Благодаря учёным Политеха Петра тантал теперь связан не только с муками персонажа древнегреческой мифологии, но и, наоборот, с уменьшением мук человеческих. Инженеры разработали формулу долговечного и упругого протеза: сочетание титана и тантала плюс технология селективного лазерного плавления.
Сейчас во всем мире ортопедические и стоматологические имплантаты изготавливают из титановых сплавов. Очень символично, что ключевой элемент для создания протезов тоже отсылает нас к легендарным греческим героям. Однако также закономерно, что для людей металл, названный в честь богов, оказался не совсем подходящим: титан в 3–5 раз жестче костной ткани человека, что приводит к неравномерному распределению механической нагрузки. Этот эффект может вызывать атрофию костной ткани и сократить срок службы медицинских изделий. Ученые Политеха Петра решили эту проблему так: они добавили к титану тантал (в соотношении 15–20%) — прочный, биосовместимый и нетоксичный металл, в отличие от алюминия и ванадия в традиционных сплавах. Благодаря этой комбинации материал для протезов стал мягче и ближе по упругости к кости, но сохранил при этом высокую прочность.
Немалую роль здесь играет и внутренняя конфигурация сплава: нужных свойств помогает добиться ячеистая структура. Создавая материал, инженеры искали референсы в природе: за основу они брали бамбук, волокна паучьего шелка и, конечно, человеческую кость. Новый сплав может применяться в различных медицинских направлениях: для изготовления эндопротезов суставов, пластин и винтов для фиксации костей в ортопедии, зубных имплантатов и их компонентов в стоматологии.
Лазерный луч — технологичный скульптор
Когда мы думаем о том, как изготавливают протезы, то, скорее всего, представляем себе, что кто-то лепит их, как фигурки из глины, пластилина, или что, как в песочнице, мы укладываем массу в форму и получается нужная конструкция. Но современные технологии куда более изощрённые и оригинальные. Учёные применили способ аддитивного производства, где лазер, как волшебная палочка, превращает порошок в имплант. Этот метод называется селективным лазерным плавлением. Как он работает?
Высокая тепловая энергия, развиваемая сфокусированным лазерным лучом, избирательно сканирует металлический порошок, следуя проекту требуемой детали. В результате по верхней поверхности частицы расплавляются и сплавляются. Это повторяется слой за слоем, пока не образуется задуманный предмет, в нашем случае имплант. Технология позволяет получать детали сложной, изящной формы без использования пресс-форм или штампов.
Лазерный луч, как мифический скульптор Пигмалион, создаёт очень тонкие и изящные формы, а потом, как и у древнего грека, его работа в каком-то смысле оживает, когда становится частью организма человека.
📌 Результаты исследования опубликованы в научном журнале Journal of Alloys and Compounds.
📌 Работа выполнена при поддержке гранта РНФ № 23-79-01236 «Разработка научно-технологических основ синтеза и консолидации высокоэластичных сплавов системы Ti-Ta-X методами аддитивного производства».
Подписывайтесь на канал «Теория большого Политеха», чтобы не бояться проблем, а искать их решение вместе с нами!
Что ещё почитать?