14.578.21.0115

Разработка технологии получения наноструктурных сверхупругих трех- и четырехкомпонентных сплавов на основе Ti-Zr (далее – сплавы на основе Ti-Zr) для создания сплошных и пористых материалов для стоматологических и ортопедических имплантатов заданной формы и с управляемой внутренней структурой.

Перспективными материалами для изготовления внутрикостных имплантатов являются сплавы на основе системы титан-цирконий, дополнительно легированные ниобием и/или танталом для повышения комплекса функциональных свойств, таких как характеристики сверхупругого поведения и величина модуля Юнга, что в сочетании с правильно подобранным режимом термомеханической обработки позволяет добиться высокой степени схожести деформационного поведения имплантируемой конструкции с таковым для плотной (кортикальной) костной ткани.
Создание пористых структур на основе сплава Ti-Zr позволит в достаточной степени воспроизвести механическое поведение пористой (трабекулярной) костной ткани. Кроме того, развитая открытая пористость такого материала будет способствовать прорастанию костной ткани во внутренние области имлантата, что обеспечит наилучшую интеграцию и фиксацию конструкции.
Управление структурой пористого материала в ходе синтеза и последующей обработки позволит адаптировать конечное изделие под индивидуальные особенности пациента.

Основной задачей ПНИЭР является разработка технологии получения высокобиосовместимого материала для изготовления металлических конструкций для дентальной и ортопедической имплантологии.

Основные этапы реализации и пути решения поставленной задачи:

1. Получение высококачественных слитков трех- и четырехкомпонентных сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr: выплавка пробных слитков малого развеса с помощью вакуумной электро-дуговой плавки с нерасходуемым электродом; поиск перспективных составов на основе Ti-Zr с повышенным кристаллографическим ресурсом обратимой деформации; отработка технологии выплавки для достижения минимального содержания примесей.

2. Оптимизация технологии термомеханической обработки для формирования наноструктурного состояния полученных сплавов, соответствующего наилучшему комплексу функциональных свойств: проведение термомеханической обработки, включающей в себя холодную деформацию, последеформационный отжиг и старение для формирования широкого набора структурных состояний от рекристаллизованного до наноструктурного; исследование влияния термомеханической обработки на структуру и статические и усталостные функциональные свойства сплавов; выбор режима термомеханической обработки, соответствующего оптимальному комплексу функциональных свойств.

3. Выбор и отработка технологии получения пористых однородных и градиентных материалов из сверхупругих сплавов на основе Ti-Zr: получение слитков крупного развеса с последующей атомизацией для получения порошка; в качестве альтернативной технологии получения исходного сырья для пористых материалов механическое сплавление сплава оптимального состава на основе Ti-Zr из элементных порошков; сплавление элементных порошков методами порошковой металлургии и послойным синтезом; получение пористого материала методами порошковой металлургии и послойного синтеза.

4. Определение методологии, выбор и отработка методики формирования персонализируемой структуры и формы имплантатов: получение заданной градиентной пористой структуры методами порошковой металлургии и послойного синтеза; отработка методик резки пористого материала с последующим открытием пор.

5. Комплексное исследование и оптимизация биомеханической и биохимической совместимости полученных материалов: проведение электрохимических исследований; отработка методов модификация поверхности для создания биоактивного слоя; проведение in vitro и in vivo исследований биосовместимости.

6. Изготовление экспериментальных образцов имплантатов: изготовление экспериментальных образцов стоматологических имплантов из полученных материалов с использованием CAD/CAM системы.

1 этап работ (2015 год):

1. Подготовлен обзор современной литературы по тематике исследований; выбран и обоснован оптимальный вариант решения задач ПНИЭР.

2. Разработаны лабораторные методики подготовки образцов сплошных и пористых сплавов на основе Ti-Zr для исследований и испытаний, термомеханической обработки сплавов на основе Ti-Zr, получения сплошных сплавов на основе Ti-Zr.

3. Проведен теоретический поиск перспективных составов сплавов на основе Ti-Zr.

4. Изготовлены экспериментальные образцы сплошных сплавов на основе Ti-Zr.

5. Экспериментально оценена возможность управления структурой и свойствами сплавов на основе Ti-Zr методами термомеханической обработки.

6. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96.

7. Апробированы различные технологии получения слитков сплавов на основе Ti-Zr.

8. Экспериментально подобраны перспективные составы сплавов на основе Ti-Zr.

9. Проведена выплавка и оценка качества пробных слитков сплавов на основе Ti-Zr.

10. Разработана лабораторная методика получения высококачественных слитков сплавов на основе Ti-Zr оптимальных составов методом вакуумной электродуговой плавки с нерасходуемым электродом.

11. Проведена предварительная термомеханическая обработка полученных сплавов на основе Ti-Zr с использованием комплекса Gleeble 3800.

2 этап работ (2015 год):

1. Разработана программа и методики испытаний экспериментальных образцов сплавов на основе Ti-Zr.

2. Проведены комплексные исследования структуры и биомеханической совместимости сплавов на основе Ti-Zr.

3. Выбран оптимальный режим термомеханической обработки сплавов на основе Ti-Zr для достижения наилучшего комплекса функциональных свойств.

4. Апробированы различные методы получения порошка сплавов на основе Ti-Zr.

5. Отработана технология производства пористых сплавов на основе Ti-Zr методом трехмерного послойного синтеза.

6. Разработана лабораторная методика получения пористых однородных и градиентных сплавов на основе Ti-Zr и изготовлены экспериментальные образцы.

7. Разработан план медико-биологических исследований экспериментальных образцов сплавов на основе Ti-Zr и имплантатов из сплава на основе Ti-Zr оптимального состава in vitro и in vivo.

8. Проведены испытания в соответствии с программой и методиками испытаний экспериментальных образцов сплавов на основе Ti-Zr.

9. Проведены патентные исследования по ГОСТ Р 15.011-96 и подана патентная заявка.

10. Проведена термомеханическая обработка сплавов на основе Ti-Zr по различным режимам.

11. Разработаны рекомендации по проведению термомеханической обработки сплавов на основе Ti-Zr.

12. Изготовлены экспериментальные образцы слитков большого развеса сплава на основе Ti-Zr оптимального состава.

13. Отработана технология производства пористых сплавов на основе Ti-Zr методом классической порошковой металлургии.

14. Скорректирована лабораторная методика получения высококачественных слитков сплавов на основе Ti-Zr.

В результате выполнения ПНИЭР будут получены сплошные и пористые материалы на основе сверхупругих сплавов системы Ti-Zr, обладающие наилучшей биомеханической, биохимической и медико-биологической совместимостью с костной тканью организма человека.