Наименование конкурса: Конкурс на грантовое финансирование исследований молодых ученых по проекту «Жас ғалым» на 2024-2026 годы.

Руководитель проекта: Төлеуханова Жанерке Төлеуханқызы, постдокторант. Специалист в области материаловедения, медицинской и технической физики.

Идентификаторы:

• ORCID: 0009-0002-9254-3901 (https://orcid.org/0009-0002-9254-3901)

Исследовательская группа проекта

Аннотация проекта

Химический элемент Ti (титан) и его соединения (нитриды, оксиды, различные сплавы и стали) демонстрируют превосходную биосовместимость/биоинертность, коррозионную стойкость и физико-механические свойства и поэтому широко используются практически во всех видах ортопедических и стоматологических опорных устройствах. В зависимости от области применения эти устройства могут выполнять самые разнообразные функции: от обеспечения временной структурной поддержки до восстановления костей, долгосрочной замены суставов, заполнения зубных полостей или определения изменения стимула в области имплантации. Ортопедические имплантаты все чаще используются для частичной поддержки или полной замены частей скелетной системы человека, испытывающих проблемы из-за увеличения продолжительности жизни, различных генетических дефектов и увеличения повреждений от повседневных происшествий. Поэтому ожидается, что они будут иметь превосходные механические характеристики для продления срока службы и для срока службы при ежедневном циклическом использовании. Плохие трибологические характеристики на примере сплава Ti₆Al₄V, обычно используемого для изготовления этих имплантатов, также могут привести к образованию мелких частиц износа при постоянном движении суставов. Эти мелкие частицы, содержащие химические элементы Al (алюминий) и V (ванадий) могут вызвать токсичность для биологических систем окружающих имплантат, а также вызвать преждевременное расшатывание сустава, что приводит к сокращению срока службы имплантата и необходимости дорогостоящей реконструкционной операций.

Кроме того, медицинские устройства, изготовленные из нержавеющей стали, склонны к коррозии в кислых и богатых хлоридами средах, которые часто встречаются в биологических системах. Это повышает необходимость тщательного выбора материалов для изготовления ортопедических имплантатов, чтобы обеспечить повышенную механическую твердость, износостойкость и биосовместимость. Крайне важно, чтобы биоматериалы, используемые для изготовления этих имплантатов, имели правильное сочетание механических, морфологических, структурных и биомедицинских свойств, позволяющих продлить срок их службы в организме человека. Применяемые в недавнем времени хромокобальтовые сплавы и нержавеющая сталь сегодня уже практически не используются из-за их недостаточной стойкости к различным видам биологических сред, плохой приживляемой и риска вызывать развитие аллергических реакций.

Еще один высоко биосовместимый элемент, принадлежащий к тому же семейству, что и Ag (серебро) и Cu (медь) – это Au (золото). Мы предполагаем исходя из литературного поиска, при сплавлении Au с Ti может привести к интерметаллической структуре Ti₃Au (β-фаза), обладающей чрезвычайно высокой твердостью. По статистике опубликованных материалов в базе данных Scopus  на изучение медицинских материалов покрытых на основе Ti-Au, полученных с помощью различных методов, можно заметить актуальность данного исследовательского направление. Уникальным методом на сегодняшний день является магнетронное напыление (PVD), который позволяет получить очень тонкие с толщиной до 1 мкм биосовместимые покрытия на основе Ti-Au с улучшенными физико-механическими свойствами на имплантатах любой формы, при этом однородность сохраняется по всей поверхности материала.

Цель проекта:

Получение покрытий на основе Ti-Au с более высокой стойкостью к коррозии, лучшей био-совместимостью и лучшими физико-механическими свойствами, чем технически чистый титан и его сплавы. Также поиск оптимальных вольт-амперных технологических режимов и вакуумно-инертных (Ar+N₂/O₂) газовых составов для модификации поверхности образца с последующим напылением в камере установки PVD.

Ожидаемые и достигнутые результаты проекта:

1) Разработка и оптимизация новых тенденций и оптимальных технологических режимов напыления с использованием опыта участников при получении био-инертных Ti-Au покрытий на поверхности методом PVD;

2) Определение оптимальных вольт-амперных режимов, вакуумно-газовых составов, изготовление и подбор мишени на основе Ti-Au с добавлением Ag и Cu, повышение физико-механических характеристик, коррозионной стойкости и получение био-инертного Ti-Au покрытия.

Инфографика