Исследование механизмов аккомодации напряжений в минералах биологического происхождения на примере скорлупы птичьих яиц

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 23-29-00253

НазваниеИсследование механизмов аккомодации напряжений в минералах биологического происхождения на примере скорлупы птичьих яиц

Руководитель Панфилов Петр Евгеньевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина" , Свердловская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-101 - Прочность, живучесть и разрушение материалов и конструкций

Ключевые слова Биоминералы, скорлупа птичьих яиц, ресторативные материалы для стоматологии, деформация, разрушение, трещина, горные породы.

Код ГРНТИ29.19.13

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на решение задачи на стыке материаловедения и стоматологии – разработки научных основ получения материалов для стоматологических имплантов с высокой биосовместимостью и с прочностными свойствами, близкими к свойствам твердых тканей зубов человека. Эмаль зубов человека – минерал биологического происхождения на основе гидроксиапатита кальция, который часто выбирают в качестве прототипа для стоматологических биомиметиков - материалов ресторативного назначения. Синтетические и природные апатиты кальция демонстрируют приемлемую биосовместимость, но низкие механические свойства по сравнению с зубной эмалью. Одним из путей создания биомиметиков является «замена» гидоксиапатита кальция неорганическим материалом с более высокой биосовместимостью и механическими свойствами, сравнимыми со свойствами эмали зубов. Скорлупа птичьих яиц представляется перспективным объектом для такой замены, поскольку она демонстрирует высокую биосовместимость с тканями живых организмов и, возможно, близкие к эмали прочностные свойства. Целью проекта является изучение механических свойств образцов, вырезанных из скорлупы яиц домашних и диких птиц для того, чтобы сравнить прочностные характеристики скорлупы и эмали зубов человека. Сдвиговые и точечные нагрузки – основные типы деформации, которые испытывают зубы человека при пережевывании пищи, поэтому основное внимание в проекте будет уделено изучению деформационного поведения лабораторных образцов при сдвиге, изгибе и микроиндентировании на воздухе и в водных средах, близких по составу к ротовой жидкости человека. Структура, химический состав и механические свойства скорлупы разных птиц будут сравниваться между собой с целью поиска биоминералов со свойствами, близкими к свойствам зубной эмали человека. Деформационное поведение лабораторных образцов на микроскопическом уровне будет изучаться путем наблюдения за трещинами при изгибе непосредственно на световом металлографическом микроскопе. При помощи сканирующего электронного микроскопа буду изучены трещины в скорлупе при больших увеличениях и морфология изломов образцов после испытаний. На оптическом микроскопе в режиме на «просвет» будет исследована область перед трещиной в тонких образцах скорлупы, где возможно существование пластической зоны. Полученные на скорлупе яиц результаты будут сопоставлены с подобными данными по деформационному поведению эмали зубов и горных пород. На основе такого сравнения будет разработана физическая модель деформационного поведения биоминералов и горных пород, включая развитие трещин, объясняющая их вязкоупругое поведение на микроскопическом масштабе. Модель представляет интерес для горного дела, поскольку может позволить лучше понять, как зависят прочностные свойства природных неорганических материалов от их генезиса. Будет сделано заключение о возможности создания биомиметика на основе эмали зубов, путем замены гидроксиапатита кальция карбонатом кальция из скорлупы птичьих яиц, для применения в качестве ресторативного материала в стоматологии. По результатам исследований планируется опубликовать 4 статьи в журналах из WoS и SCOPUS, и представить результаты исследований на научных конференциях в России и за рубежом.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Панфилов П.Е. , Зайцев Д.В. , Меженов М.Е., Григорьев С.С. Bending Deformation Behavior of Eggshell and Eggshell–Polymer Composites Journal of Composite Science, 2023, 7, 336 (год публикации - 2023)
10.3390/jcs7080336

2. Панфилов П.Е., Коровин Р.В., Меженов М.Е., Зайцев Д.В., Ефремовцев Н.Н. Some Features of Cleavage Cracks in Rocks and Metals Reviews on Advanced Materials and Technologies, vol. 5, no. 3, pp. 9–23 (год публикации - 2023)
10.17586/2687-0568-2023-5-3-9-23

3. Панфилов П.Е. ОСОБЕННОСТИ МОРФОЛОГИИ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА ПО СРАВНЕНИЮ С ТРЕЩИНАМИ В МЕТАЛЛАХ Разрушение горных пород и минералов: Сборник материалов конференции и школы молодых ученых и студентов (г. Екатеринбург, 4 апреля 2023 г.) / отв. редактор Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2022. – 87 с., 25-26 (год публикации - 2023)

4. Панфилов П.Е., Коровин Р.Д., Меженов М.Е., Кабанова А.В., Мещерягина С.Г., Зайцев Д.В. О ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ СВОЙСТВАХ СКОРЛУПЫ ПТИЧЬИХ ЯИЦ И МАТЕРИАЛОВ НА ЕЁ ОСНОВЕ Термодинамика и материаловедение. Тезисы докладов XV Симпозиума с междуна- родным участием, 3–7 июля 2023 года / под ред. д.х.н. Н.В. Гельфонда, ответственный за выпуск к.х.н. Л.Н. Зеленина – Новосибирск: ИНХ СО РАН, 2023, 338 с., 176 (год публикации - 2023)

5. Панфилов П.Е. О МОРФОЛОГИИ ТРЕЩИН В ХРУПКИХ НЕМЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛАХ РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА Тезисы докладов Международной конференции «Физическая мезомеханика. Материалы с многоуровневой иерархически организованной структурой и интеллектуальные производственные технологии», 11-14 сентября 2023 года, Томск, Россия. – 676 с., 175 (год публикации - 2023)

6. Панфилов П.Е., Коровин Р.В., Меженов М.Е., Кабанова А.В., Зайцев Д.В. ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БИОКОМПОЗИТА (СКОРЛУПЫ ПТИЧЬИХ ЯИЦ) И МАТЕРИАЛОВ НА ЕЁ ОСНОВЕ Материалы LXVI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (АПП-2023) 23-27 сентября, Зеленогорск, Санкт-Петербург, Россия, 30 (год публикации - 2023)

7. Панфилов П.Е., Коровин Р.Д., Кабанова А.В., Меженов М.Е., Кочанов А.Н., Зайцев Д.В. О ВЛИЯНИИ ВОДЫ НА РАЗВИТИЕ ТРЕЩИН В ГОРНЫХ ПОРОДАХ РАЗЛИЧНОГО ГЕНЕЗИСА ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ» посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера Москва, 2 – 6 ОКТЯБРЯ 2023 г. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, 225 (год публикации - 2023)

8. Панфилов П.Е. ХРУПКОЕ РАЗРУШЕНИЕ ГЦК-МЕТАЛЛОВ. РАЗВИТИЕ ТРАНСКРИСТАЛЛИТНЫХ ТРЕЩИН В АЛЮМИНИИ ПРИ ЖИДКОМЕТАЛЛИЧЕСКОМ ОХРУПЧИВАНИИ ВСЕРОССИЙСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ПОВЕРХНОСТНЫЕ ЯВЛЕНИЯ В ДИСПЕРСНЫХ СИСТЕМАХ» посвященная 125-летию со дня рождения выдающегося советского ученого, академика АН СССР Петра Александровича Ребиндера Москва, 2 – 6 ОКТЯБРЯ 2023 г. ТЕЗИСЫ ДОКЛАДОВ, 129 (год публикации - 2023)

9. Панфилов П.Е., Кабанова А.В. О морфологии трещин в материалах биологического генезиса (дентин и эмаль зубов человека, скорлупа птичьих яиц) Институт гидродинамики им. М.А. Лаврентьева СО РАН, семинар "Механика макро- и нано-структур" Новосибирск, 03.07.2023, 03.07.2023 (год публикации - 2023)

10. Панфилов П.Е. Особенности трещин в горных породах в сравнении с трещинами в гцк-металле, разрушающемся сколом (иридии) Институт нефтегазовой геологии и геофизики им. А.А. Трофимука СО РАН, Геофизический семинар, Новосибирск, 5.07.2023, 05.07.2023 (год публикации - 2023)

11. Панфилов П.Е., Меженов М.Е., Гу Дз., Зайцев Д.В. On Some Feature of Deformation Behavior of a Bird Eggshell Reviews on Advanced Materials and Technologies, 2024, vol. 6, no. 3, pp. 96–112 (год публикации - 2024)
10.17586/2687-0568-2024-6-3-96-112

12. Панфилов П.Е., Меженов М.Е., Куклина А.А., Гу Дз., Зайцев Д.В. On cleavage crack morphology in some rock materials of different genesis Materials Letters, 379 (2025) 137702 (год публикации - 2025)
10.1016/j.matlet.2024.137702

13. Коровин Р.Д., Меженов М.Е., Зайцев Д.В., Панфилов П.Е. О РАЗВИТИИ ТРЕЩИН В КОМПАКТИРОВАННЫХ ПОРОШКАХ ИЗ ГОРНЫХ ПОРОД РАЗНОГО ГЕНЕЗИСА Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования». Екатеринбург: Институт геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого УрО РАН, 2024. 144 с., стр. 69 (год публикации - 2024)

14. Панфилов П.Е., Коровин Р.Д., Кабанова А.В., Меженов М.Е., Григорьев С.С., Зайцев Д.В. О РАЗРАБОТКЕ НОВОГО ПОКОЛЕНИЯ РЕСТОРАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ НА ОСНОВЕ БИОМИНЕРАЛОВ – СКОРЛУПЫ КУРИНЫХ ЯИЦ Материалы XIV Всероссийской научной конференции «Минералы: строение, свойства, методы исследования». Екатеринбург: Институт геологии и геохимии им. академика А.Н. Заварицкого УрО РАН, 2024. 144 с., стр. 92 (год публикации - 2024)

15. Панфилов П. Е., Коровин Р. Д., Кабанова А. В., Меженов М. Е., Зайцев Д. В. РАЗРАБОТКА РЕСТОРАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ XVIII Международная конференция «Механика, ресурс и диагностика материалов и конструкций» : сб. материалов (Екатеринбург, 27–31 мая 2024 г.). – Екатеринбург : ИМАШ УрО РАН, 2024. – 230 с., стр. 103 (год публикации - 2024)

16. Панфилов П.Е., Кабанова А.В., Меженов М.Е., Зайцев Д.В. РАЗРАБОТКА РЕСТОРАТИВНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ СТОМАТОЛОГИИ ИЗ СКОРЛУПЫ КУРИНЫХ ЯИЦ Актуальные вопросы прочности: Сборник тезисов LXVII Международной конференции (г. Екатеринбург, 2 апреля 2024 г.) / отв. редакторы Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2024. – 341 с., стр. 335-336 (год публикации - 2024)

17. Меженов М.Е., Панфилов П.Е., Зайцев Д.В. МЕХАНИЗМЫ АККОМОДАЦИИ НАПРЯЖЕНИЙ В МИНЕРАЛАХ БИОЛОГИЧЕСКОГО ГЕНЕЗИСА И МАТЕРИАЛАХ НА ИХ ОСНОВЕ Актуальные вопросы прочности: Сборник тезисов LXVII Международной конференции (г. Екатеринбург, 2 апреля 2024 г.) / отв. редакторы Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2024. – 341 с., стр. 325 (год публикации - 2024)

18. Панфилов П.Е., Меженов М.Е., Коровин Р.Д., Гу Дз., Зайцев Д.В.16 An avian eggshell as the novel model substance for dental materials science Modern Problems in Modeling Materials for Mechanical, Medical and Biological Applications (MPMM&A-2024): Abstracts of the reports of the Fourth International Conference (November 18-22, 2024, Rostov-on-Don) / Don State Technical University; Editor E.V. Sadyrin, R.V. Karotkiyan, I. A. Panfilov, S. M. Aizikovich. – Rostov-on-Don: DSTU, 2024. – 55 p. (год публикации - 2024)

19. Панфилов П.Е., Меженов М.Е., Коровин Р.Д., Зайцев Д.В. О ДЕФОРМАЦИОННОМ ПОВЕДЕНИИ КОМПАКТИРОВАННОГО ПОРОШКА ИЗ СКОРЛУПЫ КУРИНЫХ ЯИЦ АКТУАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ НАУКИ И ОБРАЗОВАНИЯ В СОВРЕМЕННОМ ВУЗЕ: Сборник трудов VI Международной научно-практической конференции, Республика Башкортостан, г. Стерлитамак 26–28 сентября 2024 г. – Стерлитамак: Стерлитамакский филиал, 2024. – 487 с., cc. 110-122 (год публикации - 2024)

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Изучено деформационное поведение при изгибе скорлупы яиц диких и домашних птиц: черноголовой чайки, канюка, глухаря, серой цапли, гуся и курицы. Его общими чертами оказались: (1) незначительная деформация перед разрушением (от 0,2% до 0,5%); (2) инженерную кривую можно аппроксимировать прямой линией; (3) длительное пребывание в воде качественно не изменяет типа деформационного поведения скорлупы, но вызывает снижение прочности и деформации перед разрушением. Прочность при изгибе скорлупы находится в пределах 15 - 30 МПа и зависит от вида птицы. Тип поведения был определен как хрупкий, что присуще неорганическим материалам с направленной химической связью. Изучение изломов показало, что это хрупкое внутризеренное разрушение. Несмотря на это большинство испытанных образцов при появлении на кривых перегиба на части не распадалось. Водная среда качественно не меняла характера поведения образцов из скорлупы птичьего яйца. Изгиб образцов на металлографическом микроскопе показал, что трещины в скорлупе удается подрастить, увеличивая стрелу прогиба. Трещины пересекали рабочие поверхности образцов в направлении перпендикулярном оси растяжения, однако на микроскопическом масштабе их траектории имели ломаный профиль. Их берега были неровными и размытыми, подобно краям пор в пластичных металлах, как при появлении трещины, так и после ее подрастания. Под влиянием водной среды качественных изменений в поведении скорлупы и морфологии трещин не наблюдалось, но уменьшалась стрела прогиба, необходимая для ее подрастания. При изгибе на макроскопическом масштабе скорлупа ведет себя как хрупкое тело, однако на микроскопическом масштабе в ее поведении имеется особенность – это торможение роста трещины. Сравнение с трещинами в шейке поликристаллическом алюминии указывает на наличие общих черт в их морфологии: (1) траектория опасной трещины определяется геометрией приложенной нагрузки; (2) опасная трещина имеет ломанный профиль и неровные края; (3) опасная трещина состоит как из слившихся, так и из почти слившихся порообразных трещин. Следовательно, перед опасной трещиной в горных породах может быть пластическая зона. Наблюдение трещин в тонких образцах горных пород в режиме «на просвет» подтвердило наличие перед опасной трещиной узкой области, в которой материал утоняется. Поэтому можно предположить, что в модельных горных породах активируется дополнительный канал аккомодации напряжений. Его вклад в деформационное поведение много меньше растрескивания. В результате деформационное поведение скорлупы птичьего яйца при изгибе на макроскопическом масштабе определяется ковалентной химической связью и может быть аттестовано как хрупкое. С другой стороны, его влияние достаточно велико, чтобы опасная трещина в горных породах на микроскопическом масштабе выглядела как вязкая трещина. Деформационное поведение при изгибе биоминерала – скорлупы птичьих яиц не зависит от вида птицы и может быть определено, как близкое к поведению горных пород геологического генезиса. Разработана методика приготовления тонких фольг для ТЕМ из скорлупы птичьих яиц и некоторых горных пород. Определено, что скорлупа куриных яиц представляет собой смесь кристаллической и аморфной компонент. Наличие диффузного гало на дифрактограммах, «размытость» и сложная форма рефлексов указывают на разнообразие химического состава, кристаллогеометрии и размеров частиц фаз. Обнаружены трещиноподобные объекты, состоящие из порообразных дефектов. Эти дефекты имеют сложную форму, которая, скорее близка к порам в металлах, чем к трещинам в хрупких материалах. Из-за накопления заряда на фольгах увидеть четкий контраст от дислокационных сегментов, двойников и прослоек дефекта упаковки не удалось. ТЕМ исследования на серпентините проводили в участках фольг, расположенных вблизи трещин, где чередовались непрозрачные и прозрачные для электронов области породы. Это подтверждает заключение, что в породе вблизи опасной трещины на микроуровне имеет место утонение материала, то есть аккомодация механических напряжений частично происходит за счет необратимой деформации. Дифрактограммы упоказывают, на низкую долю аморфной фазы в фольге. При этом неорганическая компонента породы состоит из значительного числа фаз, отличающихся по химическому составу, по размерам и кристаллогеометрии. В фольгах серпентинита имеются несплошности с округлыми краями, которые можно описать, как порообразные дефекты. Вблизи этих дефектов удалось выявить тонкую структуру, однако определить ее морфологические особенности, из-за накопления заряда на фольгах, не удалось. Пробные ТЕМ наблюдения подтвердили предположение, что вблизи опасных трещин в модельных горных породах происходит утонение материала, а трещины в изученных фольгах из скорлупы куриных яиц и серпентинита по форме близки к порам в пластичных металлах. Разработаны рекомендации для производства заготовок виниров имплантов зубов из компактированного порошка скорлупы куриных яиц по CAD-CAM технологии. Используемая методика компактирования порошка скорлупы куриных яиц позволяет получать материалы со стабильными прочностными свойствами, зависящими от физико-механических свойств связующего. Осуществляя подбор связующего, удается получать материалы с широким диапазоном служебных свойств, близких к физико-механическим свойствам дентина и эмали зубов человека в диапазоне нагрузок, возникающих при пережевывании пищи. Это означает, что имплант способен обеспечить функцию зуба, связанную с пережевыванием, при этом не повреждая / не «стирая» окружающие нативные зубы. Другой особенностью разрабатываемого ресторативного материала является то, что его деформация до начала разрушения при нагрузках, которым подвержены зубы человека (сжимающие и изгибающие / растягивающие), примерно в два раза выше, чем у и стоматологических керамик на основе диоксида циркония. По этому параметру компактированная скорлупа куриных яиц оказывается близкой к дентину зубов человека, который по химическому составу и механическому поведению близок к наполненным полимерам. То есть можно ожидать, что разрабатываемый ресторативный материал может эффективно демпфировать механические нагрузки с импланта на кости челюстно-лицевого аппарата, которую в нативном зубе реализует хрящевое соединение между зубом и костью челюсти. Для CAD-CAM 5D фрезерных станков с алмазным режущим инструментом рекомендуется использовать заготовки цилиндрической формы, поскольку, в отличие от заготовок кубоидной формы, они менее склонны к диспергированию из-за отсутствия в них мощных концентраторов напряжений.

Публикации

Возможность практического использования результатов
В настоящее время мы ведем переговоры со стоматологами-ортопедами Уральского государственного медицинского университета о проведении доклинических исследований по установки виниров из разрабатываемых материалов на основе скорлупы куриных яиц на зубные импланты.