Создание биосовместимых сверхэластичных пористых сплавов из никелида титана с коррозионно-стойкой металлокерамической поверхностью

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 18-12-00073

НазваниеСоздание биосовместимых сверхэластичных пористых сплавов из никелида титана с коррозионно-стойкой металлокерамической поверхностью

Руководитель Гюнтер Виктор Эдуардович, Доктор технических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет" , Томская обл

Конкурс №28 - Конкурс 2018 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-208 - Металлы. Сплавы. Неупорядоченные структуры

Ключевые слова Никелид титана, память формы, биохимическая и биомеханическая совместимость, металлокерамическая поверхность, коррозионная стойкость, сверхэластичнность, пористый материал.

Код ГРНТИ29.19.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В настоящее время титановые сплавы успешно применяются в имплантологии благодаря высоким прочностным свойствам и коррозионной стойкости. Высокая технологичность титановых сплавов дает возможность создавать высокопористые сплавы, малая масса и высокая удельная поверхность которых позволяет успешно интегрироваться в живые твердые и мягкие ткани организма. Большие величины знакопеременной деформации подвижных костных и мягких тканей в процессе жизнедеятельности создают особо тяжелые условия работы имплантатов. От имплантатов требуется высокая стойкость в условиях циклической знакопеременной деформации в агрессивной хлорсодержащей среде организма. Даже имеющиеся на поверхности титановых сплавов оксидные слои не всегда выдерживают такого режима коррозионно-механических нагрузок, что приводит к коррозионному растрескиванию, развитию щелевой коррозии и разрушению имплантатов. Существует ряд методик повышения коррозионной стойкости изделий из титановых сплавов путем создания покрытий и модификации их поверхности. Известны способы создания карбидных, нитридных и интерметаллических градиентных слоев путем гальванического, ионно-плазменного, плазменно-химического осаждения [1. Galvani E.T., Henriques V.A.R., Lemos T.G. Improvement of Tribological Properties by Titanium Nitride Deposition in Titanium Alloys Produced by Powder Metallurgy // Materials Science Forum, Vol. 727-728., August 2012, P. 480-485; 2. Henriques V., Cairo C., and Galvani E. Development of Titanium Nitride Coatings in Titanium Alloys by Electron Beam Physical Vapor Deposition // SAE Technical Paper, 7 November 2008, p. 7.; 3. Wang S., Liao Z., Liu Y., Liu W. The Tribological Behaviors of Three Films Coated on Biomedical Titanium Alloy by Chemical Vapor Deposition / Journal of Materials Engineering and Performance, November 2015, Vol. 24, Issue 11, P. 4462–4474], обработки лазером, электронным пучком [4. Raaif M., El-Hossary F.M., Negm N.Z., Khalil S.M., Kolitsch A., Höche D., Kaspar J., Mändl S. and Schaaf P. CO2 laser nitriding of titanium / Journal of Physics D: Applied Physics, 2008 IOP Publishing Ltd , 12 March 2008, Vol. 41, No 8.; 5. Chen X., Wu G., Wang R., Guo W., Yang J., Cao S., Wang Y., Han W.. Laser nitriding of titanium alloy in the atmosphere environment / Surface and Coatings Technology, Vol. 201, Is. 9–11, 26 February 2007, P. 4843-4846.; 6. Weerasinghe V.M., West D.R.F., J.de Damborenea. Laser surface nitriding of titanium and a titanium alloy / Journal of Materials Processing Technology, Vol. 58, Is. 1, 1 March 1996, P. 79–86; 7. Ленивцева О.Г., Батаев И.А., Голковский М. Г., Самойленко В.В., Доставалов Р.А. Получение износостойких покрытий на титановых сплавах методом вневакумной электронно-лучевой обработки / Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты) , 3 (60), 2013, C. 103–109.; 8. Карбидизация поверхности титанового сплава ВТ-6 при электровзрывном науглероживании и последующей электронно-пучковой обработке / Бащенко Л.П., Карпий С.В., Романов Д.А., Иванов Ю.Ф., Будовских Е.А., Громов В.Е. // В книге: Актуальные проблемы прочности Материалы 51-й Международной конференции. 2011. С. 56], ионным пучком [9. Sepitka J., Vlcak P., Horazdovsky T., Perina V.. Nanomechanical Characterization of Titanium Alloy Modified by Nitrogen Ion Implantation / World Academy of Science, Engineering and Technology International Journal of Materials and Metallurgical Engineering Vol.10, No.12, 2016, P. 1451-1454], плазмотронами [10. Khandaker M., Riahinezhad S., Li Y., Vaughan M.B., Sultana F., Morris T.L., Phinney L., Hossain K. Plasma nitriding of titanium alloy: Effect of roughness, hardness, biocompatibility, and bonding with bone cement / Biomed Mater Eng. 2016 Nov 25; 27(5): 461-474.; 11. Borisyuk Yu.V., Oreshnikova N.M., Berdnikova M.A., Tumarkin A.V., Khodachenko G.V., Pisarev A.A.. Plasma nitriding of titanium alloy Ti5Al4V2Mo / Physics Procedia, 71 (2015), P.105–109], газопламенными горелками [12. Zhecheva A., Malinov S., Sha W.. Titanium alloys after surface gas nitriding / Surface and Coatings Technology, Vol. 201, Is. 6, 4 December 2006, P. 2467–2474] с применением газов и интерметаллических порошков. Успех интеграции и длительного функционирования сверхэластичных пористых имплантатов в условиях живого организма определяется их биохимической и биомеханической совместимостью с биологическими тканями. Среди титановых сплавов особое место занимают сплавы на основе никелида титана, обладающие памятью формы и сверхэластичностью. Они имеют ряд особенностей, как механического, так и электрохимического поведения. Эти особенности позволяют им достигать более высокой биомеханической и биохимической совместимости с биологическими тканями в сравнении с остальными титановыми сплавами. Синтез пористого никелида титана в инертной атмосфере со значительным количеством примесей азота и углерода позволяет создать условия для градиентной кристаллизации интерметаллических карбидов и нитридов на поверхности сплава. Образование тонких и плотных поверхностных интерметаллических карбидов и нитридов не вредит параметрам сверхэластичности и памяти формы, но улучшает, при этом, электрохимическую пассивность пористого сплава. Создание пористого сплава никелида титана с повышенной коррозионной стойкостью является сложной научной материаловедческой задачей. Предлагаемые методы создания поверхностных интерметаллических карбонитридов имеют принципиальные отличия от известных методов создания покрытий на имплантатах. Коррозионно-стойкие слои, создаваемые по предлагаемой методике, имеют малую толщину, нанокристаллическую структуру и высокую плотность, что предотвращает коррозионное растрескивание поверхностных слоев в условиях высокого уровня деформирования. Благодаря этому появляется возможность создавать высокопористые биосовместимые сплавы с более высокой степенью коррозионной стойкости. В предлагаемых материалах коррозионно-стойкая поверхность создается не путем покрытия или модификации имеющейся, а непосредственно в процессе СВС пористого сплава. Таким образом, исследования по созданию пористых материалов с повышенной коррозионной стойкостью на основе никелида титана имеют фундаментальное значение, как для решения проблем научно-исследовательского характера, так и прикладного использования сплавов. Исследование поверхности предлагаемых сплавов позволит получить новые актуальные результаты. Анализ коррозионных и прочностных свойств пористых сплавов никелида титана требует данных о содержании примесей кислорода, углерода и азота в зернах сплавов никелида титана и в зернограничных фазах. В существующих исследованиях никелида титана неоднократно обсуждалось присутствие интерметаллических оксикарбонитридов в виде зернограничных выделений и вторичных выделений в зернах, а также содержание окислов, нитридов и карбидов титана в поверхностных слоях сплавов. Упоминаний о поверхностных карбонитридных слоях возникших в ходе порошковой металлургии титановых сплавов не достаточно. Исследования концентрационного и фазового состава поверхностных слоев толщиной 20–100 нм являются чрезвычайно сложной научной задачей и требуют современных методик: просвечивающей и растровой электронной микроскопии. Исследование совместимости получаемой поверхности с биологическими тканями требует атомно-силовой микроскопии и сканирующей лазерной микроскопии. Публикаций таких исследований в существующей мировой научной литературе крайне мало. Цель работы заключается в разработке и создании новых пористых сплавов из никелида титана с коррозионностойкой металлокерамической поверхностью, что значительно повысит уровень биосовместимости, позволяя успешно решать задачи костной пластики в различных областях медицины. Цель проекта соответствует выбору стратегии Н3, направленной на переход к персонализированной медицине, высокотехнологичному здравоохранению и технологиям здоровьесбережения, в том числе за счет рационального применения лекарственных препаратов (прежде всего антибактериальных). Результаты проекта будут являться новой ценностью и повысят долю инновационной продукции на внутреннем рынке, а также результативность проводимых российскими учеными исследований. Промышленным потребителем результатов был Сибирский физико-технический институт: Хоздоговор "Разработка пористых сплавов на основе никелида титана" 2015 г.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Гюнтер В.Э., Ясенчук Ю.Ф., Чекалкин Т.Л., Марченко Е.С., Гюнтер С.В., Байгонакова Г.А., Ходоренко В.Н., Канг Д.Х., Вайс С., Обросов А. Formation of pores and amorphous-nanocrystalline phases in porous TiNi alloys made by self-propagating high-temperature synthesis (SHS) Advanced Powder Technology (год публикации - 2019)
10.1016/j.apt.2018.12.011

2. Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер В.Э., Марченко Е.С., Чекалкин Т.Л., Байгонакова Г.А., Ходоренко В.Н., Гюнтер С.В., Канг Д., Вайс С., Обросов А. Formation of mineral phases in self-propagating high-temperature synthesis (SHS) of porous TiNi alloy Materials Research Express (год публикации - 2019)
10.1088/2053-1591/ab01a1

3. В. Гюнтер, Ю. Ясенчук, С. Гюнтер, Е. Марченко, М. Южаков Biocompatibility of Porous SHS-TiNi Materials Science Forum, Vol. 970, pp 320-327 (DOI: 10.4028/www.scientific.net/MSF.970.320) (год публикации - 2019)
10.4028/www.scientific.net/MSF.970.320

4. Кокорев О.В., Ходоренко В.Н., Байгонакова Г.А., Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер В.Э., Аникеев С.Г., Барашкова Д.В. Металло-стеклокерамические фазы на поверхности пористого СВС–никелида титана для клеточных носителей Известия вузов физика, №9, Т. 61(729), С. 164-170. (год публикации - 2018)

5. Ю.Ф. Ясенчук, С.В. Гюнтер, О.В. Кокорев, Е.С. Марченко, В.Е. Гюнтер, Г.А. Байгонакова, К.М. Дубовиков THE INFLUENCE OF SURFACE TREATMENT ON WETTABILITY OF TiNi-BASED ALLOY Russian Physics Journal, Vol. 62, No. 2, P. 333-338 (год публикации - 2019)
10.1007/s11182-019-01716-w

6. Ю. Ясенчук, Е. Марченко, В. Гюнтер, А. Радкевич, О. Кокорев, С. Гюнтер, Г. Байгонакова, В. Ходоренко, Т. Чекалкин, Д. Канг, С. Вайсс, А. Обросов Biocompatibility and Clinical Application of Porous TiNi Alloys Made by Self-Propagating High-Temperature Synthesis (SHS) Materials, Volume 12, Issue 15, P. 2405 (год публикации - 2019)
10.3390/ma12152405

7. Е. Марченко, Ю. Ясенчук, С. Гюнтер, Г. Байгонакова, В. Гюнтер, Т. Чекалкин, С. Вайс, А. Обросов, К. Дубовиков Structural-phase surface composition of porous TiNi produced by SHS Materials Research Express, Volume 6, Number 11, 1165b1 (год публикации - 2019)
10.1088/2053-1591/ab4e32

8. Байгонакова Г.А., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер С.В., Кокорев О.В., Гюнтер В.Э. Structural-Phase and Morphological Features of the Surface Layers of the SHS-TiNi SMST 2019: ASM International, p.53-54 (год публикации - 2019)

9. Марченко Е.С., Ясенчук Ю.Ф., Гюнтер В.Э., Дубовиков К.М., Ходоренко В.Н. The comparative structural-phase analysis of the surface of macro and micro porous SHS TiNi. SMST 2019: ASM International, p.57-58 (год публикации - 2019)

10. Ясенчук Ю. Ф., Марченко Е. С., Байгонакова Г. А., Гюнтер С. В., Кокорев О. В., Гюнтер В.Э., Чекалкин Т.Л., Топольницкий Е.Б., Обросов А.В., Ji-hoon Kang Study on tensile, bending, fatigue, and in vivo behavior of porous SHS–TiNi alloy used as a bone substitute Biomedical Materials (год публикации - 2020)
10.1088/1748-605X/aba327

11. Гюнтер С.В., Марченко Е.С., Байгонакова Г.А., Ясенчук Ю.Ф Shell structure of the porous TiNi-framework obtained by the SHS method IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, V.871,N 1, 012002 (год публикации - 2020)
10.1088/1757-899X/876/1/012002

12. Шишелова А.А., Байгонакова Г.А., Марченко Е.С. Вязкоупругая деформация при разрушении пористого никелида титана Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии., С.375-377 (год публикации - 2020)
10.17223/9785946219242/239

13. Ясенчук Ю.Ф. , Марченко Е.С. , Гюнтер С.В. , Байгонакова Г.А. , Кокорев О.В. , Гюнтер В.Э., Чекалкин Т.Л., Обросов А.В., Радкевич А.А., Топольницкий Е.Б., Клопотов А.А. Дубовиков К.М., Шишелова А.А, Ходоренко В.Н. Особенности пористого никелида титана, полученного методом СВС. Структура, коррозионная стойкость, биосовместимость. Издательство Томского государственного университета, Томск, 114 с. (год публикации - 2020)

Публикации