаны в результатах этого эксперимента, и предполагается, что плазменная обработка удалила загрязнения с поверхности винта имплантата и придала ему гидрофильность. Титановые поверхности всегда должны быть чистыми, чтобы ускорить остеоинтеграцию. В различных отчетах сообщалось, что АФК способны разлагать органические загрязнители, адсорбированные на поверхности материалов. Поскольку лечение имплантата включает хирургические процедуры, считается, что воспаление, возникающее в ткани, окружающей имплантат, связано с окислительным стрессом. [48,49]. Известно, что избыточное количество вызывает апоптоз клеток и замедляет заживление тканей, что приводит к неудаче имплантации. Наличие окислительного стресса может предотвратить образование новой кости в ткани, окружающей место установки имплантата. И наоборот, подавление окислительного стресса обеспечивает хорошую среду для роста RBMC. В этом исследовании было выяснено, что окислительный стресс снижается, поскольку активный кислород образуется на поверхности титана при плазменной обработке.Таким образом, можно сделать вывод, что изменение исходного поведения РМК было вызвано подавлением АФК, удалением поллютантов и приданием им супергидрофильности. В этом эксперименте начальное поведение RBMC было исследовано с помощью SEM-наблюдения за поверхностью титана, засеянной RBMC [40, 50, 51]. На необработанной поверхности материала РМК имели сферическую морфологию. Однако на поверхности материала, обработанного плазмой атмосферного давления, наблюдалось удлинение клеточных выступов.Сообщалось, что передача информации к клеточному ядру, сопровождающая структурные изменения актинового цитоскелета, важна в процессе дифференцировки эритроцитов в остеобласты. Результаты этого исследования аналогичны, и вместе с предыдущими отчетами можно считать, что поверхность титана, подвергнутая обработке плазмой атмосферного давления, подходит в качестве среды для роста RBMC. В этом исследовании поверхность титана обрабатывается плазмой атмосферного давления для удаления пятен с поверхности материала и уменьшения окислительного стресса, чтобы создать среду, в которой клетки могут легко расти.Анализ SEM с использованием RBMC показал, что это эффективно способствует адгезии RBMC.

Модель бедренной кости крысы, используемая в оценке in vivo в этом исследовании, предназначена для оценки формирования костной ткани на границе, где поверхность имплантата соприкасается с губчатой ​​​​костью. Период образования новой кости у крыс составляет около 8 недель, и период данного исследования является подходящим. Поскольку первоначальная реакция поверхности имплантата, контактирующей с костной тканью, считается вовлеченной в последующую остеоинтеграцию, на этот раз мы оценили ее в течение 4 недель.Поэтому данное исследование проводилось в два этапа, от 4 до 8 недель после имплантации [21,40,42,43]. Из различных исследований видно, что даже на уровне in vivo связь с костью на поверхности материала имплантата, которому придали гидрофильность, была лучше, чем на поверхности необработанного материала имплантата. Это исследование показало высокое новообразование кости при использовании титановых винтов, обработанных плазмой атмосферного давления, во всех оценках in vivo. Ujino et al. показали, что титановая пластина, обработанная плазмой атмосферного давления, улучшает уровень экспрессии маркеров, связанных с индукцией дифференцировки твердых тканей [27].Образование новой кости на поверхности материала имплантата, обработанного плазмой, тесно связано с исходной реакцией кости и считается соответствующим анализу in vivo. Определенная разница наблюдалась в формировании новой кости через 4 недели. Как показано в Ujino et al. [27], имеется четкая разница в генетических маркерах кальцификации через 3–4 недели после закапывания эритроцитов на поверхность материала. Предполагается, что эта тенденция к увеличению скорости кальцификации вызывает разницу на уровне in vivo.Как упоминалось выше, исследования in vitro и in vivo тесно взаимосвязаны, и изменения в начальном поведении клеток костного мозга на поверхности материала в наших предыдущих отчетах соответствуют изменениям новой кости в ткани, окружающей имплантат. Считается, что он участвует в увеличении количества образования. Никакой инфекции не наблюдалось ни у одной из крыс, использованных в этом эксперименте, и было выяснено, что они обладают антибактериальными свойствами, сохраняя при этом высокую способность индуцировать дифференцировку твердых тканей.В долгосрочной перспективе можно ожидать, что этот метод будет полезен в качестве устройства для модификации материалов имплантатов. Однако для того, чтобы этот материал был действительно полезен в клинических условиях, необходимы исследования с использованием крупных животных, таких как гончие, и, в конечном итоге, необходимо рассмотреть возможность его применения к людям. Мы считаем, что пьезощетка будет важным устройством для клиницистов, потому что она небольшая и относительно простая, и определенно поможет в стоматологических клиниках.

В предыдущих исследованиях мы показали на уровне in vitro, что плазменная обработка с помощью пьезощетки на поверхности чистого металлического титана способствует формированию твердых тканей в тканях, окружающих имплантат.

4. Материалы и методы

4.1. Подготовка образца

Экспериментальная группа была разделена на две группы: группа, получавшая плазму атмосферного давления, и группа, не подвергавшаяся лечению. Образцы титана (JIS Grade 2, диаметр 15 мм и толщина 1 мм, Daido Steel, Осака, Япония) in vitro и титановых винтовых имплантатов (внешний диаметр 1,2 мм и длина 12 мм, Daido Steel, Осака, Япония) были использованы в этом исследовании. Плазменную обработку поверхности титана проводили с помощью пьезощетки ® PZ2 (Relyon Plazma GmbH, Регенсбург, Германия).Плазменную обработку проводили активным газом при атмосферном давлении, низкотемпературной плазменной обработкой под облучением (0,2 МПа) в течение 30 с при 10 мм. Сканирующий электронный микроскоп (SEM, S-4800; Hitachi, Токио, Япония) и сканирующий зондовый микроскоп (SPM, SPM-9600; SHIMADZU, Киото, Япония) используются для наблюдения за поверхностью титана. Для анализа компонентов образцов использовали рентгеновскую фотоэлектронную спектроскопию (XPS) (электронный спектрометр Kratos Analytical Axis Ultra DLD; Kratos Instruments, Манчестер, Великобритания).Измерения контактного угла тестового и контрольного имплантатов проводились с использованием видеосистемы измерения контактного угла (SImage Entry 6; Excimer Inc., Канагава, Япония). Измерение проводили после того, как 2,6 мкл дистиллированной воды были закапаны сразу после обработки поверхности титановых имплантатов.

4.2. Культура клеток

Эксперименты на животных в этом исследовании проводились в соответствии с рекомендациями по экспериментам на животных Стоматологического университета Осаки (утверждение №.20-08001). RBMC были получены из бедренных костей 8-недельных крыс Sprague-Dawley (SD) (SHIMIZU Laboratory Supplies Co., Киото, Япония). Метод создания первичной культуры клеток костного мозга из бедренной кости крысы следовал нашему предыдущему сообщению. Клетки костного мозга третьего поколения высевали в обработанный плазмой и необработанный титан. Метод создания первичной культуры клеток костного мозга из бедренной кости крысы следовал нашему предыдущему сообщению.

4.3. Морфология клеток

эритроцитов высевали на образцы с плотностью 4 × 10 4 клеток/см 2 .Образцы промывали, в которых клетки закрепляли фосфатно-буферным физиологическим раствором (PBS), фиксировали 4% глутаровым альдегидом и обезвоживали поэтапной серией этанола после 6 ч культивирования. Форма клетки, застрявшей на обработанной плазмой и необработанной поверхности титана, наблюдалась с помощью СЭМ.

4.4. Уровень клеточных внутриклеточных АФК

Внутриклеточные уровни АФК определяли с использованием реагента окислительного стресса CellROX ® ({«type»:»entrez-нуклеотид»,»attrs»:{«text»:»C10422″,»term_id» :»1535493″,»term_text»:»C10422″}}C10422, Thermo Fisher Life Technologies Ltd., Токио, Япония). Уровни АФК в эритроцитах тестируемых и контрольных титановых дисков окрашивали и наблюдали с помощью конфокальной лазерной сканирующей микроскопии (LSM700, Carl Zeiss, City, Zeiss, Германия).

4.5. Модель дистального отдела бедренной кости крысы In Vivo

В этом исследовании использовали 20 самцов крыс SD (Shimizu Laboratories Supplies Co., Киото, Япония; возраст 8 недель, вес 160 ± 15 г) (испытуемая группа; 10 крыс, контрольная группа). ; 10 крыс). Анализ in vivo в этом исследовании был основан на нашем предыдущем исследовании [21,24,42,43]. Животным вводили ингаляционный наркоз с последующим внутрибрюшинным введением анестетиков (1,5 мл/кг). Волосы на правой задней конечности сбривали, кожу дезинфицировали йодом с последующей очисткой 75% этанолом для удаления йода. Выполняли продольный разрез кожи длиной 1 см по медиальной стороне коленного сустава и рассекали подкожную фасцию. Затем надколенник и разгибательные механизмы были рассечены, чтобы обнажить дистальную часть бедренной кости. Пилотное отверстие было просверлено через межмыщелковую выемку с помощью зубного бора диаметром 1 мм под обильным стерильным промыванием физиологическим раствором, и отверстие было увеличено до 1.2 мм с помощью эндодонтического файла. Имплантаты, стерилизованные газом окиси этилена, случайным образом вставляли в 20 подготовленных каналов и костномозговые полости правой бедренной кости. После операции коленный сустав восстановлен, операционное поле послойно закрыто. Животным внутримышечно вводили гентамицин (1 мг/кг) и бупренорфин (0,05 мг/кг) в течение 3 дней для профилактики послеоперационной инфекции и обезболивания. Всем крысам было разрешено свободное передвижение без каких-либо ограничений.

4.6. Последовательное флуоресцентное мечение

Полихромное последовательное мечение кости с использованием внутрибрюшинной инъекции флуорохромов проводили для регистрации процесса образования новой кости и минерализации после имплантации по следующему графику: 4-я неделя, ализарин красный S в дозе 30 мг/кг. (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США) и 8-я неделя — гидрохлорид окситетрациклина в дозе 25 мг/кг (Sigma-Aldrich, Сент-Луис, Миссури, США). Всех животных умерщвляли внутрибрюшинной передозировкой пентобарбитала натрия через 3 дня после последней обработки мечением.

4.7. Плазменная дифференцировка кости на TNS-модифицированной поверхности титана In Vivo

Сразу после вскрытия правые бедра, включая имплантаты, помещали в холодный физиологический раствор и сканировали с помощью микрокомпьютерного томографа (microCT, SkyScan 1275 , Bruker, Kontich, Бельгия), работающий при напряжении 100 кВ и размере пикселя 10 мкм во всех пространственных направлениях. После томографии имплантат и окружающие ткани были реконструированы и проанализированы с использованием морфометрического программного обеспечения (TRI/3D-BON; Ratoc System Engineering, Токио, Япония).ROI определяли как область кости шириной 500 мкм вокруг имплантатов от 2 мм ниже самой высокой точки зоны роста до 100 дистальных срезов [32]. Объемная фракция кости (BV/TV), среднее число трабекул (Tb.N), средняя толщина трабекул (Tb.Th) и среднее расстояние трабекул (Tb.Sp) рассчитывались в пределах области интереса.

После микро-КТ образцы бедренной кости были использованы для создания некальцифицированных гистологических срезов. Образцы фиксировали в 70% растворе этанола в течение 7 дней с последующим погружением в раствор для окрашивания костей Вильянуэва.Срезы подвергали гистоморфометрическому анализу с использованием цифрового микроскопа BZ-9000 (Keyence Co., Осака, Япония). Флуоресцентную микроскопию также проводили с использованием конфокального лазерного сканирующего микроскопа (LSM 700, Carl Zeiss, Йена, Германия). Длины волн возбуждения/испускания хелатирующих флуорохромов составляли 351/460 нм, 543/617 нм и 488/517 нм для ализаринового красного S (красный) и гидрохлорида окситетрациклина (синий) соответственно. Область измерения определялась на срезах примерно на 2 мм ниже зоны роста и на 1 мм дистальнее, согласно анализу микро-КТ.

4.8. Статистический анализ

Было приготовлено четыре повтора всех образцов. Данные представлены как среднее ± стандартное отклонение. Во всех анализах статистическую значимость определяли с помощью парного двустороннего критерия Стьюдента t . Статистическая значимость была установлена ​​на уровне p <0,05. Дизайн исследования был разработан, как показано на рис.

Показан дизайн исследования. Эксперименты можно разделить на два направления. Один из них — подтвердить, как обработка плазмой атмосферного давления на поверхности титана влияет на поверхность материала.Другой — анализ in vivo с использованием бедренной кости крысы. Через четыре недели после имплантации в виде меченого антитела вводили ализарин красный, через восемь недель вводили кальцеин, и пациент был подвергнут эвтаназии. Бедренная кость была удалена вместе с имплантатом, проведены КТ и гистологический анализ.

5. Выводы

В дополнение к предыдущим работам, результаты этого эксперимента показали, что количество новообразований кости в ткани, окружающей имплантат, было увеличено за счет обработки плазмой атмосферного давления титанового винта.Это связано с тем, что обработка плазмой атмосферного давления улучшает смачиваемость поверхности материала и снижает АФК. В результате было выяснено, что было вызвано улучшение адгезионной прочности эритроцитов, прикрепленных к поверхности материала, что, по-видимому, связано с результатом, показанным в оценке in vivo. Поскольку это устройство легкое и простое в использовании, можно ожидать, что оно будет рекомендовано клиницистам.

Благодарности

Мы благодарны отделению съемного протезирования и окклюзии за их добрые советы и помощь.

Вклад авторов

Концептуализация и методология, С.К. и Х.Н.; расследование, Х.Т. и С.Т.; формальный анализ, H.T. и А.М.; написание — первоначальный вариант, H.T. и С.К. Все авторы прочитали и согласились с опубликованной версией рукописи.

Финансирование

Эта работа финансировалась Японским обществом содействия развитию науки (номера грантов: 18K09713 и 21K09966).

Заявление об информированном согласии

Неприменимо.

Заявление о доступности данных

Данные, представленные в этом исследовании, доступны по запросу от соответствующего автора.

Конфликт интересов

Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.

Сноски

Примечание издателя: MDPI остается нейтральным в отношении юрисдикционных претензий в опубликованных картах и ​​институциональной принадлежности.

Ссылки

1. Smeets R., Stadlinger B., Schwarz F., Beck-Broichsitter B., Jung O., Precht C. , Kloss F., Gröbe A., Heiland M., Ebker T. Impact of Dental Модификации поверхности имплантата при остеоинтеграции. Биомед. Рез.Междунар. 2016 г.: 10.1155/2016/6285620. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]2. Лю С., Чен С., Цой Дж. К. Х., Матинлинна Дж. П. Бинарные титановые сплавы как материалы для зубных имплантатов — обзор. Реген. Биоматер. 2017;4:315–323. doi: 10.1093/rb/rbx027. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]3. Герке С.А., Кавальканти де Лима Х.Х., Родригес Ф., Кальво-Гирадо Х.Л., Арамбуру Джуниор Х., Перес-Диас Л., Масон П., Арагонес Х.М., Де Аза П.Н. Микроборозды и микронеровности на поверхности титановых имплантатов: оценка in vitro и in vivo.Материалы. 2019;12:1287. doi: 10.3390/ma12081287. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]4. Йошинари М., Мацудзака К., Иноуэ Т., Ода Ю., Шимоно М. Биофункционализация титановых поверхностей зубных имплантатов. Матер. Транс. 2002; 43: 2494–2501. doi: 10.2320/matertrans. 43.2494. [Перекрестная ссылка] [Академия Google]5. Дохан Эренфест Д.М., Коэльо П.Г., Канг Б.-С., Сул Ю.-Т., Альбректссон Т. Классификация остеоинтегрированных поверхностей имплантатов: материалы, химия и топография. Тенденции биотехнологии.2010;28:198–206. doi: 10.1016/j.tibtech.2009.12.003. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]6. Ан Н., Рауш-фан X., Виланд М., Матейка М., Андрухов О., Шедле А. Начальное прикрепление, последующая клеточная пролиферация/жизнеспособность и экспрессия генов эпителиальных клеток, связанных с прикреплением и заживлением ран в ответ на различные виды титана поверхности. Вмятина. Матер. 2012;28:1207–1214. doi: 10.1016/j.dental.2012.08.007. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]7. Зарейдуст А., Юсефпур М., Гасем Б., Аманзаде А.Взаимосвязь шероховатости поверхности и реакции клеток на химическую модификацию поверхности титана. Дж. Матер. науч. Матер. Мед. 2012; 23:1479–1488. doi: 10.1007/s10856-012-4611-9. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]8. Хуан Х.-Х., Хо К.-Т., Ли Т.-Х., Ли Т.-Л., Ляо К.-К., Чен Ф.-Л. Влияние шероховатости поверхности измельченного титана на начальную адгезию клеток. биомол. англ. 2004; 21:93–97. doi: 10.1016/j.bioeng.2004.05.001. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]9. Райсанен Л., Конёнен М., Юханоя Дж., Варпаваара П., Хаутаниеми Дж., Кивилахти Дж., Хормиа М. Экспрессия комплексов клеточной адгезии в эпителиальных клетках, высеянных на поверхности биоматериала. Дж. Биомед. Матер. Рез. 2000;49:79–87. doi: 10.1002/(SICI)1097-4636(200001)49:1<79::AID-JBM10>3.0.CO;2-N. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 10. Лауэр Г., Видманн-Аль-Ахмад М., Оттен Дж. Э., Хюбнер У., Шмельцайзен Р., Шилли В. Текстура поверхности титана влияет на прилипание и рост кератиноцитов десны человека и остеобластоподобных клеток верхней челюсти человека in vitro.Биоматериалы. 2001; 22: 2799–2809. doi: 10.1016/S0142-9612(01)00024-2. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 11. Бахарлоо Б., Текстор М., Брюнет Д.М. Шероховатость субстрата изменяет рост, площадь и фокальные спайки эпителиальных клеток, а также их близость к титановым поверхностям. Дж. Биомед. Матер. Рез. Часть А. 2005; 74:12–22. doi: 10.1002/jbm.a.30321. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 12. Виланд М., Текстор М., Спенсер Н.Д., Брюнет Д.М. Шероховатость, зависящая от длины волны: количественный подход к характеристике топографии шероховатых поверхностей титана.Междунар. J. Оральный Maxillofac. Имплантаты. 2001; 16: 163–181. [PubMed] [Google Scholar] 13. Боян Б.Д., Боневальд Л.Ф., Пасхалис Э.П., Ломанн Ч.Х., Россер Дж., Кокран Д.Л., Дин Д.Д., Шварц З., Боски А.Л. Опосредованное остеобластами отложение минералов в культуре зависит от микротопографии поверхности. кальциф. Ткань внутр. 2002; 71: 519–529. doi: 10.1007/s00223-001-1114-y. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 14. По С.К., Ши З., Лим Т.Ю., Неох К.Г., Ван В. Влияние функционализации титана VEGF на эндотелиальные клетки in vitro.Биоматериалы 2010;31:1578–1585. doi: 10.1016/j.biomaterials.2009.11.042. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 15. Джаяраман М., Мейер У., Бюнер М., Йоос У., Висманн Х.П. Влияние поверхностей титана на прикрепление остеобластоподобных клеток in vitro. Биоматериалы. 2004; 25: 625–631. doi: 10.1016/S0142-9612(03)00571-4. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 16. Комаса С., Тагучи Ю., Нисида Х., Танака М., Кавазо Т. Биоактивность наноструктуры на поверхности титана, модифицированной химической обработкой при комнатной температуре.Дж. Протез. Рез. 2012;56:170–177. doi: 10.1016/j.jpor.2011.12.002. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 18. Фуджино Т., Тагучи Ю., Комаса С., Секино Т., Танака М. Дифференциация клеток на наноразмерных элементах поверхности титана: влияние времени осаждения в растворе NaOH. J. Кипячение твердых тканей. 2014; 23:63–70. doi: 10.2485/jhtb.23.63. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 19. Накано Ю., Комаса С., Тагучи Ю., Секино Т., Окадзаки Дж. Прикрепление эндотелиальных клеток крысы, поведение и экспрессия генов на титановых поверхностях, обработанных NaOH.J. Oral Tissue Eng. 2013; 11: 189–200. [Google Академия] 20. Хара Ю., Комаса С., Йошимине С., Нисизаки Х., Оказаки Дж. Влияние наномодифицированной поверхности титана на адсорбцию клеток периодонтальной связки крысы. Дж. Осака Дент. ун-т 2018;52:37–44. [Google Академия] 21. Терада С., Комаса С., Кусумото Т., Кавазоэ Т., Окадзаки Дж. Влияние амелогенинового покрытия наномодифицированной поверхности титана на биологическую активность. Междунар. Дж. Мол. науч. 2018;19:1274. doi: 10.3390/ijms1

74. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]22.Чжан Х., Комаса С., Масимо С., Секино Т., Оказаки Дж. Влияние ультрафиолетовой обработки на бактериальное прикрепление и остеогенную активность к обработанному щелочью титану с наносетчатыми структурами. Междунар. Дж. Наномед. 2017;12:4633–4646. doi: 10.2147/IJN.S136273. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]23. Нисидзаки М., Комаса С., Тагучи Ю., Нисидзаки Х., Окадзаки Дж. Биоактивность NANOZR, вызванная обработкой щелочью. Междунар. Дж. Мол. науч. 2017;18:780. doi: 10.3390/ijms18040780. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]24.Комаса С., Нисидзаки М., Чжан Х., Такао С., Инь Д., Терада С., Кобаяши Ю., Кусумото Т. , Йошимине С., Нисидзаки Х. и др. Остеоинтеграция модифицированных щелочью имплантатов NANOZR: исследование in vivo. Междунар. Дж. Мол. науч. 2019;20:842. doi: 10.3390/ijms20040842. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]25. Комаса С., Нисизаки М., Кусумото Т., Терада С., Деронг Ю., Кавамото А., Ямамото С., Йошимине С., Нисидзаки Х., Симидзу Х. и др. Экспрессия генов, связанных с остеогенезом, на алкалимодифицированных поверхностях NANOZR и титана с наносетчатыми структурами.Дж. Био-Интегр. 2017;7:87–94. [Google Академия] 26. Стивенс Н., Прист С.И., Седев Р., Ралстон Дж. Смачиваемость фоточувствительных поверхностей диоксида титана. Ленгмюр. 2003;19:3272–3275. doi: 10.1021/la020660c. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 27. Адавия Дж.Х., Зайнаб Н.Дж., Имад Х.М., Аль-Хуссаини И.Х. Обзор: Применение диоксида титана. Энергетическая процедура. 2019;157:17–29. [Google Академия] 28. Олер Б., Лангель В. Молекулярно-динамическое моделирование поверхности раздела между диоксидом титана и каплями воды: новая модель контактного угла. Дж. Физ. хим. С. 2009; 113:10189–10197. doi: 10.1021/jp811257x. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 29. Рупп Ф., Шайделер Л., Ольшанска Н., де Вильд М., Вильден М., Гайс-Герсторфер Дж. Повышение свободной поверхностной энергии и гидрофильности путем химической модификации микроструктурированных поверхностей титановых имплантатов. Дж. Биомед. Матер. Рез. 2006; 76: 323–334. doi: 10.1002/jbm.a.30518. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 30. Чжао Г., Шварц З., Виланд М., Рупп Ф., Гейс-Герсторфер Дж., Кокран Д.Л., Боян Б.Д. Высокая поверхностная энергия усиливает реакцию клеток на микроструктуру титановой подложки.Дж. Биомед. Матер. Рез. Часть А. 2005; 74:49–58. doi: 10.1002/jbm.a.30320. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 31. Аита Х., Хори Н., Такеучи М., Судзуки Т., Ямада М., Анпо М., Огава Т. Влияние ультрафиолетовой функционализации титана на интеграцию с костью. Биоматериалы. 2009;30:1015–1025. doi: 10.1016/j.biomaterials.2008.11.004. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 32. Аита Х. , Атт В., Уэно Т., Ямада М., Хори Н., Иваса Ф., Цукимура Н., Огава Т. Опосредованная ультрафиолетовым светом фотофункционализация титана для стимулирования миграции, прикрепления, пролиферации мезенхимальных стволовых клеток человека и дифференциация.Акта Биоматер. 2009;5:3247–3257. doi: 10.1016/j.actbio.2009.04.022. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 33. Фридман Г., Фридман Г., Гуцол А., Шехтер А.Б., Василец В.Н., Фридман А. Прикладная плазменная медицина. Плазменный процесс Полим. 2008; 5: 503–533. doi: 10.1002/ppap.200700154. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 34. Шредер К., Финке Б., Полак М., Лютен Ф., Небе Б., Рыхли Дж., Бадер Р., Луковски Г., Вальшус У., Шлоссер М. и др. Функционализация поверхности титановых имплантатов с помощью газоразрядной плазмы.Матер. науч. Форум. 2010; 638–642: 700–705. doi: 10.4028/www.scientific.net/MSF.638-642.700. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 35. Коэльо П.Г., Джиро Г., Тейшейра Х.С., Марин К., Витек Л., Томпсон В.П., Товар Н., Сильва Н. Р.Ф.А. Плазма атмосферного давления на основе аргона улучшает раннюю реакцию кости на шероховатые поверхности титана. Биоматериалы. 2012; 100А: 1901–1906. doi: 10.1002/jbm.a.34127. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 36. Yeung K.W.K., Chan R.Y.L., Lam K.O., Wu S.L., Liu X.M., Chung C.Y., Chu P.K., Lu W.W., Чан Д., Лук К.Д.К. и др. In vitro и in vivo характеристика нового никель-титанового сплава с памятью формы, обработанного плазмой, для ортопедической имплантации. Серф. Пальто. Технол. 2007; 202:1247–1251. doi: 10.1016/j.surfcoat.2007.07.093. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 37. Мацумото Т., Таширо Ю., Комаса С., Мияке А., Комаса Ю., Окадзаки Дж. Влияние модификации на адсорбционное поведение клеток и белков на поверхности титана с использованием системы микробаланса кварцевого кристалла. Материалы. 2021;14:97. doi: 10.3390/ma14011097.[Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]38. Перрин Д., Шмуклер М.С., Эчикоу С., Пойнтэр П., Бернард Дж.П. Реакция кости на изменение топографии поверхности и состава поверхности имплантатов, подвергнутых пескоструйной обработке и травлению кислотой (SLA). Clin Oral Implants Res. 2002; 13: 465–469. doi: 10.1034/j.1600-0501.2002.130504.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar] 39. Фоест Р., Киндел Э., Ол А., Штибер М., Вельтманн К.-Д. Нетепловые разряды атмосферного давления для модификации поверхности. Плазменная физ.Контроль. Слияние. 2005; 47: B525–B536. doi: 10.1088/0741-3335/47/12B/S38. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 40. Душке К., Кобан И., Киндел Э., Шредер К., Небе Б., Холтфретер Б., Яблоновски Л., Велтманн К.Д., Кохер Т. Атмосферная плазма улучшает смачиваемость и распространение клеток на металле зубного имплантата. Дж. Клин. Пародонтол. 2012; 39: 400–407. doi: 10.1111/j.1600-051X.2012.01853.x. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]41. Уджино Д., Нисизаки Х., Хигучи С., Комаса С., Окадзаки Дж. Влияние плазменной обработки поверхности титана на биологическую активность.заявл. науч. 2019;9:2257. doi: 10.3390/app9112257. [Перекрестная ссылка] [Академия Google] 42. Такао С., Комаса С., Агаригучи А., Кусумото Т., Пеццотти Г., Окадзаки Дж. Влияние плазменной обработки на биологическую активность обработанного щелочью нанокомпозита циркония/глинозема, стабилизированного щелочью (NANOZR) Int. Дж. Мол. науч. 2020;21:7476. doi: 10.3390/ijms21207476. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]43. Зенг Ю., Комаса С., Нисида Х., Агаригучи А., Секино Т., Оказаки Дж. Улучшенная остеоинтеграция и биодезактивация наноструктурированного титана на основе нетепловой плазмы атмосферного давления.Междунар. Дж. Мол. науч. 2020;21:3533. doi: 10.3390/ijms21103533. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]44. Тоффоли А., Паризи Л., Татти Р., Лоренци А., Верукки Р., Манфреди Э., Луметти С., Макалузо Г.М. Повышение термоиндуцированной гидрофильности поверхностей титановых дентальных имплантатов. Дж. Устные науки. 2020;62:217–221. doi: 10.2334/josnusd.19-0235. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]45. Гуастальди Ф.П.С., Ю Д., Марин К., Джимбо Р., Тавор Н., Занетта-Барбоза Д., Челхо П.Г. Плазменная обработка поддерживает поверхностную энергию поверхности имплантата и улучшает остеоинтеграцию. Междунар. Дж. Биоматер. 2013 г.: 10.1155/2013/354125. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]46. Талларико М., Бальдини Н., Гатти Ф., Мартинолли М., Ксанари Э., Мелони С.М., Габриэле С., Иммаколата Л.А. Роль новых гидрофильных поверхностей в ранней частоте успеха и стабильности имплантатов: результаты 1-летнего постнагружения многоцентровое рандомизированное контролируемое исследование с разделением рта. Евро. Дж. Дент. 2021; 15: 001–007. doi: 10.1055/s-0040-1713952. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]47. Парк Дж.-W., Jang J.-H., Lee C.S., Hanawa T. Остеокондуктивность гидрофильных микроструктурированных титановых имплантатов с химическим составом ионов фосфата. Акта Биоматер. 2009;5:2311–2321. doi: 10.1016/j.actbio.2009.02.026. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]48. Basu S., Michaelsson K., Olofsson H., Johansson S., Melhus H. Связь между окислительным стрессом и минеральной плотностью костей. Биохим. Биофиз. Рез. коммун. 2001; 288: 275–279. doi: 10.1006/bbrc.2001.5747. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]49. Лю С., Сюй Л., Чжан Т., Рен Г., Ян З. Окислительный стресс и апоптоз, вызванные наноразмерным диоксидом титана в клетках PC12. Токсикология. 2010; 267:172–177. doi: 10.1016/j.tox.2009.11.012. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]50. Lee J.-H., Jeong W.-S., Seo S.-J., Kim H.-W., Kim K.-N., Choi E.-H., Kim K.-M. Зубной имплантат, функционализированный плазмой нетеплового атмосферного давления, для повышения устойчивости к бактериям и остеоинтеграции. Вмятина. Матер. 2017; 33: 257–270. doi: 10.1016/j.dental.2016.11.011. [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]51.Леон-Рамос Х.-Р., Диосдадо-Кано Х.-М., Лопес-Сантос К., Барранко А., Торрес-Лагарес Д., Серрера-Фигалло М.-А. Влияние нанометрической структуры массива столбиков оксида титана и ультрафиолетового облучения на свойства поверхности дентальных имплантатов. Пилотное исследование. Наноматериалы. 2019;9:1458. doi: 10.3390/nano9101458. [Бесплатная статья PMC] [PubMed] [CrossRef] [Google Scholar]

Фотоадсорбция и фотокатализ на поверхностях диоксида титана.

Фотоадсорбция кислорода и фотокаталитическое окисление изопропанола

Фотоадсорбция и фотокатализ на поверхности диоксида титана.Фотоадсорбция кислорода и фотокаталитическое окисление изопропанола

Исследование фотоадсорбции кислорода методом температурно-программируемой десорбции показало, что на полностью окисленных поверхностях рутила адсорбированные гидроксильные группы действуют как ловушки для фотодырок, образующихся при облучении образца ультрафиолетовым светом λ 330 нм. Одновременно образующиеся фотоэлектроны могут свободно участвовать в хемосорбции кислорода.На восстановленных рутиловых поверхностях установлено, что фотоадсорбция кислорода усиливается за счет дополнительного присутствия ионов Ti 3+ , которые также выполняют роль ловушек для фотодырок.

Было показано, что фотоокисление изопропанола является довольно сложным. Исходным продуктом является ацетон, но при последующем фотоокислении ацетона образуется муравьиная кислота. Также образуется ацетальдегид, но, вероятно, он возникает в результате фотоокисления адсорбированного пропена, который образуется при термической дегидратации изопропанола.В конечном итоге продуктами длительного фотоокисления являются углекислый газ и вода.

У вас есть доступ к этой статье

Подождите, пока мы загрузим ваш контент… Что-то пошло не так. Попробуйте снова?

Произошла ошибка при настройке пользовательского файла cookie

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности. Если ваш браузер не принимает файлы cookie, вы не можете просматривать этот сайт.


Настройка браузера на прием файлов cookie

Существует множество причин, по которым файл cookie не может быть установлен правильно. Ниже приведены наиболее распространенные причины:

  • В вашем браузере отключены файлы cookie. Вам необходимо сбросить настройки браузера, чтобы принять файлы cookie, или спросить вас, хотите ли вы принимать файлы cookie.
  • Ваш браузер спрашивает, хотите ли вы принимать файлы cookie, и вы отказались. Чтобы принять файлы cookie с этого сайта, нажмите кнопку «Назад» и примите файл cookie.
  • Ваш браузер не поддерживает файлы cookie. Попробуйте другой браузер, если вы подозреваете это.
  • Дата на вашем компьютере в прошлом. Если часы вашего компьютера показывают дату до 1 января 1970 г., браузер автоматически забудет файл cookie. Чтобы это исправить, установите правильное время и дату на своем компьютере.
  • Вы установили приложение, которое отслеживает или блокирует установку файлов cookie. Вы должны отключить приложение при входе в систему или проконсультироваться с системным администратором.

Почему этому сайту требуются файлы cookie?

Этот сайт использует файлы cookie для повышения производительности, запоминая, что вы вошли в систему, когда переходите со страницы на страницу. Предоставить доступ без файлов cookie потребует от сайта создания нового сеанса для каждой посещаемой вами страницы, что замедляет работу системы до неприемлемого уровня.


Что сохраняется в файле cookie?

Этот сайт не хранит ничего, кроме автоматически сгенерированного идентификатора сеанса в файле cookie; никакая другая информация не фиксируется.

Как правило, в файле cookie может храниться только та информация, которую вы предоставляете, или выбор, который вы делаете при посещении веб-сайта.