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 22-13-00024
НазваниеРазработка низколегированных ультрамелкозернистых цинковых сплавов, перспективных для онкоортопедии
Руководитель Мартыненко Наталья Сергеевна, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова Российской академии наук , г Москва
Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»
Область знания, основной код классификатора 03 - Химия и науки о материалах; 03-603 - Фундаментальные основы создания новых металлических, керамических и композиционных материалов
Ключевые слова Цинковые сплавы; материалы для медицины; биорезорбируемые имплантаты; реконструктивная хирургия; онкоортопедия; интенсивная пластическая деформация; равноканальное угловое прессование; ротационная ковка; ультрамелкозернистая структура; прочность; пластичность; коррозионная стойкость; гемолиз; цитотоксичность; адгезия; биосовместимость; токсичность; имплантация
Код ГРНТИ53.49.09
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Цинковые сплавы являются перспективными материалами для создания биорезорбируемых имплантатов, основное преимущество которых - способность разлагаться в физиологической среде после имплантации в организме пациента. Постепенная деградация таких изделий позволяет костной ткани замещать материал имплантата одновременно с его растворением. Поэтому такие имплантаты перспективны для использования в ортопедии, в том числе и для замещения костной ткани после ее частичной резекции при раковых заболеваниях. Однако применение цинка в медицине ограничено из-за его низких механических характеристик. Для повышения последних цинк легируют элементами, которые улучшая механические свойства, не должны ухудшать биосовместимость конечного медицинского изделия. Однако одного легирования часто бывает недостаточно, чтобы достичь механических свойств нужно уровня. Поэтому возникает потребность в деформационной обработке сплава. При этом деформация, наряду с повышением прочности, не должна ухудшать главное эксплуатационное свойство медицинских цинковых сплавов – коррозионную стойкость. С этой точки зрения перспективным кажется применение равноканального углового прессования (РКУП) и ротационной ковки (РК), которые позволяют не только упрочнять металлы и сплавы за счет формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры, но также при правильном выборе режимов деформационной обработки не оказывают влияния на скорость коррозии, что было показано нами ранее на Mg сплавах [1-2]. Таким образом, разработка новых УМЗ медицинских материалов на основе цинка представляет значительный практический интерес для применения в клинической практике, в том числе и в онкоортопедии.
В настоящем проекте предполагается разработка биомедицинских материалов на основе системы Zn-Mg, а именно сплавов Zn-1,0%Mg, Zn-1,0%Mg-0,1%Ca, Zn-1,0%Mg-0,1%Dy и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn. Выбор элементов обусловлен их благоприятным влиянием на механические характеристики цинка, а также их хорошей биосовместимостью, что было продемонстрированно ранее [3-6]. В качестве деформационных методов выбраны равноканальное угловое прессование и ротационная ковка. Ожидается, что применение данных методов позволит повысить прочность (как статическую, так и циклическую) без ухудшения коррозионной стойкости (скорости биодеградации). Недавние исследования коллектива проекта на примере медицинских магниевых сплавов показали, что формирование УМЗ структуры может приводить не только к повышению статической прочности, но также к улучшению эксплуатационных свойств, таких как усталостная прочность и коррозионная стойкость [1-2]. Поэтому есть основания полагать, что основная цель проекта и задачи, поставленные для ее реализации, вполне достижимы. Таким образом, в предлагаемом проекте впервые будут получены УМЗ биорезорбируемые сплавы различного состава на основе системы Zn-Mg, обладающие повышенными механическими характеристиками, требуемыми для изготовления изделий медицинского назначения. Также впервые будет проведен систематический анализ влияния полученной УМЗ структуры на коррозионную стойкость и усталостную долговечность изучаемых сплавов. Кроме того, впервые будут проведены сравнительные исследования биосовместимости in vitro и in vivo полученных УМЗ материалов.
Список литературы:
1. N. Martynenko, E. Lukyanova, N. Anisimova et al. Improving the property profile of a bioresorbable Mg-Y-Nd-Zr alloy by deformation treatments // Materialia (2020) 13, 100841
2. N. Martynenko, N. Anisimova, M. Kiselevskiy et al. Structure, mechanical characteristics, biodegradation, and in vitro cytotoxicity of magnesium alloy ZX11 processed by rotary swaging // Journal of Magnesium and Alloys 2020, 8 (4), 1038- 1046.
3. W. Li, Y. Shen, J. Shen et al. In vitro and in vivo studies on pure Mg, Mg–1Ca and Mg–2Sr alloys processed by equal channel angular pressing // Nano Materials Science 2020, 2 (1), 96-108.
4. P. Guo, X. Zhu, L. Yang et al. Ultrafine- and uniform-grained biodegradable Zn-0.5Mn alloy: Grain refinement mechanism, corrosion behavior, and biocompatibility in vivo // Materials Science and Engineering: C 2021, 118, 111391.
5. F. Feyerabend, J. Fischer, J. Holtz et al. Evaluation of short-term effects of rare earth and other elements used in magnesium alloys on primary cells and cell lines // Acta Biomaterialia 2010, 6, 1834–1842.
6. H. Guo, J. Hu, Z. Shen et al. In vitro and in vivo studies of biodegradable Zn-Li-Mn alloy staples designed for gastrointestinal anastomosis // Acta Biomaterialia 2021, 121, 713-723.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Публикации
1.
Мартыненко Наталья, Анисимова Наталья, Рыбальченко Ольга, Киселевский Михаил, Рыбальченко Георгий, Табачкова Наталья, Железный Марк, Просвирнин Дмитрий, Филоненко Дмитрий, Баженов Вячеслав, Колтыгин Андрей, Белов Владимир, Добаткин Сергей
Effect of High-Pressure Torsion on Microstructure, Mechanical and Operational Properties of Zn-1%Mg-0.1%Ca Alloy
Metals, 12(10), 1681 (год публикации - 2022)
10.3390/met12101681
2.
Н.С. Мартыненко, О.В. Рыбальченко, Г.В. Рыбальченко, А.И. Огарков, В.Е. Баженов, А.В. Колтыгин, В.Д. Белов, С.В. Добаткин
Effect of the Structural-Phase Stateof Biodegradable Alloys Zn–1% Mg and Zn–1% Mg–0.1% Caon Their Mechanical and Corrosion Properties
Russian Metallurgy (Metally), Т. 2022, № 11, 1414–1421 (год публикации - 2022)
10.1134/S0036029522110088
Публикации
1.
Н.С. Мартыненко, Н.Ю. Анисимова, О.В. Рыбальченко, М.В. Шинкарева, Д.Р. Темралиева, К.М. Новрузов, А.Г. Рааб, Е.А. Лукьянова, Е.А. Корнюшенков, Д.В. Филоненко, Д.Е. Митрушкин, С.В. Добаткин.
Исследование биосовместимости и противоопухолевой цитотоксической активности in vitro упрочненных равноканальным угловым прессованием сплавов Zn-1%Mg и Zn-1%Mg-0,1%Ca
Российский биотерапевтический журнал, №22, Т 3, С 64-74 (год публикации - 2023)
10.17650/1726-9784-2023-22-3-64-74
2.
Н. Мартыненко, Н. Анисимова, М. Шинкарева, О. Рыбальченко, Г. Рыбальченко, М. Железный, Е. Лукьянова, Д. Темралиева, А. Горбенко, А. Рааб, Н. Пашинцева, Г. Бабаева, М. Киселевский, С. Добаткин
Features of bioactivity of Zn-1%Mg-0.1%Dy alloy strengthened by equal channel angular pressing
Biomimetics, №8, Т 5, С. 408 (год публикации - 2023)
10.3390/biomimetics8050408
3.
Н. Мартыненко, О. Рыбальченко, Г. Рыбальченко, Д. Просвирнин, Д. Темралиева, Е. Лукьянова, В. Юсупов, А. Санников, А. Колтыгин, С. Добаткин
Effect of Rotary Swaging on Mechanical and Corrosion Properties of Zn-1%Mg and Zn-1%Mg-0.1%Ca Alloys
Key Engineering Materials, 967,107-113 (год публикации - 2023)
10.4028/p-I9egBe
4.
Н. Мартыненко, Н. Анисимова, Г. Рыбальченко, О. Рыбальченко, В. Серебряный, М. Железный, М. Шинкарева, А. Горбенко, Д. Темралиева, Е. Лукьянова, А. Санников, А. Колтыгин, М. Киселевский, В. Юсупов, С. Добаткин
Effect of Rotary Swaging on Mechanical and Operational Properties of Zn–1%Mg and Zn–1%Mg–0.1%Ca Alloys
Metals, №13, Т 8, С. 1386. (год публикации - 2023)
10.3390/met13081386
Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Методом теплой ротационной ковки (РК; 200 ℃) были получены прутки сплавов Zn-1,0%Mg-0,1%Dy и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn диаметром 6 мм и длиной 1 метр.
Показано, что РК приводит к вытягиванию зерен α-Zn вдоль направления ковки и формированию глобулярных включений богатой магнием фазы размером 3-5 мкм. При этом внутри вытянутых зерен α-Zn формируется ультрамелкозернистая структура с размером зерна не более 1 мкм и частицы, богатых Mg и Mn фаз, размером от 50 до 300 нм.
Показано, что сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Dy до и после РК состоит из 4 фаз (α-Zn, Mg2Zn11, MgZn2 и Dy2Zn17), доля которых не меняется. В сплаве Zn-1,0%Mg-0,1%Mn присутствуют α-Zn и фазы Mg2Zn11, MgZn2 и MnZn13. При этом доля фаз MgZn2 и MnZn13 после РК растет из-за распада пересыщенного твердого раствора.
Установлено, что РК повышает и прочность, и пластичность обоих исследованных сплавов. В сплаве Zn-1,0%Mg-0,1%Dy наблюдается рост σ0,2 и σВ до 175 ± 21 МПа и 223 ± 16 МПа соответственно при росте пластичности до 5,8 ± 1,1%. В сплаве Zn-1,0%Mg-0,1%Mn σ0,2 и σВ растут до 274 ± 8 МПа и 295 ± 4 МПа соответственно при росте δ до 4,5 ± 0,8%.
Показано, что РК не снижает стойкость сплавов Zn-1%Mg-0,1%Dy и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn к электрохимической коррозии. На это указывает тот факт, что потенциал коррозии обоих сплавов в исходных и деформированных состояниях не различается. При этом в сплаве Zn-1%Mg-0,1%Dy после РК происходит снижение плотности тока коррозии, что свидетельствует о замедлении процессов электрохимической коррозии.
РК приводит к замедлению процесса деградации до 0,19 ± 0,09 мм/год и 0,18 ± 0,04 мм/год для сплавов Zn-1%Mg-0,1%Dy и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn соответственно. При этом увеличение срока инкубации образцов до 30 дней приводит к дополнительному снижению скорости деградации сплавов до значений ~0,1 мм/год из-за формирования защитной пленки.
РК не оказывает значимого эффекта на гемолиз эритроцитов крови при двухчасовой инкубации образцов с клетками. Однако после 4-часовой инкубации наблюдается усиление гемолиза эритроцитов при контакте клеток с деформированными сплавами.
РК не приводит к росту цитотоксичности сплава Zn-1,0%Mg-0,1%Mn по отношению к мононуклеарным лейкоцитам крови. При этом для сплава Zn-1,0%Mg-0,1%Dy после РК наблюдается улучшение жизнеспособности лейкоцитов по сравнению с исходным состоянием сплава. Цитотоксичность деформированных сплавов Zn-1%Mg-0,1%Dy и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn значимо не отличается от контроля.
Исходя из полученных в ходе изучения механических и коррозионных свойств результатов, перспективными для дальнейших исследований были признаны следующие сплавы:
- сплав Zn-1,0%Mg, деформированный методом РК;
- сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Ca, деформированный методом РК;
- сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Dy, деформированный методом равноканального углового прессования (РКУП);
- сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Mn, деформированный методом РК.
Показано, что сплавы Zn-1,0%Mg, Zn-1,0%Mg-0,1%Ca и Zn-1,0%Mg-0,1%Mn после РК, а также сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Dy после РКУП обладают повышенными значениями усталостной прочности по сравнению с исходным состоянием сплавов. Усталостная прочность сплавов Zn-1,0%Mg и Zn-1,0%Mg-0,1%Ca после РК повышается на 18%, а сплава Zn-1,0%Mg-0,1%Dy после РКУП – на 22%. Наибольший прирост циклической прочности наблюдался для сплава Zn-1,0%Mg-0,1%Mn, где предел усталости вырос в 2 раза.
Исследование биосовместимости in vivo сплавов Zn-1,0%Mg и Zn-1,0%Mg-0,1%Ca после РК, а также сплава Zn-1,0%Mg-0,1%Dy после РКУП путем подкожной имплантации показало, что их контакт с тканями животных не вызывал значимых признаков острого воспаления или некроза тканей, а также кровоизлияний, скопления газов или гноя. Это свидетельствует об умеренном характере реактивности организма на имплантаты. При этом сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Dy после РКУП индуцировал более выраженную реакцию, что говорит о его более интенсивной деградации in vivo по сравнению со сплавами Zn-1,0%Mg и Zn-1,0%Mg-0,1%Ca.
Методами микро-КТ было показано, что сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Mn после РК не препятствует регенерации кости. При этом выраженного разрушения стенки кости не обнаружено. В области имплантации наблюдали локальное скопление продуктов деградации и небольшое уменьшение диаметра образца. При этом гистологические исследования не показали признаков патологического воздействия сплава (очаги остеомаляции, скопление гноя и т.п.) на костную ткань животного. Из этого можно сделать вывод, что сплав Zn-1,0%Mg-0,1%Mn после РК может быть использован в качестве биорезорбируемых имплантатов для обеспечения стабильности остеосинтеза без необходимости их последующего удаления.
Публикации
1.
Мартыненко Н.С., Темралиева Д.Р., Рыбальченко О.В., ЛукьяноваЕ.А., Анисимова Н.Ю., ШинкареваМ.В., Юсупов В.С., Киселевский М.В., Добаткин С.В.
Влияние ротационной ковки на структуру, механические и функциональные свойства чистого цинка и сплава Zn-1%Mg-0,1%Dy
Металлы (Russian Metallurgy (Metally)), №4, сс. 3-12. (год публикации - 2024)
10.31857/S0869573324040312
2.
Мартыненко Н.С., Темралиева Д.Р., Табачкова Н.Ю., Рыбальченко О.В., Лукьянова Е.А., Колтыгин А.В., Добаткин С.В.
Исследование механических и коррозионных свойств сплавов Zn-1%Mg-0,1%Dy и Zn-1%Mg-0,1%Mn после кручения под высоким давлением
Металловедение и термическая обработка металлов (Metal Science and Heat Treatment), 9, 831, 48-56 (год публикации - 2024)
10.30906/mitom.2024.9.48-56
3. Мартыненко Н.С., Рыбальченко Г.В., Табачкова Н.Ю., Рыбальченко О.В., Лукьянова Е.А., Темралиева Д.Р., Просвирнин Д.В., Добаткин С.В. Поведение ультрамелкозернистого сплава Zn-1%Mg-0,1%Ca при приложении циклических нагрузок Физическая мезомеханика (PHYSICAL MESOMECHANICS) (год публикации - 2025)
Возможность практического использования результатов
В ходе выполнения данного проекта были разработаны низколегированные сплавы на основе Zn, обладающие улучшенным сочетанием прочности, пластичности и коррозионной стойкости. Дополнительно, разработанные сплавы имеют приемлемый уровень биосовместимости in vitro и in vivo, что делает их перспективными материалами медицинского назначения. Разработанные в ходе реализации проекта сплавы могут применяться при создании металлических саморассасывающихся имплантатов нового поколения, использование которых не подразумевает дополнительных медицинских манипуляций для удаления изделия из уже заживших травмированных областей. Полученный уровень прочности и коррозионной стойкости позволяет применять разработанные материалы в ортопедии, в том числе и для лечения онкологических больных. Актуальным вопросом на данный момент является масштабирование производства, направленное на получение опытных образцов изделий, изготовленных из разработанных материалов, а также их исследование на крупных лабораторных животных, например, минипигах, а в перспективе на людях. Данные исследования планируется реализовать в дальнейших работах научного коллектива проекта.