Сотрудниками кафедры физических проблем материаловедения Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ была создана инновационная методика соединения композитной керамики и титана посредством пайки , в частности, может пригодиться при изготовлении медицинских имплантатов.
Первоначальной задачей исследователей было улучшение безопасности импланта тазобедренного сустава. Одной из ключевых сложностей, связанных с такими медицинскими устройствами, является соединение подвижной головки протеза, выполненной из композитной керамики, с ножкой, изготовленной из титанового сплава. Поскольку керамические материалы, как правило, характеризуются невысокой стойкостью к ударным нагрузкам, чрезмерные физические нагрузки, такие как прыжки, могут привести к появлению трещин в головке эндопротеза.
По словам Ивана Федотова, доцента НИЯУ МИФИ и представителя научной группы, потенциальным решением указанной проблемы может стать интеграция металлической (титановой) втулки в головку эндопротеза. Эта втулка выступит в роли посредника между керамической головкой и титановой ножкой, снижая нагрузку на головку. Тем не менее, это решение сопряжено с трудностями в освоении технологии пайки.
«В настоящее время единственным распространенным способом создания биосовместимых паяных соединений является пайка с использованием чистого золота. Несмотря на высокую стоимость этого метода, он обеспечивает надежность, исключая коррозию, поскольку золото – благородный металл, совместимый с человеческим организмом. Однако температура плавления золота составляет 1065 градусов, что требует нагрева до примерно 1090 градусов во время пайки. Это создает трудности, поскольку при такой высокой температуре, возникающей в процессе пайки, керамические компоненты могут растрескиваться при охлаждении конструкции, как отмечает Иван Федотов.
Для решения данной задачи было создано методику пайки, разработанную в МИФИ и включающую три этапа: сначала лазерной обработкой на керамической головке формируются насечки, затем на её поверхность наносится порошок гидрида титана, и, наконец, применяется специально разработанный в МИФИ припой, состав которого – титан, цирконий и кобальт.
Преимущество нового припоя, предназначенного для замены золота, состоит в его более низкой стоимости и температуре плавления – 880 градусов. Это существенно ниже, чем у золота, и позволяет снизить вероятность повреждения керамических элементов во время пайки и последующего охлаждения.
Порошковый гидрид титана предназначен для повышения смачиваемости керамики припоем и предотвращения формирования хрупких и подверженных коррозии интерметаллидов титана-кобальта в зоне соединения. Это достигается за счет изменения состава шва в сторону увеличения содержания титана. По словам Ивана Федотова, титан – это биосовместимый материал, демонстрирующий устойчивость к коррозии в средах человеческого организма, и, следовательно, увеличение концентрации титана в паяном шве снижает риск его коррозионного разрушения в процессе использования.
Ученый заявил, что созданная технология может быть использована для производства различных имплантов, предназначенных для работы в организме человека, включая зубные, импланты для восстановления зрения и слуха, а также некоторые медицинские инструменты.
Разработка была поддержана грантом РНФ.