В ИФПМ СО РАН оценили возможности трех методов модификации поверхности медицинских имплантатов на основе никелида титана
Ученые Института физики прочности и материаловедения СО РАН совместно с коллегами из МФТИ и Томского политехнического университета исследовали физико-механические и структурные свойства материалов для медицины на основе никелида титана, поверхность которых была модифицирована тремя методами: электролитической полировки в растворе кислот, воздействием низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком и импульсным ионным пучком в режиме высокодозовой ионной имплантации. Исследования показали преимущества каждого из методов и позволили определить, как с их помощью можно улучшить надежность биомедицинских изделий. Полученные результаты представлены в высокорейтинговом журнале Materials Research Bulletin .
– Никелид титана обладает сверхэластичностью и памятью формы, что делает его незаменимым материалом для миниатюрных изделий, используемых в медицинской практике. Однако он подвергается химическому, механическому и температурному воздействию со стороны жидких, мягких и твердых тканей окружающего его живого организма. Все эти факторы создают сложные условия для эксплуатации медицинского имплантата, требующие высокой прочности и коррозионной стойкости металлического материала, из которого он изготовлен, – говорит главный научный сотрудник лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Людмила Мейснер.
Как объясняет Людмила Леонидовна, каждый из предложенных методов модификации поверхности имеет свои преимущества, а его выбор зависит от тех задач, которые предстоит решать имплантату. Если нужно недорого и быстро повысить коррозионную стойкость такого изделия, то с этим отлично справится обычный способ обработки его поверхности путем химического травления и электролитической полировки.
Если материалу в организме требуется дополнительная защита от коррозии, то она обеспечивается с помощью ионной имплантации заранее выбранного химического элемента в тонкий (толщиной около 100 нанометров) поверхностный слой, позволяющей сформировать на поверхности изделия композитные оксидные слои большей толщины с повышенными характеристиками коррозионной стойкости.
Электронно-пучковая обработка существенно улучшает прочностные характеристики материала за счет изменения структуры модифицированного слоя и увеличения его толщины, что очень важно в ортопедических конструкциях, которые испытывают значительные нагрузки и при этом должны служить долго.
Результаты исследований наглядно показали, как меняются свойства никелида титана после применения каждого из этих методов. Так, при замене электролитической полировки электронно-пучковой обработкой в биоинертных оксидных слоях на поверхности материала происходит смена однофазной структуры на многофазную нанокомпозиционную (аморфно-кристаллическую), двукратно возрастает толщина слоя с высокой (более 50 объемных процентов) концентрацией кислорода. Вместе с тем после электрополировки концентрация токсичного никеля в поверхностном слое снижается в пять раз, что, безусловно, важно для человеческого организма.
– После обработки электронным пучком способность к «самопассивации» поврежденной оксидной пленки на поверхности никелида титана – восстановлению защитных свойств материала после повреждения – более чем пятикратно возрастает, по сравнению с таковой в природной оксидной пленке. Это связано с изменением фазового состава поверхностного оксидного слоя, что, в конечном счете, приводит к повышению коррозионной стойкости модифицированного материала. Например, в результате ионно-пучкового легирования цирконием в поверхностном слое никелида титана формируются новые фазы, значительно улучшающие защитные свойства сплавов, – продолжает научный сотрудник лаборатории кандидат технических наук Филипп Дьяченко.
– С помощью рентгеноструктурного анализа, позволяющего проводить высокоточные измерения и анализировать тонкие поверхностные слои толщиной всего в один-два-три микрона, установлено, что после обработки поверхности электронными и ионными пучками основная структура никелида титана под модифицированным слоем практически не изменяется: это значит, что поверхностно-модифицированное изделие из никелида титана будет сохранять все свои уникальные объемные характеристики, – подчеркнула научный сотрудник лаборатории кандидат физико-математических наук Марина Остапенко.
Всесторонние исследования механических характеристик образцов-прототипов имплантатов из никелида титана с модифицированными поверхностными слоями, включающие измерения твердости, механические испытания на одноосное растяжение, изгиб и кручение, показали, что модификация поверхности предложенными методами значительно улучшает механические свойства изделий.
Научная группа под руководством профессора Л.Л. Мейснер ведет свои исследования более тридцати лет в тесной кооперации с Институтом сильноточной электроники СО РАН и Томским научным центром СО РАН, ТГУ и ТПУ. Об актуальности исследований говорит регулярная грантовая поддержка РНФ. Помимо медицинского направления, ученые также специализируются на методах обработки металлических материалов для промышленных применений, направленных на улучшение важных эксплуатационных характеристик, таких как, например, усталостной долговечности. В рамках созданной научной школы за последние двадцать лет состоялось девять защит кандидатских диссертаций; каждый подготовленный специалист, без преувеличения, является штучным.
© Пресс-служба ТНЦ СО РАН
