Регистрация / Вход
Прислать материал

Разработка методов получения адаптивных композиционных наноматериалов на основе обладающего свойствами памяти формы нитинола медицинского и общетехнического назначения

Номер контракта: 14.575.21.0094

Руководитель: Ховайло Владимир Васильевич

Должность руководителя: с.н.с.

Докладчик: Рыклина Елена Прокопьевна, ведущий научный сотрудник

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСиС"

Аннотация скачать
Постер скачать
Ключевые слова:
наноструктурные материалы, композиционные материалы, сплавы с памятью формы, термомеханическая обработка, интенсивная пластическая деформация, структура, функциональные свойства, термочувствительные элементы, минимально-инвазивная хирургия, сшивание века

Цель проекта:
1. Разработка композиций и технологий получения новых адаптивных композиционных наноматериалов (далее - АКНМ) на металлической основе с наполнителями, обладающими способностью контролируемым образом реагировать на изменяющиеся внешние воздействия, в том числе выполняющими функции сенсорных, управляющих и/или исполнительных элементов, изменяя свои функциональные свойства, для "умных" датчиков, узлов различных конструкций медицинского и общетехнического назначения. 2. Разработка и использование оптимальных режимов термомеханической обработки, включая интенсивную пластическую деформацию, для создания уникальных устройств медицинского и технического назначения нового поколения с предельно высокими функциональными характеристиками, позволяющими реализовать принципиально новые технологии хирургических вмешательств. Возможности управления свойствами СПФ с помощью схемы ТМО, включающей низкотемпературную ТМО (НТМО) и последеформационный отжиг (ПДО), использованы далеко не в полной мере. Дополнительные резервы повышения ФС заключаются в совместном варьировании структурного и фазового состояния аустенита и параметров внешних воздействий в диапазоне высоких степеней деформации. Актуальность проведения таких исследований подкрепляется все возрастающим спросом на интеллектуальные устройства из СПФ нового поколения технического и медицинского назначения с высокой степенью надежности и недостижимыми ранее характеристиками. Научные и технологические решения являются новыми и опережают мировой уровень.

Основные планируемые результаты проекта:
В ходе выполнения ПНИ должны быть получены следующие научно-технические результаты:
Промежуточные и заключительный отчеты о ПНИ; лабораторная методика фазово-структурного анализа разрабатываемых АКНМ; лабораторная методика измерения функциональных свойств разрабатываемых АКНМ; экспериментальные образцы новых АКНМ; лабораторный технологический регламент получения АКНМ; технические требования и предложения по разработке, производству и использованию новых АКНП с учетом технологических возможностей и особенностей индустриального партнера - организации реального сектора экономики; рекомендации по использованию разрабатываемых устройств медицинского и общетехнического назначения; проект технического задания на проведение ОТР по теме: «Разработка технологий создания конструкций медицинской техники на основе эффектов памяти формы и сверхупругости наноструктурного нитинола с нанофазным упрочнением». Полученные результаты и разработанные технические решения являются новыми, оригинальными и опережают мировой уровень.


Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
Описание разрабатываемых устройств.
1) Сверхупругие скобки для степлера, сшивающих сосуды и полые органы.
Разрабатываемый степлер со сверхупругими сшивающими скобками позволит проводить хирургическое вмешательство по шунтированию на работающем сердце минимально-инвазивным доступом.
Работа будет направлена на совершенствование дизайна степлера, адаптацию скрепок к рабочей кассете степлера, поскольку в настоящее время остается нерешенной проблема безотказного сбрасывания скрепок из кассеты рабочей части.

2) Клипирующее устройство (клипса) для остановки кровотечения.
Новое устройство позволит решить проблему экстренной остановки кровотечения в хирургии, а также проблему временного отключения органов (например, почки) при проведении полостных и лапароскопических операций.
В рамках настоящего проекта впервые будет разработан оригинальный дизайн клипсы, имеющий 3
типоразмера для сосудов разного диаметра и с разным давлением и оригинальный манипулятор- клипхолдер.
Конкурентные преимущества устройства: надежное и нетравматичное обжатие сосуда и возможность удаления клипсы

3) Сверхупругий экстрактор для извлечения инородных тел из трубчатых органов.
Извлечение конкрементов из протоков часто осложняется трудностью доступа в случае узких и патологически извитых протоков, в которых недостаточно места для раскрытия традиционных ловушек корзинчатого типа.
Впервые будет разработан универсальный оригинальный экстрактор с манипулятором, позволяющий
извлекать камни, инородные тела и конкременты из полых органов при эндоскопическом доступе, а также при необходимости освобождать захваченные объекты.
Конкурентные преимущества устройства: надежный захват и легкое освобождение конкрементов.

4) Скобка с эффектом памяти формы для сшивания рваных и резаных ран века в условиях экстренной хирургии.
Впервые будет разработана скобка с эффектом памяти формы и способ сшивания рваных и резаных ран века в условиях экстренной хирургии. Конструкция скобки позволит прошивать последовательно кожу, мышцу, хрящ (последний - не более, чем на 2/3 глубины), не проникая при этом в слизистую, что исключит повреждение роговицы, и самопроизвольно срабатывать при контакте с кожей пациента с дозированной компрессией. Для захвата и установки скобки будет разработан оригинальный манипулятор, который
будет использоваться многократно.

5) Термочувствительные элементы термозапорных клапанов газовых коммуникаций.
Термозапорный клапан КТЗ повышает безопасность газовой системы, так как автоматически перекрывает газовую магистраль при достижении температуры среды в помещении при пожаре 70 - 100 °С.
При достижении температуры внешней среды 70 -100 °С элемент с памятью формы изменяет форму и освобождает подпружиненный затвор, который герметично перекрывает выходное отверстие клапана, тем самым прекращая подачу газа.
Использование сплавов Ti-Ni с ЭПФ вместо сплавов Вуда, применяемых в термозапорных клапанах
газовых коммуникаций как российских, так и зарубежных аналогов, повышает надежность работы клапана. На практике сплавы Вуда в зависимости от чистоты сплава дают нестабильные, чаще заниженные
значения температуры плавления, т.е. ниже 50-60 °С.
Работа будет направлена на разработку технологии получения промышленной проволоки из сплавов Ti-Ni
c ЭПФ с требуемыми функциональными свойствами и разработку режимов термомеханической обработки для регулирования и корректировки параметров формовосстановления.

6) Датчики повышения температуры газовой среды с ЭПФ.
Планируется разработка датчиков из никелида титана с эффектом памяти формы, в двух различных модификациях, каждая из которых должна быть «запрограммирована» на прецизионное срабатывание в трех температурных интервалах: (1) 43 - 45 °С; (2) 46 - 48 °С; (3) 49 - 51 °С. Датчики размещаются в газовой камере, где должны самопроизвольно срабатывать при повышении температуры газовой среды за счет реализации ЭПФ и замыкать электрический контакт. При замыкании контакта должен прекращаться доступ нагретого газа в агрегат.
Конструкция датчиков оригинальна, не имеет аналогов и представляется патентоспособной.
Для реализации поставленной задачи выбран сплав Ti-50,7 ат.%Ni, в котором будет изучено совместное влияние различных факторов при одновременном их варьировании - структуры, исходного фазового состояния и температурно-деформационных параметров наведения ЭПФ - на величину обратимой деформации ЭПФ и температурный интервал его реализации. Полученные закономерности позволят осуществлять прецизионное управление температурой срабатывания датчиков, которые найдут применение в разных областях техники.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
По результатам поисковых исследований будет составлен алгоритм, который может быть рекомендован в качестве руководства при выборе режимов ТМО, обеспечивающих получение нужного структурного состояния и температурно-деформационной схемы наведения эффектов памяти формы и соответственного требуемого уровня функциональных характеристик в зависимости от поставленной цели для достижения того или иного сочетания свойств в готовом изделии. Полученные результаты могут быть использованы в технике и медицине при разработке интеллектуальных устройств с предельно высокими функциональными характеристиками. В результате работы будут созданы устройства медицинского назначения нового поколения для сердечно- сосудистой, эндоскопической и абдоминальной хирургии, с уникальными характеристиками, позволяющими реализовать принципиально новые технологии хирургических вмешательств, обеспечивающих недостижимый ранее социальный эффект при лечении населения. Устройства, которые будут разработаны в рамках проекта, не имеют аналогов и опережают мировой уровень. Внедрение новых разработок будет способствовать снижению смертности, процента инвалидизации населения и принесет весомый социальный эффект.
Полученные в рамках проекта результаты исследований будут использованы в дальнейших исследованиях и разработках, проводимых в НИТУ «МИСиС».


Текущие результаты проекта:
В результате выполнения работ в 2015 году были решены следующие задачи: разработана программа и методики (ПМ) испытаний адаптивных композиционных наноматериалов (АКНМ); исследованы влияние и функциональный отклик разрабатываемых АКНМ на различные внешние воздействия, в том числе: проведено комплексное исследование зеренной структуры и дефектности АКНМ после различных обработок; проведено комплексное исследование морфологии наноразмерного наполнителя АКНМ после различных обработок; исследованы фазовые превращения в АКНМ после различных обработок; исследованы функциональные свойства АКНМ после различных обработок. Выбраны и обоснованы структурные состояния, обеспечивающие предельно высокий комплекс функциональных свойств АКНМ, на основании полученных результатов составлен алгоритм выбора структурного состояния материала для решения разного рода прикладных задач. Обоснован выбор схемы наведения эффектов, обеспечивающих предельно достижимый комплекс функциональных свойств АКНМ. Исследованы влияние и функциональный отклик разрабатываемых АКНМ на различные внешние воздействия, в том числе: проведено исследование эволюции параметров ЭПФ и ОЭПФ при наведении эффектов в разных исходных фазовых состояниях, проведен анализ влияния параметров внешних воздействий при наведении ЭПФ и ОЭПФ на функциональные свойства АКНМ в разных исходных фазовых состояниях. Разработаны температурно-деформационные схемы наведения ЭПФ и ОЭПФ в АКНМ. Проведены коррозионно-электрохимические испытания АКНМ в модельных растворах. Проведены сравнительные медико-биологические испытания in vitro на цитотоксичность АКНМ с различным состоянием поверхностных слоев. Разработана технология изготовления сверхупругих скобок для степлера, сшивающего сосуда и полые органы, и изготовление экспериментальных образцов. Разработана технология изготовления клипс для создания гемостаза в кровеносных сосудах и изготовление экспериментальных образцов. Разработана технология изготовления скобок с ЭПФ для сшивания рваных и резаных ран века и изготовление экспериментальных образцов. Разработана технология изготовления устройства для извлечения инородных тел из трубчатых органов и изготовление экспериментальных образцов. Проведены дополнительные патентные исследования и подана патентная заявка. Проведена ТМО проволоки из АКНМ для получения функциональных свойств рабочих элементов термозапорных газовых клапанов; осуществлено материально-техническое обеспечение работ.