Разработка технологических основ получения и управления функциональными свойствами сверхупругих наноструктурных титановых сплавов для создания высокобиосовместимых конструкций костных имплантатов

Перспективными материалами для изготовления внутрикостных имплантатов являются сплавы на основе системы титан-цирконий, дополнительно легированные ниобием и/или танталом для повышения комплекса функциональных свойств, таких как характеристики сверхупругого (псевдоупругого) поведения и величина модуля Юнга, что в сочетании с правильно подобранным режимом термомеханической обработки (ТМО) позволит добиться высокой степени схожести деформационного поведения имплантируемой конструкции с поведением для плотной (кортикальной) костной ткани. Создание пористых структур в виде пеноматериалов, проявляющих сверхупругое поведение, на основе многокомпонентных сплавов системы Ti-Zr позволит в достаточной степени воспроизвести механическое поведение пористой (трабекулярной) костной ткани. Кроме того, развитая открытая пористость такого материала будет способствовать прорастанию костной ткани во внутренние области имплантата, что обеспечит наилучшую интеграцию и фиксацию конструкции.

Управление структурой пористого материала в ходе синтеза и последующей обработки позволит адаптировать конечное изделие под индивидуальные особенности пациента.

Общей целью ПНИЭР является разработка технологии получения наноструктурных сверхупругих трех- и четырехкомпонентных сплавов на основе Ti-Zr для создания сплошных и пористых материалов для стоматологических и ортопедических имплантатов заданной формы и с управляемой внутренней структурой.

Для реализации указанной цели в ходе выполнения проекта потребуется решить следующие основные задачи:

• Получение высококачественных слитков сплавов на основе Ti-Zr.
• Оптимизация технологии термомеханической обработки (ТМО) для формирования наноструктурного состояния сплавов на основе Ti-Zr.
• Выбор и отработка технологии получения пористых однородных и градиентных материалов из сплавов на основе Ti-Zr.
• Исследование и оптимизация биомеханической и биохимической совместимости материалов из сплавов на основе Ti-Zr.
• Разработка методики формирования персонализируемой структуры и формы имплантатов; изготовление экспериментальных образцов имплантатов.

В результате выполнения работ на 1 этапе для достижения указанной цели были решены следующие задачи:

• подготовлен обзор современной литературы по тематике исследований;
• выбран и обоснован оптимальный вариант решения задач ПНИЭР;
• разработаны лабораторные методики подготовки образцов сплошных и пористых сплавов на основе Ti-Zr для исследований и испытаний, термомеханической обработки сплавов на основе Ti-Zr, получения сплошных сплавов на основе Ti-Zr; проведен теоретический поиск перспективных составов сплавов на основе Ti-Zr;
• изготовлены экспериментальных образцов сплошных сплавов на основе Ti-Zr; экспериментально оценена возможность управления структурой и свойствами сплавов на основе Ti-Zr методами термомеханической обработки;
• проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96;
• апробированы различные технологии получения слитков сплавов на основе Ti-Zr;
• экспериментально подобраны перспективные составы сплавов на основе Ti-Zr;
• проведена выплавка и оценка качества пробных слитков сплавов на основе Ti-Zr;
• разработана лабораторная методика получения высококачественных слитков сплавов на основе Ti-Zr оптимальных составов методом вакуумной электродуговой плавки с нерасходуемым электродом;
• проведена предварительная термомеханическая обработка полученных сплавов на основе Ti-Zr с использованием комплекса Gleeble 3800;
• осуществлено материально-техническое обеспечение работ.

В итоге выполнения работ на 1 этапе получены следующие результаты:

• Проведен анализ и подготовлен обзор современной литературы по тематике исследований. Рассмотрены вопросы, связанные с понятиями «биоматериал» и «биосовместимость», в частности, раскрыты понятия химической и биомеханической совместимости имплантационного материала с костной тканью. Рассмотрены особенности основных типов металлических материалов для медицинских имплантатов, в частности, титановые сплавы. Среди них особое место занимают сплавы с эффектами памяти формы и сверхупругости, состоящие только из биосовместимых компонентов. Проанализированы преимущества и недостатки различных технологий получения высококачественных слитков титановых сплавов, а также пеноматериалов на титановой основе.

• Сформулирован оптимальный подход к решению задач и достижению цели ПНИЭР, базирующийся на следующих положениях:
  • Основой для разрабатываемого материала должен стать титановый сплав, состоящий только из безопасных компонентов.
  • Среди титановых сплавов для медицинских имплантатов наиболее перспективными являются сплавы с низким (менее 70 ГПа) модулем Юнга, проявляющие эффект сверхупругости, так как они в наибольшей степени близки по своему механическому поведению к свойствам костной ткани.
  • Важной характеристикой сверхупругого сплава является теоретический (кристаллографический) ресурс обратимой деформации; при выборе состава сплава предпочтительны материалы с большим значением этой величины, что важно для стабильного и долговременного функционирования готового изделия. В связи с этим отдельной задачей исследования является теоретический поиск и экспериментальный подбор перспективных составов титановых сплавов.
  • Наилучшая биомеханическая совместимость имплантата с костной тканью достигается в случае использования для его изготовления пористого материала (пеноматериала).
  • Для получения пеноматериала оптимальным (с учетом возможностей Индустриального партнера) признан метод занимания объема (метод удаляемого порообразователя).

• Разработаны лабораторные методики подготовки образцов сплошных и пористых сплавов на основе Ti-Zr для исследований и испытаний, термомеханической обработки сплавов на основе Ti-Zr, получения сплошных сплавов на основе Ti-Zr. Разработанные методики описывают все важные аспекты подготовки образцов, проведения термомеханической обработки и получения новых сплошных сплавов на основе Ti-Zr, что гарантирует получение повторяемых и объективных результатов при соблюдении этих методик.
• В результате углубленного анализа влияния легирующих компонентов в титановых сплавах на фазовый состав, ресурс обратимой деформации, температуры мартенситных превращений, механические свойства сплавов на основе Ti-Nb и Ti-Zr выбраны три перспективных состава: Ti-18Zr-14Nb, Ti-21Zr-13Nb, Ti-24Zr-12Nb (ат. %).
• Изготовлены экспериментальные образцы сплошных сплавов на основе Ti-Zr для исследований и испытаний в количестве 45 шт.
• Оценку возможности управления структурой и свойствами сплавов на основе Ti-Zr методами термомеханической обработки проводили на сплаве Ti-18Zr-14Nb. Режимы термомеханической обработки: (1) холодная прокатка с накопленной истинной логарифмической деформацией е=0.3 и последеформационном отжигом при 600^оС в течение 30 мин для формирования наносубзерерной субструктуры в β-фазе сплава и (2) холодная прокатка с накопленной истинной логарифмической деформацией е=0.3 и последеформационном отжигом при 700^оС в течение 30 мин для формирования рекристаллизованной структуры β-фазы сплава. На основании рентгеновской дифрактометрии in situ рассчитан теоретический ресурс обратимой деформации при обратимом мартенситном превращении β ↔ α" в приближении монокристалла. Механические испытания, проведенные на образцах сплавов Ti-18Zr-14Nb и Ti-24Zr-12Nb (ат.%), показали, что формирование наносубзеренной субструктуры способствует реализации более совершенного сверхупругого поведения и поэтому должна быть перспективна и с точки зрения получения максимального реактивного напряжения. Таким образом, управление структурой и свойствами сплавов на основе Ti-Zr методами термомеханической обработки возможно и перспективно для улучшения эксплуатационных функциональных характеристик сплавов.
• Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96. Показано, что разрабатываемая при проведении работ по настоящему Соглашению о предоставлении субсидии технология получения высокобиосовместимого материала для изготовления металлических конструкций для дентальной и ортопедической имплантологии является актуальной и превосходит мировой уровень.
• Индустриальным партнером опробованы различные технологии получения слитков сплавов на основе Ti-Zr, в частности, вакуумно-дуговой переплав с нерасходуемым и с расходуемым электродами, которые в ходе предварительного обсуждения были признаны наиболее подходящими для получения слитков малого (до 200 г) и большого (от 5 кг) развеса, соответственно. Проанализирована однородность слитков и соответствие полученного химического состава сплава номинальному.
• Проведены пробные плавки сплавов перспективных составов: Ti-18Zr-14Nb, Ti-24Zr-12Nb и Ti-21Zr-13Nb. Показано, что возможности Индустриального партнера позволяют получать высококачественные лабораторные слитки для исследований и испытаний.
• Индустриальным партнером разработана лабораторная методика получения высококачественных слитков сплавов на основе Ti-Zr оптимальных составов методом вакуумной электродуговой плавки с нерасходуемым электродом.
• Проведена предварительная термомеханическая обработка полученных сплавов на основе Ti-Zr с использованием комплекса Gleeble 3800 по следующим режимам: умеренная пластическая деформация с суммарной истинной (логарифмической) степенью деформации (е=0.3) и последеформационным отжигом при температурах 450 — 700^оС в течение 30 мин — 1 ч на воздухе и в инертной атмосфере при избыточном давлении аргона.
• Осуществлено материально-техническое обеспечение работ.