Разработка научно-технологических основ создания персонализируемых имплантатов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb с модифицированной внутренней архитектурой и антибактериальной поверхностью для хирургии позвоночника

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 проекта 22-79-10299

НазваниеРазработка научно-технологических основ создания персонализируемых имплантатов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr-Nb с модифицированной внутренней архитектурой и антибактериальной поверхностью для хирургии позвоночника

Руководитель Шереметьев Вадим Алексеевич, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС" , г Москва

Конкурс №71 - Конкурс 2022 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 слова металлические биоматериалы, титановые сплавы с памятью формы, селективное лазерное плавление, пористые структуры, структура, механические свойства, функциональные свойства, динамическое химическое травление, атомно-слоевое осаждение, наночастицы серебра, спинальные имплантаты

Код ГРНТИ53.49.15, 53.49.05, 53.49.09

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предложенный проект нацелен на разработку научно-технологических основ создания высокобиосовместимых пористых материалов из сверхупругих сплавов Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью, обладающей остеоиндуктивной и антибактериальной активностью для изготовления спинальных имплантатов, за счет прецизионного управления макро- и микроструктурой; фазовым и химическим составом; комплексом механических и функциональных свойств. Материал для костных имплантатов должен состоять из исключительно биосовместимых (не токсичных) компонентов. Для обеспечения биомеханической совместимости, материал должен обладать низким значением модуля Юнга, близким к таковым для костной ткани (до 30 ГПа). Низкие значения модуля Юнга (40-80 ГПа) и сверхупругое поведение, близкое к поведению костной ткани, демонстрируют сплавы с памятью формы. В последние десятилетия все больший интерес привлекают безникелевые сплавы на основе системы Ti-Zr-Nb. Благодаря уникальному сочетанию биохимической и биомеханической совместимости эти сплавы являются наиболее перспективными среди металлических биоматериалов для костных имплантатов. Персонализированные (изготовленные под индивидуальные особенности пациента) имплантаты, сформированные из градиентных по жесткости структур с взаимосвязанной пористостью могут значительно улучшить заживление и повысить способность к остеоинтеграции. Лучшее управление наружной геометрией изделия и параметрами его внутренней поверхности, следовательно, биомеханической и биохимической совместимостью может быть достигнуто с помощью аддитивных технологий, в частности методом селективного лазерного плавления. Монолитные и пористые материалы из титана и его сплавов, в том числе сверхупругих, обладают высокой химической инертностью, однако одной из ведущих тенденций последних десятилетий в медицинском материаловедении является разработка покрытий, повышающих остеоиндуктивную и антибактериальную активность поверхности. В рамках реализации проекта управление характеристиками основы пористых материалов из сплава Ti-Zr-Nb с памятью формы будет реализовано за счет изменения их внутренней архитектуры, режимов селективного лазерного плавления и термической обработки. Повышение остеоиндуктивной и антибактериальной активности поверхности этих пористых материалов будет достигнуто с применением методами динамического химического травления, атомно-слоевого осаждения и синтеза наночастиц серебра. В качестве пилотного применения в рамках данного проекта будет разработан и изготовлен прототип кейджа для замены межпозвоночных дисков на основе пористой структуры из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. В.А. Шереметьев, В.Д. Лезин, М.В. Козик, С.А. Молчанов Совершенствование режима селективного лазерного плавления для изготовления пористых структур из сплава Ti-6Al-4V медицинского назначения Известия вузов. Цветная металлургия (год публикации - 2023)

2. В. Шереметьев, А. Конопацкий, Т. Теплякова, В. Лезин, К. Лукашевич, М. Деркач, А. Костылева, Е. Кудан, Е. Пермякова, Т. Якимова, О. Бойченко, Н. Клячко, Д. Штанский, С. Прокошкин, В. Браиловский Surface modification of the laser powder bed-fused Ti-Zr-Nb scaffolds by dynamic chemical etching and Ag nanoparticles decoration Biomaterials Advances, Выпуск 161, номер статьи 213882 (год публикации - 2024)
10.1016/j.bioadv.2024.213882

3. Т. О. Теплякова, А. С. Конопацкий, Т. М. Якимова, А. Д. Наумова, Е. С. Пермякова, А. С. Ильницкая, Н. А. Глушанкова, С. С. Каршиева, С. Г. Игнатов, П. В. Слюкин, С. Д. Прокошкин, Д. В. Штанский Antibacterial properties, biocompatibility and superelastic behavior of Au-cysteine-gentamicin-functionalized Ti–Zr–Nb alloy Materials Today Chemistry, Выпуск 36, номер статьи 101948 (год публикации - 2024)
10.1016/j.mtchem.2024.101948

4. Антон Конопацкий, Татьяна Теплякова, Вадим Шереметьев, Тамара Якимова, Ольга Бойченко, Марина Козик, Дмитрий Штанский, Сергей Прокошкин Surface Modification of Biomedical Ti-18Zr-15Nb Alloy by Atomic Layer Deposition and Ag Nanoparticles Decoration Journal of Functional Biomaterials, 14(5):249 (год публикации - 2023)
10.3390/jfb14050249

5. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХУПРУГИХ СПЛАВОВ TiZr-Nb МЕТОДАМИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ СВЕРХУПРУГИХ СПЛАВОВ TiZr-Nb МЕТОДАМИ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ И СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ Материалы V Международной конференции «Сплавы с памятью формы» (СПФ-2023). 27 сентября – 1 октября 2023, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия, Материалы V Международной конференции «Сплавы с памятью формы» (СПФ-2023). 27 сентября – 1 октября 2023, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия (год публикации - 2023)

6. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ Материалы V Международной конференции «Сплавы с памятью формы» (СПФ-2023). 27 сентября – 1 октября 2023, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия, Материалы V Международной конференции «Сплавы с памятью формы» (СПФ-2023). 27 сентября – 1 октября 2023, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия (год публикации - 2023)

7. Влияние режимов селективного лазерного плавления на особенности формирования ванн расплава и дефектную пористость ячеистых структур из сплава Ti-Zr-Nb медицинского назначения Влияние режимов селективного лазерного плавления на особенности формирования ванн расплава и дефектную пористость ячеистых структур из сплава Ti-Zr-Nb медицинского назначения Материаловедение (год публикации - 2025)

8. ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА СПЛОШНЫХ И ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ ПОЛУЧЕНИЕ И ОБРАБОТКА СПЛОШНЫХ И ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ОСНОВЕ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ОРТОПЕДИЧЕСКИХ ИМПЛАНТАТОВ МЕТОДОМ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ Материалы LXVIII международной научной конференции. Посвящается 75-летию со дня рождения члена-корреспондента НАН Беларуси, доктора технических наук, профессора Рубаника В.В.. Минск, 2024, Актуальные проблемы прочности : материалы LXVIII международной научной конференции: Витебск, 27-31 мая 2024 года / под ред. В.В. Рубаника. - Минск: «ИВЦ Минфина», 2024. – 438 с. (год публикации - 2024)

9. РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ С ПОРИСТОЙ СТРУКТУРОЙ РАЗРАБОТКА РЕЖИМОВ СЕЛЕКТИВНОГО ЛАЗЕРНОГО ПЛАВЛЕНИЯ СВЕРХУПРУГОГО СПЛАВА Ti-Zr-Nb ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОСТНЫХ ИМПЛАНТАТОВ С ПОРИСТОЙ СТРУКТУРОЙ Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, 2024, 152 с., Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, 2024, 152 с. (год публикации - 2024)

10. ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЛП ВЛИЯНИЕ ХИМИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ НА МАКРОСТРУКТУРУ И МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОРИСТЫХ МАТЕРИАЛОВ ИЗ ТИТАНОВЫХ СПЛАВОВ, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ СЛП Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, 2024, 152 с., Научно-технический семинар «Бернштейновские чтения по термомеханической обработке металлических материалов». Москва. 22-26 октября 2024 г. Сборник тезисов. – М: НИТУ МИСИС, 2024, 152 с. (год публикации - 2024)

Публикации

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
В ходе реализации третьего года проекта осуществлена модификация поверхности образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb с применением методов динамического химического протравливания, атомно-слоевого осаждения и синтеза наночастиц серебра. Исследована морфология, структура и химическое состояние модифицированной поверхности образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb. Проведено исследование антибактериальных свойств и биосовместимости образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью в ходе медико-биологических in vitro тестов. Изучены механические и функциональные свойства образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb до и после модификации поверхности. Разработан способ модификации поверхности материалов системы Ti-Zr-Nb, полученных методом селективного лазерного плавления, предназначенных для создания высокобиосовместимых костных имплантатов. Разработанная методология поверхностной модификации обладает универсальностью и может быть эффективно применена к широкому спектру биомедицинских материалов на основе титана, обеспечивая значительное повышение их биосовместимости и антибактериальных свойств. Предложенная комплексная методика модификации поверхности основана на синергетическом сочетании процессов ДХП и контролируемого осаждения наночастиц серебра, что реализуется посредством прецизионной подачи специально разработанных растворов через пористую структуру материала. На начальном этапе обработки было достигнуто полное удаление приплавленных частиц порошка с поверхности каркасной структуры. В результате оптимизации процесса была достигнута контролируемая скорость высвобождения ионов серебра в диапазоне 4–8 ppm/см2, что обеспечивает эффективное подавление роста патогенных микроорганизмов при сохранении минимального уровня цитотоксичности. Экспериментально подтверждено, что ионы серебра, постепенно высвобождающиеся при контакте образцов с дистиллированной водой, обеспечивают устойчивый и пролонгированный антибактериальный эффект, эффективно подавляя пролиферацию бактериальных штаммов E.coli и B. subtilis. Полученные экспериментальные данные свидетельствуют об успешном решении задачи удаления приплавленных частиц и высокой эффективности разработанного антибактериального покрытия для пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb, изготовленных методом СЛП, что открывает широкие перспективы их применения в качестве материалов для создания костных имплантатов нового поколения. В рамках исследования был проведен анализ комплекса механических и функциональных характеристик образцов пористых структур из сплава Ti-Zr-Nb в условиях различных режимов статических и циклических нагрузок. В ходе исследований установлена закономерная корреляция между уменьшением общей пористости материала и повышением его прочностных характеристик, при этом модуль Юнга демонстрирует увеличение в диапазоне 1–4 ГПа, что соответствует показателям жесткости костной ткани. По результатам функциональных усталостных испытаний установлено, что образцы из сплава Ti-Zr-Nb демонстрируют значительно более высокую функционально-усталостную долговечность в сравнении с пористыми материалами из традиционного сплава Ti-6Al-4V, при этом сохраняя структурную целостность даже при приложении нагрузки, составляющей 30 % от предела текучести материала. Особого внимания заслуживает факт существенно меньшего накопления остаточной деформации в пористом материале после процесса динамического химического протравливания. После завершения первичного цикла испытаний образцы были подвергнуты дополнительным усталостным тестам продолжительностью до 1 000 000 циклов с пошаговым увеличением нагрузки от 30 % до 70 % от предела текучести с интервалом 10 %. Анализ результатов этих расширенных испытаний показал отсутствие признаков разрушения образцов, при этом наблюдалось минимальное уменьшение их высоты, что свидетельствует об исключительной функциональной усталостной долговечности материала. На основе комплексного исследования влияния параметров процесса селективного лазерного плавления на характеристики формируемой ванны расплава, уровень дефектной пористости и особенности макроструктуры пористых материалов из сплава Ti-Zr-Nb с тонкими конструкционными элементами разработан оптимизированный подход к совершенствованию режимов СЛП. Установлено, что использование режимов СЛП с оптимизированными параметрами скорости сканирования (v = 700–1000 мм/с) и мощности лазерного излучения (P = 45–60 Вт) обеспечивает минимизацию дефектной пористости (≤ 0,75 %) при одновременном уменьшении глубины ванны расплава (≤ 200 мкм). Данный подход был успешно реализован при изготовлении серии пористых материалов на основе базовой ячейки типа ромбический додекаэдр с характерными толщинами перемычек 300–400 мкм, а также при создании структур типа Вороного и Гироида с уровнем конструкционной пористости около 75 %. Анализ результатов дополнительных серий испытаний образцов, изготовленных по наиболее оптимальному режиму СЛП, демонстрирует, что высокопористые образцы (с уровнем пористости 68–77 %) из исследуемого сплава характеризуются оптимальным сочетанием низкого модуля Юнга в диапазоне 0,8–1,4 ГПа и относительно высоких показателей прочности. При этом важно отметить высокую точность воспроизведения заданной пористости с отклонением, не превышающим 3,5 % от расчетных значений. На основании полученных данных сформулировано обоснованное предположение о том, что после проведения модификации таких материалов методом ДХП параметры их макроструктуры будут соответствовать заданным проектным значениям с минимальным отклонением, не превышающим 2 %. Проведено обобщение результатов проекта и разработаны рекомендации по выбору типов и параметров пористых структур, режимов селективного лазерного плавления и термической обработки сплава Ti-Zr-Nb, а также методов модификации поверхности для повышения общего комплекса механических и функциональных свойств. С использованием разработанных рекомендаций разработана конструкция и изготовлен прототип кейджа для замены межпозвоночных дисков на основе пористой структуры из сплава Ti-Zr-Nb с модифицированной поверхностью.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Полученные результаты являются научно-технологической основой для создания на территории Российской Федерации производства пористых имплантатов для травматологии, ортопедии и нейрохирургии, в частности кейджей для замены межпозвонковых дисков, с уникальным сочетанием биомеханической и биохимической совместимости с костной тканью, не имеющих аналогов в мире. Разработанные методики модификации поверхности могут быть применены к другим материалам на основе титановых сплавов для повышения биологической активности имплантатов.