Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения работ выплавлено четыре исследуемых материала: чистый Zn, сплав Zn-1,7 %Mg, сплав Zn-3,0 %Mg и сплав Zn-1,7 %Mg-0,2%Zr. Сплав Zn-1,7 %Mg-0,2%Zr выплавлен в качестве замены сплаву Zn-3,0 %Mg, который получился очень хрупким. В качестве исходного состояния для чистого Zn и сплава Zn-3,0 %Mg было выбрано литое состояние, а сплавы Zn-1,7 %Mg и Zn-1,7 %Mg-0,2%Zr гомогенизировали при температуре 340 °С в течение 20 часов с последующей закалкой в воду. Исследуемые материалы подвержены деформации методом кручения под высоким давлением (КВД). КВД проводили при комнатной температуре под давлением 4 ГПа на дисках диаметром 20 мм и толщиной 1,5 мм. Всего было осуществлено 10 оборотов КВД, что соответствует величине истинной степени деформации на середине радиуса образца равной ε = 5,7. Проведено исследование микроструктуры материалов в исходном состоянии (методом оптической микроскопии) и после КВД (методом просвечивающей электронной микроскопии). Показано, что в литом состоянии микроструктура чистого Zn состоит из дендритов α-Zn размером 100 ‒ 150 мкм. Структура сплавов Zn-1,7 %Mg и Zn-1,7 %Mg-0,2 %Zr после гомогенизации состоит из зерен α-Zn размером 10 ‒ 20 мкм, окруженных прослойкой эвтектической фазы (смесь фаз Mg2Zn11 и MgZn2 в сплаве Zn-1,7 %Mg и Mg2Zn11, MgZn2 и Zn22Zr – в сплаве Zn-1,7 %Mg-0,2%Zr). В сплаве Zn-3%Mg микроструктура состоит из вытянутых дендритов α-Zn шириной 80 ‒ 100 мкм и длиной 200 ‒ 250 мкм, а также смеси фаз Mg2Zn11 и MgZn2, расположенной по границам. Показано, что КВД существенно измельчает микроструктуру изученных материалов. В чистом Zn средний размер зерна α-Zn составляет ~ 900 нм. В сплавах Zn-1,7 %Mg, Zn-3 %Mg и Zn-1,7 %Mg-0,2%Zr структура состоит из зерен α-Zn средним размером ~ 800 нм, ~ 750 нм и ~ 700 нм, соответственно, и измельчившейся смеси фаз. Размер структурных элементов измельченной смеси фаз составляет 30 – 50 нм для всех сплавов. Исследована неоднородность микротвердости образцов изученных сплавов после КВД. Показано, что распределения микротвердости материалов после КВД имеют типичный для такого типа обработки вид со значениями микротвердости в центре образцов значительно ниже, чем на их краях. Микротвердость материалов в исходном состоянии составила 533 ± 18, 1003 ± 42, 1165 ± 56 и 1083 ± 43 МПа для чистого цинка и сплавов Zn-1,7%Mg, Zn-3%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr, соответственно. После КВД, ее значения, измеренные на середине радиуса образца, выросли до 587 ± 26, 1172 ± 21, 1537 ± 11 и 1236 ± 26 МПа для чистого цинка и сплавов Zn-1,7%Mg, Zn-3%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr, соответственно. Показано, что КВД приводит к росту прочности и пластичности изученных материалов. Условный предел текучести (σ0,2) Zn в исходном состоянии составляет 41 ± 8 МПа, предел прочности при растяжении (σВ) – 44 ± 7 МПа, а значения относительного удлинения (ε) – 6,2 ± 1,3 %. После КВД эти значения повышаются до 218 ± 4 МПа, 247 ± 12 МПа и 55,1 ± 14,4%, соответственно. В сплаве Zn-1,7 %Mg после КВД σ0,2 вырос с 47 ± 11 до 373 ± 15 МПа, σВ – с 75 ± 14 МПа до 401 ± 16 МПа, а ε – с 1,3 ± 0,3 до 56,3 ± 16,9 %. В случае сплава Zn-1,7 %Mg-0,2 %Zr после КВД было получено наивысшее значение прочности. В данном случае σ0,2 вырос с 124 ± 8 до 376 ± 21 МПа, σВ – с 125 ± 7 МПа до 482 ± 12 МПа, а ε – с 0,4 ± 0,2 до 4,4 ± 0,6%. Проведено исследование коррозионной стойкости чистого Zn и сплавов Zn-1,7%Mg, Zn-3%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr методом потенциодинамической поляризации в растворе 0,9% NaCl (pH = 7). Показано, что КВД, в целом, не влияет на стойкость исследуемых материалов к электрохимической коррозии. Исключение составляет сплав Zn-1,7%Mg-0,2%Zr, где наблюдалось небольшое уменьшение потенциала коррозии. Потенциал коррозии (Екорр) чистого цинка составил -1005 ± 14 и -1016 ± 30 мВ, а плотность тока коррозии (Iкорр) – 14,3 ±4,8 и 8,4 ± 2,3 мкА/см2 для литого и обработанного КВД состояний, соответственно. В случае сплава Zn-1,7%Mg данные параметры составили -1046 ± 22 и -1042 ± 5 мВ и 13,0 ± 3,8 и 16,7 ± 10,5 мкА/см2 для отожженного сплава и сплава после КВД, соответственно. В сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr после КВД наблюдалось небольшое снижение Екорр с -995 ± 27 мВ до -1039 ± 13 мВ при неизменной Iкорр (5,0 ± 2,6 и 11,1 ± 3,8 мкА/см2 для сплава до и после КВД, соответственно). Екорр сплава Zn-3%Mg также не меняется после КВД (-1040 ± 30 и -1061 ± 10 мВ для сплава до и после КВД, соответственно), как и Iкорр (20,2 ±9,8 и 7,8 ± 5,5 мкА/см2 для сплава до и после КВД, соответственно). Показано, что КВД не влияет на скорость деградации (Т = 37 °С, DMEM) всех изученных материалов. Скорость деградации (DR) чистого Zn составила 0,27 ± 0,09 и 0,16 ± 0,06 мм/год для литого и деформированного состояний, соответственно. В случае сплава Zn-1,7%Mg скорость деградации составила 0,23 ±0,11 и 0,31 ± 0,18 мм/год для отожженного сплава и сплава после КВД, соответственно. В сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr данный параметр составил 0,09 ± 0,05 и 0,21 ± 0,07 мм/год для сплава до и после КВД, соответственно. В случае сплава Zn-3%Mg до и после КВД DR равнялась 0,38 ± 0,18 и 0,15 ± 0,10 мм/год, соответственно. Проведено исследование гемолиза эритроцитов исследуемых материалов до и после КВД в условиях in vitro. Проведенные исследования показали, что состав исследуемых материалов не влияет на их гемолитическую активность. Статистический анализ данных показал, что различие значений параметров, полученных в ходе исследования, не являлось значимым (p >> 0,05). Также следует отметить, что КВД не оказывает значимого влияния на значение данного параметра биосовместимости. Проведена оценка жизнеспособности лейкоцитов крови после совместной инкубации с исследуемыми материалами до и после КВД в сравнении с контролем. Анализ показал, что жизнеспособность лейкоцитов по-разному зависит от химического состава и обработки материалов. С одной стороны исследования показали, что жизнеспособность лейкоцитов крови в присутствии образцов литого Zn и отожженного сплава Zn-1,7%Mg достоверно снижается по сравнению с контролем (p = 0,02 в обоих случаях). C другой стороны, значения жизнеспособности лейкоцитов в присутствии отожженного сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr значимо не отличаются от контроля (p = 0,58). При этом КВД также оказывает разное влияние на жизнеспособность лейкоцитов в присутствии исследуемых материалов. Так чистый Zn после КВД не вызывает достоверного угнетения жизнеспособности лейкоцитов по сравнению с контролем (p = 0,11). Однако было выявлено, что КВД значимо улучшает жизнеспособность клеток по сравнению с литым состоянием (p = 0,03). То есть можно сделать вывод, что КВД чистого Zn приводит к снижению цитотоксичности. В случае сплава Zn-1,7%Mg не было выявлено достоверного изменения жизнеспособность клеток после КВД (р = 0,51). То есть КВД не повышает цитотоксичность сплава Zn-1,7%Mg. В случае же сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr КВД существенно угнетает жизнеспособность лейкоцитов по сравнению с исходным состоянием сплавов (p = 0,03). Проведенный анализ данных показал, что выявленный цитотоксический эффект, вероятно, в большей мере обусловлен химическим составом, нежели методом обработки изученных материалов. По окончанию исследований, выполненных в 1 – 12 месяцы реализации Проекта, был проведен анализ полученных результатов и подготовлен промежуточный отчет.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Равноканальное угловое прессование (РКУП) чистого Zn и сплавов Zn-1,7%Mg, и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr проводили при температуре 200 °С по маршруту Вс (угол пересечения каналов 120°). Число проходов (N) составило 8, что соответствует накопленной степени деформации равной 7. РКУП приводит к формированию в чистом Zn равноосной рекристаллизованной структуры. При этом происходит измельчение зерна до 30 мкм. В случае сплава Zn-1,7%Mg после РКУП не происходит существенное измельчение (наблюдается уменьшение с ⁓45 до ⁓35 – 40 мкм) зерна α-Zn. Однако происходит существенное измельчение зернограничной фазы. После РКУП прослойка зернограничной фазы измельчается и вместо непрерывной сетки по границам зерен наблюдаются отдельные глобулярные частицы фазы размером примерно 3 – 5 мкм. Микроструктура отожженного сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr состоит из α-Zn средним размером ⁓35 мкм, окруженных непрерывной прослойкой фазы шириной 5 – 10 мкм. После РКУП формируются вытянутые зерна α-Zn шириной ⁓ 5 – 7 мкм и длиной ⁓ 20 – 25 мкм. При этом также наблюдается измельчение зернограничной фазы и формирование глобулярных частиц размером 3 – 5 мкм. Кроме того, результаты анализа СЭМ-ЭДС показали, что в случае сплава Zn-1,7% Mg эта фаза состоит из Mg и Zn. Согласно предыдущим исследованиям, эта фаза представляет собой смесь фаз Zn2Mg и Zn11Mg2. Для сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr методом СЭМ-ЭДС также обнаружено небольшое количество Zr в составе сферических частиц. Одной из возможных причин этого может быть то, что эти частицы, наряду с фазами Zn2Mg и Zn11Mg2, могут содержать фазу (Mg, Zr)2Zn11, образующуюся в результате замещения магния атомами циркония. При этом частиц фазы Zn22Zr обнаружено не было, хотя они могли образоваться. РКУП не приводит к существенному росту микротвердости. В чистом Zn РКУП приводит к небольшому росту микротвердости (в пределах ошибки эксперимента) с 503 ± 18 МПа до 533 ± 20 МПа. Вероятно рекристаллизация, приводящая к релаксации структуры и уменьшению плотности дефектов кристаллической решетки, накопленных в процессе деформации, приводит к слабому росту микротвердости чистого Zn. В случае сплавов Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr РКУП также не приводит к росту микротвердости. Микротвердость сплава Zn-1,7%Mg составила 1003 ± 42 МПа и 1015 ± 70 МПа для сплава до и после РКУП соответственно. В случае же сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr после РКУП наблюдается небольшое (в пределах ошибки эксперимента) снижение значения микротвердости с 1183 ± 43 МПа до 1071 ± 77 МПа. Вероятной причиной снижения микротвердости является небольшое обеднение твердого раствора на основе Zn в процессе теплой деформации (200 °С). РКУП чистого Zn не привело к росту условного предела текучести Zn (41 ± 8 и 43 ± 6 МПа для литого и деформированного состояний соответственно). При этом наблюдается существенный рост предела прочности при растяжении с 44 ± 7 МПа в литом состоянии до 70 ± 9 МПа. В то же время РКУП чистого Zn не приводит к изменению пластичности (6,2 ± 1,3 % и 5,8 ± 0,3 % до и после РКУП соответственно). В случае сплава Zn-1,7%Mg РКУП приводит к росту и предела текучести, и предела прочности. Условный предел текучести сплава Zn-1,7%Mg после РКУП вырос с 47 ± 11 до 148 ± 13 МПа, а предел прочности при растяжении – с 75 ± 14 до 170 ± 13 МПа. Кроме того, после РКУП происходит рост относительного удлинения с 1,3 ± 0,3% до 4,4 ± 0,3%. Рост прочности сплава, по-видимому, обусловлен измельчением микроструктуры, в особенности измельчением зернограничной фазы. Кроме того, переориентировка фазы от сплошной хрупкой сетки по границы зерен α-Zn до отдельных глобулярных частиц, по-видимому, вызвала рост пластичности. В сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr после РКУП наблюдается рост и прочности, и пластичности. Условный предел текучести сплава вырос со 125 ± 7 МПа до 245 ± 2 МПа, в то время как предел прочности со 128 ± 8 МПа до 295 ± 5 МПа. Кроме того, после РКУП в сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr наблюдался рост пластичности с 0,4 ± 0,2% до 5,3 ± 0,4 %. РКУП вызвал снижение значения коррозионного потенциала с -1005 ± 14 мВ в литом состоянии до -1051 ± 14 мВ после РКУП. Для сплава Zn-1,7%Mg РКУП не влияет на потенциал коррозии (-1046 ± 22 и -1049 ± 17 мВ до и после РКУП соответственно). В то же время для сплава Zn-1,7%Mg-0,2%Zr наблюдалось незначительное снижение потенциала коррозии (с -995 ± 27 до -1036 ± 20 мВ), что соответствует незначительному снижению коррозионной стойкости. В то же время исследования плотности тока коррозии, которая свидетельствует о скорости электрохимической коррозии, показывают, что образование рекристаллизованных структуры в чистом Zn снижает скорость коррозии. Об этом свидетельствует снижение плотности тока коррозии после РКУП с 14,3 ± 4,8 мкА/см2 в литом состоянии до 6,1 ± 1,9 мкА/см2. Для сплавов Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr РКУП приводит к увеличению плотности тока коррозии и, следовательно, скорости коррозии. В сплаве Zn-1,7%Mg наблюдалось увеличение с 13,0 ± 3,8 до 22,2 ± 3,7 мкА/см2. В сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr прирост величины плотности тока коррозии меньше (с 5,0 ± 2,6 до 9,2 ± 3,3 мкА/см2 для сплава до и после РКУП соответственно). Результаты иммерсионных испытаний материалов до и после РКУП хорошо коррелируют с результатами электрохимических исследований. Скорость деградации чистого цинка после РКУП снизилась с 0,27 ± 0,09 до 0,12 ± 0,04 мм/год. Для сплавов Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr по скорости деградации наблюдается обратное: наблюдается увеличение скорости деградации. Скорость деградации сплава Zn-1,7%Mg составила 0,23 ± 0,11 и 0,34 ± 0,01 мм/год для отожженного сплава и сплава после РКУП соответственно. В сплаве Zn-1,7%Mg-0,2%Zr скорости деградации сплава до и после РКУП составили 0,09 ± 0,05 и 0,19 ± 0,05 мм/год соответственно. Следует отметить, что хотя скорости деградации сплавов Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr увеличились, полученные значения соответствовали требованиям, предъявляемым к материалам, предназначенным для разработки ортопедических имплантатов, для которых скорость деградации не должна превышать 0,5 мм/год. Исследование гемолиза эритроцитов не выявило достоверных отличий изменения уровня гемолиза между исходными и деформированными состояниями чистого Zn и сплавов Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr. При этом гемолитическая активность всех исследованных образцов после инкубации в течение четырех часов не превышала 10%. Увеличение времени инкубации до 24 часов приводит к росту гемолитической активности вплоть до 30%, но не выявляет разницы между исходными и деформированными состояниями материалов. Следует иметь в виду, что согласно стандарту ISO 10993-4 (Гемосовместимость) время совместной инкубации клеток для изучения уровня гемолиза с целью оценки биосовместимости не превышает 4 часов, в то время как согласно ASTM исследование не превышает 3 часа. Обычно в организме материал имплантата длительное время не контактирует с одними и теми же эритроцитами, поскольку те, находясь внутри сосудов и капилляров, постоянно движутся по замкнутой системе, обеспечивающей кровоток. То есть результат гемолиза эритроцитов, оцененный через 24 ч инкубации, не является характеристикой биосовместимости, а скорее призван показать различия в реакции клеток на два состояния сплава в течение более длительного периода времени. В то же время исследование жизнеспособности клеток после инкубации с чистым цинком и сплавами Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr в исходном состоянии в сравнении с этими материалами после обработки РКУП не выявили статистически удостоверенной разницы данной характеристики. Оба состояния исследованных материалов (до и после РКУП) не показывали выраженной цитотоксичности по сравнению с контролем. Следовательно, чистый Zn и сплавы Zn-1,7%Mg и Zn-1,7%Mg-0,2%Zr не являются цитотоксичными по отношению к лейкоцитам крови.