Переломный момент. В Тольяттинском государственном университете разработали биорастворимые импланты

В опорном Тольяттинском государственном университете (ТГУ) создали сплав, обладающий способностью полностью растворяться в организме человека без вреда для его здоровья. На проведение исследований учёные ТГУ получили несколько государственных грантов. Сейчас сотрудники научно-исследовательского института прогрессивных технологий ТГУ заняты изучением возможности применения магниевых сплавов в медицине и реализацией проекта биомедицинского сплава.

 

Магниевые сплавы относятся к числу перспективных материалов. Их целесообразно применять в автомобильной и авиационной промышленности: детали из магния легче, чем из алюминия или стали, а значит и общий вес машины или самолёта с деталями из магния сравнительно небольшой. При уменьшении общего веса расход топлива падает, что экономически и экологически выгодно.

Однако, несмотря на все его достоинства, магний имеет и ряд недостатков: он плохо деформируется, легко воспламеняется и имеет низкую коррозионную стойкость. Данные особенности – серьёзная проблема для автомобильной и авиационной промышленности. Но третий недостаток – низкую коррозионную стойкость – учёные ТГУ попытались использовать во благо человечества.

– Низкая коррозионная стойкость магния позволяет использовать его для изготовления биорезорбируемых имплантов и стентов, – рассказывает Евгений Мерсон, кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий ТГУ. – Сейчас импланты делают из титана или нержавеющей стали, и их нужно извлекать из организма спустя некоторое время, что достаточно болезненно. Магний же, благодаря низкой коррозионной стойкости, сам растворяется в крови без вреда для человека. В настоящий момент мы изучаем закономерности коррозии магниевых сплавов, пытаемся выяснить, какие процессы при этом протекают на микроуровне. Для биорезорбируемых стентов и имплантов важно, чтобы они растворялись в организме человека вовремя, не раньше и не позже. Поэтому нужно уметь управлять временем растворения магния в крови. Чтобы научиться это делать, нужно понять какие факторы влияют на этот процесс, то есть понять механизм коррозии. Именно на это и нацелены наши исследования.

Чем магний похож на сахар-рафинад?

Исследование механизмов коррозии магния в опорном Тольяттинском государственном университете стало возможным благодаря гранту Российского научного фонда, который учёные получили на реализацию проекта «Научные основы проектирования высокопрочных деформируемых магниевых сплавов с повышенной стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением и водородной хрупкостью» в 2017 году. Российский научный фонд поддержал инициативу ТГУ и выделил финансирование в объёме 6 миллионов рублей в год. Проект рассчитан на три года, сейчас идёт второй год исследований под руководством ведущего учёного Алексея Виноградова.

Выполнение запланированных в проекте экспериментов и исследований происходит на базе лабораторий НИИ прогрессивных технологий ТГУ. Они оснащены новейшим испытательным и аналитическим оборудованием, в том числе машинами для механических испытаний, приборами химического анализа, различными микроскопами и т. д. Многие из этих приборов были закуплены с 2010 по 2015 годы на средства многомиллионного мегагранта по постановлению Правительства РФ № 220 от 09.04.2010 г., который также выполнялся под руководством Алексея Виноградова. Исследованиями в лаборатории занимаются не только профессора опорного ТГУ, но и студенты магистратуры и аспирантуры по направлению «Физика конденсированного состояния».

В процессе исследований стало понятно, что для магния характерно коррозионное растрескивание. Кровь – достаточно агрессивная среда для магния, а стент из магниевого сплава в организме человека неизбежно подвергается сжатию, растяжению и изгибу. То есть существует угроза, что в организме человека магний не растворится, а просто расколется на части.

Поведение магния в организме можно сравнить с «поведением» рафинада в стакане чая. Если рафинад поместить в горячий чай, сахар медленно растворится. Точно так же растворится и магний в крови – со временем. Но если поместить рафинад в горячий чай и постучать по куску сахара ложкой, велика вероятность, что сахар просто расколется в чае и только потом растворится. Допускать такого же раскола магния в организме нельзя: в таком случае имплант из магния не успеет выполнить свою функцию. Обеспечить стойкость медицинских магниевых сплавов к коррозионному растрескиванию под напряжением – как раз и является одной из задач, стоящих перед учёными ТГУ.

Некоторые результаты двух лет экспериментальных исследований по проекту описаны в научной статье «On the role of hydrogen in stress corrosion cracking of magnesium and its alloys: Gas-analysis study», недавно опубликованной в высокорейтинговом иностранном научном журнале «Materials Science & Engineering A», индексируемом в библиографической и реферативной базе данных Scopus, а также входящем в первый квартиль (Q1) базы данных Web of Science. Авторы статьи: кандидат физико-математических наук, старший научный сотрудник НИИ прогрессивных технологий ТГУ Евгений Мерсон, техник и аспирант ТГУ Павел Мягких, младший научный сотрудник Виталий Полуянов, доктор физико-математических наук, директор НИИ прогрессивных технологий, профессор ТГУ Дмитрий Мерсон, заместитель директора НИИ прогрессивных технологий по науке, кандидат физико-математических наук, профессор Норвежского технологического университета Алексей Виноградов.

– В статье раскрывается роль диффузионно-подвижного водорода в процессе коррозии магниевых сплавов, – разъясняет Евгений Мерсон. – Коррозионное растрескивание магниевых сплавов – явление малоизученное и малопонятное, поэтому мы и занялись его изучением. В научном мире есть ряд устойчивых гипотез о том, почему происходит коррозионное растрескивание. Одна из них гласит, что виной всему диффузионно-подвижный водород. Считается, что он проникает в металл в процессе коррозии, охрупчивает его и вызывает растрескивание. Мы начали её [гипотезу] проверять и показали, что на самом деле это не так: диффузионно-подвижный водород тут ни при чём.

 

Суть эксперимента

Учёным ТГУ удалось в лабораторных условиях смоделировать эффект коррозионного растрескивания под напряжением. Для этого образец магниевого сплава в виде стержня помещали в специальную ёмкость, заполненную коррозионной средой – раствором соли. Помимо того, что образец находился в коррозионной среде, его растягивали при помощи разрывной машины – до тех пор, пока образец не рвался на две части.

После разрушения образца его исследовали в газоанализаторе на предмет наличия диффузионно-подвижного водорода внутри магниевого сплава. Затем сравнивали полученные результаты с показаниями, полученными до испытания. Анализ показал: концентрация диффузионно-подвижного водорода не отличается от первоначальной, то есть насыщение образца водородом в процессе испытания не происходит. Это дало учёным право сделать вывод, что диффузионно-подвижный водород не играет роли в коррозионном растрескивании и не является его причиной.

– Важно понимать, что за экспериментом, иногда длящимся всего несколько минут, стоит нечто большее, – рассказывает Виталий Полуянов. Это и изучение литературы по нужной тематике, и разработка методики эксперимента, включающей выбор материала, подготовку образцов и так далее... В этой истории участвует каждый член нашего коллектива: мы вместе обсуждаем, как можно проверить ту или иную гипотезу. Помимо командной работы при подготовке эксперимента все работают вместе и во время его проведения, и во время обсуждения полученных результатов.

Евгений Мерсон о том, почему импланты подвержены коррозионному растрескиванию

Евгений Мерсон о том, почему исследование учёными ТГУ явления коррозионного растрескивание сродни поиску лекарства от болезни

Исследованием магниевых сплавов занимаются практически во всём мире, в частности, в Японии, Америке, Англии. В России, пожалуй, активнее всего исследования в этой области ведут в Тольяттинском государственном университете, и делают это не только в лаборатории коррозионных исследований: группа учёных из ТГУ ищет применение этого материал и в автомобильной промышленности. Помимо ТГУ в России изучением магниевых сплавов занимаются также во Всероссийском научно-исследовательском институте авиационных материалов, а также в Институте проблем сверхпластичности металлов Российской академии наук.

 

Будущие исследования

Таковы результаты второго года исследования – учёные ТГУ оправдали диффузионный водород перед лицом научного сообщества. Впереди третий год исследований, в течение которого им предстоит выяснить – «кто» же всё-таки виноват в коррозионном растрескивании магниевых сплавов.

 

Евгений Мерсон о том, почему импланты подвержены коррозионному растрескиванию
Евгений Мерсон о том, почему исследование учёными ТГУ явления коррозионного растрескивание сродни поиску лекарства от болезни
Просмотров: 104
Читайте также:
Поделиться с друзьями
Назад к списку статей