Томские ученые улучшили биомедицинские титановые сплавы с помощью аддитивных технологий

Ученые Томского политехнического университета совместно с российскими и зарубежными коллегами разработали технологию, улучшающую биомеханические характеристики титановых сплавов, изготавливаемых методом электронно-лучевой 3D-печати. В перспективе полученные материалы можно использовать в производстве персональных костных имплантатов с улучшенной совместимостью и более длительными сроками службы, сообщает пресс-служба ТПУ.

В современной медицине особое внимание уделяется разработке инновационных материалов с оптимальными биосовместимыми характеристиками. В качестве перспективных кандидатов для производства различного рода медицинских имплантатов рассматриваются бета-титановые сплавы с добавлением ниобия, циркония, молибдена, тантала или олова. Такие сплавы имеют преимущественно стабильную кристаллическую решетку бета-фазы, обладают низкой токсичностью, высокой прочностью, хорошо формуются и надежно сплавляются, однако их модуль упругости хоть и ниже, чем у коммерчески чистого титана, все еще остается значительно выше, чем у натуральной кости.

«Различие в механических характеристиках создает сложности при интеграции таких титановых сплавов в медицинскую практику. Например, имплантат из такого материала может принимать на себя основную нагрузку, в то время как окружающая его костная ткань начнет деградировать. Поэтому появляется необходимость в приближении упругости искусственного материала к упругости костной ткани», — рассказала соавтор исследования, руководительница научной группы «Аддитивные технологии получения и исследования перспективных материалов» ТПУ Ирина Грубова.

В ходе исследования ученые методом электронно-лучевой 3D-печати в различных режимах изготовили образцы сплава из порошка титана с содержанием массовой доли ниобия 56%. Выбор режимов сделан на основе ранее полученных данных окна параметров для близкого по составу сплава титана с содержанием массовой доли ниобия в 42%.

«Для получения исходного материала мы сначала сплавили титан и ниобий, а затем получили из него порошок для дальнейших исследований. Это решило проблему неоднородности, которая возникала ранее при использовании элементарных порошков из-за различных температур плавления титана и ниобия», — пояснила Ирина Грубова.

В процессе получения материала применены три набора технологических параметров. Основное отличие между образцами заключалось в интенсивности тока пучка при 3D-печати, что позволило детально изучить влияние этого фактора на микроструктуру и свойства полученного сплава.

Исследования показали, что более низкая энергия усиливала стабилизацию кристаллической решетки. Механические испытания на сжатие определили, что использование тока 4 мА позволяет достигать наивысшего предела текучести, благоприятного расположения атомов внутри сплава, сниженного модуля упругости и повышенной износостойкости.

«Полученные результаты свидетельствуют о том, что изменяя только параметры печати, можно управлять внутренней структурой и свойствами сплава. При этом химический состав материала остается неизменным. Это важный шаг в направлении создания индивидуализированных имплантатов с заданными характеристиками», — считает Ирина Грубова.

В настоящее время ученые продолжают работу над оптимизацией параметров и стратегий 3D-печати для изучаемых составов сплавов. Это позволит получить материалы для более широкого клинического применения.

В исследовании принимали участие сотрудники научно-исследовательского центра «Физическое материаловедение и композитные материалы» и международного научно-исследовательского центра «Пьезо- и магнитоэлектрические материалы» Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политехнического университета, Научно-исследовательского института нанотехнологий и наноматериалов Томского государственного университета имени Г. Р. Державина, Московского государственного университета, Института физики металлов имени М. Н. Михеева и Средне-Шведского университета.

Исследование поддержано грантом Российского научного фонда, результаты опубликованы в журнале Materials Science and Engineering A.

А у вас есть интересные новости? Поделитесь с нами своими разработками, и мы расскажем о них всему миру! Ждем ваши идеи по адресу news@3Dtoday.ru.