Исследователи Томского политехнического университета (ТПУ) совместно с коллегами из России и Швеции разработали способ улучшить механические свойства титановых сплавов для биомедицинских имплантатов с помощью технологий электронно-лучевой 3D-печати. Новый подход позволяет приблизить упругость сплавов к характеристикам костной ткани, что может продлить срок службы имплантатов и повысить качество жизни пациентов. Результаты работы опубликованы в журнале Materials Science and Engineering.
Бета-титановые сплавы с добавками ниобия, циркония, молибдена или тантала считаются перспективными материалами для медицины благодаря высокой прочности, биосовместимости и коррозионной стойкости. Однако их модуль упругости все еще заметно превышает аналогичный показатель у костной ткани человека. Это создает риск того, что жесткий имплантат возьмет на себя основную нагрузку, а кость вокруг него начнет деградировать.
Различие в механических характеристиках создает сложности при интеграции таких титановых сплавов в медицинскую практику. Например, имплантат из такого материала может принимать на себя основную нагрузку, в то время как окружающая его костная ткань начнет деградировать. Поэтому появляется необходимость в приближении упругости искусственного материала к упругости костной ткани.
- Ирина Грубова, руководитель научной группы «Аддитивные технологии получения и исследования перспективных материалов» ТПУ
В своей работе ученые изготовили образцы сплава титана с высокой долей ниобия (56%) методом электронно-лучевой 3D-печати. Они варьировали ток пучка, чтобы изучить, как меняется микроструктура и механические свойства сплава. Оказалось, что снижение энергии пучка способствует стабилизации кристаллической решетки бета-фазы. При этом образец, напечатанный при токе 4 мА, продемонстрировал самый низкий модуль упругости и высокую износостойкость, сохраняя при этом прочность.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что, изменяя только параметры печати, можно управлять внутренней структурой и свойствами сплава. При этом химический состав материала остается неизменным. Это важный шаг в направлении создания индивидуализированных имплантатов с заданными характеристиками.
- Ирина Грубова
Исследование поддержано грантом Российского научного фонда. В проекте участвовали специалисты ТПУ, ТГУ им. Г.Р. Державина, МГУ, Института физики металлов УрО РАН и Средне-Шведского университета. Ученые продолжают работу по оптимизации параметров печати, чтобы приблизить новые материалы к клиническому применению.
Источник: Минобрнауки РФ
Фото: ТПУ
