Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Проведены работы по синтезированию нанопорошковых композиций на основе частиц Fe-Cu в атмосфере аргона с необходимым соотношением элементов и заданным распределением частиц по размерам. Порошок на основе железа-меди был синтезирован методом совместного электрического взрыва проволок (ЭВП) железа и меди в атмосфере аргона. С помощью подбора диаметра и длины проволок были получены нанопорошки с различным соотношением железа и меди – Fe98Cu8, Fe70Cu30, Fe46Cu54, Fe30Cu70. Основываясь на анализе литературных данных, а также на опыте использования антибактериальных компонентов для придания бактерицидных свойств был выбран нанопорошок с минимальным содержанием меди, а именно Fe98Cu8. Это позволит избежать токсического и аллергического воздействия меди на здоровые клетки организма человека. Проведены исследования полученного порошка Fe-Cu методом просвечивающей электронной микроскопии. Распределение частиц металлического порошка 90Fe-10Cu по размерам, полученного методом ЭВП, имеет мономодальный характер. По результатам анализа размера частиц методом седиминтационного анализа их размер составил 50±20 нм. В порошке присутствуют частицы размерами более 100 нм, однако их объемная доля не превышает 5 %. Исследование состава частиц порошка с помощью энергодисперсионного анализа показало, что состав порошка близок к номинальному (Fe: 86.2 мас %, Cu: 13.8 мас. %). В металлическом нанопорошке установлено наличие двух фаз: α-Fe и Cu. Стоит отметить, что установление точного количества содержания второй фазы затруднено вследствие низкой интенсивности рефлексов по отношению к первой. В качестве кальцийфосфатного порошка был выбран гидроксиапатит (ГА) со стехиометрическим отношением кальция к фосфору (~1,67) Ca10(PO4)2(OH)6. Результаты энергодисперсионного микроанализа порошка ГА показали, что порошок имеет стехиометрическое соотношение Ca/P. Элементы (кальций, фосфор, кислород) распределены однородно. Порошок ГА представлен как крупными агломератами со средним размером 110 мкм, так и более мелкими частицами со средним размером 2 мкм. По результатам рентгенофазового анализа установлено, что исходный порошок гидроксиапатита относится к гексагональной сингонии с пространственной группой P 63/m (176). Были подготовлены фидстоки с различным соотношением долей порошков Fe-Cu и ГА с полимерной составляющей. К металлической части композита был добавлен порошок стехиометрического гидроксиапатита. Полимерная составляющая для фидстоков была подготовлена в следующем соотношении: 75 мас. % – канифоль, 15 мас. % – 1,6 гександиол, 10 мас. % –этиленвинилацетат. Было получено три группы образцов: 50 масс.% порошка Fe-Cu-ГА и 50 масс.% полимерной составляющей (50Fe-Cu-ГА); 45 масс.% порошка Fe-Cu-ГА и 55 масс.% полимерной составляющей (45Fe-Cu-ГА); 40 масс.% порошка Fe-Cu-ГА и 60 масс.% полимерной составляющей (40Fe-Cu-ГА). Для равномерного распределения компонентов получившиеся смеси были перемешаны в лабораторном смесителе Шатца в течение 30 минут. После этого смесь порошка и полимеров была подвергнута пластификации нагревом под бутилацетатом при температуре 90 °C. Полученный фидсток был пропущен через шнековый экструдер 4 раза с постепенным уменьшением диаметра сопла от 2,0 до 0,5 мм, что также повышает равномерность состава смеси. Формирование композитных образцов из полученных фидстоков производилось методом печати на 3-d принтере Prusa i3 (Prusa Research, Прага, Чехия) с доработанной системой подачи проволоки для печати порошками с полимерной составляющей. Путем подбора параметров печати для наилучшей адгезии слоев и равномерности были выявлены и использованы следующие параметры печати: высота слоя 0,25 мм, скорость печати 60 мм/мин при диаметре сопла 0.8 мм, температура подложки 90 °C, температура сопла 140 °C. Целевой формой для 3-d печати был задан цилиндр с диаметром 20 мм при высоте 2.5 мм. Спекание производилось в вакуумной печи. Выдержка при температуре Т1 (450 °C) обеспечивает удаление этиленвинилацетата из изделия, при температуре Т2 (1000 °C) происходит консолидация частиц металлокерамической части и окончательное формирование изделия. Были проведены исследования структурно-фазовых свойств композитных образцов, а также исследование их микроструктуры и физико-механических свойств. Были представлены РЭМ-изображения и карты распределения элементов на поверхности образцов, полученных с добавлением разного количества порошка Fe-Cu и ГА (50, 45 и 40%). Поверхность всех образцов характеризовалась наличием пор и частиц ГА. По изображению и картам распределения кальция и фосфора можно видеть, что в образце с 50%Fe-Cu-ГА присутствуют мелкие поры со средним размером 1,5 мкм и более крупные немногочисленные частицы ГА размером 6,8 мкм. Кроме того, на поверхности композита однородно распределена медь в виде мелких включений, размеры которых не превышают 1 мкм. Уменьшение доли порошков Fe-Cu и ГА до 45 % приводит к более однородному распределению частиц порошка ГА и увеличению их количества. При этом средний размер пор не меняется с уменьшением доли порошковой части до 45%, а средний размер частиц ГА уменьшается до 5,5 мкм. Карты распределения демонстрируют однородное распределение железа и меди, а кальций и фосфор концентрируются в местах локализации крупных частиц ГА. Поверхность образцов с 40% Fe-Cu и ГА (рисунок 10в) характеризуется крупными частицами ГА со средним размером 10 мкм и порами со средним размером 1,8 мкм. Максимальное количество полимерной составляющей в данном образце привело к менее однородному перемешиванию порошка Fe-Cu-ГА в фидстоке. Выявлено, что структура образцов после спекания представляет собой зерна фазы α-Fe ( со средним размером d=10±5 мкм с мелкими включениями медной фазы средним размером d=1±0.5 мкм, при чем некоторые зерна отделены друг от друга широкими границами зерен. Кроме того, их доля повышается с ростом полимерной составляющей до спекания. В результате рентгенофазового анализа было обнаружено, что композит представлен фазой железо, о чем свидетельствуют интенсивные пики фазы α-Fe. В работе представлены зависимости микротвердости по Виккерсу (HV) композитов от приложенных нагрузок (P). Наименьшей микротвердостью, которая уменьшается от 1525 до 860 МПа, характеризуется образец 50Fe-Cu-ГА. Это обусловлено малым количеством частиц ГА, неоднородно распределенным в объеме образца. Более высоким значением микротвердости характеризуется образец 40Fe-Cu-ГА. При повышении нагрузки величина микротвердости образца уменьшается от 1655 до 950 МПа. Стоит отметить, что в данном образце наблюдалось большое количество крупных частиц ГА, удаленных друг о друга, что свидетельствует о неоднородной структуре. При этом высокая концентрация частиц ГА в образце способствует повышению микротвердости по сравнению с образцом 50Fe-Cu-ГА. Наибольшие значение микротвердости наблюдаются при испытании образца 45Fe-Cu-ГА. Микротвердость данного образца уменьшается от 1625 до 965 при повышении нагрузки от 1 до 9.8 Н. Были проведены работы по созданию компьютерных моделей (прототипа программы) для прогнозирования величины микротвердости композитов на основе нанопорошка 50Fe-Cu-ГА с применением методов машинного обучения. Созданы прототипы программ для анализа механических свойств исследуемый системы. В рамках проекта создана суррогатная компьютерная модель, позволяющая строить новые зависимости микротвердости от длины диагоналей отпечатка индентора и при любых значениях нагрузок индентора в интервале от 0,25 до 9,8 Н. С опорой на построенную модель было проведено сопоставление результатов моделирования и эксперимента для определения достоверности/точности применяемого подхода. Предложенная модель для прогнозирования механических свойств композитного материала 50Fe-Cu-ГА полезна для подбора нагрузок индентирования материала с целью предотвращения разрушения материала. Использование прогнозной модели во время обработки экспериментальных данных позволит существенно оптимизировать исследовательский процесс.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В ходе настоящей работы были проведены исследования кинетики объемной биорезорбции и коррозионной стойкости образцов с разной долей содержания порошков Fe-Cu и гидроксиапатита в биологических растворах. Самым корозионноустойчивым является образец с наибольшей добавкой полимерной части 40Fe-Cu-ГА, его скорость коррозии составляет 0,005 мм/год. При уменьшении полимерной составляющей на 5 мас. %, скорость коррозии увеличивается до 0,011 мм/год. Материал с 50 масс.% смеси порошков Fe-Cu и ГА имеет самую высокую скорость коррозии из представленных групп (0,032 мм/год). Кроме того, распределение областей межкристаллитной коррозии в образце 50Fe-Cu-ГА является наиболее равномерным, в то время как на образце 45Fe-Cu-ГА области распределены более неоднородно, и потенциально зависят от локальной пористости в образце. На образце 40Fe-Cu-ГА областей коррозии Fe2O3 регистрируется малое количество. Результаты электрохимических исследований подтверждают данные, полученные иммерсионным методом. Образцы 50Fe-Cu-ГА показывают значение расчетное коррозионного тока (Iкорр) 18,1±0,6 мкА/см2 при поляризационном сопротивлении 2.56 кОм·см2. Самым коррозионностойким образцом как и в иммерсионном исследовании являются композиты 40Fe-Cu-ГА, у которых значение Iкорр равно 13,0±0,8 мкА/см2 при поляризационном сопротивлении 3,34 кОм·см2. Эффект уменьшения плотности коррозионного тока может быть связан как с увеличением доли закрытых пор, так и с более равномерным распределением частиц гидроксиапатита в объеме композитов. Коррозионный потенциал в случае образцов 50Fe-Cu-ГА и 45Fe-Cu-ГА сдвинут в область более электроотрицательных значений по сравнению с потенциалом чистого железа. Так как одной из задач проекта было ускорение коррозии материала, то можно заключить, что группы образцов 50Fe-Cu-ГА и 45Fe-Cu-ГА удовлетворяют запланированной задаче больше, чем группа образцов 40Fe-Cu-ГА. Получены результаты исследования цитототоксичности биоразлагаемых композитных образцов с разной долей содержания порошков Fe-Cu и гидроксиапатита при помощи MTT-теста на тестовых клеточных культурах фибробластов 3Т3, наиболее чувствительных к токсическому воздействию. Исследования цитототоксичности биоразлагаемых композитных образцов с разной долей содержания порошков Fe-Cu и гидроксиапатита были проведены при помощи MTT-теста на тестовых клеточных культурах фибробластов мыши 3Т3, наиболее чувствительных к токсическому воздействию. Был выявлен рост клеток при взаимодействии со всеми группами образцов. Это указывает на отсутствие токсического эффекта на клетки через 24 часа. Полученные данные свидетельствуют о том, что все образцы не являются токсичными для клеток и могут быть допущены до исследований в живой среде in vivo. Проведены тестирования биоразлагаемых композитных образцов для оценки биоцидных свойств. Были получены результаты анализа антибактериальной активности объемных композитов на основе Fe-Cu и гидроксиапатита в ходе экспериментов in vitro с депонированными коллекционными патогенными штаммами Staphylococcus aureus. Исследования антибактериальной активности образцов проводили с помощью стандартного суспензионного метода. Группы образцов 40Fe-Cu-ГА и 45Fe-Cu-ГА показали значительный антибактериальный эффект (R более 99,9%) в отличие от контрольного образца. Образец 50Fe-Cu-ГА подавлял рост на 72 %. Полученные данные подтверждают решающий вклад морфологии образцов и наличие в составе меди в их антибактериальную активность. Кроме того, гидроксиапатит может подавлять рост бактерий за счет высвобождения ионов PO43-, которые могут ингибировать ферменты дыхательной цепи. Разработано готовое программное обеспечение с применением нейросетевого обучения для прогнозирования величины микротвердости объемных композитных материалов с разным количеством доли порошков Fe-Cu и гидроксиапатита на основе имеющихся экспериментальных данных. На основе предложенного в первом году выполнения проекта алгоритма машинного обучения для композитов с 50 масс.% порошка Fe-Cu и гидроксиапатита (остальное-полимерная составляющая) разработано программное обеспечение, позволяющее создавать прогнозные модели зависимости величины микротвердости объемных композитных материалов 40 масс.% Fe-Cu и гидроксиапатита и 45 масс.% Fe-Cu и гидроксиапатита для любых значений нагрузки индентора в диапазоне 0,25-9,8 Н. Были разработаны алгоритм и программа для построения прогнозных моделей микротвердости объемного материала Fe-Cu-ГА с использованием методов машинного обучения. Разработан способ дополнения экспериментальных данных модельными, полученными на суррогатной модели. Этот подход устраняет разрыв между эмпирическими наблюдениями и теоретическими предсказаниями, предлагая более полное понимание поведения материалов. На основе методов машинного обучения построена модель, способная оценивать микротвердость композиционного материала Fe-Cu-ГА в диапазоне значений нагрузки от 0 до 9,8 Н. Эта модель представляет собой универсальный инструмент для оценки свойств материала в различных условиях без необходимости обширных экспериментальных испытаний. Полученные результаты исследований свойств образцов с варьируемой массовой долей порошков Fe-Cu и гидроксиапатита и разной долей полимерной составляющей проанализированы и на их основе выбраны наилучшие составы для получения биоразлагаемых композитов с антибактериальными свойствами и необходимыми функциональными характеристиками. Так как для материалов, используемых в биомедицине очень важным свойством является прочность, наиболее привлекательный состав для изготовления материала - 45Fe-Cu-ГA. Данная группа образцов продемонстрировала наилучшие механические характеристики в испытаниях на растяжение. В других исследованиях данная группа образцов также показала высокие характеристики, что позволяет рекомендовать их к использованию в качестве биоматериалов. Группа данных образцов показала высокие антибактериальные свойства и низкую цитотоксичность. Однако, образцы группы 50Fe-Cu-ГA также показали высокие механические характеристики, а именно высокие значения микротвердости.Кроме того, образцы группы 50Fe-Cu-ГA продемонстрировали лучшие результаты при коррозионных и биологических испытаниях. Полученные композиты на основе системы железо-медь с добавлением ГА 45Fe-Cu-ГA и 50Fe-Cu-ГA имеют высокий потенциал для использования их в качестве материала для изготовления биоразлагаемых костных имплантатов. Разработанный материал, полученный на основе нанопорошка Fe-Cu и гидроксиапатита характеризуется высоким антибактериальным потенциалом, удовлетворительными механическими характеристиками и является совместимым с клетками соединительной ткани. По результатам выполнения второго этапа проекта было опубликовано 2 статьи, индексируемых в базах данных SCOPUS, RSCI и РИНЦ. Результаты работы были доложены на 2 международных научных конференциях для доведения результатов научного исследования по проекту до научного сообщества и популяризации результатов исследования.