АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИСКРОВАЯ ПЕЧАТЬ ТАНТАЛОМ ПРОДЛИТ СРОК СЛУЖБЫ ТИТАНОВЫХ ИМПЛАНТОВ
Российские ученые применили компьютерное управление, чтобы с помощью электроискровых разрядов «напечатать» на поверхности титана равномерное пористое покрытие из тантала. Последующая высокотемпературная обработка сделала танталовое покрытие прочнее и увеличила его твердость в 2-5 раз по сравнению с распространенными аналогами из оксида и нитрида титана. Полученное сверхтвердое покрытие продлит срок службы титановых имплантов, применяемых в стоматологии и хирургии, и улучшит их срастание с костями. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Авторы исследования Владимир Кошуро (слева) и Александр Фомин (справа). В центре лабораторный комплекс для искровой печати. Источник: Александр Фомин
Титан применяют в стоматологии и хирургии уже более 50 лет благодаря его высокой прочности, легкости и устойчивости к коррозии. Из него делают зубные импланты, суставы, фрагменты костей, а также соединительные элементы для их сращивания. Этот металл обладает хорошей биосовместимостью - в большинстве случаев организм его не отторгает, однако иногда примеси (ванадий, железо, алюминий), содержащиеся в титановых сплавах, могут провоцировать аллергию. Избежать таких реакций помогает формирование на титане твердого пористого покрытия из керамики или других биосовместимых металлов и их соединений (оксидов, нитридов и других). Еще одно преимущество пористого покрытия состоит в том, что костная ткань срастается с ним быстрее, чем с гладким материалом, что ускоряет приживление импланта. Перспективным материалом для такой обработки является тугоплавкий, но пластичный металл тантал. Под действием высокой температуры на нем образуется тонкий оксидный слой, устойчивый к коррозии, гипоаллергенный и нейтральный по отношению к организму человека. Также благодаря контролируемой термической обработке тантал становится твердым и приобретает наноразмерную поверхностную структуру. Это позволяет имплантируемой конструкции хорошо переносить интенсивные механические нагрузки, которым подвергаются кости.
Ученые Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов) в 2018 году предложили совместить высокотемпературную обработку танталового покрытия с методом электроискрового легирования - нанесения тантала на титан с помощью устройства, генерирующего электрические искры между электродом и изделием. Рабочая часть танталового электрода оплавлялась и в виде микрокапель переносилась на поверхность титана, благодаря чему металлы «сваривались». Последующая термическая обработка приводила к образованию на покрытии оксида тантала, который упрочнил титан-танталовый слой и заполнил трещины, появившиеся из-за быстрого остывания танталовых капель. Такой метод позволил получить упругое высокопористое покрытие. Однако его недостатком оказалась неравномерная толщина от 2-3 до 20-30 микрон, которая мешала покрытию выполнять роль своеобразного буфера между костью и титаном, защищая имплант от повреждений. Наличие тонких участков объяснялось тем, что процесс нанесения микрочастиц тантала было сложно контролировать.
В новом исследовании ученые автоматизировали процесс электроискрового напыления тантала с помощью числового программного управления. Разработанный авторами комплекс и управляющие программы позволили «вырастить» танталовые пленки с равномерной толщиной около 50-70 микрон. Последующий индукционный нагрев конструкции до 950-970°С сформировал на поверхности покрытия многокомпонентную оксидную структуру, вызвав эффект «самозалечивания» трещин. Комбинация методов позволила достичь сверхтвердости пористого материала - 60-80 гигапаскалей, что в 2-5 раз превышает показатели биосовместимых покрытий, нанесенных иными способами, а также сделанных из других материалов, таких как оксид и нитрид титана. Предложенная технология поможет улучшить характеристики и продлить срок службы титановых имплантов.
«Мы планируем и дальше развивать метод управляемого "выращивания" титан-танталовых пористых структур и покрытий с помощью электроискровой обработки. Это позволит увеличить толщину слоя, а также адаптировать технологию для создания объемных конструкций или нанесения локальных покрытий на металлические изделия сложной формы, таких как накостные пластины или штифты с резьбой. Кроме того, метод можно применить к другим тугоплавким металлам и использовать, например, для создания сверхпрочных инструментов», - рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Информация взята с портала «Научная Россия».
Авторы исследования Владимир Кошуро (слева) и Александр Фомин (справа). В центре лабораторный комплекс для искровой печати. Источник: Александр Фомин
Титан применяют в стоматологии и хирургии уже более 50 лет благодаря его высокой прочности, легкости и устойчивости к коррозии. Из него делают зубные импланты, суставы, фрагменты костей, а также соединительные элементы для их сращивания. Этот металл обладает хорошей биосовместимостью - в большинстве случаев организм его не отторгает, однако иногда примеси (ванадий, железо, алюминий), содержащиеся в титановых сплавах, могут провоцировать аллергию. Избежать таких реакций помогает формирование на титане твердого пористого покрытия из керамики или других биосовместимых металлов и их соединений (оксидов, нитридов и других). Еще одно преимущество пористого покрытия состоит в том, что костная ткань срастается с ним быстрее, чем с гладким материалом, что ускоряет приживление импланта. Перспективным материалом для такой обработки является тугоплавкий, но пластичный металл тантал. Под действием высокой температуры на нем образуется тонкий оксидный слой, устойчивый к коррозии, гипоаллергенный и нейтральный по отношению к организму человека. Также благодаря контролируемой термической обработке тантал становится твердым и приобретает наноразмерную поверхностную структуру. Это позволяет имплантируемой конструкции хорошо переносить интенсивные механические нагрузки, которым подвергаются кости.
Ученые Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов) в 2018 году предложили совместить высокотемпературную обработку танталового покрытия с методом электроискрового легирования - нанесения тантала на титан с помощью устройства, генерирующего электрические искры между электродом и изделием. Рабочая часть танталового электрода оплавлялась и в виде микрокапель переносилась на поверхность титана, благодаря чему металлы «сваривались». Последующая термическая обработка приводила к образованию на покрытии оксида тантала, который упрочнил титан-танталовый слой и заполнил трещины, появившиеся из-за быстрого остывания танталовых капель. Такой метод позволил получить упругое высокопористое покрытие. Однако его недостатком оказалась неравномерная толщина от 2-3 до 20-30 микрон, которая мешала покрытию выполнять роль своеобразного буфера между костью и титаном, защищая имплант от повреждений. Наличие тонких участков объяснялось тем, что процесс нанесения микрочастиц тантала было сложно контролировать.
В новом исследовании ученые автоматизировали процесс электроискрового напыления тантала с помощью числового программного управления. Разработанный авторами комплекс и управляющие программы позволили «вырастить» танталовые пленки с равномерной толщиной около 50-70 микрон. Последующий индукционный нагрев конструкции до 950-970°С сформировал на поверхности покрытия многокомпонентную оксидную структуру, вызвав эффект «самозалечивания» трещин. Комбинация методов позволила достичь сверхтвердости пористого материала - 60-80 гигапаскалей, что в 2-5 раз превышает показатели биосовместимых покрытий, нанесенных иными способами, а также сделанных из других материалов, таких как оксид и нитрид титана. Предложенная технология поможет улучшить характеристики и продлить срок службы титановых имплантов.
«Мы планируем и дальше развивать метод управляемого "выращивания" титан-танталовых пористых структур и покрытий с помощью электроискровой обработки. Это позволит увеличить толщину слоя, а также адаптировать технологию для создания объемных конструкций или нанесения локальных покрытий на металлические изделия сложной формы, таких как накостные пластины или штифты с резьбой. Кроме того, метод можно применить к другим тугоплавким металлам и использовать, например, для создания сверхпрочных инструментов», - рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ имени Гагарина Ю.А.
Информация и фото предоставлены пресс-службой Российского научного фонда
Информация взята с портала «Научная Россия».