Международная группа ученых, в которую вошли сотрудники Уральского федерального университета, разработала новый класс материалов на основе магния и титана. Материал отличается повышенной прочностью и очень низким модулем упругости, что делает его перспективным для производства высококачественных имплантов. Статья опубликована в журнале Scripta Materialia.
«Проблема в том, что, реагируя на присутствие импланта, который забирает на себя часть нагрузки на восстанавливающуюся кость, организм “решает”, что в данной его локации не нужно “лишней” костной ткани, и с помощью специальных клеток начинает ее разрушать. Данное явление называется эффектом экранирования напряжений. Вследствие этого имплант может сместиться или даже деформироваться, и потребуется повторная операция. Поэтому для полноценного и скорейшего лечения костей требуются материалы, свойства упругости которых сопоставимы с упругостью костей. Модуль Юнга созданного нами композита находится в диапазоне значений, соответствующих характеристикам человеческой кости. Это позволяет использовать наш материал в медицинских целях», — объясняет соавтор исследования Илья Окулов.
Модуль упругости типичных композитов — это примерно среднее от модуля упругости каждого из двух материалов, из которых он состоит, с учетом их объемной доли в составе композита. В случае материала, созданного учеными из УрФУ, университетов Германии, Южной Кореи и Японии, это правило не работает. У магния модуль упругости — 45 гигапаскалей, у титана — 110 гигапаскалей, у композитного материала — 17,6 — меньше, чем у магниевой фазы с наименьшим модулем упругости.
Вероятно, существенное снижение модуля упругости вызвано уникальным состоянием области контакта двух фаз. Данные вещества несмешиваемы и не создают совместных фаз при равновесных условиях, то есть медленной скорости охлаждения. Во время механических испытаний материала наблюдается локальное скольжение одной фазы относительно другой. Эту гипотезу подтвердили цифровые эксперименты, проведенные на компьютерной модели композита.
В процессе создания композита титан находится в твердом состоянии, а магний в жидком и расплавленном, которое затвердевает при охлаждении. При этом объем магния последовательно уменьшается, что приводит к образованию пор. Присутствие пустот в области контакта фаз ослабляет его, и ведет к значительному уменьшению модуля упругости, что ученые и наблюдали при моделировании. Подобный способ получения пористого композита был применен впервые.
Подписывайтесь на InScience.News в социальных сетях: ВКонтакте, Telegram, Одноклассники.
