Совершенство материалов. Имплантаты из магниевых сплавов демонстрируют удивительные свойства

Работы директора Института физики перспективных материалов Уфимского университета науки и технологий доктора физико-математических наук Руслана ВАЛИЕВА получили широкую известность еще в начале 2000-х годов.
Они посвящены наноструктурированию металлов и сплавов с использованием интенсивных пластических деформаций (ИПД). Руслан Зуфарович не раз признавался самым высокоцитируемым ученым России.
Новое исследование группы Р.Валиева выполняется по гранту РНФ совместно со специалистами Ирана, и на этот раз речь идет о разработке перспективных методов ИПД для получения ультрамелкозернистых магниевых сплавов для биомедицинских применений. О сути этого проекта ученый рассказал «Поиску».
— Руслан Зуфарович, вы работали со многими материалами, почему в этом проекте выбран именно магний?
— Магний является самым легким в природе металлом (кроме одного металла — бериллия). При этом он очень быстро разрушается, так как обладает низкой прочностью. Если бы удалось ее увеличить и при этом сохранить легкость, то вес самолета, автомобиля, где может использоваться этот металл, мог бы быть уменьшен в разы!
Материал, который получится в результате применения нашего метода, будет обладать прочностью, сравнимой с прочностью стали, титановых материалов, и при этом иметь очень малый вес.
— Давайте напомним, в чем состоит суть вашего метода.
— Когда мы говорим о новых свойствах материалов и конкретно металлов, чаще всего речь идет о повышении их прочности. Как правило, это достигается за счет добавления различных элементов, термообработки и т. д. Мы предложили новый подход, сочетающий приложение к материалу больших давлений и больших деформаций.
Более 20 лет назад мы сделали научное открытие, которое касается наноструктурирования металлических материалов методами интенсивной пластической деформации.
Все кристаллические материалы, включая металлы, состоят из отдельных кристаллитов, как колос пшеницы — из отдельных зерен.
В одном из ранних исследований нам удалось измельчить методом ИПД эти «зерна» в материале, получить их наносостояние с действительно новыми свойствами. Одно из них — сверхпластичность, когда металл тянется, как резина, и его можно формовать при нагреве, как пластмассу, а при комнатной температуре он становится очень прочным.
Методы ИПД-обработки материалов и их модификации детально описаны во многих наших публикациях в высокорейтинговых журналах, а недавно совместно с зарубежными коллегами и издательством Springer Nature мы опубликовали учебник, наглядно демонстрирующий информацию о многочисленных достижениях в области ультрамелкозернистых материалов за последние десятилетия (Ultrafine-Grained Materials, Springer Nature, 2024).
Помимо фундаментальной части в учебнике представлены ключевая терминология и тестовые задания для студентов, обобщены возможности применения наноструктурных материалов в биомедицине, электротехнике и строительстве.
— Изделия из магния действительно могут найти применение в медицине?
— Сегодня десятки лабораторий в мире занимаются изучением магниевых сплавов. Это очень популярная тема, в частности, для применения их в медицине.
Эти материалы можно использовать для лечения после травм, а также в челюстно-лицевой хирургии, для изготовления различных имплантатов и протезов. Даже в кровеносные сосуды устанавливают металлические стенты. При этом магниевые материалы очень легкие и совершенно безвредные, более того, по составу даже могут быть полезны для организма.
— В чем польза?
— Например, при переломе врач поставит имплантат для заживления кости, а через три месяца он благополучно растворится и обогатит кровь полезным магнием. Но это, конечно, в перспективе.
Надо научиться управлять не только прочностью магниевых сплавов, но и коррозионными свойствами, свойствами растворения. Наноструктурирование, в принципе, помогает решить и эту задачу, но делать это надо вместе с медиками, химиками, физиками, которые понимают структуру материалов. В этом идея проекта.
— А сложности при работе с этим материалом есть? Уж слишком он кажется идеальным.
— Действительно, магниевые сплавы — это сложный материал, несмотря на свою привлекательность. Чтобы добиться прочности, во многих лабораториях в него добавляют самые разные вещества, проводят термообработку.
Это полезные способы, но, по нашему мнению, без наноструктурирования задачи все равно не решить или не решить так эффективно, как предлагаем мы: поднять механические, коррозионные свойства материала и сделать его полезным для организма. Близкие подходы используют и наши коллеги — исследователи из лабораторий в Тольятти, Москве и Томске.
— Итогом ваших предыдущих работ уже становились материалы для медицинского применения?
— Мы очень долго занимались титаном. Для стоматологии это — материал номер один. Мы разработали нанотитан, и как специалисты по материаловедению считаем, что он — номер один для зубных имплантатов. У нас 90% этих изделий по-прежнему идут из-за рубежа, потому что нет подходящего материала, из чего их делать! А ведь сейчас проблема импортозамещения чрезвычайно важна.
Мы предлагаем: попробуйте использовать нанотитан. Мы успешно проверили его в стоматологии в Чехии, в США — там сделали уже сотни и даже тысячи операций!
Мы очень надеемся, что и в России это произойдет. Вообще, переход к бизнесу становится междисциплинарным. Безусловно, нужно участие медиков, но еще не хватает бизнесменов — людей, которые стоят между наукой и бизнесом.
— Ваш новый проект можно назвать «российско-иранским». Как вы нашли своего партнера?
— Этот проект фундаментальный, мы начали его недавно. С иранской стороны в нем участвует специалист по обработке материалов.
Магниевый сплав — хрупкий и трудно деформируемый материал, поэтому работать методами интенсивной пластической деформации надо очень прецизионно, очень умело. Специалист из Ирана, известный профессор международного уровня доктор Рамин Эбрахими, тоже занимается этой проблемой. Мы с ним познакомились по публикациям. Сначала переписывались, а потом участвовали в одной из конференций в Иране (я делал доклад онлайн).
Вообще, в последнее время проводится много мероприятий для налаживания новых научных контактов, включая экскурсии от РАН, а РНФ объявил этот важный конкурс.
— В чем фишка иранских коллег, как они дополняют вашу работу?
— Для того, чтобы двинуться в практику, нужно, чтобы методы интенсивной пластической деформации были эффективны и приводили не к изготовлению одного или нескольких образцов (как часто бывает у исследователей), а к массовой обработке.
И такое направление в Иране довольно сильно развито, они умеют хорошо обрабатывать разные материалы. Сейчас мы сотрудничаем с Ширазским университетом (факультет материаловедения и инженерии), это первый проект с Ираном, да и в научном плане это действительно новое направление, в котором постоянно возникают новые задачи.
— Что должно стать итогом проекта?
— Пока идет первый год трехлетней работы, но я с уверенностью могу сказать, что в итоге мы сделаем опытные изделия (специальные винты, пластины, имплантаты). Для этого мы активно взаимодействуем с медицинскими университетами в Уфе, Оренбурге и других городах. Так что одними исследованиями и замечательными публикациями дело не ограничится.
Но это не значит, что мы сразу уйдем в практику. Повторю, от опытных изделий до массового использования — большой путь, требуются серьезные доработки производственного характера.
— Как я поняла, состав ваших партнеров в последнее время изменился. Вместо Европы и США вы сейчас смотрите совсем в другую сторону. Какие впечатления?
— Действительно, сначала вмешался ковид, потом санкции. Недавно я приехал из Китая, где создается крупный центр материалов и наноматериалов. Из Китая идет целая серия предложений. Наверное, мы с ними расширим сотрудничество, потому что это очень интересно и перспективно.
Правда, работать с Китаем в инновационном плане сложновато. При переходе от науки к практике ученым требуются помощь, консультации. Я думаю, такие вопросы нужно срочно решать.
Китай для нас — важный партнер, который, по крайней мере в материаловедении, стремится стать лидером в мире.
— Какого типа нужна помощь, в чем?
— Я говорю о сопровождении проектов. Когда-то в этом плане очень хорошо работал Международный научно-технический центр, деятельность которого сейчас прекращена. Они решали за ученых многие вопросы.
А сейчас даже отправить в Китай какие-то образцы — это огромная проблема. Или что такое, например, совместное предприятие с исследователями из Китая? Какие правила его создания?
— С Ираном тоже есть такого рода проблемы?
— Безусловно, тут мы вообще только начинаем входить в курс дела. Пока трудно сказать, как обмениваться образцами, если мы проводим совместную работу. Наверняка с Ираном это еще сложнее. То есть должны быть прописаны новые правила и нужна программа помощи в их реализации.
— Вы постоянно фонтанируете идеями: конструируете новые материалы, предлагаете разные применения… Наверное, много еще нереализованных задумок, которые держите в голове?
— Когда мы говорим о каких-то рекордных свойствах материалов, то тут, как в спорте, нет предела совершенству. Мы создаем самые прочные в мире материалы (это многими признано), некоторые алюминиевые сплавы у нас получаются тверже стали!
Но пока это все происходит в лаборатории. А как дальше продвинуться? Десятки, сотни лет материаловеды занимаются этими проблемами. Мы предлагаем свой перспективный подход, и хотелось бы, чтобы он нашел широкое применение.
Многие мои ученики работают в практике, продолжают исследования в авиации, машиностроении. Там часть изделий уже сделана с использованием наших подходов.

Беседовала Светлана БЕЛЯЕВА
Фото предоставлены Р.Валиевым
На снимке: Вид лаборатории с гидравлическими прессами, где проводятся эксперименты
с использованием методов интенсивной пластической деформации.