Фундаментальное исследование кинетики процесса деаллоинга в жидком металле для контролируемого синтеза прочных низкомодульных биомиметических микро/нанопористых систем титановых сплавов.

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 25-29-01514

НазваниеФундаментальное исследование кинетики процесса деаллоинга в жидком металле для контролируемого синтеза прочных низкомодульных биомиметических микро/нанопористых систем титановых сплавов.

Руководитель Окулов Артем Владимирович, Кандидат технических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики металлов имени М.Н. Михеева Уральского отделения Российской академии наук , Свердловская обл

Конкурс №118 - Конкурс на получение грантов РНФ по мероприятию «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами» приоритетного направления деятельности Российского научного фонда «Поддержка проведения научных исследований и развития научных коллективов, занимающих лидирующие позиции в определенных областях науки»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий

Ключевые слова Деаллоинг в жидком металле; Титановые биоматериалы; Микро/нанопористые материалы; Композитные металл-полимерные материалы; Микроструктурная характеризация; Механическое поведение

Код ГРНТИ53.49.15

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание принципиально нового поколения пористых титановых биоматериалов для костной имплантологии, обладающих улучшенными эксплуатационными характеристиками. Ключевым элементом инновационного подхода является использование технологии деаллоинга в жидком металле (Mg) для формирования сквозной микро/нанопористой структуры в сплавах на основе Ti, Zr, Nb, Hf и Cu российского производства. Традиционные методы, включая аддитивные технологии, не позволяют в полной мере контролировать геометрию и размер пор, а также обеспечивать высокий уровень взаимосвязанности пор, что является критически важным для эффективной остеоинтеграции и васкуляризации импланта. Метод деаллоинга в жидком магнии предоставляет уникальную возможность для точного контроля над процессом формирования пористой структуры, позволяя варьировать размер пор от микро- до нанометров и создавать сложную, взаимосвязанную сеть, имитирующую естественную структуру костной ткани. В рамках проекта будут исследованы трехкомпонентные системы Ti-Hf-Cu, Ti-Zr-Cu и Ti-Nb-Cu, которые позволят определить влияние химического состава исходных сплавов на кинетику деаллоинга, фазовые превращения и морфологию формируемой пористой структуры. Будет проведен детальный анализ взаимосвязи между параметрами деаллоинга, структурой (размером пор, распределением пор, характеристиками лигаментов) и механическими свойствами (прочность, модуль упругости, пластичность) полученных материалов. Ключевой целью проекта является разработка биоматериала, обладающего оптимальным сочетанием механических и биологических свойств: • Высокая прочность: Обеспечение механической стабильности импланта в условиях высоких нагрузок. • Низкий модуль упругости: Снижение эффекта экранирования напряжений и стимуляция ремоделирования костной ткани. Модуль упругости разрабатываемых материалов должен находиться в диапазоне 3-40 ГПа, что соответствует модулю упругости кортикальной кости. • Сквозная микро/нанопористая структура: Обеспечение эффективной остеоинтеграции, васкуляризации и транспорта питательных веществ к клеткам костной ткани. • Биосовместимость: Отсутствие токсического воздействия на окружающие ткани и стимуляция клеточного роста и дифференцировки. Для достижения поставленных целей будут использованы современные методы исследования материалов: • Микроскопия (оптическая, электронная): Анализ микроструктуры и морфологии пористой структуры. • Рентгеноструктурный анализ: Определение фазового состава сплавов и выявление фазовых превращений в процессе деаллоинга. • Механические испытания (сжатие при различных скоростях деформации): Оценка прочности, модуля упругости и пластичности материалов. • In vitro тесты на биосовместимость: Оценка токсичности материалов и их влияния на клеточный рост и дифференцировку. Результаты проекта позволят не только расширить фундаментальные знания о механизмах формирования пористой структуры методом деаллоинга, но и разработать новые конструкционные и функциональные биоматериалы для костной имплантологии с улучшенными характеристиками, способными значительно повысить эффективность и долговечность имплантов. Более того, будет создан научный задел для разработки новых методов оптимизации деаллоинга в жидком металле для получения материалов с заданными свойствами для различных областей применения.

Ожидаемые результаты
Настоящее исследование направлено на разработку и синтез нового класса микро/нанопористых титановых материалов, обладающих улучшенными прочностными характеристиками и сниженным модулем упругости, для применения в биомедицине, в частности, в костной имплантологии. Основным методом изготовления является инновационная технология деаллоинга в жидком металле (Mg). Ключевой задачей проекта является установление взаимосвязи между параметрами процесса деаллоинга, морфологией получаемых пористых материалов и их механическими свойствами, а также оптимизация технологии для получения материалов с заданными характеристиками. В ходе работы будет проведено комплексное исследование следующих аспектов: • Изучение кинетики деаллоинга: Анализ влияния химического состава исходных сплавов и технологических параметров (температура, время выдержки) на скорость и полноту процесса деаллоинга. • Определение границ фазообразования: Выявление закономерностей формирования фаз в процессе деаллоинга в зависимости от химического состава исходных сплавов. Это позволит предсказать и контролировать фазовый состав получаемых материалов, что напрямую влияет на их свойства. • Исследование влияния морфологии на механические свойства: Детальный анализ взаимосвязи между морфологией (размер пор, форма, распределение, характеристики лигаментов) и механическими свойствами (прочность, модуль упругости, пластичность) синтезируемых материалов. Полученные результаты позволят создать материалы, сочетающие высокую прочность, необходимую для имплантатов, с низким модулем упругости, приближенным к модулю упругости костной ткани, что способствует снижению эффекта экранирования напряжений и улучшению остеоинтеграции. Значимость проекта: Предлагаемый проект обладает высокой фундаментальной и прикладной значимостью. Результаты исследований внесут вклад в развитие теории и практики получения пористых металлических материалов с заданными свойствами. Полученные материалы будут востребованы в медицинской практике, особенно в области костной имплантологии. Подтверждением высокой востребованности результатов является заинтересованность ведущих медицинских центров, таких как “Национальный медицинский исследовательский центр травматологии и ортопедии имени академика Г.А. Илизарова”, которые готовы оказывать поддержку в исследовании и разработке новых материалов и заинтересованы в проведении биомеханических исследований получаемых имплантатов. Это демонстрирует потенциал для быстрой интеграции результатов проекта в клиническую практику, что позволит улучшить качество лечения пациентов с заболеваниями опорно-двигательного аппарата.