Разработка ученых ТПУ в сотрудничестве с российскими и международными партнерами привела к созданию технологии, позволяющей повысить биомеханические свойства титановых сплавов, полученных методом электронно-лучевой 3D-печати. В будущем эти материалы могут быть использованы для производства индивидуальных костных имплантатов, что позволит продлить срок их эксплуатации и улучшить качество жизни пациентов.
Результаты исследований опубликованы в журнале Materials Science and Engineering A (Q1, IF: 7,0). Работа ученых поддержана грантом РНФ (№ 20-73-10223).
Современная медицина делает акцент на создании новых материалов, отвечающих высоким требованиям биосовместимости. Бета-титановые сплавы, легированные ниобием, цирконием, молибденом, танталом или оловом, представляются многообещающими для изготовления медицинских имплантатов. Эти сплавы характеризуются стабильной кристаллической структурой бета-фазы, низкой токсичностью, высокой прочностью, хорошей обрабатываемостью и способностью к надежному сращиванию. При этом, несмотря на то, что их модуль упругости ниже, чем у чистого титана, он все равно превышает модуль упругости костной ткани.
«Различия в механических свойствах создают трудности при использовании титановых сплавов в медицине. Так, имплантат, изготовленный из такого материала, может испытывать основную нагрузку, в то время как костная ткань, окружающая его, начнет разрушаться. Поэтому важно, чтобы упругость искусственного материала была максимально близка к упругости костной ткани, — объясняет соавтор исследования, руководитель научной группы «Аддитивные технологии получения и исследования перспективных материалов» ТПУ Ирина Грубова.
Используя электронно-лучевую 3D-печать при разных параметрах, исследователи получили образцы сплава, состоящего из порошка титана с 56% ниобия по массе. Параметры печати были выбраны на основе предварительных результатов, полученных для сплава, близкого по составу и содержащего 42% ниобия по массе%.
«Ирина Грубова отмечает, что для получения необходимого сырья титан и ниобий были подвергнуты плавлению, после чего полученный сплав был преобразован в порошок для дальнейших исследований. Такой подход позволил устранить проблему неоднородности, которая ранее возникала при использовании отдельных порошков из-за различий в температурах плавления титана и ниобия.
Для получения материала использовались три различных набора технологических параметров. Интенсивность тока пучка при печати варьировалась между образцами, что предоставило возможность детального изучения влияния этого фактора на микроструктуру и характеристики полученного сплава.
Более низкая энергия способствовала стабилизации кристаллической структуры. Механические испытания на сжатие выявили, что применение тока в 4 мА обеспечивает максимальный предел текучести, оптимальное расположение атомов в сплаве, уменьшенный модуль упругости и улучшенные характеристики износостойкости.
«Ирина Грубова подчеркивает, что изменение параметров печати позволяет контролировать внутреннюю структуру и свойства сплава, при этом его химический состав не меняется. Это открывает возможности для разработки имплантатов с индивидуальными, заранее определенными характеристиками.
В настоящее время ученые продолжают совершенствовать параметры и стратегии печати, используемые для создания исследуемых сплавов. Это откроет возможности для использования полученных материалов в более широком спектре клинических применений.
В исследованиях были задействованы сотрудники Научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» и Международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий ТПУ, НИИ нанотехнологий и наноматериалов ТГУ им. Г.Р. Державина, МГУ, Института физики металлов им. М.Н. Михеева УрО РАН, Средне-Шведского университета.