Аннотация
Введение 3
1 Современное состояние исследований в области получения медицинских магниевых
сплавов 5
1.1 Методы получения магниевых сплавов 7
1.2 Методы модифицирования структуры и увеличения физико-механических свойств
магниевых сплавов 11
1.2.1 Легирование магниевых сплавов кальцием и цинком 12
1.2.2 Наночастицы алмаза как дисперсный упрочнитель магниевых сплавов 16
1.2.3 Альтернативные способы модифицирования структуры магниевых сплавов ...18
2 Объекты, предметы и методики исследований 24
2.1 Объекты исследований 24
2.2 Методика изготовления лигатуры 24
2.3 Методика получения сплавов Mg-Ca-Zn 28
2.4 Предмет исследований 29
2.5 Методы исследования полученных материалов 29
3 Структура сплавов Mg-Ca-Zn с добавками наночастиц алмаза 33
3.1 Структура и фазовый состав лигатуры Mg-наноалмаз 33
3.2 Анализ структуры и физико-механических свойств полученных сплавов 37
4 Физико-механические свойства сплавов Mg-Ca-Zn с добавками наночастиц алмаза 49
4.1 Механические свойства и деформационное поведение 49
4.2 Фрактографический анализ 51
5 Практическое применение сплавов Mg-Ca-Zn с добавками наноалмаза 61
5.1 Исследование цитотоксичности, биодеградации и скорости разложения сплавов
системы Mg-Ca-Zn 62
5.2 Исследование влияния покрытия TiN на стойкость к биодеградации и
цитотоксичность сплава Mg-Ca-Zn 64
Заключение 69
Список использованной литературы 70
Биоматериалами принято называть материалы, используемые в медицине для изготовления имплантатов, покрытий и протезов. Биоматериалы предназначены для связывания с биологическими системами с целью повышения эффективности лечения, образования или замещения любой ткани или органа. В настоящее время среди биоматериалов выделяют биоинертную керамику и стеклокерамику, полимерные материалы и металлические биоматериалы [1-3]. В зависимости от способности к биоразложению материалы для ортопедических металлических имплантов можно разделить на две категории: биоинертные (например, протезы колена или бедра) и биоразлагаемые (например, винты, штифты и т.д.) материалы [3, 4].
В настоящее время в медицине в качестве традиционных материалов для создания ортопедических имплантов с хорошей биосовместимостью и изделий для сердечнососудистой хирургии используют неразлагаемые в среде человеческого тела сплавы титана, кобальта и хрома, а также нержавеющие стали [5]. Данные материалы неплохо зарекомендовали себя в этом направлении, однако есть некоторые проблемы, связанные с использованием «постоянных» металлических имплантов [6]. Во-первых, в связи с биоинертностью данных материалов, существует необходимость в повторной операции для удаления конструкции из организма по истечению срока эксплуатации [7]. Находясь длительное время в организме человека, металлы подвержены коррозии и износу, что приводит к высвобождению токсичных ионов металла в организм и вызывает нежелательные иммунные реакции [8]. Во-вторых, механические свойства используемых сплавов значительно превышают механические свойства человеческой кости. Данные недостатки подтолкнули исследователей и медиков к созданию биоразлагаемых имплантов, которые имели бы заданный срок эксплуатации и безопасно разлагались в организме человека [9].
Биоразлагаемые материалы, как предполагается, будут постепенно высвобождать продукты коррозии in vivo с соответствующей реакцией организма, постепенно растворяясь по мере заживления тканей до полного растворения импланта. Соответственно заданным требованиям, основными компонентами в составе биоразлагаемого материала должны быть элементы, способные метаболизироваться в человеческом организме без образования токсинов при необходимой скорости разложения [10]. Назначение биоразлагаемых имплантатов состоит в том, чтобы способствовать регенерации тканей путем деградации материалов и одновременной замены имплантата через окружающие ткани [11].
Магниевые сплавы представляют собой новое поколение материалов для медицинских имплантов, обладающих уникальными свойствами, которые делают их идеальным выбором для использования в медицинской практике.
Сплавы магния обладают высокой биосовместимостью, а также магний является одним из самых распространенных элементов в организме человека, что позволяет уменьшить риск негативных реакций на имплант в сравнении с другими материалами. Достижение требуемых физико-механических свойств и контролируемой скорости коррозии магниевого сплава возможно путем вариации методик получения, обработки и упрочнения.
Целью исследования являлась разработка научных основ получения и исследование структуры и свойств биоразлагаемых магниевых сплавов с добавками наночастиц алмаза.
В соответствии с поставленной целю были сформулированы следующие задачи:
1. Провести анализ научной литературы в предметной области исследований.
2. Модифицировать железом наночастицы алмаза.
3. Исследовать структуру и свойства синтезируемых наночастиц.
4. Подготовить порошковые смеси и изготовить лигатуры системы Mg-наноалмаз.
5. Исследовать структуру и свойства полученных лигатур.
6. Установить закономерности формирования структуры и физико-механических свойств сплавов Mg-Ca-Zn с добавлением наночастиц алмаза.
Таким образом, в рамках выполнения работы проведен анализ научной литературы в предметной области исследований; определены оптимальные параметры получения наночастиц алмаза, модифицированных железом; разработаны научные принципы получения лигатур Mg-наноалмаз методом ударно-волнового компактирования; установлены закономерности формирования структурно-фазового состояния и свойств (плотность, твердость, микротвердость, пластичность, прочность на растяжение и сжатие, деформационное поведение) полученных сплавов; исследованы биосовместимость и процессы биоразложения магниевых сплавов с добавками наночастиц и покрытиями. По результатам исследований можно сделать следующие основные выводы:
1. Ультразвуковая обработка расплава мощностью 4.1 кВ и частотой 17.6 кГц в течение 1 минуты способствует уменьшению среднего размера зерна сплава Mg-Ca-Zn со 180 до 110 мкм. Добавка наночастиц алмаза в расплав без использования ультразвуковой обработки способствует уменьшению среднего размера зерна сплава Mg-Ca-Zn со 190 до 80 мкм, за счет сдерживания роста зерен во время кристаллизации сплава, при этом установлено, что пористость полученных отливок снижается с 5 до 3 %.
2. Добавка наночастиц алмаза способствует увеличению предела текучести, предела прочности и пластичности магниевого сплава Mg-Ca-Zn с 66 до 75 МПа, с 294 до 332 МПа и с 22 до 27 %, соответственно, за счет перераспределения нагрузки от частиц к матрице при сжатии. При этом выявлено, что нанесение покрытия из TiN толщиной 3 мкм на подложку из сплава Mg-Ca-Zn обеспечивает увеличение предела текучести с 58 до 78 МПа, предела прочности с 121 до 152 МПа и повышение пластичности с 4.6 до 6.5 % соответственно.
3. Скорость биодеградации сплава Mg-Ca-Zn с добавкой наночастиц алмаза в 18 и в 23 раза ниже по сравнению со сплавами Mg-Ca-Zn без наночастиц и Mg-Ca-Zn без наночастиц с ультразвуковой обработкой соответственно.
4. На основе проведенных исследований биосовместимости установлено, что, полученные в диссертационном исследовании сплавы Mg-Ca-Zn соответствуют стандарту ISO 10993-4: 2017 для биосовместимых материалов, контактирующих с кровеносной системой, по величине гемолиза эритроцитов 0.9 ± 0.15 %. Выявлено, что добавка наночастиц алмаза обеспечивает снижение потери массы при испытании в физиологической среде in vitro на 0.3 % по сравнению с 7.6 % для сплава Mg-Ca-Zn без наночастиц.
