Ниобиевое покрытие увеличило твердость титановых имплантатов в шесть раз

Ученые создали «щит» из ниобия для титановых имплантатов, который увеличивает их твердость в шесть раз. Для этого ниобий распылили в вакууме при сильном нагреве и осадили на поверхность изделия. Разработка поможет повысить качество и долговечность титановых медицинских имплантатов, а также уменьшит риск их отторжения. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале «Вестник Московского энергетического института».

Чаще всего костные имплантаты изготавливают из сплавов титана — металла, который очень хорошо «приживается» в организме. Однако титан недостаточно прочен, чтобы выдерживать постоянные нагрузки, которые испытывают кости и суставы при ходьбе и беге, поэтому к нему добавляют примеси — алюминий и ванадий. Они повышают прочность материала, но со временем могут высвобождаться из имплантата и вызывать воспаление близлежащих тканей.

В качестве более безопасного упрочняющего компонента можно использовать ниобий — он, как и титан, абсолютно не токсичен для организма, и при этом в разы повышает твердость. Однако ниобий не используют в качестве самостоятельной основы для имплантатов из-за того, что его очень сложно обрабатывать — например, резанием, чтобы придать нужную форму. Поэтому ученые ищут способы наносить ниобий в виде тонких кислородно-насыщенных покрытий на готовые титановые имплантаты.

Исследователи из Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А. (Саратов) предложили создавать такие покрытия с помощью напыления в вакууме. Такой подход уже используется для формирования тонких пленок из тугоплавких металлов, но не тестировался с ниобием и титаном.

Авторы поместили в вакуумную камеру тестовые диски из технического титана, а напротив них — ниобиевую мишень в виде кольца. С помощью индукционного тока мишень нагрели свыше 2000°С. При такой температуре ниобий постепенно испарялся и в виде мельчайших частиц тонким слоем оседал и внедрялся в приповерхностный слой титана.

Исследователи меняли силу тока, с помощью которого нагревали мишень, а также время эксперимента, чтоб понять, какие условия обработки оптимальны. Затем ученые сравнили элементный состав, структуру и твердость покрытий, полученных в разных режимах.

Чем более сильный ток использовали авторы и чем дольше распыляли ниобий, тем толще получались защитные слои. Так, ниобий проникал в титановые диски на глубину до 70 микрометров, и именно в этой зоне происходило основное упрочнение материала. Эксперименты показали: после нанесения покрытия твердость образцов увеличилась более чем в шесть раз по сравнению с чистым титаном.

«Предложенная технология открывает перспективы для создания надежных и долговечных медицинских имплантатов, особенно в ортопедии, где важны высокая прочность и хорошая совместимость материала с тканями организма. В дальнейшем мы планируем расширить перечень распыляемых материалов, в частности рассмотрим влияние молибдена. Повышение твердости рабочих поверхностей имплантируемых конструкций позволит увеличить износостойкость и надежность перспективных титановых изделий, в том числе медицинских», — рассказывает руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, Александр Фомин, доктор технических наук, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» Саратовского государственного технического университета имени Гагарина Ю.А.