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 21-79-00035
НазваниеБиоинертные наноструктурные покрытия на основе ниобия, циркония, тантала и азота для медицинских имплантатов нового поколения
РуководительСоснин Кирилл Валерьевич, Кандидат технических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный индустриальный университет", Кемеровская обл (Кузбасс)
| Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2021 - 06.2023 |
Конкурс№60 - Конкурс 2021 года «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» 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 словаэлектровзрывное напыление, электронно-ионно-плазменное модифицирование, титан, ниобий, цирконий, тантал, азотирование, структура, фазовый состав, свойства, нанотвердость, модуль упругости, имплантат, цитотоксичность, биосовместимость
Код ГРНТИ29.27.51; 29.19.22; 29.19.16
СтатусЗакрыт досрочно
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Актуальность создания новых биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N для медицинских имплантатов продиктована современными жизненными реалиями. Потенциальный продукт, который будет создан в результате выполнения проекта – имплантат с уникальными покрытиями систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N. Этот продукт обеспечит соответствующую мировому уровню научную новизну. Научная новизна также будет обеспечена применением уникальных не имеющих аналогов в мире установок, генерирующих потоки плазмы. В целом выполнение проекта повысит значимость Российской Федерации в мировой экономики и науке. В ходе выполнения проекта запланировано получение следующих научных результатов. Методика электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N на титановых имплантатах (сплав ВТ6). Данные исследований электровзрывных биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N методами электронной сканирующей и просвечивающей микроскопии, рентгенофазового анализа исследования фазового и элементного состава, состояния дефектной субструктуры (тип, размер и морфология фаз, амплитуда внутренних полей напряжений, параметры дислокационной субструктуры). Значения микротвердости, нанотвердости, модуля упругости, износостойкости и коэффициента трения биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N. Проведены испытания на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N с использованием клинически релевантных модельных бактериальных культур (клеточная культура фибробластов подкожной соединительной ткани мыши L929 и Staphylococcus aureus). Выявлен оптимальный (с точки зрения структурно-фазовых состояний и результатов испытаний микротвердости, нанотвердости, модуля упругости, износостойкости коэффициента трения, тестов на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность) режим электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования.
Ожидаемые результаты
1. Методика электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N на титановых имплантатах (сплав ВТ6).
2. Данные исследований электровзрывных биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N методами электронной сканирующей и просвечивающей микроскопии, рентгенофазового анализа исследования фазового и элементного состава, состояния дефектной субструктуры (тип, размер и морфология фаз, амплитуда внутренних полей напряжений, параметры дислокационной субструктуры).
3. Значения микротвердости, нанотвердости, модуля упругости, износостойкости и коэффициента трения биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N.
4. Проведены испытания на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N с использованием клинически релевантных модельных бактериальных культур (клеточная культура фибробластов подкожной соединительной ткани мыши L929 и Staphylococcus aureus).
5. Выявлен оптимальный (с точки зрения структурно-фазовых состояний и результатов испытаний микротвердости, нанотвердости, модуля упругости, износостойкости коэффициента трения, тестов на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность) режим электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования.
Научная значимость предполагаемых и соответствующих мировому уровню результатов заключается в получении новых знаний о структуре и свойствах биоинертных покрытий систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N на титановых имплантатах. Соответствие предполагаемых результатов мировому уровню исследований будет обеспечено тем, что заявленные к получению в проекте покрытия будут получены впервые. Это обеспечивается применением уникальной не имеющей аналогов в мире установки «КОМПЛЕКС», позволяющей проводить электронно-пучковую обработку и азотирование в едином технологическом цикле. Так же биоинертные покрытия указанных систем электровзрывным методом к настоящему моменту времени еще не были получены. Это еще раз подтверждает мировой уровень запланированных к проведению исследований.
Прикладная значимость результатов проекта заключается в том, что будет разработан и испытан титановый имплантат (сплав ВТ6), защищенный электровзрывными биоинертными покрытиями систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N. Разработанная научно-техническая продукция будет превосходить современные аналоги. Этими результатами могут воспользоваться и другие организации, использующие аналогичные имплантаты.
Общественная значимость ожидаемых результатов заключается в получении нового продукта – титанового имплантата, упрочненного биоинертными покрытиями систем Ti-Nb-Zr-N и Ti-Nb-Zr-Ta-N. Это важно для граждан РФ потому, что в перспективе у них появиться возможность использовать эффективные и недорогие имплантаты нового поколения отечественного производства, что значительно улучшит качество жизни россиян. Поскольку отечественная продукция, поставляемая на зарубежные рынки, как правило, характеризует себя как более дешевая и качественная. То этот факт позволит повысить и мировой уровень жизни человечества, а также обеспечить укрупнение роли РФ в мировой экономики.
Применение разработанных режимов при освоении новых видов продукции уже в следующие годы может привести к диверсификации производства заинтересованных российских компаний, предприятий, производящих медицинские имплантаты, их росту, повышению уровня продаж и, соответственно, будет сопровождаться увеличением количества рабочих мест, что будет способствовать экономическому росту, трудозанятости и росту реальных доходов работников предприятия.
Дополнительные прогнозируемые социально-экономические эффекты от использования продукции (услуг), созданной на основе результатов, полученных при выполнении заявляемого проекта, заключаются в улучшении качества жизни и здоровья, условий труда работников производства; снижении энерго- и материалоёмкости; более полном и комплексном использовании сырья и материалов.
Экологический аспект разрабатываемых методов заключается в вакуумной изоляции процессов, протекающих при модификации медицинских имплантатов, что несомненно улучшит экологическую обстановку конкретного производства и окружающей среды в целом.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В отчетном периоде выполнены следующие работы.
1. С позиций физики плазмы и электрофизики проведена оптимизация режимов работы используемых в проекте электрофизических установок, генерирующих потоки плазмы с параметрами, обеспечивающими термокинетические условия для получения биоинертных покрытий системы Ti-Nb-Zr-N с регламентированной структурой.
2. В рамках физического материаловедения выявлены и проанализированы закономерности электровзрывного напыления биоинертных покрытий системы Ti-Nb-Zr-N, проведены исследования структурно-фазовых состояний покрытий, формирующихся в широком интервале значений параметров внешнего воздействия (поглощаемой плотности мощности и состава напыляемого покрытия). Методами металлографии, сканирующей и просвечивающей электронной микроскопии, рентгеноструктурного анализа проведены исследования фазового и элементного состава, дефектной субструктуры покрытий и переходного слоя между покрытиями и имплантатом.
3. С позиций механики деформируемого твердого тела проведен комплексный анализ физико-механических и трибологических свойств композиционных покрытий (микро- и нанотвердость, модуль Юнга, коэффициент трения, износостойкость в условиях сухого трения), обоснованы критерии выбора практически значимых композиций на основе системы металлов Ti-Nb-Zr-N и оптимизированы режимы электровзрывного напыления и электронно-ионно-плазменного модифицирования.
4. Проведены испытания на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность биоинертных покрытий системы Ti-Nb-Zr-N с использованием клинически релевантных модельных бактериальных культур (клеточная культура фибробластов подкожной соединительной ткани мыши L929 и Staphylococcus aureus).
5. Выявлен оптимальный (с точки зрения структурно-фазовых состояний и результатов испытаний микротвердости, нанотвердости, модуля упругости, износостойкости коэффициента трения, тестов на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность) режим электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования покрытий системы Ti-Nb-Zr-N.
6. Руководитель проекта проанализировал результаты, полученные в отчетном году, обсудил их на престижных международных конференциях. Написан отчет. Подготовлена одна статья для публикации в высокорейтинговом зарубежном англоязычном журнале.
В отчетном периоде получены следующие научные результаты.
Методами современного материаловедения проведены исследования механических и трибологических свойств, элементного и фазового состава, дефектной субструктуры покрытия состава Ti-Nb-Zr-N, сформированного на сплаве ВТ6 электровзрывным методом и подвергнутого комплексной обработке, сочетающей облучение импульсным электронным пучком и последующее азотирование в плазме несамостоятельного дугового разряда с накаленным катодом. Сформированные покрытия испытаны на пролиферативную активность клеточных линий и противомикробную активность. Показано, что твердость поверхностного слоя покрытия на 36 %, а модуль Юнга на 11 % превышают соответствующие характеристики сплава ВТ6 на глубине 100 мкм и быстро снижаются по мере удаления от поверхности. Толщина слоя с высокими (относительно подложки) значениями твердости достигает (60-70) мкм; высокие значения модуля Юнга наблюдаются в слое толщиной 40 мкм. Установлено, что параметр износа поверхностного слоя покрытия в 1,7 раза больше параметра износа подложки; коэффициент трения покрытия в 1,65 раза выше коэффициента трения подложки. Установлено, что в поверхность покрытия образована атомами титана, ниобия, циркония и азота, что свидетельствует о высокой чистоте покрытия. Показано, что поверхностный слой покрытия толщиной 4,5 мкм имеет структуру высокоскоростной ячеистой кристаллизации, то есть был сформирован в результате облучения покрытия импульсным электронным пучком в режиме плавления и высокоскоростной кристаллизации материала. Размер ячеек кристаллизации изменяется в пределах от 300 нм до 600 нм. По границам ячеек кристаллизации располагаются протяженные прослойки второй фазы толщиной 50–75 нм. Установлено, что объем ячеек кристаллизации обогащен атомами всех присутствующих в покрытии элементов и сформирован твердым раствором на основе ниобия. Прослойки, разделяющие ячейки, обогащены преимущественно атомами титана и азота и сформированы нитридами титана. По мере удаления от поверхностного слоя со структурой ячеистой кристаллизации форма частиц нитридной фазы изменяется от протяженных прослоек к сферической (глобулярной); располагаются включения по границам зерен твердого раствора на основе титана и ниобия. Выявлен оптимальный режим электровзрывного напыления и последующего электронно-ионно-плазменного модифицирования покрытий системы Ti-Nb-Zr-N. Таким режимом следует считать следующий. Электровзрывное напыление с использованием трехслойного композиционного электрически взрываемого материал. Один из слоев которого выполнен из титановой фольги массой 130 мг, другой – из ниобиевой фольги массой 70 мг, третий – из циркониевой фольги массой 70 мг. Формирование покрытия при времени воздействия плазмы на поверхность образца ~ 100 мкс, поглощаемой плотности мощности на оси струи ~ 1,5 ГВт/м2, давлении в ударно-сжатом слое вблизи облучаемой поверхности ~ 12,5 МПа, остаточном давлении газа в рабочей камере ~100 Па; температуре плазмы на срезе серебряного сопла ~10 в степени 4 К. Облучение импульсным электронным пучком при 20 Дж/см2, 200 мкс, 5 имп. и азотирование при 500 град С, 5 часов.
Публикации
1. Филяков А.Д., Соснин К.В., Романов Д.А. Влияние биоинертных покрытий на распределение напряжений на границе между имплантатом и костной тканью Металлургия: технологии, инновации, качество : труды XXII Международной научно-практической конференции: в 2-х ч. Ч. 2 / под ред. А.Б. Юрьева, Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк : Изд. центр СибГИУ, 2021. – 342 с., Ч. 2, 2021 г., с. 93-100. (год публикации - 2021)
2. Московский С.В., Соснин К.В. Рельеф поверхности биоинертных покрытий системы Ti-Nb-Zr-N, полученных на сплаве титана ВТ6 комплексным методом Сборник тезисов XII Ежегодной конференции Нанотехнологического общества России, Сборник тезисов XII ежегодной конференции, с.42 (год публикации - 2021)