Аннотация результатов, полученных в 2024 году
В ходе реализации проекта выполнены все работы и получены запланированные научные результаты, которые позволили определить оптимальный материал для использования в качестве имплантируемой конструкции с реализацией эффекта стабилизации мартенситной фазы. Установлено, что сплав марки ТН-20 обладает необходимым фазовым составом после криогенной обработки, а также необходимым концентрационным соотношением, чтобы после охлаждения испытывать эффект памяти формы. В ходе реализации проекта получены экспериментальные образцы тонких нитей TiNi диаметром 60 мкм трех различных марок ХЭ, ТН-10, ТН-20 и изготовлены на их основе волокнистые сферические имплантируемые конструкции. Установлено, что полученные образцы тонких нитей различных марок в процессе многократных промежуточных отжигов изменяют соотношение Ti и Ni в соединении TiNi. Характерной особенностью полученных материалов, установленной методом энергодисперсионного микроанализа стало постепенное обеднение металлической матрицы TiNi по Ti за счет процессов сегрегации Ti на свободные поверхности и образования оксидной пленки TiO2 на поверхности проволочного материала. Таким образом при получении тонких нитей на основе никелида титана происходит эволюция фазового состава в сторону увеличения доли аустенита и снижения мартенситной фазы, что так же оказывает влияние на эффект стабилизации мартенситной фазы. Образцы тонких нитей на основе марок ХЭ и ТН-10 имели однофазный состав на основе аустенитной фазы TiNi(B2), таким образом эти материалы имели высокотемпературное состояние. Низкотемпературные образцы сплава ТН-20 при достижении диаметра 60 мкм также приобретают однофазный состав. Совместное рассмотрение и анализ данных EDX и карт распределения элементов позволяет судить о качественном фазовом составе полученных материалов и о расположении фаз во внутренней структуре. Основной фазой, занимающей большую часть внутреннего объема проволоки, является фаза TiNi. Увеличенный фрагмент поперечного сечения проволоки демонстрирует, что на периферии образца расположен массивный слой, переменной толщины, на основе оксида титана TiO2. Под ним расположен подслой, обогащенный по никелю – TiNi3 толщиной около 0,2 мкм. Его образование связанно с сегрегацией титана на свободную поверхность (периферию проволоки) в процессе термообработок в циклах волочения и с последующим обогащением по Ni подповерхностных. В объеме матрицы расположены мелкодисперсные частицы размером до 500 нм. Из EDX анализа по составу фаз и карт распределения элементов можно сделать предположение что это частицы фазы TiC. Подготовлены модельные образцы мягких биологических тканей с имплантируемыми волокнистыми конструкциями на основе тонких нитей TiNi. Полученные сферические имплантируемые конструкции имеют пористо-проницаемое строение с коэффициентом пористости 80-85 %. Анализ снимков структуры сферических имплантатов, полученных методом растровой электронной микроскопии, показал высокую интеграционную связь имплантатов с тканями организма животных. Установлено, что попытки провести криогенную обработку сферических образцов с модельными мягкими тканями не позволили достичь нужного эффекта стабилизации мартенситной фазы. Показано, что при обработке исходного материала на основе тонких нитей диаметром 60 мкм марки сплава ТН-20 удается снижать модуль Юнга на 10 ГПа. Волокнистые сферические конструкции на основе тонких нитей марки ТН-20 имели оптимальные структурные характеристики для выполнения криогенной обработки. Охлаждение до температур -100 °С приводило к получению материала с максимальной остаточной модой деформации. После нагрева до 37 °С менялся фазовый состав и реализуется эффект памяти формы. Дальнейший нагрев до высоких температур позволял восстановить форму до 4,8 мм при диаметре исходного образца 5 мм. В рамках реализации проекта представлено 3 доклада на конференциях международного уровня. Принята в печать статья «Structural features of thin TiNi wires and fiber implantable structures», в журнал «Russian Physics Journal», индексируемый Web of Science и Scopus.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Для создания тонких нитей на основе никелида титана методом индукционной плавки на II этапе реализации проекта получены слитки с повышенным содержанием Ti (50,3–50,7 ат. %Ti). Разработана методика химической обработки получаемой проволоки в слабо концентрированном реактиве, состоящем из воды, азотной и плавиковой кислот в течение 24 часов с последующей шлифовкой поверхности с целью удаления продуктов травления. Установленная концентрация травителя позволяет равномерно воздействовать на поверхность материала, не перетравливая металлическую сердцевину проволоки и не меняя ее геометрических размеров, так как при больших диаметрах проволоки зерна достигают размеров 50-60 мкм, активное травление может приводить к образованию сильных впадин и его сложнее контролировать. Температура отжига тонкой проволоки в процессе волочения при этом должна быть минимально возможной – для сдерживания активного окисления, но при этом достаточной, чтобы релаксировать внутренние напряжения. Установлено, что промежуточная химическая обработка позволяет получать более однородную (сглаженную) поверхность материала. Наблюдается меньшее количество обрывов при волочении, что указывает на лучшие технологические свойства по сравнению с необработанным материалом на основе тонких нитей TiNi. Исследование особенностей реализации эффекта стабилизации мартенсита в зависимости от криогенного воздействия и структурных параметров выполнено в соответствии с первым этапом работ, когда проводились криогенные обработки сферических имплантатов на основе тонких нитей трех различных марок ХЭ, ТН-10, ТН-20. Получены сферические волокнистые конструкции диаметром 5 мм. Тонкие нити хаотически сматывали для создания сферических конструкций до получения необходимого диаметра. Полученные заготовки отжигали при температуре около 400 °C, тем самым задавая им фиксированную шаровидную структуру. Выполнены криогенные обработки сферических имплантатов на основе никелида титана при различных температурах (0, -50, -100, -150, -190⁰С). Структурные параметры тонких проволок TiNi исследовали с помощью сканирующей электронной микроскопии (СЭМ), энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии (ЭДС), дифракции обратно отраженных электронов (EBSD) и просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ). Для исследований в СЭМ и ПЭМ образцы были подготовлены с использованием фокусированного ионного пучка (FIB). Таким образом, структура проволоки из TiNi, предназначенной для использования в качестве текстильных имплантатов в реконструктивной медицине, включает металлическую матрицу TiNi (фазы B2 и B19′) в сердцевине и поверхностный оксидный слой. Ключевой структурной характеристикой этих проволок является наличие мелких нанозерен размером в среднем 15-17 нм. В процессе многократной пластической деформации в ходе волочения не наблюдалось текстурирования металлического материала. Примененная механохимическая обработка была направлена на модификацию структуры проволоки – поверхностного оксидного слоя. В частности, уменьшение толщины и шероховатости этого слоя снизило коэффициент трения сплава в процессе волочения, что значительно уменьшило количество разрывов в процессе производства. С учетом будущей имплантации полученных сферических конструкций на основе никелида титана наиболее эффективно применять криогенную обработку перед операцией. Предварительная криогенная обработка сферического имплантата приводит к завершенному фазовому мартенситному переходу и за счет множества границ зерен в структуре нанокристаллического сплава TiNi мартенситная фаза способна «механически» стабилизироваться, тем самым снижая модуль Юнга конструкции в целом. Таким образом основной результат данной работы заключается в разработке режима криогенного воздействия на сферические имплантируемые материалы на основе тонких нитей TiNi (50,7 Ti – 49,3 Ni) при температуре -196 °C в совокупности с химической обработкой слабо концентрированным водным раствором азотной и плавиковой кислот с целью снижения величины модулю Юнга конструкции. Установлено, что криогенная обработка стабилизирует мартенситную фазу B19′, что снижает модуль Юнга на 10 ГПа. В рамках реализации проекта было представлено 5 докладов на международных и всероссийских конференциях («Сплавы с памятью формы», «Перспективы развития фундаментальных наук», «Проблемы физики твердого тела и высоких давлений», «International Electronic Conference on Metals»). Опубликована статья Artyukhova N.V., Shabalina A.V., Anikeev S.G., Uchida H.-T., Kulinich S.A. Nanostructured TiNi Wires for Textile Implants: Optimization of Drawing Process by Means of Mechano-Chemical Treatment. Technologies 2025, 13(2), 80. https://doi.org/10.3390/technologies13020080 в журнале, который индексируется базами Web of Science, Scopus, и имеющем квартиль Q1.