Оценены возможности трёх методов модификации поверхности имплантатов из никелида титана

Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН совместно с коллегами из МФТИ и Томского политехнического университета исследовали физико-механические и структурные свойства материалов для медицины на основе никелида титана, поверхность которых была модифицирована тремя методами: электролитической полировки в растворе кислот, воздействием низкоэнергетическим сильноточным электронным пучком и импульсным ионным пучком в режиме высокодозовой ионной имплантации.

Исследования показали преимущества каждого из методов и позволили определить, как с их помощью можно улучшить надёжность биомедицинских изделий. Полученные результаты представлены в высокорейтинговом журнале Materials Research Bulletin​.

«Никелид титана обладает сверхэластичностью и памятью формы, что делает его незаменимым материалом для миниатюрных изделий, используемых в медицинской практике. Однако он подвергается химическому, механическому и температурному воздействию со стороны жидких, мягких и твёрдых тканей окружающего его живого организма. Все эти факторы создают сложные условия для эксплуатации медицинского имплантата, требующие высокой прочности и коррозионной стойкости металлического материала, из которого он изготовлен», — рассказала главный научный сотрудник лаборатории материаловедения покрытий и нанотехнологий ИФПМ СО РАН доктор физико-математических наук, профессор Людмила Мейснер.

Как объясняет Людмила Мейснер, каждый из предложенных методов модификации поверхности имеет свои преимущества, а его выбор зависит от тех задач, которые предстоит решать имплантату. Если нужно недорого и быстро повысить коррозионную стойкость такого изделия, то с этим отлично справится обычный способ обработки его поверхности путём химического травления и электролитической полировки.

Если материалу в организме требуется дополнительная защита от коррозии, то она обеспечивается с помощью ионной имплантации заранее выбранного химического элемента в тонкий (толщиной около 100 нанометров) поверхностный слой, позволяющей сформировать на поверхности изделия композитные оксидные слои большей толщины с повышенными характеристиками коррозионной стойкости.

Электронно-пучковая обработка существенно улучшает прочностные характеристики материала за счёт изменения структуры модифицированного слоя и увеличения его толщины, что очень важно в ортопедических конструкциях, которые испытывают значительные нагрузки и при этом должны служить долго.

Результаты исследований наглядно показали, как меняются свойства никелида титана после применения каждого из этих методов. Так, при замене электролитической полировки электронно-пучковой обработкой в биоинертных оксидных слоях на поверхности материала происходит смена однофазной структуры на многофазную нанокомпозиционную (аморфно-кристаллическую), двукратно возрастает толщина слоя с высокой (более 50 объёмных процентов) концентрацией кислорода. Вместе с тем после электрополировки концентрация токсичного никеля в поверхностном слое снижается в пять раз, что, безусловно, важно для человеческого организма.

«После обработки электронным пучком способность к „самопассивации“ повреждённой оксидной плёнки на поверхности никелида титана — восстановлению защитных свойств материала после повреждения — более чем пятикратно возрастает, по сравнению с таковой в природной оксидной плёнке. Это связано с изменением фазового состава поверхностного оксидного слоя, что, в конечном счёте, приводит к повышению коррозионной стойкости модифицированного материала. Например, в результате ионно-пучкового легирования цирконием в поверхностном слое никелида титана формируются новые фазы, значительно улучшающие защитные свойства сплавов», — продолжает научный сотрудник лаборатории кандидат технических наук Филипп Дьяченко.

«С помощью рентгеноструктурного анализа, позволяющего проводить высокоточные измерения и анализировать тонкие поверхностные слои толщиной всего в один-два-три микрона, установлено, что после обработки поверхности электронными и ионными пучками основная структура никелида титана под модифицированным слоем практически не изменяется: это значит, что поверхностно-модифицированное изделие из никелида титана будет сохранять все свои уникальные объёмные характеристики», — подчеркнула научный сотрудник лаборатории кандидат физико-математических наук Марина Остапенко.

Всесторонние исследования механических характеристик образцов-прототипов имплантатов из никелида титана с модифицированными поверхностными слоями, включающие измерения твердости, механические испытания на одноосное растяжение, изгиб и кручение, показали, что модификация поверхности предложенными методами значительно улучшает механические свойства изделий.

Источник: пресс-служба Томского научного центра СО РАН.