Аннотация результатов, полученных в 2022 году
Методом газовой атомизации получен порошок из сплава Ti-Zr-Nb. В результате проведенного рассева была получена опытная партия порошкового материала из сплава Ti-Zr-Nb в количестве 6 кг с требуемыми характеристиками гранулометрического состава. Произведен анализ химического состава, геометрических и технологических характеристик порошка из сплава Ti-Zr-Nb. Установлено, что полученная партия порошка пригодна для получения изделий методом селективного лазерного сплавления (СЛП) на установке TRUPRINT1000. На основе аналитического анализа литературы осуществлен выбор и моделирование типов и параметров пористых структур, соответствующих функциональным требованиям изделий. Разработаны модели пористых структур на основе ячеек ромбического додекаэдра (Д) и листового гироида (Г), а также полиэдры Вороного (В). Геометрические параметры пористых структур соответствуют высоким требованиям к пористым материалам, обеспечивающим наиболее благоприятные условия для остеоинтеграции. При этом, толщина тонких конструкционных элементов внутренней архитектуры (200-260 мкм) материалов находится на предельном уровне с точки зрения технологических возможностей метода СЛП. Разработан подход к совершенствованию режимов СЛП, позволяющих изготавливать высокопористые материалы с тонкими внутренними элементами конструкции. Подход был эффективно применен в процессе изготовления разработанных для костных имплантатов пористых структур типа Д пористостью около 75% из сплава Ti-6Al-4V. Показано, что снижение уровня дефектной пористости с ≈1,8% до 0,6% обеспечивается применением разработанного режима СЛП. С применением разработанного режима изготовлена серия экспериментальных образцов пористых структур типа Д, Г и В для исследования механических свойств. Из результатов исследования механических свойств видно, что прочностные характеристики структуры типа Д значительно выше, чем у других структур. Такое превосходство прочности структуры с ячейкой типа Д связано с более оптимальной конструкцией. Сравнивая механические свойства пористых структур двух типов (Д и В), построенных по разработанному режиму СЛП, можно заметить, что при одной пористости и сопоставимом уровне прочности величины модуля Юнга ниже, чем у аналогов (1,55±0,12 ГПа против 4,89±0,05 ГПа для Д и 1,25±0,10 ГПа против 1,82±0,15 ГПа для В). Такая низкая величина модуля Юнга соответствует уровню жесткости губчатой костной ткани. Разработаны режимы СЛП для изготовления качественных пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb с высокой точностью контроля геометрии тонких элементов внутренней поверхности (перемычек). Изготовлена 1 серия экспериментальных образцов в монолитном и пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb для исследований и испытаний. Также изготовлена 1 серия экспериментальных образцов пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb для модификации поверхности. Проведено исследование макро- и микроструктуры, химического и фазового состава экспериментальных образцов в монолитном и пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb. Установлено, что в ходе атомизации и СЛП наблюдается изменение химического состава по основным компонентам и кислороду, что может отразиться на конечных функциональных свойствах изделий. По результатам рентгеноструктурного анализа показано, что сплав находится в однофазном β состоянии. Отработаны различные методики модификации монолитных образцов из сплава Ti-Zr-Nb с применением методов химического травления, атомно-слоевого осаждения и синтеза наночастиц серебра.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
С применением селективного лазерного плавления изготовлена 2 серия экспериментальных образцов в монолитном и пористом виде из сплава Ti-Zr-Nb. Разработаны режимы и условия термической обработки пористых материалов из сплава Ti-Zr-Nb для исследований и испытаний. С применением методов рентгеноструктурного анализа, световой и электронной микроскопии влияния термической обработки на микроструктуру и фазовое состояние экспериментальных образцов из сплава Ti-Zr-Nb. Показано, что термическая обработка способствует снятью остаточных напряжений, а также некоторому изменению дислокационной субструктуры β-фазы (перераспределение дислокаций и формирование малоугловых границ), сформированной в результате СЛП. Изучены структура, химический состав и химическое состояние поверхности поверхности сплава Ti-Zr-Nb, модифицированной с применением трех различных подходов. Показано, что поверхность может быть успешно модифицирована методом атомно-слоевого осаждения, позволяющем создать тонкий гладкий слой диоксида титана, а также методом химического травления, позволяющим сформировать на поверхности развитую пористую структуру. Были разработаны методики химического синтеза наночастиц серебра и золота на модифицированных поверхностям. Также показано, что наночастицы золота могут быть функционализированы аминокислотой и антибиотиками. Изучена шероховатость и смачиваемость модифицированной поверхности монолитных образцов из сплава Ti-Zr-Nb. По результатам измерения параметра Ra было установлено, что для всех образцов, после обработки в растворе «Пираньи» значение шероховатости возрастает, что связано с формированием на поверхности развитого пористого слоя. После формирования на поверхности, подверженной травлению, наночастиц металлов, величина шероховатости либо меняется слабо, либо значительно возрастает. По результатам измерения контактного угла смачивания установлено, что поверхность образцов после модификации более гидрофильная. Поверхность образцов в исходном состоянии является более гидрофобной. Можно предположить, что изменение гидрофильности связано в первую очередь с изменением топографии поверхности. Так изначально гидрофильный материал с гладкой поверхностью будет проявлять еще более гидрофильное поведение при формировании на нем развитой поверхности. Повышение шероховатости и гидрофильности материала может оказать положительный эффект на с процессы остеоинтеграции клеток костной ткани, скорость которых повышается на более гидрофильной поверхности. Это в свою очередь оказывает положительное влияние на приживаемость такого материала и повысит его биосовместимость. Антибактериальные свойства монолитных образцов из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью изучены в ходе медико-биологических in vitro тестов. Установлено, что сплава с поверхностью АСО и частицами серебра показал менее высокие антибактериальные свойства, чем сплав с химически модифицирвоанной поверхностью и частицами серебра, несмотря на то, что концентрация Ag у последнего была заметно ниже, чем у первого. Пористая поверхность, формируемая в результате химического модифицирования повышает адгезию клеточных культур, это приводит к более тесному и продолжительному контакту клеток с наночастицами серебра, что положительно сказывается на антибактериальных свойствах материала. Тем не менее метод АСО также предлагает ряд преимуществ, в первую очередь он позволяет упростить дальнейшую обработку поверхности многокомпонентных сплавов. Это связано с тем, что обработка поверхности, состоящей только из оксида титана заметно проще, чем обработка поверхности, включающей в себя смесь оксидов и субоксидов, имеющих разную устойчивость к травлению и истиранию. Предложенный метод модификации поверхности сплава наночастицами золота, функционализированными лекарственными препаратами, в свою очередь, позволяет воспользоваться всеми преимуществами антибиотиков: надежный, прогнозируемый антибактериальный эффект и высокая степень персонализации по отношению к пациенту. В то же время метод позволяет локализовать антибиотики в предполагаемом очаге возникновения инфекции, что позволяет существенно снизить их минимальную дозу без потери эффективности. Это позволяет учесть актуальную проблему повышения резистентности бактерий к антибиотикам, а также сократить риски негативного воздействия антибиотиков на организм человека. Изучен комплекс механических и функциональных свойств образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb в условиях статических и циклических испытаний. Установлено положительное влияние термической обработки в капсуле на характеристики пластичности пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb за счет снижения окисления развитой поверхности. Прочностные характеристики пористых материалов закономерно возрастают с уменьшением общей пористости, а модуль Юнга увеличивается в приемлемом для уровня жесткости костной ткани диапазоне 2-4 ГПа. При этом во всех состояниях прочность остается на достаточно высоком уровне (σ0,2>100 МПа). По результатам циклических испытаний установлено, что реализация сверхупругости при деформации пористых материалов из сплава Ti-Zr-Nb способствует снижению накопления остаточных деформаций.