На основе титана, циркония и ниобия материаловеды из Национального исследовательского технологического университета (НИТУ) «МИСиС» разработали новый биосовместимый сплав. Его физико-механические свойства близки к свойствам натуральной костной ткани, и он может стать основой для современных костных имплантатов. В настоящее время научный коллектив продолжает серию испытаний в целях оптимизации технологии получения сплава и его дальнейшего импортозамещающего промышленного применения. Результаты проекта опубликованы в журнале Metals.Работа выполнена при поддержке Минобрнауки России.
В реконструкции костных тканей особая роль отводится металлическим биоматериалам. Один из самых популярных из них — титан. За счет поверхностной оксидной пленки он проявляет биохимическую инертность (устойчивость материала к воздействию химической и биологической среды живого организма). Однако свойства титана не соответствуют физико-механическим свойствам кости, что ведет к экранированию (снятию) напряжений и повышению хрупкости близлежащих костных тканей.
Решением проблемы стало создание металлических сплавов, способных воспроизводить поведение заменяемой кости под нагрузкой. Подобные сплавы должны демонстрировать сверхупругость — способность обратимо накапливать значительные напряжения (пружинить). Для получения максимальной сверхупругости необходимо точно подобрать фазовый состав сплава при комнатной температуре, что возможно с помощью регулирования его химического состава.
«В нашей работе мы изучили структуру и функциональные свойства нескольких сплавов системы Ti-Zr-Nb с повышенным содержанием циркония. Ожидалось, что изменение соотношения этих элементов должно помочь найти оптимальный фазовый состав, что приведет к ярко выраженной сверхупругости при комнатной температуре», — пояснил аспирант программы «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС» Данил Барилюк.
Ученые получили образцы четырех новых сплавов с разным процентным соотношением циркония и ниобия. По словам Данила Барилюка, сплав с составом Ti-41%Zr-12%Nb продемонстрировал высокую пластичность с относительным удлинением до разрушения более 20%, а полная обратимая деформация сплава составила более 6%. Полученные результаты свидетельствуют о том, что данный материал — один из наиболее перспективных сверхупругих сплавов в системе Ti-Zr-Nb.
«В рамках реализации проекта «Приоритет 2030» в НИТУ «МИСиС» создан консорциум «Инженерия здоровья», одна из задач которого — подготовка ученых, ведущих разработки на стыке материаловедения, биологии и медицины. Мы активно привлекаем студентов к реализации исследований в области разработки новых способов диагностики и лечения тяжелых заболеваний и создания новых изделий медицинского назначения», — рассказал Федор Сенатов, кандидат физико-математических наук, директор Научно-образовательного центра биомедицинской инженерии и руководитель интегрированной магистерско-аспирантской образовательной программы «Биоматериаловедение» НИТУ «МИСиС».
Работа выполнена при поддержке Министерства науки и высшего образования Российской Федерации в рамках государственного задания (код проекта 0718-2020-0030).