Смоделирован титановый сплав с оптимальным модулем Юнга для медицинской имплантации
Сотрудники Института физики прочности и материаловедения СО РАН, используя методы компьютерного моделирования, выявили новый перспективный материал на основе титана с добавлением гафния для изготовления имплантатов.
Подобные методы исследований позволяют комплексно изучать процессы, протекающие в сплавах на атомарном уровне, в том числе диффузию кислорода, влияющую на прочностные и упругие свойства сплавов.
«В науке есть два пути получения новых материалов — это эксперименты и компьютерное моделирование. При проведении экспериментов потребуются сотни часов и дорогостоящее оборудование, прежде чем удастся прийти к заветной цели. С помощью методов компьютерного моделирования в сжатые сроки можно не только определить оптимальный состав материала, но и получить полную картину о процессах, протекающих в нём на атомарном уровне. Говоря иначе, эксперимент только отвечает на вопрос „что“, а результаты моделирования дают нам понимание, почему это произошло», — рассказал старший научный сотрудник лаборатории физики нелинейных сред ИФПМ СО РАН рассказывает Александр Бакулин.
Для медицинских приложений очень важно, чтобы материал обладал низким модулем Юнга — низкой способностью сопротивляться упругой деформации. Иными словами, он должен легко растягиваться или сжиматься под воздействием приложенной силы. Недостатком некоторых имплантатов является несоответствие их жёсткости естественной кости, что может приводить к деградации костной ткани, расшатыванию имплантата, гибели клеток остеобластов и другим негативным последствиям.
Титановые сплавы представляют большой интерес для использования в медицине из-за комбинации их уникальных механических свойств и возможности достижения низких значений модуля Юнга. Кроме того, они бывают упорядоченными и разупорядоченными. Последнее означает, что хотя и имеется кристаллическая решётка, но атомы разных химических элементов расположены случайным образом, создавая химический беспорядок. В некоторых случаях сплавы одного состава могут различаться значениями модуля Юнга из-за разного фазового состава и способов их получения и обработки.
Решить проблему получения низкомодульных сплавов можно путём введения в материал различных добавок. В результате проведённых компьютерных расчётов установлено, что добавление гафния в титановый сплав обеспечивает получение материала с оптимальным модулем Юнга. Как пояснил Александр Бакулин, гафний снижает жёсткость сплава, сохраняя при этом необходимую прочность и биосовместимость.
Другое значимое направление исследований связано с изучением влияния диффузии примесей внедрения, таких как кислород и водород на механические и эксплуатационные характеристики различных материалов.
«Явление диффузии оказывает значительное влияние на свойства материалов и их поведение в различных условиях эксплуатации. Диффузия определяет скорость проникновения кислорода внутрь материала, формируя защитные оксидные плёнки или, напротив, разрушая материал, контролирует размер зёрен, влияя тем самым на механические свойства. Кроме этого, процессы усталости и разрушения также тесно связаны с диффузией, от которой зависит способность материала восстанавливаться или накапливать повреждения», — объяснил Александр Бакулин.
По его словам, контролировать диффузию можно двумя способами — повышением диффузионных барьеров (некоторые примеси увеличивают энергетический порог, требуемый для перемещения атомов кислорода, замедляя диффузию) и изменением прочности связи (в свою очередь, другие примеси могут укреплять связи внутри материала, затрудняя перемещение атомов кислорода).
В дальнейших планах учёных — исследовать высокоэнтропийные сплавы, состоящие из пяти и более компонентов, и силициды, которые обладают уникальными электрофизическими, огнеупорными, антикоррозионными и износостойкими свойствами.
Источник: пресс-служба ТНЦ СО РАН.
