СВЕРХТВЕРДЫе БИОСОВМЕСТИМЫе ПОКРЫТИя и технология их получения на металлах и сплавах медицинского назначения
*, *
* Саратовский государственный технический университет имени ,
Россия, Саратов, shelkynov. *****@***ru
Введение
За последние несколько десятилетий биокерамические материалы, получаемые в виде функциональных покрытий на изделиях медицины, не нашли широкого применения по ряду причин, основной из которых является отсутствие единого стандарта относительно эффективности применения того или иного вещества, а также технологии получения и обработки апробированного материала. Разработаны физико-химические основы процессов получения наноматериалов в электронной промышленности; нанотехнологии становятся определяющими в таких областях медицины, как диагностика и лечение различных заболеваний, тканевой инженерии.
Интенсивное развитие в направлении создания оксидных и прочих керамических высокопрочных биосовместимых покрытий сдерживается недостаточным объемом проведенных экспериментальных исследований. При этом необходимо определить вид технологического воздействия, его параметры и оптимальные условия физико-химического воздействия, приводящие к достижению поставленной цели – созданию высококачественных имплантационных конструкций с улучшенными биомеханическими и биосовместимыми качествами, т. е. обеспечивающие формирование высокоадаптивного интерфейса «кость – имплантат».
1. Научная новизна
Как показали предварительные результаты исследований, с помощью электротермического воздействия токов высокой частоты (ТВЧ) и индуцированного им структурного превращения в приповерхностном слое металлической основы имплантатов, а также физико-химического взаимодействия с кислородсодержащей средой возможно получение износостойких и сверхтвердых оксидных покрытий.
В результате обработки ТВЧ образцов из технического титана марки ВТ1-00 и циркония марки Э125 при определенных режимах (температуры в диапазоне от 900 до 1300 єC и малой продолжительности обработки от 30 до 300 секунд) на поверхности формируются сверхтвердые оксидные покрытия. При малой нагрузке 10 мН, прикладываемой к индентору Берковича при наноиндентировании, средняя величина твердости для данных оксидных покрытий достигает 78 ± 28 ГПа, а модуля упругости – около 1000 ГПа. При нагрузке от 100 до 200 мН, используемой в общепринятом методе измерения микротвердости, получены данные по средней величине твердости 61 ± 34 ГПа и модуля упругости от 300 до 900 ГПа.
Полученная твердость превышает или соизмерима с известными значениями для большинства твердых и сверхтвердых технических керамик, например, карбида вольфрама – основного компонента твердых сплавов (от 13…22 ГПа), корунда (18…23,5 ГПа), карбида титана (около 30 ГПа), а также алмаза (от 70 до 150 ГПа). Многие из указанных материалов являются дорогостоящими, и их получение является энергоемким. Поэтому создание доступного и недорогого сверхтвердого материала, обладающего также биосовместимыми качествами, считается перспективным.
Согласно данным предварительных исследований установлено, что в результате электротермического воздействия ТВЧ и последующего формирования сверхтвердого покрытия прочность (в стандартном тесте на растяжение) технического титана возрастает в 1,5…1,7 раза. Это полностью исключает необходимость использования дорогостоящих конструкционных титановых сплавов (марок ВТ6, ВТ16 или Ti-6Al-4V) при изготовлении конструктивных элементов имплантатов, работающих при высоких значениях биофункциональных нагрузок. Формируемые покрытия диоксида титана также характеризуются морфологически гетерогенной микроструктурой и толщиной от десятых долей и до десятков микрометров. Управление параметрами пористо-кристаллической структуры покрытий способствует изменению величины твердости и модуля упругости в широких пределах. Согласно предварительным данным исследований на биосовместимость в условиях in vitro (на клетках костной ткани – остеобластах мышей), определен высокий биоинтеграционный потенциал сверхтвердых оксидных покрытий.
Таким образом, научная новизна исследования заключается в установлении влияния электротермического воздействия ТВЧ на структурно-морфологические параметры структуры, а также физико-механические характеристики образцов имплантатов, в частности прочности, твердости и модуля упругости. Принципиально новым в проекте является изучение механизма формирования сверхтвердых оксидных покрытий на поверхности технического титана и циркония. В результате комплекса НИР также предполагается разработать конструкторско-технологические рекомендации по получению сверхтвердых биосовместимых оксидных покрытий, которые будут способствовать улучшению биомеханических качеств внутрикостных имплантационных конструкций.
2. Актуальность идеи
Актуальность заявленных работ обусловлена отсутствием принципиально новых подходов для повышения биомеханических характеристик поверхностей внутрикостных имплантационных конструкций, устраняющих значительное число недостатков в интерфейсе биотехнической системы «имплантат – биоткань» как структурно-функционального, так и технологического характера. Имеющиеся противоречивые требования к комплексу структурных параметров (пористости и шероховатости), физико-механических и химических свойств, а также качеств биосовместимости (способности к остеоинтеграции) данных медико-технических изделий побуждают многих ученых разрабатывать наиболее рациональные подходы для получения высокоэффективных материалов и покрытий.
Современные имплантаты и эндопротезы суставов (тазобедренного и др.) изготавливаются с использованием технологических методов, предусматривающих различные механические, физические и химические воздействия, в том числе для получения функционального интерфейсного слоя. Основная проблема заключается именно в получении биосовместимого, морфологически гетерогенного, пористого и при этом высокопрочного, твердого и износостойкого покрытия. Поэтому в данном проекте предполагается выявить фундаментальные принципы структурообразования сверхтвердых оксидных покрытий, установить закономерности между составом, структурой и их свойствами.
3. Техническая значимость
Существенным недостатком многих известных технологий получения биосовместимых покрытий является невозможность формирования прочных, в частности сверхтвердых, покрытий. Так, газотермические покрытия не обладают достаточной адгезионной прочностью, а тонкие пленки, полученные вакуумно-конденсационными и другими методами, характеризуются сглаженным микрорельефом и низким значением пористости.
Техническая сторона проекта предполагает разработку рекомендаций, направленных на улучшение физико-механических, биокоррозионных и биомеханических характеристик покрытий различных внутрикостных имплантатов за счет выявления механизма структурообразования сверхтвердых оксидных покрытий на титане и цирконии, определения кинетики роста оксидных нано - и микроструктур при обработке ТВЧ.
Теоретическая составляющая исследований базируется на разработке принципов электрофизического и химико-термического (оксидирование) воздействия при получении сверхтвердых пористых оксидных покрытий на медицинских металлических материалах – титане и цирконии.
Библиографический список
1. Dorozhkin S. V. Bioceramics of calcium orthophosphates // Biomaterials. 2013. Vol. 31. pp. 1465-1485.
2. Ahn E. S., Gleason N. J., Ying J. Y. The effect of zirconia reinforcing agents on the microstructure and mechanical properties of hydroxyapatyte-based nanocomposites // J. of the American Ceramic Society. 2005. Vol. 88. № 12. pp. 3374-3379.
3. Закономерности формирования и роль вторичных структур в повышении износостойкости технически чистого титана ВТ1-0 / , , // Трение и износ. 2012. № 3. С. 236-242.
4. , , Физико-химические и технологические основы наноинженерии металлооксидных и оксидно-керамических покрытий на металлах и сплавах медицинского назначения. Саратов: Издательский дом «Райт-Экспо», 2014. 302 с.
5. Coated biomedical components : пат. 2459081 Великобритания. № 0801725.3; заявл. 31.01.08 ; опубл. 14.10.09.
Сведения об авторах
– студент кафедры «Сварка и металлургия», гр. МЕТЛ-41, СТГУ им. , г.
– к. т.н. доцент, кафедры «Сварка и металлургия», СТГУ им. , г.
Вид доклада устный/стендовый
