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 19-79-10045
НазваниеРазработка метода реакционно-диффузионного спекания для создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения
РуководительАникеев Сергей Геннадьевич, Кандидат физико-математических наук
Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский Томский государственный университет", Томская обл
Период выполнения при поддержке РНФ | 07.2019 - 06.2022 | , продлен на 07.2022 - 06.2024. Карточка проекта продления (ссылка) |
Конкурс№41 - Конкурс 2019 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» 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 словаНикелид титана, TiNi, пористый, спекание, реакционно-диффузионное взаимодействие, структура, поверхность стенок пор, шероховатость, микропористость, сверхэластичность, гистерезис, имплантат.
Код ГРНТИ53.39.31
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение проблемы создания методом реакционно-диффузионного спекания биосовместимых пористых сплавов на основе никелида титана с высокими конструкционными и вместе с тем оптимальными функциональными свойствами, а именно с развитой проницаемой внутренней структурой порового пространства, шероховатой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Коллектив молодых ученых стремится к решению задачи получения биосовместимого пористого сплава на основе никелида титана с подобными структурными и физико-механическими свойствами остеогенным биологическим тканям организма. Предлагаемый подход при создании пористого сплава TiNi с добавками Ti, Ni, Co позволяет разработать новый сплав на основе никелида титана за счет активации реакционного и диффузионного типов взаимодействий в спекаемой порошковой системе. Первостепенную задачу исследования, которую стремятся решить авторы, можно сформулировать следующим образом – необходимо изыскать возможность регулирования атомного состава соединения TiNi в спекаемой порошковой системе гидридно-кальциевого порошка никелида титана для достижения гистерезисного характера формоизменения пористого материала TiNi, за который ответственны фазовые мартенситные превращения. Проблема, которая требует решения заключается в том, что метод диффузионного спекания, в котором используется только готовый порошок TiNi, имеет высокий потенциал для создания разнообразных материалов на основе никелида титана, позволяет получать материалы с высокими конструкционными и прочностными свойствами, но по причине смещения в процессе спекания соотношения Ti и Ni в составе соединения TiNi (до 55–60 ат.% Ni), происходит дисперсионное упрочнение сплава за счет формирования избыточного количества фаз Ti3Ni4, что снижает функциональные свойства сплава TiNi (отсутствие эффекта памяти формы и гистерезисного характера формоизменения). Добавка только порошка Ti не позволит в полной мере скомпенсировать обогащение по Ni, так как в таком случае формируются массивы на основе порошинок Ti в структуре межпоровых перемычек, которые будут препятствовать реализации мартенситного превращения. По мнению авторов, необходимо использовать реакционную способность малых добавок Ni и Co в совокупности с Ti для активации объемной и поверхностной диффузии в процессе изотермического спекания гидридно-кальциевого порошка TiNi.
Регулирование состава получаемого сплава будет выполнено с учетом величин коэффициентов диффузии в сложной спекаемой порошковой шихте путем использования метода Матано–Больцмана, который применим как для однофазных систем гидридно-кальциевого порошка интерметаллида TiNi, так и для многофазных TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Изучение структурных особенностей сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co будет выполнено методиками оптической, растровой (РЭМ), просвечивающей, ионной, атомно-силовой (АСМ), конфокальной микроскопий (КМ) , рентгеноструктурным анализом, ртутной порометрией с использованием современного сертифицированного исследовательского оборудования. В процессе получения пористых сплавов на основе никелида титана будут выдержаны необходимые условия для создания на поверхности стенок пор развитого шероховатого микрорельефа за счет создания террасовидных структур для увеличения адгезивных свойств пористого материала на основе TiNi.
Особый интерес представляет задача исследования биосовместимости пористых материалов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co путем проведения экспериментов in-vitro с клеточными мезенхимальными культурами костного мозга. Сравнение кинетики взаимодействия популяций с поровым пространством инкубаторов, изготовленных на основе полученных пористых сплавов никелида титана, позволит выявить факторы, способствующие успешной интеграции живых клеток в поровом пространстве материала.
Новейшим этапом в изучении морфологических свойств поверхности и биосовместимости пористых сплавов на основе TiNi станет исследование методами атомно-силовой микроскопии электрохимического потенциала исходной поровой поверхности с террасовидными структурами и оксикарбонитридными частицами Ti4Ni2(O,N,C). Выявление роли величины и параметров электрохимического потенциала на процессы адгезии клеточных популяций в поровом пространстве будет определено в экспериментах in-vitro с клеточными культурами методами АСМ, РЭМ и КМ. Данная задача является нетривиальной и потребует кропотливой работы по созданию модельных образцов, которые возможно исследовать методами АСМ, РЭМ и КМ без специфических разрушающих методик прободготовки (резка, шлифовка, электрополировка), которые необходимы для изучения традиционных пористых тел. Решение поставленной задачи запланировано посредством создания комбинированных двумерных образцов, которые будут выполнены путем спекания слоя порошковой шихты на очищенной монолитной пластине TiNi, с целью создания развитой шероховатой террасовидной поверхности на припекшихся друг другу частицах порошка никелида титана, доступ к которой будет свободен для кантилевера АСМ без предварительных операций пробоподготовки.
Комплексный подход, заявленный для реализации научно-прикладной темы Проекта, невозможен без изучения физико-механических свойств полученных материалов на основе никелида титана TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co. Будут представлены результаты исследования деформационно-прочностных характеристик (предел прочности, деформация разрушения, напряжение мартенситного сдвига) путем анализа диаграммы деформирования «напряжение-деформация» в режиме деформации «растяжение» и диаграммы развиваемых усилий «напряжение-температура». Параметры фазовых мартенситных превращений (характеристические температуры и ширина температурного гистерезиса) будут определены методом измерения температурной зависимости удельного электросопротивления. Изучение свойств коррозионной стойкости будет выполнено на оригинальной установке по циклическому деформированию в режиме «изгиб» в жидкой коррозионной среде. Особую ценность будут иметь эксперименты по изучению особенностей гистерезисной зависимости формоизменения пористых сплавов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co под нагрузкой. Сравнение с живыми остеогенными тканями организма позволит в полной мере решить поставленные задачи Проекта.
Итогом научно-исследовательской работы по Проекту станет разработка условий и режима реакционно-диффузионного спекания по созданию биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Результаты Проекта войдут в основу разработки отечественной технологии получения новых биосовместимых пористо-проницаемых материалов на основе никелида титана с оптимальными конструкционными и функциональными свойствами для использования в имплантологии.
Ожидаемые результаты
В настоящее время при разработке биосовместимых материалов для создания имплантируемых устройств зачастую взаимосвязанные аспекты биохимической и биомеханической совместимости разделяют и ведут исследовательскую работу в одном из направлений по оптимизации либо структурных параметров, либо физико-механических характеристик, так как удовлетворить комплексному подходу большинство традиционных материалов (Ti, Ta, медицинские стали, различные виды керамики) не способны, в силу отсутствия у них способности к реализации термоупругих мартенситных превращений. Данный подход является нерациональным, ведет к неточным результатам и не позволяет разработать оптимальный биосовместимый имплантат, приближенный по своим свойствам тканям организма, которым свойственен гистерезисный характер формоизменения под нагрузкой.
Решение вышеописанной проблемы принципиально важно для создания эффективной технологии получения пористых биосовместимых сплавов на основе никелида титана методом реакционно-диффузионного спекания с соответствующими структурными и физико-механическими свойствами остеогенным тканям организма. Создание подходов, алгоритмов и модели коррекции атомного состава соединения TiNi с учетом реакционных и диффузионных видов взаимодействий в спекаемой системе за счет введения добавок Ti, Ni, Co, а равно и достижение максимальной объемной доли фазы TiNi и TiCo, способных к мартенситному превращению под действием напряжений и изменения температуры, откроет возможности для разработки новых конструкционных и функциональных имплантируемых устройств, и заложит основу для перехода к следующему поколению пористых сплавов с градиентной структурой на основе никелида титана с оптимальными физико-механическими свойствами.
Данный подход является оригинальным и представляет авторам Проекта возможность воспользоваться разносторонними макро- и микромеханизмами, протекающими в реакционно-диффузионной порошковой системе при жидкофазном спекании, для регуляции как структурных характеристик пористых сплавов на основе никелида титана, так и их физико-механических свойств. Кроме того, в ходе реализации Проекта будут решены новые актуальные задачи по созданию пористых биосовместимых материалов с развитой шероховатой поверхностью стенок пор, будут исследованы особенности электрохимического состояния поровой поверхности и их влияния на процессы адгезии клеточных популяций на террасовидной поверхности материала TiNi. Имеющийся опыт руководителя Проекта, полученный в ходе выполнения гранта РНФ № 17-79-10123 указывает на то, что впервые в мире, и в частности в России, на базе выдающейся научной школы В.Э. Гюнтера, получены пористые сплавы на основе никелида титана с развитой шероховатой террасовидной поверхностью стенок пор, которые вносят значительный вклад в свойства биосовместимости имплантируемых конструкций. Таким образом, тема Проекта не имеет аналогов в мире и будет выполняться впервые.
Использование полученных результатов Проекта возможно не только в имплантологии, но и в машиностроении, промышленно-строительной и химической отраслях, где существуют повышенные требования к конструкционным и функциональным характеристикам используемых материалов. Широкий спектр конструкционных (пористая проницаемая структура, высокая удельная поверхность за счет создания микропор и террас) и функциональных свойств (термоупругие мартенситные превращения, эффект памяти формы, сверхэластичность, ферроэластичность, гистерезисный характер формоизменения, коррозионностойкость, высокий уровень развиваемых усилий, демпфирующая способность) сплавов на основе никелида титана делает такой материал действительно уникальным и способным решать широкий спектр задач в разнообразных областях медицины и техники.
В ходе реализации Проекта будут получены следующие основные результаты:
– Анализ результатов структурных исследований материала TiNi–Ti, аналитическая подготовка и прогнозирование влияния добавок Ni и Co с учетом исследованной структуры сплава TiNi-Ti и их активирующей способности, помогут разработать подходы к созданию методики реакционно-диффузионного спекания с использованием активирующих добавок Ni и Co;
– Будут получены ряд экспериментальных пористых образцов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co (в том числе плоских образцов с развитой террасовидной поверхностью) с целью проведения структурных исследований различными методами;
– Будут выполнены эксперименты in-vitro с клеточными культурами плоских образцов с развитой террасовидной поверхностью с целью выявления роли морфологии поверхности на процессы адгезии и пролиферации клеточных популяций;
– Будет выполнена оценка свойств биосовместимости полученных пористых материалов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co в экспериментах in-vitro с клеточными мезенхимальными культурами костного мозга;
– Будут представлены результаты изучения деформационно-прочностных характеристик, параметров фазовых мартенситных превращений, коррозионной стойкости, а также определены особенности гистерезисной зависимости формоизменения пористых сплавов на основе никелида титана с различными добавками;
– Будут разработаны условия и режим реакционно-диффузионного спекания с целью создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. Апробация разработанного метода и проведение исследований конструкционных и функциональных свойств данного материала на основе никелида титана.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В отчетный период выполнены работы согласно разработанному ранее плану. Сформированный подход к реализации научного исследования показал свою состоятельность и позволил решить первостепенную задачу, состоящую в коррекции атомного состава в соединении TiNi для реализации в нем термоупругих мартенситных превращений. Проект направлен на решение научно-прикладной проблемы и основным результатом работы станет разработка способа реакционно-диффузионного спекания с целью создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения. В настоящее время получен существенный задел в данной области и проект будет развиваться в выбранном направлении. План выполнения работ включает в себя теоретический анализ, прикладную и исследовательскую работу к подходу коррекции атомного состава пористого сплава на основе никелида титана, созданию развитой шероховатой поверхности стенок пор и достижению гистерезисного характера формоизменения за счет реализации термоупругих мартенситных превращений в материале под нагрузкой. Настоящая концепция лежит в основе проведения всех научных исследований по проекту. Множество экспериментально обнаруженных особенностей в процессе реализации научного проекта внесли вклад в усовершенствование технологии создания биосовместимых пористых устройств на основе никелида титана и заложили идеи для будущих перспективных направлений.
I. Выполнен комплекс мероприятий по получению экспериментальных пористых образцов TiNi–Ti различного химического и гранулометрического состава. Проведено изучение влияния добавок Ti на макро- и микроструктурные характеристики пористого сплава TiNi. Проведен ситовой анализ с целью выявления оптимальных фракций порошка TiNi и Ti для создания пористого материла с повышенной степенью пористости для максимального соответствия макроструктурным параметрам костных тканей организма. Исследована структура порошкового сплава TiNi методом просвечивающей и растровой электронной микроскопии;
II. Разработана модель реакционно-диффузионного взаимодействия в сложной спекаемой порошковой системе TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co с учетом исследованной структуры сплава TiNi-Ti. Предложены перспективные концентрации добавок Ni и Co для повышения реакционной способности порошка TiNi в процессе спекания с целью наиболее эффективного регулирования атомного состава титана и никеля в соединении TiNi. Уточнено состояние исходного порошкового сплава TiNi, который используется для создания методом диффузионного спекания пористых сплавов на основе никелида титана;
III. Получен ряд экспериментальных объемных пористых образцов TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co с учетом полученных результатов на предыдущих этапах работы. Существенные перспективы для будущей исследовательской работы методами неразрушающего контроля открыли экспериментальные двумерные (2D) образцы на основе TiNi с развитой террасовидной поверхностью. Апробирована новая методика создания 2D образцов. Полученные образцы исследованы методами оптической, растровой, просвечивающей, атомно-силовой микроскопий, ренгеноструктурным анализом и интерференционной профилометрией, исследована проницаемость полученных образцов. Чтобы подтвердить правильность используемого подхода для достижения поставленной цели, дополнительно выполнено исследование особенностей мартенситных превращений в полученных пористых сплавах, проведены испытания на разрушение методом изгиба.
IV. Выполнены эксперименты in-vitro с клеточными культурами на плоских образцах с развитой террасовидной поверхностью с целью выявления роли морфологии поверхности на процессы адгезии и пролиферации клеточных популяций. Проведены исследования по биотестированию модифицированных монолитных образцов из никелида титана с измененным поверхностным слоем и других материалов. С привлечением электрохимических методов анализа установлены особенности электрохимического состояния поровой поверхности и возможность определения его влияния на процессы адгезии клеточных популяций на террасовидной поверхности сплава TiNi;
V. Члены научного коллектива представили полученные научные результаты в 7 докладах на различных конференциях. Подготовлена заявка для патента на тему создания пористого сплава TiNi. Разработаны печатные сообщения (http://www.tsu.ru/news/fiziki-sozdayut-bazu-usloviy-dlya-spekaniya-splavo/; https://www.rscf.ru/news/presidential-program/material-na-osnove-nikelida-titana/) и видеоматериалы в различные средства массовой информации. Опубликована одна статья в журнале, переводная версия которого рецензируется Web of Science и Scopus. На одну статью из аналогичного журнала получена справка о принятии работы в печать.
Публикации
1. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Кафтаранова М.И., Яковлев Е.В., Гюнтер В.Э. Структура поверхности порошкового сплава на основе никелида титана, полученного методом диффузионного спекания ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ. ФИЗИКА / RUSSIAN PHYSICS JOURNAL, т.63, 3(747), С. 124-130 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17223/00213411/63/3/124
2. Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н., Артюхова Н.В., Гарин А.С., Гюнтер В.Э. Влияние добавок титана на структурные особенности пористых материалов на основе никелида титана, полученных методом диффузионного спекания НЕОРГАНИЧЕСКИЕ МАТЕРИАЛЫ / INORGANIC MATERIALS, - (год публикации - 2020)
3. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Гарин А.С., Ходоренко В.Н., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Структурные особенности порошкового сплава TiNi в перспективе создания биосовместимых пористых материалов методом диффузионного спекания Сборник материалов LXII Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (АПП-2020), - (год публикации - 2020)
4. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И. Создание методом диффузионного спекания двумерных пористых материалов на основе никелида титана для применения неразрушающих методик исследования структурных особенностей Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых., - (год публикации - 2020)
5. Волочаев М.Н., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Исследование методом просвечивающей микроскопии структурных особенностей порошка на основе никелида титана Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых., - (год публикации - 2020)
6. Гарин А.С., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Структурные особенности сплавов на основе никелида титана с добавками титана, полученные методом диффузионного спекания Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых., - (год публикации - 2020)
7. Гарин А.С., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И. Биосовместимые пористые сплавы на основе никелида титана с добавками титана, полученные методом диффузионного спекания Сборник материалов XVII Российской научной студенческой конференции по физике твердого тела “ФТТ-2020”, - (год публикации - 2020)
8. Корсакова Д.Р., Аникеев С.Г. Разработка способа изготовления электрода для изучения электрохимических свойств поверхности никелида титана Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых., - (год публикации - 2020)
9. Мамазакиров О. Р., Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. Obtaining biocompatible porous TiNi-based materials by methods of self-propagation high-temperature sinthesis and sintering Перспективы развития фундаментальных наук: сборник трудов XVII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых., - (год публикации - 2020)
10. - Физики создают базу условий для спекания сплавов с разными свойствами Пресс-служба ТГУ, 3 марта 2020, в разделе "Новости" (год публикации - )
11. - Томские физики создают базу условий для спекания сплавов с разными свойствами Новости сибирской науки, 04.03.2020 (год публикации - )
12. - В России создадут базу биосовместимых материалов для медицинских имплантов Пресс-центр Министерства науки и высшего образования Российской Федерации, 02.03.2020 08:46, ПРЕСС-ЦЕНТР (год публикации - )
13. - Томские физики создают базу условий для спекания сплавов с разными свойствами Пресс служба Института нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А.Трофимука Сибирского отделения Российской академии наук (ИНГГ СО РАН), 4 марта 2020 года (год публикации - )
14. - Физики создают базу условий для спекания сплавов с разными свойствами Новости Программы повышения конкурентоспособности ТГУ, 4 Марта 2020 (год публикации - )
15. - Молодые ученые ТГУ запатентовали способ получения пористого материала на основе никелида титана, схожего с натуральной костью Пресс-служба РНФ, 12 Февраля, 2020 14:29 (год публикации - )
16. - Коллектив молодых ученых лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы ТГУ Группа ВК "Российский научный фонд", 12 фев 2020 в 20:10 (год публикации - )
17. - Вести-Томск, выпуск 14:20 ГТРК «Томск», Выпуск 14:20 от 05.03.2020 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Выполнен комплекс работ и исследований согласно разработанному ранее плану. В полной мере достигнуты ожидаемые научные результаты, предложены альтернативные способы достижения необходимых свойств пористых материалов на основе никелида титана. Исследование имеет междисциплинарный характер, включает в себя не только материаловедение, но и элементы порошковой металлургии, электрохимии, электронно-пучковой модификации и клеточные технологии. Научные результаты, полученные в ходе реализации Проекта, опубликованы в 4 работах, одна из которых в журнале «Applied Sciences» (Q1, WoS, Scopus).
Решена основная задача по созданию методом реакционно-диффузионного жидкофазного спекания биосовместимых пористых материалов на основе TiNi с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и реализацией мартенситных превращений. Разработан способ получения экспериментальных пористых материалов на основе никелида титана с изотермической выдержкой при температуре 1140–1150 С в течение 10 мин и последующим нагревом до 1255±5 С в течение 2 ч. Способ позволяет создавать пористые материалы с возможностью реализации мартенситных превращений в области температур близких организму человека.
Выполнены следующие виды работ:
– Исследованы параметры микроструктуры пористых сплавов TiNi–5/7,5Ti–1,5Ni/Co, полученные методом спекания с изотермической выдержкой и новой последовательностью создания порошковой шихты Ti–Ni/Co–TiNi. Благодаря применению мелкой фракции порошка титана (0–100) мкм совместно с основным порошком TiNi показана возможность достижения мартенситных превращений в получаемых материалах с использованием меньших концентраций Ti без использования реакционных добавок Ni и Co;
– Разработан сравнительный анализ структурных особенностей пористых сплавов на основе никелида титана с целью выявления параметров (химический и гранулометрический состав, температурно-временной режим спекания, методика спекания, функциональные модификации), отвечающим оптимальной методике реакционно-диффузионного спекания для создания пористых сплавов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и мартенситными превращениями. Разработана методика получения материала с реализацией мартенситных превращений за счет использования как добавок Ni и Co, так и отдельно Ti;
– Получены модифицированные экспериментальные пористые двумерные материалы на основе никелида титана методом электронно-пучкового воздействия при использовании фракций порошка TiNi (100–160) мкм и (менее 100) мкм. Исследованы макро- и микроструктурные особенности двумерных порошковых материалов на основе TiNi. Показано эффективность данной методики получения материалов для увеличения коэффициента шероховатости монолитных материалов на основе TiNi;
– Усовершенствована методика проведения электрохимических измерений параметров двумерных порошковых материалов на основе никелида титана при их контакте с биологическими средами. Проведена адаптация методики для изучения электрохимического состояния пористых порошковых двумерных образцов на основе никелида титана;
– Выполнено исследование биосовместимости полученных сплавов TiNi–Ti–Ni/Co с использованием стволовых клеток костного мозга мышей. Изучение кинетики взаимодействия клеточных популяций с поровым пространством инкубаторов и определение жизнеспособности адгезированных клеток выполнено на различных сроках культивации методами РЭМ и конфокальной микроскопии с использованием различных витальных красителей. Цитотоксическое действие образцов полученных сплавов типа TiNi–Ti–Ni и TiNi–Ti–Co на клетки исследовано с использованием МТТ-теста;
– Изучены деформационно-прочностные характеристики полученных и отобранных на предыдущих стадиях материалов на основе никелида титана TiNi–Ti и TiNi–Ti–Ni/Co. Параметры мартенситных превращений определены методом измерения температурной зависимости удельного электросопротивления.
Выполненный комплекс исследований структурных особенностей, физико-механических свойств, а также особенностей взаимодействия с клеточными популяциями, тестами на гемолиз и цитотоксичности позволяет определить наиболее перспективные объемные пористые сплавы на основе никелида титана следующих составов – TiNi–7.5Ti–1,5Co и TiNi–4Ti.
Публикации
1. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Волочаев М.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р. Using titanium additives to produce high porous TiNi-based alloys with martensitic transformations AIP Conference Proceedings, 2310 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/5.0034809
2. Аникеев С.Г., Шабалина А.В., Кулинич С.А., Артюхова Н.В., Корсакова Д.Р., Яковлев Е.В., Власов В.А., Кокорев О.В., Ходоренко В.Н. Preparation and Electron-Beam Surface Modification of Novel TiNi Material for Medical Applications Applied Sciences, 11 4372 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.3390/app11104372
3. Аникеев С.Г., Яковлев Е.В., Артюхова Н.В., Мамазакиров О.Р., Кафтаранова М.И., Промахов В.В. Production of two-dimensional porous TiNi-based powder material by diffusion sintering and electron-beam processing 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE) - 4th International Conference on New Materials and High Technologies -, P. 1240 – 1243. (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1109/EFRE47760.2020
4. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н. , Яковлев Е.В., Марков А.Б., Промахов В.В., Мамазакиров О.Р. Влияние электронно-пучковой обработки на структуру порошкового сплава TiNi, полученного методом гидридно-кальциевого восстановления Journal of Surface Investigation. X-Ray, Synchrotron and Neutron Techniques, - (год публикации - 2021)
5. Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. , Ходоренко В.Н , Мамазакиров О. , Волочаев М.Н , Моногенов А.Н, Яковлев Е.В. Study of the TiNi-based powder alloy surface by non-destructive testing methods Abstracts of 7th International Congress on Energy Fluxes and Radiation Effects (EFRE-2020 online), С. 553-553 (год публикации - 2020)
6. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Мамазакиров О.Р., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Создание методом диффузионного жидкофазного спекания пористых сплавов на основе никелида титана с мартенситными превращениями и развитой поверхностью стенок пор Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), 86-87 (год публикации - 2020)
7. Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Волочаев М.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О. Диффузионное спекание пористого порошкового сплава на основе никелида титана с добавками титана Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 390-391 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.17223/9785946219242/246
8. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Двумерные пористые материалы на основе TiNi, полученные методом спекания Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), С. 111-112 (год публикации - 2020)
9. Волочаев М.Н., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В. Структурные особенности порошка никелида титана, применяемого для изготовления биосовместимых материалов Сборник тезисов XXVIII Российской конференции по электронной микроскопии «Современные методы электронной, зондовой микроскопии и комплементарных методов исследованиях наноструктур и наноматериалов»., С. 266-267 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.37795/RCEM.2020.69.19.036
10. Кафтаранова М.И. , Аникеев С.Г. , Артюхова Н.В. Структура и мартенситные превращения в пористом сплаве TiNi–Ti-Co/Ni, полученном методом диффузионного спекания Сборник тезисов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», - (год публикации - 2021)
11. КафтарановаМ.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Гарин А.С., Ходоренко В.Н. Структурные особенности пористых материалов на основе TiNi с добавками Ti, полученных методом жидкофазного диффузионного спекания Эволюция дефектных структур в конденсированных средах : сборник тезисов XVI Международной школы-семинара (ЭДС–2020), С. 91-92 (год публикации - 2020)
12. Корсакова Д.P., Шабалина В.А., Аникеев С.Г. Изучение возможности характеризации процесса роста клеточных структур на поверхности никелида титана Сборник тезисов XI Международной научной конференции «Современные методы в теоретической и экспериментальной электрохимии», С. 26-26 (год публикации - 2020)
13. Корсакова Д.Р., Аникеев С.Г. Исследование изменений свойств поверхности электрода из TiNi в процессе роста модельных клеток Сборник тезисов XVIII Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», - (год публикации - 2021)
14. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Ходоренко В.Н., Моногенов А.Н., Сенатрева В.В., Волочаев М.Н., Кокорев О.В., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р., Гюнтер В.Э. СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРИСТОГО МАТЕРИАЛА НА ОСНОВЕ НИКЕЛИДА ТИТАНА -, 2 732 716 (год публикации - )
15. - Ученые разработали эластичные пористые материалы для имплантатов Сетевое издание Научно-информационный портал “Поиск” / Science information portal Poisk, 17.11.20 (год публикации - )
16. - Ученые разработали эластичные пористые материалы для имплантатов Томский государственный университет, 17.11.2020 16:12 (год публикации - )
17. - Протезы будут вести себя по-человечески Журнал "Эксперт. Online", 30.11.2020. №49 (год публикации - )
Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Финальным этапом реализации проекта стало определение особенностей гистерезисной зависимости формоизменения разработанных пористых сплавов на основе никелида титана с добавками Ti, Ni, Co (TiNi–2,5Ti, TiNi–5Ti–0.5Ni, TiNi–5Ti–1Co) при испытании на растяжение. Исследование выполнено в сравнительном формате полученных зависимостей формоизменения пористых образцов на основе TiNi с живыми биологическими костными тканями.
Выполнен расширенный анализ влияния структурных характеристик на физико-механические свойства разработанных пористых сплавов на основе никелида титана с добавками Ti, Ni, Co (TiNi–2,5Ti, TiNi–5Ti–0.5Ni и TiNi–5Ti–1Co). Определены способы достижения оптимальных конструкционных и функциональных свойств объемных и двумерных пористых сплавов на основе TiNi. Установлено, что задачу коррекции атомного состава соединения TiNi в структуре порошковых сплавов на основе никелида титана (фракция порошка в интервале (100-160) мкм), полученных методом спекания, возможно решить несколькими способами:
– путем использования добавки 2,5 ат. % Ti малой фракции в интервале (0–100) мкм.
– путем использования добавки 5 ат. % Ti малой фракции в интервале (0–100) мкм совместно с реакционной добавкой либо 0,5 ат. % Ni, либо 1 ат. % Co.
Чтобы равномерно распределить добавку порошка Ti в порошковой шихте на основе TiNi и избежать формирования частиц Ti2Ni и Ti4Ni2(O,N,C) использована его малая фракция (0-100) мкм. В случае добавки Ni и Co требовалось предварительно смешивать Ti с Ni/Co и только после этого данная смесь добавлялась к порошку TiNi. Таким образом, обеспечивалась локальная реализация экзотермической реакции Ti+Ni/Cо, что с одной стороны позволяет снижать температуру спекания на 20-30 С, а с другой снижать количество фазы Ti2Ni в получаемых пористых материалах до 10 об. %.
Разработан способ реакционно-диффузионного спекания, который может быть использован для создания биосовместимых объемных пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной морфологией поверхности стенок пор и гистерезисным характером формоизменения: «Спекание порошковой заготовки на основе никелида титана (фракция 100–160 мкм), состоящего из сплюснутых губчатых частиц, с добавкой порошков Ti (фракция 0–100) мкм в количестве 2,5–5,0 ат.% выполняют с изотермической выдержкой при температуре 1140–1150 С в течение 10 мин и последующим нагревом до 1250–1260 С и выдержкой в течение 2 ч. Дополнительные добавки Ni/Co в количестве 0,5–1,0 ат.% (при добавке 5 ат.% Ti) позволяют снижать температуры спекания на 20–30 С и объемную долю частиц вторичных фаз на основе Ti2Ni до 10 об.%.». Данный способ сформулирован на основе ранее полученных результатов и успешно апробирован на 3 этапе реализации Проекта. Научные результаты, полученные в ходе 1 и 2 этапов, легли в основу поддержанного патента на изобретение № 2732716 от 01.06.2020 «Способ получения пористого материала на основе никелида титана», авторы Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И. и др. Патентообладатель «Национальный исследовательский Томский государственный университет».
Рентгеноструктурные исследование показали, что полученные образцы имеют схожий фазовый состав – соединение TiNi находится в двухфазном состоянии – B2 и B19штрих. Ранее установлено, что мартенситная фаза имеет морфологию кристаллов, со следами раздвойникования. Условно фаза Ti2Ni включает в себя класс оксикарбонитридов Ti4Ni2(O,N,C). Содержание данной фазы является критическим параметром для полученных образцов и ее содержание не превышает 10 об.%. Пористость полученных образцов составила (55 – 65) % при среднем размере пор 70–100 мкм и межпоровых перемычек (55 – 85) мкм (рисунок 3). В сочетании с результатами рентгеновской компьютерной томографии показана анизотропная структура порового пространства, которая имеет коэффициент проницаемости K = (0,0025 – 0,0075)* 10-9 м2 (рисунок. 4). Исследование соотношения доли открытых и закрытых пор, отобранных образцов, проводилось методом измерения объема вытесненной жидкости в соответствии с ГОСТ 2409-2014. Показано, что доля открытых и тупиковых пор, исследуемых образцов лежит в интервале 16,9 – 21,4 % и 40,1 – 43,1 %, соответственно.
Исследование состояния металлического каркаса пористых образцов на основе никелида титана показало, что химический состав соединения TiNi находится в интервале (50,1 – 50,5) ат.% Ni, в то время как при первоначальном составе без добавок Ti это значение достигало до 53 ат.% Ni. Продолжительное время спекания с изотермической выдержкой позволяет достичь растворения вводимого Ti в порошковой системе TiNi, более того реакционная добавка Ni и Co снижает температуру спекания при сохранении высокого качества межчастичных контактов и регулярной пористой структуры. Полученный химический состав соединения TiNi способствует реализации мартенситных превращений, лежащих в основе большого количества функциональных свойств в интервале температур (0 – +61,6) С. По анализу температурной зависимости удельного электросопротивления (ER) установлено двухэтапное мартенситное превращение через R-фазу в B19штрих. Эти результаты были подтверждены в том, числе методом DSC, где наблюдается соответствие с температурами МП, определенными методом ER. Пики тепловыделения и теплопоглощения имеют асимметричные плечи из-за перекрытия при двухэтапном фазовом превращении.
Выполнено исследование поверхностных и коррозионных свойств материалов на основе никелида титана. Образцы сплавов TiNi были исследованы с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ). Поляризационные кривые регистрировались с использованием Потенциостат–гальваностата в трех-электродной ячейке Э-7СФ, заполненной физиологическим раствором. Выполнен сравнительный анализ полученных данных с целью выявления наиболее стабильного материала в условиях биологической среды.
При комплексном рассмотрении параметров коррозии и их изменения при повторной регистрации циклов поляризации, можно заключить, что на данном этапе работ, наиболее устойчивыми к коррозии материалами с наиболее стабильными свойствами являются 2D-КП20, 2D-МП-20, 2D-МП-30, 2D-КП/t/ox. Их устойчивость превышает таковую для титана и исходного никелида титана. Кроме того, она сохраняется даже после коррозионного воздействия (регистрации поляризационных кривых на первом и втором цикле коррозионных измерений).
Полученные результаты представлены на 7 международных и всероссийских конференциях в России в очном и заочном форматах участия. Материалы конференций опубликованы в сборниках, часть из которых индексируются в РИНЦ. Результаты Проекта вошли в основу статьи, которая опубликована в высокорейтинговом научном журнале «Journal of Alloys and Compounds» (Q1, IF = 5.316) под названием – «Preparation of porous TiNi-Ti alloy by diffusion sintering method and study of its composition, structure and martensitic transformations», авторы – S.G. Anikeev, N.V. Artyukhova, A.V. Shabalina, S.A. et. al. (https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163559).
Совместно с пресс-службой ТГУ подготовлен информационный материал о ходе реализации проекта – «Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов» (https://www.tsu.ru/news/uchenye-sfti-tgu-uluchshili-materialy-dlya-kostnykh/). Новость была распространена в более чем 5 источниках, где отмечалась поддержка Фондом. Результаты работы по проекту легли в основу 3 диссертаций бакалавра, 2 диссертаций магистра.
Публикации
1. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Шабалина А.В., Кулинич С.А., Ходоренко В.Н., Кафтаранова М.И., Промахов В.В., Гюнтер В.Э. Preparation of porous TiNi-Ti alloy by diffusion sintering method and study of its composition, structure and martensitic transformations Journal of Alloys and Compounds, № 900, 163559 (год публикации - 2022) https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2021.163559
2. Аникеев С.Г. Фазовый состав порошкового сплава на основе никелида титана, полученного методом гидридно-кальциевого восстановления ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 3-4 (год публикации - 2021)
3. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Кафтаранова М.И., Волочаев М.Н., Ходоренко В.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р., Промахов В.В., Гюнтер В.Э. Свойства порошкового сплава ПВ–Н55Т45 в перспективе создания пористых биосовместимых материалов на основе никелида титана с мартенситными превращениями Четвёртая международная конференция «Сплавы с памятью формы». Москва. 13-17 сентября 2021 г. Сборник тезисов., М: НИТУ «МИСиС», 2021, С. 9. (год публикации - 2021)
4. Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Мамазакиров О .Р. Проницаемость пористых сплавов на основе TiNi, полученных методом диффузионного спекания XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов., - (год публикации - 2022)
5. Аникеев С.Г., Шабалина А.В., Столяров В.В. Использование аптамеров для увеличения параметров биосовместимости пористых материалов на основе TiNi Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.)., - (год публикации - 2022)
6. Артюхова Н.В. Деформационное поведение пористого сплава на основе никелида титана с добавками Co, полученного методом спекания ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 5-6 (год публикации - 2021)
7. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И. Электронно-пучковая обработка порошкового сплава TiNi Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.)., - (год публикации - 2022)
8. Артюхова Н.В., Аникеев С.Г., Кафтаранова М.И., Столяров В.В. Деформационно-прочностные свойства пористых сплавов на основе TiNi с добавками Ti XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов., - (год публикации - 2022)
9. Кафтаранова М.И. Исследование состояния поверхности биосовместимого пористого сплава на основе TiNi ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С. 169-171 (год публикации - 2021)
10. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Мамазакиров О.Р., Моногенов А.Н., Ходоренко В.Н. Фазовые превращения в спеченном пористом сплаве TiNi–Ti-Co/Ni Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», Томск : Издательство ТГУ, 2021. – С. 188-189. (год публикации - 2021)
11. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Артюхова Н.В., Ходоренко В.Н., Гарин А.С., Мамазакиров О.Р., Промахов В.В., Волочаев М.Н., Гюнтер В.Э. Фазово-химическое состояние сплавов TiNi-Ti-Ni и TiNi-Ti-Co Четвёртая международная конференция «Сплавы с памятью формы». Москва. 13-17 сентября 2021 г. Сборник тезисов., М: НИТУ «МИСиС», 2021, С. 45. (год публикации - 2021)
12. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н. Структурные и морфологические характеристики пористых материалов TiNi-Ti-Co Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.), - (год публикации - 2022)
13. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Прочностные и пластические свойства сплавов TiNiMoFeCu Материалы XХI Уральской школы-семинара металловедов — молодых ученых, (07 — 11 февраля 2022 года), - (год публикации - 2022)
14. Кафтаранова М.И., Аникеев С.Г., Ходоренко В.Н., Артюхова Н.В. Структура поверхности биосовместимых пористых образцов сплава TiNi, полученных диффузионным спеканием XI Всероссийская научная конференция с международным участием «Актуальные проблемы современной механики сплошных сред и небесной механики – 2021» г. Томск, 1-3 декабря 2021 г. / Сборник трудов., - (год публикации - 2022)
15. Мамазакиров О. Особенности структуры и проницаемость модифицированного пористого никелида титана, полученного методом диффузионного спекания ХVIII Российская ежегодная конференция молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». Москва. 30 ноября – 03 декабря 2021 г. / Сборник трудов., С.176-177 (год публикации - 2021)
16. Мамазакиров О. Исследование проницаемости модифицированного никелида титана, полученного методом диффузионного спекания XVIII Российская научная студенческая конференция по Физике твердого тела. 28 – 31 марта 2022, Томск. Сборник трудов., С. 59-61 (год публикации - 2022)
17. Мамазакиров О., Аникеев С.Г., Артюхова Н. В. Permeability of the porous titanium nickelide based alloys with titanium additions produced by the diffusion sintering method Перспективы развития фундаментальных наук : сборник трудов XIX Международной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых (Томск, 26–29 апреля 2022 г.), - (год публикации - 2022)
18. - Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов ТГУ, 3 февраля 2022 (год публикации - )
19. - Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов Пресс-служба ТГУ, 3 Февраля 2022 (год публикации - )
20. - Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов Российская национальная нанотехнологическая сеть, 07 февраля 2022 (год публикации - )
21. - Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов Томский консорциум научно-образовательных и научных организаций, 03.02.2022 (год публикации - )
22. - Ученые СФТИ ТГУ улучшили материалы для костных имплантатов Томское подразделение мультирегионального агрегатора BezFormata.Ru, 03.02.2022 16:36 (год публикации - )
Возможность практического использования результатов
В результате выполненной научной работы в рамках Проекта получен порошковый материал в пористом и пористо-монолитном исполнении с высокими функциональными свойствами, с различными диапазонами пористости, среднего размера пор, распределения пор по размерам и развитой шероховатой структурой поверхности. При создании биосовместимого материала большое значение уделяли получению необходимой структуры его внутреннего (объемно-пористого) пространства, а именно наличию развитой морфологии поверхности стенок пор микронного и субмикронного диапазона размеров (микропоры, террасы), которые приводят к кардинальному улучшению биосовместимости материала. Разработанная новая методика получения развитой шероховатой поверхности стенок пор за счет формирования террасовидного рельефа дала возможность использования полученного материала в медицинской практике. Полученный пористый материал с увеличенной за счет субмикронного рельефа удельной поверхностью нашел применение в области медицинской имплантологии, в частности при создании дентальных имплантатов, фиксирующих устройств, протезов тел позвонков, в онкологической практике для замещения анатомических структур грудной клетки, а также в инновационной технологии клеточной терапии, основанной на применении объемных пористых инкубаторов.
Полученные методом спекания пористо-проницаемые материалы на основе никелида титана широко применяют для задач замещения костной ткани, а именно в стоматологических имплантатах. Разработанные пористо-проницаемые дентальные имплантаты из сплавов на основе никелида титана, полученные методом спекания, существенно расширили возможности хирурга имплантолога при создании надежных опор для несъемного и съемного протезирования зубных рядов. Они позволили проводить реконструкцию зубного ряда челюстей с высокой степенью стабилизации и долговременным положительным эффектом. Структура имплантатов способна адаптироваться к тканевой системе и нести значительные функциональные нагрузки. Биохимическая и биомеханическая совместимость с тканями организма, наличие сквозной проницаемой пористости обеспечивали их гармоничное взаимодействие с костным ложем реципиента и длительное функционирование ортопедической конструкции как неотъемлемой части структуры восстановленного зубочелюстного аппарата. Проведенные экспериментальные исследования показали, что имплантаты на основе пористо-проницаемых сверхэластичных материалов из никелида титана полученные методом спекания создают оптимальные условия для течения костеобразовательных процессов при пересадке их в костные дефекты, обеспечивают прочное их сращение с костным ложем реципиента за счет врастания костных структур в поры имплантата и формирования костной ткани по всей глубине имплантата. Наличие развитой шероховатой поверхности стенок пор за счет формирования террасовидного рельефа создает возможности регулирования костеобразовательных процессов. Улучшенные методы модификации поверхности структуры пор имплантатов существенно повышают эффективность реабилитации больных за счет сокращения сроков приживаемости имплантатов.
К числу результатов полученных в рамках Проекта, имеющих особое научное и практическое значение, относятся использование полученных методом спекания материалов с развитой морфологией поверхности стенок пор микронного и субмикронного диапазона размеров в клеточных технологиях. В настоящее время созданные изотермические пористо-проницаемые материалы используются в качестве инкубаторов - носителей клеточных культур. На их основе разработаны уникальные методы и технические средства лечения заболеваний внутренних органов методами клеточной терапии таких сложных болезней, как сахарный диабет, заболевания печени, поджелудочной железы, костного мозга. Получены положительные эффекты при лечении опухолевого роста, токсического гепатита, аллоксанового диабета. Трансплантация клеток аллогенного костного мозга на пористо-проницаемых инкубаторах из никелида титана открывает новые возможности в биотерапии злокачественных новообразований. Эффективность применения имплантируемых инкубаторов с клетками печени, простота использования могут способствовать внедрению нового метода лечения печеночной недостаточности в клиническую практику. К важным результатом можно отнести возможность пролонгированное действие бэта-клеток поджелудочной железы, иммобилизованных в инкубаторах, при лечении сахарного диабета.
В этих случаях чрезвычайно важная роль отводится внутренней структуре пористо-проницаемого материала. Важность полученных результатов в проекте заключается в получении пористо-проницаемого спеченного материала с развитой шероховатой террасовидной морфологией поверхности стенок пор, которая стимулирует развитие клеточных популяций с ранних этапов жизнедеятельности, что создает дополнительные благоприятные условия для интеграции клеточных культур в поровом пространстве инкубаторов. Это приводит к ускорению сроков приживаемости имплантатов, созданных по предлагаемой технологии, и их дальнейшему успешному функционированию.
С разработкой пористо-проницаемого материала на основе никелида титана методом спекания с особой структурой внутреннего пространства и развитой морфологией стенок пор появилась возможность создания высокоэффективных технологий оперативных вмешательств в челюстно-лицевой хирургии. Одной из важных и сложных проблем современной челюстно-лицевой хирургии является эндопротезирование различных отделов нижней челюсти в целях устранения ее дефектов врожденного и приобретенного генеза. Замещение головки височно-нижнечелюстного сустава, ветви и тела нижней челюсти у лиц с травматическими повреждениями в случае невозможности проведения других мероприятий, нормализующих анатомо-функциональные особенности зубочелюстного аппарата, осуществляли эндопротезами из никелида титана. Эндопротез ветви нижней челюсти изготовлен из комбинированного – литого и пористого никелида титана. Он состоит из перфорированной сверхэластичной никелид титановой пластины и поверхностных слоев из пористого никелида титана. К монолитной пластине с обеих сторон методом спекания порошка никелида титана нанесен пористый материал. Создание пористой части на монолитной пластине никелида титана позволяет в более короткие сроки интегрироваться конструкции в ткани организма. Пористая структура композита после имплантации конструкции прорастает окружающей тканью, кровеносными сосудами и имплантат интегрируется в организм. Анализ результатов лечения показал высокую эффективность разработанных технологий.
Таким образом, выполненная в рамках Проекта задача разработки метода реакционно-диффузионного спекания для создания биосовместимых пористых материалов на основе никелида титана с развитой террасовидной поверхностью стенок пор и гистерезисным характером формоизменения позволила создать имплантаты из никелида титана, использование которых в медицинской практике способствует существенному улучшению непосредственных и удаленных результатов лечения, снижению потребности в повторных реконструктивных операциях и более ранней медико-социальной реабилитации больных. Полученные обнадеживающие результаты в эксперименте и клинической практике позволяют надеяться, что разработанные медицинские технологии получают широкое клиническое применение в лечебно-профилактических мероприятиях, направленных на улучшение качества жизни больных, а также снизят расходы на их лечение.