intelligent-lab

10.04.2020 20:32

Разработка и исследование наноструктурных металлов и миниатюризация медицинских изделий

Автор:  Растегаев Игорь Анатольевич
Цель проекта:
1. разработка научных принципов достижения высокой конструкционной прочности биосовместимых металлических материалов медицинского назначения и определения технологических режимов получения полуфабрикатов для изготовления новых конструкций имплантатов;
2. разработка научных принципов создания и изготовления имплантатов и медицинских инструментов улучшенной конструкции, основанных на преимуществе нового класса наноструктурированных металлических материалов с повышенными прочностными и усталостными свойствами

Выходные данные проекта:
Тема: Разработка и исследование наноструктурных металлов и миниатюризация медицинских изделий
Приоритетное направление: 2 - Индустрия наноситем
Область знаний: 03 Химия и науки о материалах; 09 - Инженерные науки
Шифр проекта: 20-69-47059
Продолжительность работ: 2020 - 2023 г.
Итоговое финансирование проекта: 24 млн. руб.
Ключевые слова: Наноструктурированные металлические материалы; интенсивная пластическая деформация (ИПД); микро- и наноструктрура; миниатюризация медицинских имплантатов; медицинские инструменты; челюстно-лицевая хирургия; травматология; прочность и механизм разрушения; статические, ударные и усталостные испытания; биосовместимость

Аннотация и научная значимость проекта:
Широкое использование «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины основано на миниатюризации медицинских изделий-имплантатов и медицинского инструмента за счет использования нового класса конструкционных и функциональных материалов с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ), отличающихся высокой твердостью и прочностью. Этим требованиям в полной мере отвечают объемные УМЗ металлические материалы, полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Многочисленные исследования последних двух десятилетий убедительно свидетельствуют, что создание УМЗ структур в металлических материалах методами ИПД, позволяют значительно увеличить их твердость, прочность и усталостную долговечность. Это относится, прежде всего, к широко используем для изготовления медицинских имплантатов и других устройств биометаллам, к числу которых относятся титан и его сплавы, аустенитные нержавеющие стали, магниевые сплавы и другие материалы.

В настоящем проекте будут реализованы преимущества междисциплинарного подхода. Инновационные подходы наноструктурирования вышеуказанных материалов, основанные на сочетании формирования УМЗ структуры и образования нанодисперсных выделений вторых фаз и сегрегаций, связанные с выбором режимов методов ИПД, позволят обеспечить в металлах и сплавах не только рекордную прочность, но и их пластичность и вязкость, открывая путь к повышению целого комплекса их служебных свойств: ударной вязкости, низкой чувствительности к концентраторам напряжения, усталостной прочности и т.д. Это, в свою очередь, позволит существенно миниатюризировать медицинские имплантаты, предлагая, как усовершенствованные, так и новые перспективные конструкции имплантатов и сопутствующих медицинских инструментов. Кроме того, проведение поверхностной модификации имплантатов позволит повысить их биофункциональные свойства. Решение поставленной задачи предполагает также расчет прочностных свойств, предполагаемых изделий; исследование микроструктуры и механических свойств, полученных наноструктурных материалов на всех стадиях изготовления изделий – заготовок, полуфабрикатов, изделий, поверхностной обработки. Механические испытания будут включать: статические, ударные, усталостные и специфические для имплантатов нагрузки. Особое место займут исследования биосовместимости разработанных имплантатов. В заключении проекта будет проведен полный комплекс аттестации полученных медицинских изделий.

Актуальность решения данной проблемы несомненна, поскольку миниатюризация медицинских имплантатов является необходимым условиям широкого внедрения «щадящих» операционных технологий, способствующих быстрой послеоперационной реабилитации больных.

Междисциплинарный проект будет выполняться по двум отраслям знаний. Исследования в области знаний «03 Химия и науки о материалах» будут выполняться первой группой исследователей из Уфимского государственного авиационного технического университета. Основная цель данной группы – разработка научных принципов достижения высокой конструкционной прочности биосовместимых металлических материалов медицинского назначения и определения технологических режимов получения полуфабрикатов для изготовления новых конструкций имплантатов.

Исследования в области знаний «09 Инженерные науки» будут выполняться второй группой исследователей из Тольяттинского государственного университета. Главная цель данной группы - разработка научных принципов создания и изготовления имплантатов и медицинских инструментов улучшенной конструкции, основанных на преимуществе нового класса наноструктурированных металлических материалов с повышенными прочностными и усталостными свойствами.


Ожидаемые результаты выполнения проекта:
Результатом запланированных исследований по проекту (область науки 09) будет создание новых научных принципов и технических решений получения медицинских имплантатов нового поколения из наноструктурных металлов с биосовместимыми покрытиями, учитывающими медицинские показания для пациента. Это станет возможным благодаря получению по проекту (область науки 03) сверхпрочных металлических биоматерилов путем наноструктурирования методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Заявленное направление исследования входит в научно-технические российские и мировые приоритеты и соответствует сформулированным перспективным научным и технологическим направлениям развития России [Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на долгосрочную перспективу (до 2030 г.) - pdf].

В ходе выполнения проекта впервые, на примере ряда наиболее известных биосовместимых материалов - технически чистого титана, титановых и магниевых сплавов, нержавеющих сталей и других материалов будут разработаны научно-обоснованные принципы для разработки технологий производства имплантатов для остеосинтеза улучшенной конструкции. За счет предлагаемых в проекте (область науки 03) методов обработки интенсивной пластической деформацией будут значительно улучшены механические характеристики этих материалов (высокая прочность в сочетании с пластичностью и усталостной долговечностью) по сравнению с результатами, имеющимися в мировой практике на сегодняшний день. Физической основой данного подхода является реализация множественных механизмов упрочнения при формировании ультрамелкозернистой структуры и наборе наноструктурных особенностей - нанофазных выделений, зернограничных сегрегаций и пр.

Будет осуществлен переход к цифровым производственным технологиям, используя моделирование конструкций имплантатов с учётом индивидуальной информации о пациенте. Применение цифрового производства и прецизионного станочного оборудования с ЧПУ позволит реализовать производство имплантатов персонализированной формы, а применение органических и неорганических покрытий позволит управлять биосовместимостью изделия. Также в рамках проекта будет проведена работа по созданию комплекта приспособлений и инструмента для малоинвазивной установки персонифицированных имплантатов, для повышения эксплуатационных свойств которых предполагается упрочнение поверхности различными методами. Реализация такого подхода позволит создать имплантаты оптимальной геометрии с целью сокращения времени хирургической операции и для надежной фиксации фрагментов костей. Это откроет возможность широкого использования «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины.

Основные результаты выполнения проекта:
1 этап (2020 год)

2 этап (2021 год)

3 этап (2022 год)

4 этап (2023 год)

Календарь событий

« Мая 2020 »
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
        1 2 3
4 5 6 7 8 9 10
11 12 13 14 15 16 17
18 19 20 21 22 23 24
25 26 27 28 29 30 31

Вход в систему

You are here: