03.02.2025

Инновационные титановые сплавы для медицины и других сфер испытали в УрФУ

Инновационные титановые сплавы для медицины и других сфер испытали в УрФУ

Механически новые сплавы больше похожи на костную ткань

Исследователи из Уральского федерального университета (УрФУ) и Томска испытали новые сплавы на основе титана, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с традиционными медицинскими. В результате воздействия в сплавах сформировались ультрамелкозернистые структуры, которые существенно повысили прочность и твердость материала. Работа проведена при финансовой поддержке по программе «Приоритет-2030».

Как сообщает пресс-служба УрФУ, два типа титановых сплавов — TNZ (включает ниобий и цикроний) и многоэлементный TNZTS (с ниобием, цирконием, танталом и оловом) — ученые подвергли одноосному прессованию и многопроходной прокатке. Особенность этих сплавов – повышенная прочность. Кристаллическая структура титана (α-фаза), сформировавшаяся после испытаний, улучшила прочностные характеристики TNZ-сплава, но одновременно снизила его пластичность и модуль Юнга — важные характеристики материалов для протезов.

 При упругих деформациях системы «кость — имплантат» нагрузка на ткань зависит от соотношения модуля Юнга материала имплантата и костной ткани — чем это отношение меньше, тем ниже вероятность некроза и разрушения кости давлением имплантата. Механическая и биосовместимость повышают перспективы внедрения материалов, разработанных учеными, в медицине, аэрокосмической и оборонной промышленности.

«В имплантационной медицине модуль Юнга металлического имплантата — величина, характеризующая способность материала деформироваться при приложении силы, —приходится искусственно уменьшать, чтобы приблизить к модулю Юнга костной ткани. Поэтому необходимо соблюдать тщательный баланс при проектировании сплавов для конкретных применений», — пояснил доцент кафедры термообработки и физики металлов УрФУ Степан Степанов.

Сплав TNZTS с многоэлементным составом после интенсивной пластической деформации показал стабильность структуры и показателей пластичности и модуля Юнга. Ниобий, цирконий, тантал и олово улучшили механические свойства материала и повысили его коррозионную стойкость, что сделало этот сплав подходящим для применения в медицине.

Исследуемые сплавы отличаются от применяющихся в медицине несколькими важными аспектами. Традиционные медицинские сплавы содержат металлы с токсическими свойствами — алюминий и ванадий, в исследуемых материалах ниобий, цирконий, тантал и олово — более безопасные для человеческого организма элементы.

«Механически новые сплавы больше похожи на костную ткань. Низкие значения модуля Юнга снизят риск расшатывания имплантата в окружающих тканях и улучшат его интеграцию в кость пациента. Ультрамелкозернистая структура в сплавах, полученная в результате интенсивной пластической деформации, сделала их прочнее по сравнению с традиционными низкомодульными сплавами, при этом обеспечив низкий модуль Юнга. В новых сплавах улучшены характеристики усталостной прочности, что делает их надежнее для длительного использования в условиях циклических нагрузок, характерных для суставов и других подвижных частей тела», — уточнил Степан Степанов.

Перед внедрением в практическое применение таких сплавов ученые изучают их механические свойства в различных условиях эксплуатации, чтобы лучше понять поведение материала при нагрузках и температурах. Для медицинской сферы также важно оценить коррозионную стойкость новых сплавов, так как материалы будут подвержены воздействию биологических сред.

Перед клиническими испытаниями потребуется оптимизировать производство и обработку, чтобы свойства и качество оставались стабильными при серийном запуске. Широкое применение станет возможным после разработки стандартов и нормативов использования сплавов в конкретных отраслях.

Материалы по теме

В УрФУ сократят количество очников

Снимая барьеры

Международные корпорации заинтересовались российскими наночернилами

Инноваторы встретятся с крупными корпорациями в УрФУ

Стали известны победитель и призеры трека Mining&Metals акселератора GenerationS

Инноваторы в сфере энергетики смогут реализовать идеи с помощью GenerationS