Научные результаты:
Изучено деформационное поведение при сжатии пористых сплавов никелида титана и губчатых костных тканей. Разработан новый подход объективной количественной оценки биомеханической совместимости имплантатов из пористого сплава никелида титана и костных тканей с применением экспериментальных деформационных кривых, и расчетной модели гиперупругой среды с использованием метода конечных элементов. Расчетные деформационные кривые получали для гиперупругой модели пористого тела, полученного методом конечных элементов с использованием 3–D реконструкции по данным микротомографии пористого сплава. Данные о коррозионной усталости пористого сплава TiNi показали высокую усталостную прочность, которая обусловлена релаксацией напряжений в интерметаллической фазе TiNi в ходе обратимого полиморфного мартенситного превращения под действием внешней циклической нагрузки. Показана структурная и фазовая неоднородность пористого сплава СВС–TiNi: включения в зернах TiNi и на поверхности; межзеренные фазы; структурно-неоднородный поверхностный слой, являются особенностями СВС никелида титана. С помощью комплексных структурных исследований поверхностей усталостного разрушения показано, что многофазность и структурная неоднородность пористого сплава является причиной возникновения трещин.
Исследовано деформационное поведение тонких проволок, металлотрикотажа из никелида титана и мягких биологических тканей при одноосном растяжении. Металлотрикотаж обладает нелинейным гиперупругим механическим поведением при однократном и циклическом растяжении в отличие от проволоки, который характеризуется сверхэластичным деформационным поведением. Разработан новый подход объективной количественной оценки биомеханической совместимости имплантатов из проволоки никелида титана и мягких тканей с применением экспериментальных деформационных кривых, и расчетной модели гиперупругой среды с использованием метода конечных элементов. Расчетные деформационные кривые получены с помощью численной модели Бергстрёма–Бойс для гиперупругой среды с учетом эффекта Маллинза методом конечных элементов с помощью. Методами просвечивающей и растровой электронной микроскопии прецизионно исследована структура матрицы, включений и поверхностного слоя сверхэластичной никелид-титановой проволоки. Показано, что TiNi проволока состоит из матрицы и композитного поверхностного слоя, который формируются в ходе циклической пластической деформации. Изучено напряженно-деформированное состояние металлотрикотажа из никелида титана и устойчивость проволоки и металлотрикотажа из сплава TiNi к усталостному воздействию на воздухе и в коррозионной среде. Данные о коррозионной усталости проволоки и металлотрикотажа из никелида титана показали высокую усталостную прочность, которая обусловлена релаксацией напряжений в интерметаллической фазе TiNi в ходе обратимого полиморфного мартенситного превращения под действием внешней циклической нагрузки. Установлены особенности реологического подведения проволоки из никелида титана, заключающиеся в проявлении эффекта сверхэластичности при растяжении и обратимости деформаций, и исследована реология металлотрикотажа в квазистатических условиях.
Внедрение результатов исследования:
Метод выбора имплантатов на основе реологического подобия внедрен в лечебный алгоритм НИИ онкологии «Томского национального исследовательского медицинского центра РАН» и НИИ Медицинских проблем Севера (г. Красноярск). Экспериментальные образцы имплантационных материалов для пластики костных и мягких тканей проходят процедуру доклинических испытаний в ФГБУ «Национальный медицинский исследовательский центр терапии и профилактической медицины» имени Академика Е.Н. Мешалкина Министерства здравоохранения России (г. Новосибирск); Уральском государственном медицинском университете (г. Екатеринбург); Военно-медицинской академии имени С. М. Кирова (г. Санкт-Петербург).
Организационные и инфраструктурные преобразования:
По итогам реализации проекта создана уникальная лаборатория, на базе которой проводятся исследования мирового уровня, направленные на улучшение качества биоматериалов, используемых для замещения костей и мягких тканей.
Образование и переподготовка кадров:
В 2022 г. разработана и внедрена в учебный процесс программа дисциплины в рамках реализации магистерской программы: «Компьютерный инжиниринг конструкций, биомеханических систем и материалов».
В 2023 г. разработана и внедрена в учебный процесс программа дисциплины в рамках реализации магистерской программы: «Материалы медицинского назначения».
По итогам реализации проекта защищено: 2 диссертации на соискание ученой степени доктора наук, 2 диссертации на соискание учёной степени кандидата наук, 9 магистерских диссертаций, 5 дипломов бакалавра.
Сотрудником лаборатории под руководством ведущего ученого пройдена научная стажировка в Университете Флориды по теме «Закономерности влияния поверхностных фаз на усталостную прочность пористых сплавов СВС-TiNi» (г. Тампа, штат Флорида, США). Кроме того, сотрудниками лаборатории пройдены научные стажировки под руководством ведущих российских ученых в Московском физико-техническом институте по теме «Синхротронные и нейтронные методы исследования», в Национальном исследовательском центре «Курчатовский институт» по теме «In situ исследования эволюции фазового состава проволоки из никелида титана в режиме поэтапного растяжения под синхротронным пучком» (Россия, г. Москва), в Институте физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина Российской академии наук по теме «Исследование коррозионной стойкости и химической стабильности сплавов медицинского назначения» (Россия, г. Москва).
Сотрудничество:
- Национальный медицинский исследовательский центр терапии и профилактической медицины имени Академика Е.Н. Мешалкина Министерства здравоохранения России (г. Новосибирск).
- Научно-исследовательский институт онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН (г. Томск).
- Уральский государственный медицинский университет (г. Екатеринбург)
- Научно-исследовательский институт Медицинских проблем Севера (г. Красноярск).
- Brandenburg Technical University of Cottbus-Senftenberg (Германия).
- School of Materials Science and Engineering, University of Ulsan (South Korea), Boramae Medical Center – Seoul National University Hospital (Южная Корея).
- School of materials science and engineering, Henan University of science and technology (КНР).
