Выходные данные проекта:
Тема: Разработка научно-обоснованных принципов дизайна биорезорбируемых медицинских магниевых сплавов с высокой стойкостью к коррозионному растрескиванию под напряжением
Заказчик работ: Российский Научный Фонд
Приоритетное направление: 2 - Индустрия наноситем, 16 -Технологии получения и обработки конструкционных наноматериалов
Область знаний: 09 - Инженерные науки, 09-205 - Разработка новых конструкционных материалов и покрытий
Шифр проекта: 21-79-10378
Руководитель работ: Мерсон Евгений Дмитриевич
Получатель/Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет"
Продолжительность работ: 07.2021 - 06.2024 г.
Итоговое финансирование проекта: 18 млн. руб.
Ключевые слова: биорезорбируемые медицинские магниевые сплавы, коррозионное растрескивание под напряжением, коррозия, имплантаты, стенты, микроструктура, легирование, химический состав, термомеханическая обработка
Аннотация и научная значимость проекта:
На протяжении последних 15 лет в мире интенсивно развивается новое направление материаловедения по разработке магниевых сплавов, предназначенных для изготовления биорезорбируемых (растворимых в организме человека) медицинских конструкций, в том числе, временных стентов, имплантатов и др. Основная цель использования данных изделий – избавиться от необходимости в повторной операции по извлечению временных конструкций, вживленных в тело человека, которые в настоящий момент изготавливаются из нерастворимых материалов. Магниевые сплавы существенно превосходят по прочности полимеры, которые иногда используются для изготовления биорезорбируемых стентов, и в то же время обладают высокой химической активностью, что обеспечивает достаточно быстрое их растворение в теле человека, в отличие от титана, нержавеющих сталей и хромокобальтовых сплавов, которые являются традиционными материалами для временных имплантатов. При этом магний – один из немногих металлов, обладающих полной биосовместимостью с организмом человека. Он не только не накапливается в органах и не наносит вреда при растворении, но и способствует заживлению.
Главным же недостатком медицинских магниевых сплавов является их низкая стойкость к воздействию агрессивной среды человеческого организма, что проявляется в слишком высокой скорости их растворения (низкой коррозионной стойкости), а также повышенной склонности к коррозионному растрескиванию под напряжением (КРН) в среде человеческого организма. Хотя вопросу коррозионной стойкости медицинских магниевых сплавов уделяется особое внимание в литературе, явление КРН в отношении данных материалов изучено в существенно меньшей степени. В то же время известно, что в результате КРН магниевые сплавы могут хрупко разрушаться при напряжениях составляющих всего 0,5 от предела текучести, что существенно ограничивает допустимые нагрузки, особенно в условиях постоянно уменьшающегося сечение изделия в процессе биорезорбции. Таким образом, КРН медицинских магниевых сплавов является актуальной проблемой, решение которой позволило бы значительно продвинуться на пути создания и практического применения надежных биорезорбируемых конструкций медицинского назначения.
Хорошо известно, что микроструктура – это основной фактор, определяющий свойства материала при любых внешних воздействиях. Учитывая сказанное, а также сведения, содержащиеся в литературе, есть все основания полагать, что стойкость магниевых сплавов к КРН в большой степени (если не полностью) должна зависеть от их микроструктуры, которая в свою очередь определяется химическим составом и параметрами термомеханической обработкой. Поэтому основная задача, на решение которой направлен настоящий проект – это установление закономерностей влияния химического состава и термомеханической обработкой медицинских магниевых сплавов на их микроструктуру и стойкость к коррозионному растрескиванию под напряжением.
Согласно литературным данным, а также предыдущим работам нашей научной группы, к числу наиболее перспективных сплавов такого типа относятся сплавы семейства Mg-Zn-X и, в особенности, сплавы системы Mg-Zn-Ca (ZX). Однако до настоящего момента систематические исследования стойкости и механизмов КРН данных сплавов не проводились. В частности, в отношении КРН не изучено влияние содержания Zn и Ca в составе данных сплавов, не установлено влияние термомеханической обработки, а также не установлена взаимосвязь между особенностями микроструктуры и стойкостью сплавов к КРН. Кроме того, не ясен механизм самого явления КРН.
Ожидаемые результаты выполнения проекта:
В настоящем проекте предлагается восполнить обозначенный выше пробел в вопросе разработки надежных биорезорбируемых медицинских магниевых сплавов. Для этого в настоящем проекте предлагается провести комплекс экспериментальных работ, включающий: (1) изготовление линейки сплавов системы Mg-Zn-Ca с варьируемым содержанием легирующих элементов, (2) проведение термомеханической обработки данных сплавов с применением спектра перспективных технологий, в том числе: равноканального углового прессования, ротационной ковки, всесторонней изотермической ковки, горячей экструзии и т.д. (3) проведение детального исследования микроструктуры и фазового состава с привлечением современных исследовательских методов и новейшего оборудования, (3) проведение коррозионных, механических и коррозионно-механических испытаний для определения стойкости полученных сплавов к КРН и коррозии в среде, имитирующей плазму крови человека, (4) проведение фрактографического исследования с целью выяснения механизма разрушения сплавов при КРН, (5) определение концентрации и состояния водорода в сплавах с разной микроструктурой и химическим составом после коррозионных и коррозионно-механических испытаний, для установления роли водорода в механизме КРН. Научная новизна настоящего исследования в первую очередь обеспечивается комплексностью и систематичностью планируемых работ, поскольку до настоящего момента тот подход, который будет использован в настоящем проекте, для изучения КРН медицинских магниевых сплавов, не применялся. В частности, в работе будет впервые: (1) изучено влияние содержания Zn и Сa в медицинских сплавах системы Mg-Zn-Ca на их стойкость к КРН; (2) установлено влияние типа термомеханической обработки и получаемой микроструктуры на стойкость сплавов данной системы к КРН; (3) проведен комплексный анализ влияния химического состава и термомеханической обработки на микроструктуру, механические, коррозионные и коррозионно-механические (в том числе усталостные) свойства указанных сплавов, (4) установлена роль водорода в механизме КРН данных сплавов. Полученные результаты позволят сформулировать научно-обоснованные принципы формирования микроструктуры биорезорбируемых сплавов системы Mg-Zn-Ca, а также других магниевых сплавов медицинского и технического назначения, обладающей повышенной стойкостью к КРН и коррозии. По результатам проекта будет опубликовано не менее 9 статей в ведущих международных изданиях, индексируемых в базах Web of Science и Scopus, а также сделаны доклады на международных тематических конференциях. Результаты проекта лягут в основу двух кандидатских и одной магистерской диссертаций исполнителей, а также докторской диссертации руководителя проекта.
Основные результаты выполнения проекта:
1 этап (2022 год)
2 этап (2023 год)
3 этап (2024 год)
