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 22-79-10299

НазваниеРазработка научно-технологических основ создания персонализируемых имплантатов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb с модифицированной внутренней архитектурой и антибактериальной поверхностью для хирургии позвоночника

РуководительШереметьев Вадим Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2022 - 06.2025 

Конкурс№71 - Конкурс 2022 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые словаметаллические биоматериалы, титановые сплавы с памятью формы, селективное лазерное плавление, пористые структуры, структура, механические свойства, функциональные свойства, динамическое химическое травление, атомно-слоевое осаждение, наночастицы серебра, спинальные имплантаты

Код ГРНТИ53.49.15, 53.49.05, 53.49.09

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предложенный проект нацелен на разработку научно-технологических основ создания высокобиосовместимых пористых материалов из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью, обладающей остеоиндуктивной и антибактериальной активностью для изготовления спинальных имплантатов, за счет прецизионного управления макро- и микроструктурой; фазовым и химическим составом; комплексом механических и функциональных свойств. Материал для костных имплантатов должен состоять из исключительно биосовместимых (не токсичных) компонентов. Для обеспечения биомеханической совместимости, материал должен обладать низким значением модуля Юнга, близким к таковым для костной ткани (до 30 ГПа). Низкие значения модуля Юнга (40-80 ГПа) и сверхупругое поведение, близкое к поведению костной ткани, демонстрируют сплавы с памятью формы. В последние десятилетия все больший интерес привлекают безникелевые сплавы на основе системы Ti-Zr-Nb. Благодаря уникальному сочетанию биохимической и биомеханической совместимости эти сплавы являются наиболее перспективными среди металлических биоматериалов для костных имплантатов. Персонализированные (изготовленные под индивидуальные особенности пациента) имплантаты, сформированные из градиентных по жесткости структур с взаимосвязанной пористостью могут значительно улучшить заживление и повысить способность к остеоинтеграции. Лучшее управление наружной геометрией изделия и параметрами его внутренней поверхности, следовательно, биомеханической и биохимической совместимостью может быть достигнуто с помощью аддитивных технологий, в частности методом селективного лазерного плавления. Монолитные и пористые материалы из титана и его сплавов, в том числе сверхупругих, обладают высокой химической инертностью, однако одной из ведущих тенденций последних десятилетий в медицинском материаловедении является разработка покрытий, повышающих остеоиндуктивную и антибактериальную активность поверхности. В рамках реализации проекта управление характеристиками основы пористых материалов из сплава Ti-Zr-Nb с памятью формы будет реализовано за счет изменения их внутренней архитектуры, режимов селективного лазерного плавления и термической обработки. Повышение остеоиндуктивной и антибактериальной активности поверхности этих пористых материалов будет достигнуто с применением методами динамического химического травления, атомно-слоевого осаждения и синтеза наночастиц серебра. В качестве пилотного применения в рамках данного проекта будет разработан и изготовлен прототип кейджа для замены межпозвоночных дисков на основе пористой структуры из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью.

Ожидаемые результаты
1) Перспективные варианты внутренней архитектуры и параметров пористых материалов из сверхупругого сплава Ti-18Nb-15Zr и режимы их получения методами селективного лазерного плавления и термической обработки 2) Закономерности влияния архитектуры, методов получения и обработки пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb на механические и функциональные свойства. 3) Закономерности влияния метода и параметров модификации поверхности пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb на морфологию, структуру и химическое состояние, а также антибактериальные свойства. 4) Рекомендации по выбору типов и параметров пористых структур, режимов селективного лазерного плавления и термической обработки сплава Ti-Zr-Nb, а также методов модификации поверхности для повышения общего комплекса механических и функциональных свойств. 5) Прототип кейджа для замены межпозвоночных дисков на основе пористой структуры из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью. Полученные результаты позволят заложить научно-технологические основы для создания на территории Российской Федерации производства персонализированных пористых костных имплантатов с уникальным сочетанием биомеханической и биохимической совместимости с костной тканью, не имеющих аналогов в мире.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методом газовой атомизации получен порошок из сплава Ti-Zr-Nb. В результате проведенного рассева была получена опытная партия порошкового материала из сплава Ti-Zr-Nb в количестве 6 кг с требуемыми характеристиками гранулометрического состава. Произведен анализ химического состава, геометрических и технологических характеристик порошка из сплава Ti-Zr-Nb. Установлено, что полученная партия порошка пригодна для получения изделий методом селективного лазерного сплавления (СЛП) на установке TRUPRINT1000. На основе аналитического анализа литературы осуществлен выбор и моделирование типов и параметров пористых структур, соответствующих функциональным требованиям изделий. Разработаны модели пористых структур на основе ячеек ромбического додекаэдра (Д) и листового гироида (Г), а также полиэдры Вороного (В). Геометрические параметры пористых структур соответствуют высоким требованиям к пористым материалам, обеспечивающим наиболее благоприятные условия для остеоинтеграции. При этом, толщина тонких конструкционных элементов внутренней архитектуры (200-260 мкм) материалов находится на предельном уровне с точки зрения технологических возможностей метода СЛП. Разработан подход к совершенствованию режимов СЛП, позволяющих изготавливать высокопористые материалы с тонкими внутренними элементами конструкции. Подход был эффективно применен в процессе изготовления разработанных для костных имплантатов пористых структур типа Д пористостью около 75% из сплава Ti-6Al-4V. Показано, что снижение уровня дефектной пористости с ≈1,8% до 0,6% обеспечивается применением разработанного режима СЛП. С применением разработанного режима изготовлена серия экспериментальных образцов пористых структур типа Д, Г и В для исследования механических свойств. Из результатов исследования механических свойств видно, что прочностные характеристики структуры типа Д значительно выше, чем у других структур. Такое превосходство прочности структуры с ячейкой типа Д связано с более оптимальной конструкцией. Сравнивая механические свойства пористых структур двух типов (Д и В), построенных по разработанному режиму СЛП, можно заметить, что при одной пористости и сопоставимом уровне прочности величины модуля Юнга ниже, чем у аналогов (1,55±0,12 ГПа против 4,89±0,05 ГПа для Д и 1,25±0,10 ГПа против 1,82±0,15 ГПа для В). Такая низкая величина модуля Юнга соответствует уровню жесткости губчатой костной ткани. Разработаны режимы СЛП для изготовления качественных пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb с высокой точностью контроля геометрии тонких элементов внутренней поверхности (перемычек). Изготовлена 1 серия экспериментальных образцов в монолитном и пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb для исследований и испытаний. Также изготовлена 1 серия экспериментальных образцов пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb для модификации поверхности. Проведено исследование макро- и микроструктуры, химического и фазового состава экспериментальных образцов в монолитном и пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb. Установлено, что в ходе атомизации и СЛП наблюдается изменение химического состава по основным компонентам и кислороду, что может отразиться на конечных функциональных свойствах изделий. По результатам рентгеноструктурного анализа показано, что сплав находится в однофазном β состоянии. Отработаны различные методики модификации монолитных образцов из сплава Ti-Zr-Nb с применением методов химического травления, атомно-слоевого осаждения и синтеза наночастиц серебра.

 

Публикации

1. Антон Конопацкий, Татьяна Теплякова, Вадим Шереметьев, Тамара Якимова, Ольга Бойченко, Марина Козик, Дмитрий Штанский, Сергей Прокошкин Surface Modification of Biomedical Ti-18Zr-15Nb Alloy by Atomic Layer Deposition and Ag Nanoparticles Decoration Journal of Functional Biomaterials, 14(5):249 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.3390/jfb14050249

2. В.А. Шереметьев, В.Д. Лезин, М.В. Козик, С.А. Молчанов Совершенствование режима селективного лазерного плавления для изготовления пористых структур из сплава Ti-6Al-4V медицинского назначения Известия вузов. Цветная металлургия, - (год публикации - 2023)