«Щит» из ниобия для титановых имплантатов, увеличивающий их твердость в шесть раз

Исследователи Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. создали из ниобия «щит» для титановых имплантатов, который увеличивает их твердость в шесть раз.

Разработка призвана повысить качество и долговечность титановых медицинских имплантатов, а также уменьшить риск их отторжения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда, опубликованы в журнале «Вестник Московского энергетического института».

Костные имплантаты, как правило, изготавливаются из сплавов титана. Преимуществом этого металла является хорошая приживаемость в организме, однако титан недостаточно прочен, чтобы выдерживать постоянные нагрузки, которые испытывают кости и суставы при ходьбе и беге. Поэтому при создании имплантатов к титану добавляют примеси – алюминий и ванадий. Они повышают прочность материала, однако со временем могут высвобождаться из имплантата и вызывать воспаление близлежащих тканей.

Более безопасной альтернативой в качестве примеси является ниобий, который абсолютно не токсичен для организма, и при этом в разы повышает твердость. Но его использование как самостоятельной основы для имплантатов проблематично из-за сложности обработки. Сегодня научное сообщество нацелено на поиск методов нанесения ниобия в виде тонких кислородно-насыщенных покрытий на готовые титановые имплантаты.

Так, группа учёных из СГТУ под руководством заведующего кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Института машиностроения, материаловедения и транспорта, доктора технических наук, профессора Александра Фомина предложила создавать такие покрытия с помощью напыления в вакууме. Этот подход уже используется для формирования тонких пленок из тугоплавких металлов, но не тестировался с ниобием и титаном.

В ходе исследования в вакуумную камеру были помещены тестовые диски из технического титана, а напротив них – ниобиевая мишень в виде кольца. С помощью индукционного тока мишень нагрели свыше 2000°С. При такой температуре ниобий постепенно испарялся, оседая в виде мельчайших частиц тонким слоем и внедряясь в приповерхностный слой титана.

Исследователи меняли силу тока, с помощью которого нагревали мишень, а также время эксперимента, чтоб понять, какие условия обработки оптимальны. Затем ученые сравнили элементный состав, структуру и твердость покрытий, полученных в разных режимах.

При увеличении силы тока и длительности распыления ниобия возрастала и толщина защитных слоев. Так, ниобий проникал в титановые диски на глубину до 70 микрометров, и именно в этой зоне происходило основное упрочнение материала. Эксперименты показали, что после нанесения покрытия твердость образцов увеличилась более чем в шесть раз по сравнению с чистым титаном.

«Предложенная технология открывает перспективы для создания надежных и долговечных медицинских имплантатов, особенно в ортопедии, где важны высокая прочность и хорошая совместимость материала с тканями организма. В дальнейшем мы планируем расширить перечень распыляемых материалов, в частности рассмотрим влияние молибдена. Повышение твердости рабочих поверхностей имплантируемых конструкций позволит увеличить износостойкость и надежность перспективных титановых изделий, в том числе медицинских», – отмечает Александр Фомин.

Напомним, ранее ученые разработали методы нанесения защитных покрытий на изделия из керамики и металлов. Предложенные технологии упростят разработку устойчивых к температурам и механическому разрушению материалов для медицины, микроэлектронных устройств в авиакосмической отрасли.