Изучение трибологического и коррозионного поведения деформационно-упрочненного технически чистого титана для медицинских применений с нанесенным наноструктурным алмазоподобным покрытием

Номер гранта:15-58-52015
Область научного знания:фундаментальные основы инженерных наук
Тип конкурса: («м_а»)(«м_а») международные конкурсы фундаментальных научных исследований
Год выполнения:2015г.
Руководитель: Семенов ВладимирИванович
Статус заявки:поддержана

Аннотация к заявке:

Известным фактом является эффективность применения технически чистого титана в качестве материала для медицинских имплантов. Эти конструкции обладают высокой биосовместимостью, биоинертностью, гипоаллергенностью, не токсичны. Основным недостатком и сдерживающим фактором для расширения спектра применения технически чистого титана в стоматологии, ортопедии и травматологии является низкий уровень текучести и прочности, сопротивления усталостному разрушению и износостойкости. В наибольшей степени это относится к суставным имплантам, участвующим в процессе циклического силового и фрикционного взаимодействия, которое, к тому же, происходит в агрессивной солевой среде, которая способствует протеканию коррозионных процессов. Такие имплантанты должны обладать помимо антибактериальных свойств хорошими триботехническими и антикоррозионными свойствами. Таким образом, повышение качества и надежности медицинских имплантов из технически чистого титана в значительной мере связано с повышением механических и функциональных свойств материала, из которого он изготовлен. Решение этой актуальной проблемы возможно только на базе комплексных научно-обоснованных подходов, использующих принципы и методики физики конденсированных сред, методы, основанные на теоретической и экспериментальной трибологии, а также оценки энергетического и термодинамического состояния открытой системы с учетом преобладающего размера зерен. В последнее время большой интерес проявляется к методам интенсивной пластической деформации (ИПД) объемных металлических материалов, позволяющим значительно повысить механические свойства материалов за счет формирования субмикрокристаллической (СМК) структуры. Для нанесения наноструктурных покрытий регламентированного состава и с регулируемой пористостью получили развитие технологии на основе микродугового оксидирования (МДО) и ионно-плазменного напыления (ИПН). Однако до сих остаются недостаточно изученными такие функциональные свойства объемных СМК материалов, как трибологические параметры контакта, коррозионное поведение, особенности формирования алмазоподобных покрытий и адгезионное взаимодействие покрытий с поверхностью. Задача повышения долговечности медицинских имплантов, в частности, суставных имеет большое социально-экономическое значение. Таким образом, для повышения эффективности имплантологии, а также точности расчетов в инженерных задачах на трение, износ и коррозионную стойкость необходимо знать и использовать различные физико-механические характеристики материалов, находящихся в трибологическом контакте. Комплексное изучение функциональных свойств СМК материалов, полученных в условиях ИПД с покрытием, нанесенным по технологии МДО или ИПН, позволит расширить возможности и область использования в медицине имплантов из технически чистого титана. На основании изложенного, фундаментальной проблемой, на решение которой направлен проект, является создание научных подходов для получения высококачественных медицинских имплантов на основе комплексного изучения функциональных свойств и выявления закономерностей трибокоррозионного поведения деформационно-упрочненного технически чистого титана с СМК структурой и с алмазоподобным покрытием на поверхности.

Аннотация к отчету по результатам реализации проекта:

В соответствии с календарным планом выполнены трибологические испытания на образцах с ультрамелкозернистой (УМЗ) микроструктурой и с различными вариантами подготовки поверхности. В условиях упругого контакта, моделирующего машинное трение, были определены интегральные величины коэффициентов трения, а также прочности адгезионных связей, по которым были рассчитаны молекулярные составляющие коэффициентов трения на образцах без покрытия и с покрытием в парах трения «технически чистый титан – инструментальная сталь». Установлена корреляционная зависимость в виде регрессионной формулы. Она отражает аналитическую зависимость экспериментально полученных результатов между значениями комплексного параметра пластического фрикционного контакта и прочностью адгезионных связей в парах трения «технически чистый титан Grade 4 – инструментальная сталь состава Fe-6W-5Mo», которую для данной пары можно описать единой зависимостью в интервале температур 20 – 450оС. Кроме того, определен температурный диапазон фрикционного взаимодействия для исследованных материалов. Выполнен сравнительный анализ полученных результатов на образцах с ультрамелкозернистой структурой с результатами испытаний, полученными на образцах с крупнозернистой (КЗ) микроструктурой Установлено, что коэффициенты трения на образцах с УМЗ структурой значительно ниже, чем на КЗ материале – технически чистом титане. На образцах с покрытиями существенной разницы не обнаружено независимо от микроструктуры образцов. С целью анализа функциональных свойств исследуемого материала проведены сравнительных коррозионных испытаний гравиметрическим методом в соляном растворе NaCl концентрацией 3,5%, максимально соответствующем солевому раствору крови. При этом образцы из технически чистого титана в исходном – КЗ – структурном состоянии и после ИПД обработки (с УМЗ микроструктурой) были с покрытиями и без покрытия. В качестве покрытий использовали карбид титана (TiC), нанесенный ионно-плазменным напылением (ИПН) и оксид титана (TiO), полученный по технологии микро-дугового оксидирования (МДО). Проведены дополнительные коррозионные исследования на образцах с различной микроструктурой (без покрытий) с использованием двух альтернативных методик: - электрохимические исследования в 3,5%-ном растворе NaCl со снятием анодных и катодных поляризационных кривых, а также в камере соляного тумана при температуре 39 - 42Со. Установлено, что на УМЗ образцах из технически чистого титана коррозионное поражение ниже, чем на КЗ образцах. Видимо, это связано с явлением самопассивации, а также с возможной реализацией концепции полезных примесей. С использованием энергетических подходов получена аналитическая зависимость, устанавливающая корреляционные связи между структурным состоянием материала исследования (технически чистый титан) и свойствами материала. Проведены биологические исследования по методикам «in vitro» и «in vivo». Существенной разницы в ходе оценке биологической совместимости на образцах с различным структурным состоянием исследуемого материала не обнаружено. Однако выявлена тенденция к повышению биологической активности УМЗ материала в физиологическом растворе. Для уточнения данного наблюдения требуются дополнительные, более длительные, исследования. На основании полученных результатов исследований разработаны рекомендации по их практическому использованию, а также начато формирование базы данных. Заявленный на третьем этапе план работ по проекту был выполнен в полном объеме, что определило успешное выполнение целей и задач проекта в целом.
Аннотации к заявке и отчету приведены в авторской редакции. по состоянию на 17.05.2021.

Библиография

Приведена в авторской редакции.
Помог ли вам материал?
0    0