Lắng đọng pha hơi vật lý – Physical Vapor Deposition (viết tắt là PVD) là phương pháp lắng đọng màng mỏng được sử dụng rộng rãi trong nghiên cứu và nhiều ngành công nghiệp. Bằng phương pháp PVD, ta có thể nhận được các lớp phủ kim loại, lớp phủ hợp chất, lớp phủ gốm, lớp phủ đơn hoặc đa lớp…Các lớp phủ tạo ra bằng phương pháp PVD được gọi bằng một tên chung là lớp phủ PVD.
Chuyên ngành chấn thương chỉnh hình là phân khúc y tế đầu tiên nhận ra tiềm năng của lớp phủ PVD, xuất phát từ thực tế rằng các công cụ hỗ trợ kết hợp xương, công cụ thay thế xương/khớp, đưa vào cơ thể nhằm phục hồi chức năng vận động cho bệnh nhân bị chấn thương hoặc mắc các bệnh lý về xương khớp, thường bị hao mòn sau thời gian sử dụng nhất định. Các chi tiết cấy ghép trong lĩnh vực chỉnh hình thường được chế tạo từ một số vật liệu kim loại có tính chất cơ học vượt trội về khả năng chịu tải trọng, độ bền và tương thích với cơ thể. Có ba nhóm kim loại ( còn được gọi là kim loại y sinh) được sử dụng là: thép không gỉ, hợp kim Co-Cr-Mo, titan và hợp kim titan.
Một số dụng cụ cấy ghép được phủ PVD
Môi trường sinh lý trong cơ thể chứa các tác nhân đẩy nhanh quá trình ăn mòn. Bề mặt kim loại cấy ghép sau khi ở trong cơ thể một thời gian có thể bị phá hủy do ăn mòn, mài mòn hoặc kết hợp cả hai. Từ những năm 1990, các vấn đề như thải ghép, nhiễm trùng và tiêu xương làm hạn chế tuổi thọ của kim loại y sinh trong cấy ghép đã thu hút sự quan tâm và nhiều nghiên cứu sử dụng lớp phủ cứng nhằm hoàn thiện bề mặt cho kim loại y sinh đã được thực hiện. Màng mỏng TiN là một trong số các lớp phủ PVD đầu tiên được phát triển cho các chi tiết cấy ghép thay thế khớp và cố định xương, làm giảm hiện tượng bào mòn ở bề mặt khớp và ngăn thôi nhiễm ion kim loại. Nhiều lớp phủ ceramic cứng khác ở dạng đơn lớp, nhiều lớp, composite cũng được nghiên cứu và thu được kết quả tích cực. Ngoài cải thiện khả năng chống mài mòn, ăn mòn cho kim loại cấy ghép, lớp phủ PVD còn giúp tăng tương thích sinh học, góp phần tạo ra các bề mặt tích hợp xương, chống bám bẩn khi đặt catheter dài hạn, van tim và stent nhân tạo. Đối với dụng cụ phẫu thuật, lớp phủ PVD cũng được sử dụng để tăng độ cứng, giúp duy trì độ sắc của các dụng cụ y tế như lưỡi dao mổ, khoan cắt xương, tăng khả năng kháng khuẩn, cải thiện điều kiện vệ sinh, giảm phản xạ và chức năng thẩm mỹ.
Nghiên cứu chế tạo lớp phủ PVD cho vật liệu y sinh tại Trung tâm Quang điện tử
Trong giai đoạn năm 1992-1994, Trung tâm Quang điện tử đã thực hiện đề tài nghiên cứu cấp Bộ KHCN: “Nghiên cứu công nghệ chế tạo lớp phủ TiN lên nẹp vít xương dùng trong y tế”. Kết quả thử nghiệm tiền lâm sàng trên động vật đã được hội đồng khoa học đánh giá là nẹp vít mạ titan nitride không làm ảnh hưởng tới tổ chức phần mềm và tổ chức xương quanh ổ kết xương trong thời gian 180 ngày trên động vật thử nghiệm. Sau khi thực hiện thành công đề tài, đã tiến hành dự án sản xuất thử nghiệm các sản phẩm nẹp và vít xương cẳng và cánh tay, từ khâu gia công thép 316L đến xử lý bề mặt và phủ màng TiN. Sản phẩm sau đó đã được cấy ghép trên cơ thể bệnh nhân tại bốn bệnh viện (Học viện Quân y, bệnh viện đa khoa Phú Thọ, bệnh viện Phong Thái Bình và bệnh viện đa khoa Vĩnh Phúc).
Một số kết quả chính thu được từ dự án:
- Mođun đàn hồi của nẹp vít: 192 – 193 GPa
- Độ bền uốn: 710- 730 Mpa
- Độ dày màng TiN: 0,5-1 μm
- Độ cứng màng TiN: 2000- 2100 kg/mm2
- Không bị ăn mòn trong môi trường axit HCl 20%
- Được kiểm tra và đánh giá tương thích sinh học với cơ thể người. Qua ứng dụng lâm sàng trên 65 bệnh nhân, sản phẩm nẹp vít phủ màng TiN không gây xơ hóa hoặc viêm mãn các tổ chức phần mềm, không có dấu hiệu bị ăn mòn, gây tiêu xương hoặc nhiễm khuẩn xương
Sản phẩm nẹp vít xương phủ Titan nitride chế tạo tại Trung tâm Quang điện tử
Thử nghiệm lớp phủ Titan nitride cho chi tiết cấy ghép xương hàm bằng nhựa PEEK
Trung tâm Quang điện tử đã nghiên cứu chế tạo thành công một số lớp phủ PVD như TiN, TiC, TiCN, TiO2, ZrN, CrN, TiAlN, DLC-Si. Các lớp phủ này có thể chế tạo bằng nhiều phương pháp PVD khác nhau: phún xạ xung, phún xạ RF, hồ quang chân không hoặc PECVD. Các lớp phủ này, đặc biệt là màng DLC đã được chứng minh bởi nhiều nghiên cứu trên thế giới về khả năng tương thích sinh học và giúp duy trì tình trạng nguyên vẹn của bề mặt vật ghép bên trong cơ thể.
Với thế mạnh về đội ngũ, kinh nghiệm nghiên cứu, thiết bị và công nghệ Trung tâm Quang điện tử mong muốn được hợp tác với các đối tác triển khai ứng dụng các lớp phủ PVD cho lĩnh vực y tế tại Việt Nam.
Nguồn: Trung tâm Quang điện tử