Новости

12 мая, 2022 13:53

Ученые создали сверхпрочное защитное покрытие для ортопедических и дентальных имплантатов

Российские ученые разработали сверхпрочное покрытие — комбинацию титановой основы со сверхтвердым танталсодержащим нанокомпозитом. В этом им помог новейший метод индукционно-термического вакуумного распыления. Покрытие может применяться при изготовлении различных видов медицинских изделий, например имплантируемых конструкций или инструментов для стоматологии и хирургии. Результаты работы, поддержанной грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Ceramics International.
Суть предложенного метода ИТВР. Источник: Александр Фомин
Методика «царапания» образцов алмазным конусом. Источник: Александр ФоминПокрытие целое и поврежденное. Источник: Александр Фомин
Покрытие целое и поврежденное. Источник: Александр Фомин
3 / 4
Суть предложенного метода ИТВР. Источник: Александр Фомин
Методика «царапания» образцов алмазным конусом. Источник: Александр ФоминПокрытие целое и поврежденное. Источник: Александр Фомин
Покрытие целое и поврежденное. Источник: Александр Фомин

Важным требованием для использования изделий в условиях агрессивной среды, большой механической нагрузки или высокой температуры является повышение их прочности и износостойкости. Одним из эффективных способов решения этой задачи считается индукционная термообработка — нагрев с последующим охлаждением, — которая придает материалу определенную структуру и свойства. Ей подвергают цветные металлы, особенно титанцирконий и тантал, что открывает большие возможности для повышения качества различных изделий, в том числе медицинского назначения — хирургических инструментов, дентальных имплантатов и ортопедических конструкций, а также их покрытий.

Ученые из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю. А. (Саратов) предложили лучший подход — индукционно-термическое вакуумное распыление (ИТВР). Они распыляли в вакууме танталовую мишень при помощи высокочастотного тока и осаждали тонкие слои материала на небольшие титановые конструкции. Взаимодействие этих тугоплавких металлов с остаточными газами приводит к созданию оксинитридных покрытий — механической смеси нано- и микроразмерных кристаллитов оксидов и оксинитридов тантала и титана.

Руководитель проекта по гранту РНФ Александр Фомин. Источник: Александр Фомин



Большую роль в формировании структуры играет режим высокотемпературной обработки. Поэтому исследователи изучили систему «индуктор (протекающий в нем ток создает электромагнитное излучение, разогревающее объект) — танталовая мишень — титановое изделие», и численным методом определили ее температурные поля в зависимости от тока индуктора и длительности выдержки. Так ученые подобрали оптимальный режим: при токе около 6500 А и выдержке не менее 300 секунд листовая мишень тантала возгоняется (переходит из твердого состояния в газообразное), а остаточный кислород и азот взаимодействуют с осажденной пленкой на титановой подложке.

Авторам удалось получить твердые (30–39 ГПа) и сверхтвердые (46–89 ГПа) защитные покрытия, которые характеризуются хорошей биосовместимостью и устойчивостью к коррозии. Также исследователи проверили их на прочность, вдавливая и царапая поверхность алмазными инденторами с определенной силой. Оказалось, что покрытие повышает сопротивляемость титановых изделий истиранию на 40–60%.

«Формирование сверхтвердых танталсодержащих покрытий на титановых конструкциях позволит существенно повысить качество медицинских изделий. В ближайшем будущем мы планируем расширить экспериментальные исследования по распылению тугоплавких материалов, в частности циркония, молибдена и углерода. Параллельно с научными исследованиями наш коллектив молодых ученых активно сотрудничает с российскими компаниями-производителями титановых медицинских изделий. Ведутся совместные исследования в части задела для будущих научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ и внедрения новых решений в производственный процесс высокотехнологичных имплантатов», — рассказывает руководитель проекта по гранту РНФ Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия», ведущий научный сотрудник Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.

18 мая, 2022
Новые графитоподобные катализаторы помогут с рекордной эффективностью получать топливо для солнечной водородной энергетики
Новосибирские ученые предложили метод синтеза высокоактивного фотокатализатора для получения водород...
16 мая, 2022
Ученые синтезировали стабильные светящиеся нанометки, перспективные для диагностики рака
Санкт-Петербургские физики вместе с коллегами из Городского университета Гонконга предложили способ ...