Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)

Проаналізовано вимоги до властивостей металевих біоматеріалів з огляду на їхню біохімічну/біомеханічну сумісність, високу рентгеноконтрастність і знижену магнітну сприйнятливість. Встановлено, що за допомогою цілеспрямованого легування та/або термомеханічного оброблення можна досягти прийнятних х...

Full description

Saved in:

Bibliographic Details
Published in:	Вісник НАН України
Date:	2019
Main Author:	Хріпта, Н.І.
Format:	Article
Language:	Ukrainian
Published:	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України 2019
Subjects:	Молоді вчені
Online Access:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158137
Tags:	Add Tag No Tags, Be the first to tag this record!
Journal Title:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Cite this:	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.) / Н.І. Хріпта // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 4. — С. 42-49. — Бібліогр.: 26 назв. — укр.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-158137
record_format	dspace
spelling	Хріпта, Н.І. 2019-07-21T18:13:21Z 2019-07-21T18:13:21Z 2019 Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.) / Н.І. Хріпта // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 4. — С. 42-49. — Бібліогр.: 26 назв. — укр. 0372-6436 DOI: doi.org/10.15407/visn2019.04.042 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158137 Проаналізовано вимоги до властивостей металевих біоматеріалів з огляду на їхню біохімічну/біомеханічну сумісність, високу рентгеноконтрастність і знижену магнітну сприйнятливість. Встановлено, що за допомогою цілеспрямованого легування та/або термомеханічного оброблення можна досягти прийнятних характеристик біосумісності металевих матеріалів. Розроблено метод ультразвукової ударної обробки (УЗУО) для наноструктуризації та механохімічного окиснення поверхневих шарів металів і сплавів інтенсивною пластичною деформацією. Ефективність методу проілюстровано експериментальними результатами з підвищення корозійної стійкості, величини оборотної деформації й опору втомі за циклічних навантажень сплавів Zr₁Nb, Ti₆Al₄V, ZrTiNb, ZrTiNbTa. Показано переваги ультразвукової ударної обробки в розв'язанні проблеми біомеханічної сумісності металевих матеріалів. The required properties of metallic biomaterials are analyzed in view of their biochemical/biomechanical compatibility, high X-ray contrast, and reduced magnetic susceptibility. As established, the purposeful alloying and/or thermomechanical treatment result in acceptable biocompatibility characteristics of metallic materials such as high corrosion resistance in biological fluids, reduced elastic modulus, increased degree of reversible deformation and fatigue life. The method of ultrasonic impact treatment (UIT) is developed for the nanostructuring and mechanochemical oxidation of the surface layers of metallic alloys by surface severe plastic deformation. The efficiency of the method is illustrated by experimental results indicating on the increased corrosion resistance, reversible deformation, and fatigue resistance at cyclic loads of the Zr₁Nb, Ti₆Al₄V, ZrTiNb, and TiZrNbTa alloys. The advantages of the developed UIT process in the sense of solving the problem of biomechanical compatibility of metallic materials and producing the orthopedic constructions and implants are shown. uk Видавничий дім "Академперіодика" НАН України Вісник НАН України Молоді вчені Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.) The problem of biomechanical compatibility of metallic materials and ways of solving it (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, February 27, 2019) Проблема биомеханической совместимости металлических материалов медицинского назначения и пути ее решения (по материалам научного сообщения на заседании Президиума НАН Украины 27 февраля 2019 года) Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)
spellingShingle	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.) Хріпта, Н.І. Молоді вчені
title_short	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)
title_full	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)
title_fullStr	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)
title_full_unstemmed	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.)
title_sort	проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні президії нан україни 27 лютого 2019 р.)
author	Хріпта, Н.І.
author_facet	Хріпта, Н.І.
topic	Молоді вчені
topic_facet	Молоді вчені
publishDate	2019
language	Ukrainian
container_title	Вісник НАН України
publisher	Видавничий дім "Академперіодика" НАН України
format	Article
title_alt	The problem of biomechanical compatibility of metallic materials and ways of solving it (According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, February 27, 2019) Проблема биомеханической совместимости металлических материалов медицинского назначения и пути ее решения (по материалам научного сообщения на заседании Президиума НАН Украины 27 февраля 2019 года)
description	Проаналізовано вимоги до властивостей металевих біоматеріалів з огляду на їхню біохімічну/біомеханічну сумісність, високу рентгеноконтрастність і знижену магнітну сприйнятливість. Встановлено, що за допомогою цілеспрямованого легування та/або термомеханічного оброблення можна досягти прийнятних характеристик біосумісності металевих матеріалів. Розроблено метод ультразвукової ударної обробки (УЗУО) для наноструктуризації та механохімічного окиснення поверхневих шарів металів і сплавів інтенсивною пластичною деформацією. Ефективність методу проілюстровано експериментальними результатами з підвищення корозійної стійкості, величини оборотної деформації й опору втомі за циклічних навантажень сплавів Zr₁Nb, Ti₆Al₄V, ZrTiNb, ZrTiNbTa. Показано переваги ультразвукової ударної обробки в розв'язанні проблеми біомеханічної сумісності металевих матеріалів. The required properties of metallic biomaterials are analyzed in view of their biochemical/biomechanical compatibility, high X-ray contrast, and reduced magnetic susceptibility. As established, the purposeful alloying and/or thermomechanical treatment result in acceptable biocompatibility characteristics of metallic materials such as high corrosion resistance in biological fluids, reduced elastic modulus, increased degree of reversible deformation and fatigue life. The method of ultrasonic impact treatment (UIT) is developed for the nanostructuring and mechanochemical oxidation of the surface layers of metallic alloys by surface severe plastic deformation. The efficiency of the method is illustrated by experimental results indicating on the increased corrosion resistance, reversible deformation, and fatigue resistance at cyclic loads of the Zr₁Nb, Ti₆Al₄V, ZrTiNb, and TiZrNbTa alloys. The advantages of the developed UIT process in the sense of solving the problem of biomechanical compatibility of metallic materials and producing the orthopedic constructions and implants are shown.
issn	0372-6436
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/158137
citation_txt	Проблема біомеханічної сумісності металевих матеріалів медичного призначення та шляхи її вирішення (за матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 р.) / Н.І. Хріпта // Вісник Національної академії наук України. — 2019. — № 4. — С. 42-49. — Бібліогр.: 26 назв. — укр.
work_keys_str_mv	AT hríptaní problemabíomehaníčnoísumísnostímetalevihmateríalívmedičnogopriznačennâtašlâhiííviríšennâzamateríalaminaukovogopovídomlennânazasídanníprezidíínanukraíni27lûtogo2019r AT hríptaní theproblemofbiomechanicalcompatibilityofmetallicmaterialsandwaysofsolvingitaccordingtothematerialsofscientificreportatthemeetingofthepresidiumofnasofukrainefebruary272019 AT hríptaní problemabiomehaničeskoisovmestimostimetalličeskihmaterialovmedicinskogonaznačeniâiputieerešeniâpomaterialamnaučnogosoobŝeniânazasedaniiprezidiumananukrainy27fevralâ2019goda
first_indexed	2025-11-26T10:20:46Z
last_indexed	2025-11-26T10:20:46Z
_version_	1850620324133994496
fulltext	42 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (4) ПРОБЛЕМА БІОМЕХАНІЧНОЇ СУМІСНОСТІ МЕТАЛЕВИХ МАТЕРІАЛІВ МЕДИЧНОГО ПРИЗНАЧЕННЯ ТА ШЛЯХИ ЇЇ ВИРІШЕННЯ За матеріалами наукового повідомлення на засіданні Президії НАН України 27 лютого 2019 року Проаналізовано вимоги до властивостей металевих біоматеріалів з огляду на їхню біохімічну/біомеханічну сумісність, високу рентгеноконтраст- ність і знижену магнітну сприйнятливість. Встановлено, що за допомогою цілеспрямованого легування та/або термомеханічного оброблення можна досягти прийнятних характеристик біосумісності металевих матеріалів. Розроблено метод ультразвукової ударної обробки (УЗУО) для нанострук- туризації та механохімічного окиснення поверхневих шарів металів і спла- вів інтенсивною пластичною деформацією. Ефективність методу проілю- стровано експериментальними результатами з підвищення корозійної стійкості, величини оборотної деформації й опору втомі за циклічних на- вантажень сплавів Zr1Nb, Ti6Al4V, ZrTiNb, ZrTiNbTa. Показано переваги ультразвукової ударної обробки в розв'язанні проблеми біомеханічної су- місності металевих матеріалів. Ключові слова: цирконій-титанові сплави, структура, ультразвукова ударна обробка, ультрадисперсні нанозерна, деформація, окиснення, ко- розійна стійкість. З розвитком сучасних технологій упродовж останніх десяти- літь біоматеріалознавство набуло значного поширення. Вчені- матеріалознавці докладають великих зусиль для створення і впровадження різних металевих біоматеріалів для лікування широкого спектру захворювань людини. Остеосинтез, стен- тування, протезування, створення нанорозмірних порошків для транспортування ліків до хворого органа стають альтер- нативою традиційним медикаментозним засобам лікування (рис. 1). Успішність лікування за допомогою біоматеріалів залежить від спроможності конструкцій з них витримувати значні функ- ХРІПТА Наталія Ігорівна — кандидат фізико-математичних наук, науковий співробітник відділу фізичних основ інженерії поверхні Інституту металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України МОЛОДІ МОЛОДІ ВЧЕНІВЧЕНІ doi: https://doi.org/10.15407/visn2019.04.042 ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 4 43 МОЛОДІ ВЧЕНІ ціональні навантаження, перебуваючи в агре- сивному біологічному середовищі (крові, сли- ні тощо) протягом тривалого проміжку часу. Стан поверхні дентальних, ортопедичних та ендоваскулярних металевих імплантатів віді- грає вирішальну роль у забезпеченні їхньої біологічної та біомеханічної сумісності з тка- нинами людського організму. Основними вимогами до біологічної су- місності металевих імплантатів є: відсутність шкідливих для здоров'я пацієнта хімічних елементів, високий опір корозії в живому се- редовищі, відсутність або унеможливлення хі- мічних реакцій між матеріалом протезів і біо- логічними рідинами, м'якими і твердими тка- нинами в тілі людини. Біомеханічна складова сумісності включає: високу циклічну витрива- лість і втомну міцність, низький модуль пруж- ності для запобігання можливому руйнуванню кісткової тканини, високу зносостійкість, яка унеможливлює утворення частинок під час тертя між імплантатом і тканинами організму (кісткою, хрящовою тканиною та ін.). Струк- турний і хімічний стан найтоншої поверхневої області шириною в декілька нанометрів визна- чає механізм і кінетику поверхневих процесів, які зумовлюють взаємодію поверхні сплавів з рідинами й тканинами організму людини. Отже, для металевих імплантатів важливими є дві групи властивостей — об'ємні, що забезпе- чують механічні характеристики, і поверхневі, що зумовлюють біосумісність з навколишнім біологічним середовищем. Нині в біомедицині широко застосовують нержавіючі сталі, нікелід титану, кобальтові та титанові сплави. На противагу біоінертним сплавам, які капсулюються у біологічному се- редовищі, найбільш біосумісними, за даними з наукової літератури, є тантал, ніобій, цирконій і титан [1, 2]. Титан та сплави на його основі, зокрема Ti– 6Al–4V, широко застосовують як біоматеріали завдяки їх ліпшим властивостям порівняно з нержавіючими сталями та сплавами на осно- ві кобальту. Альтернативою є нові β-титанові сплави, що мають поліпшені властивості за- вдяки заміщенню шкідливих компонентів (V та Al) нетоксичними елементами, такими як Zr і Nb [3–5]. Згідно з результатами нещо- давніх досліджень, осадження тонких плівок з Ti–Nb–Zr на нержавіючій сталі [6], а плівок з Zr–Nb–C–N на Ti–6Al–4V [7] істотно поліп- шує біосумісність, корозійну стійкість і меха- нічні властивості матеріалу-підкладки. Крім того, останніми роками розробляють сплави на основі цирконію (Zr–Ti [8], Zr–Nb [9], Zr– Ti–Nb [10]), які мають високий потенціал для застосувань як біомедичні матеріали; зокрема, сплав Zr–2,5Nb використовують для створен- ня колінного імплантату та ендопротезування колінного суглоба [11, 12]. Рентгеноконтрастність металевого матеріа- лу, яка підвищується зі зростанням атомного номера хімічного елемента, є важливим чин- ником при створенні біосумісних імплантатів, оскільки сучасні методи малоінвазивного лі- кування потребують рентген-контролю. Цир- коній/титан та сплави на їх основі мають під- вищену рентгеноконтрастність порівняно з ін- шими матеріалами, які зараз використовують у медицині. Розвиток магніторезонансних методів діа- гностики зумовлює важливість контролю маг- нітної сприйнятливості металевих імплантатів, Рис. 1. Розмаїття використання конструкцій медично- го призначення Протези та імпланти Металеві пластини для регенерації кісток Стентування судин Дентальні протези Металеві піралі ( )c coils для закриття аневризм 44 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (4) МОЛОДІ ВЧЕНІ яка, згідно з літературними даними, є низькою для цирконію [13]. Механічна міцність і пластичність метале- вих матеріалів, зокрема цирконію/титану та сплавів на їх основі, залежать від хімічного складу, режимів термічної та механічної об- робки, а властива цим сплавам корозійна стій- кість уможливлює їх використання для роботи в умовах дії агресивних робочих середовищ. Добре відомо, що багато експлуатаційних характеристик металевих матеріалів залежать від структури та властивостей поверхневого шару. Часто руйнування виробів починається з поверхневих тріщин, виникнення яких зале- жить від структурного стану як самої поверхні, так і приповерхневих шарів матеріалу. Тому модифікація поверхневої структури, що веде до формування нанорозмірних зерен (рис. 2а) та оксидних плівок (рис. 2б), має визначальне значення для подовження терміну служби ма- теріалів. У зв’язку з цим значний інтерес ста- новлять нові технології оброблення металевих поверхонь, що забезпечують формування на- нокристалічної структури в поверхневих ша- рах і можуть сприяти утворенню поверхневого рельєфу, який імітує природні наносистеми (рис. 2в). Одним з найефективніших методів подріб- нення зерен у поверхневих шарах металевих матеріалів є ультразвукова ударна обробка (УЗУО), яка спричиняє інтенсивну пластичну деформацію та швидку модифікацію структу- ри і фазового складу поверхневих шарів. Не- щодавно було показано успішне застосування УЗУО для модифікації структури, хімічного стану та поліпшення механічних і корозійних властивостей біомедичних сплавів Ti–6Al–4V (рис. 2) [15] та Co–Cr–Mo [16, 17]. Механізм утворення ультрадисперсних зе- ренних структур та їх вплив на корозійну стій- кість було описано в роботах [18, 19]. Нещодавно було показано можливість ме- ханохімічної взаємодії атомів навколишнього середовища, насамперед кисню, з поверхнею металів за умов УЗУО [20, 21]. Зараз у науковій літературі багато уваги при- діляється створенню оксидних плівок на по- верхні цирконієвих сплавів [22]. За наявності в середовищі кисню на поверхні цирконію/ти- тану та сплавів на їх основі утворюється захис- на оксидна плівка, яка є самовідновлюваною і захищає основний метал від хімічного впливу за температур до 300 °C. Основною причиною швидкого формуван- ня тонких (1–3 нм) плівок діоксиду цирконію ZrО2 навіть за кімнатної температури є висо- ка спорідненість цирконію до кисню НZrO2 = = 1194 кДж/моль (для порівняння HТіО2 = = 938 кДж/моль). Таким чином підвищуєть- ся корозійна стійкість більшості мінеральних і органічних кислот, сильних лугів і сольових розчинів. Полегшеному утворенню оксидних плівок сприяє проникнення кисню в матеріал зразка Рис. 2. Структурний стан поверхні та поверхневого шару сплаву Ti–6Al–4V. Модифікована нанострукту- рована поверхнева структура (а), формування оксид- них плівок (б), формування нанокристалічної струк- тури у поверхневих шарах, яка сприяє утворенню по- верхневого рельєфу, що імітує природні наносистеми (в) [14, 15] а 100 нм б 2 �m О кс ид �Iфаза �Iфаза ГЗ О О О ОО О О в 500 nm ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 4 45 МОЛОДІ ВЧЕНІ внаслідок високошвидкісної деформації, ло- кального розігрівання, формування більшого числа меж зерен в ультрадисперсній зеренній структурі при УЗУО та інших деформацій- них впливів. Змінюючи режими і середовище УЗУО, можна керувати кількістю тетраго- нального оксиду t-ZrO2, який є більш щіль- ним, міцним та корозійностійким порівняно з моноклінною модифікацією оксиду m-ZrO2 [18]. Оксидні покриття на сплавах цирконію широко застосовують у виробництві медич- них конструкцій та імплантатів [22]. Тому цілеспрямоване створення оксидних плі- вок на цирконієвих/титанових/кобальтових сплавах шляхом механохімічного окиснення, ініційованого інтенсивною деформацією при УЗУО [17, 20, 21], є перспективним, оскіль- ки їх наявність забезпечує високу корозійну стійкість і біохімічну сумісність металевих імплантатів. При розгляді корозійної поведінки метале- вих матеріалів керуються потенціалом (Ecorr) корозії, який є загальновизнаним критері- єм оцінки корозійної поведінки. Матеріали з більш від’ємним потенціалом зазнаватимуть більшого впливу корозії, тоді як додатний по- тенціал свідчитиме про більшу корозійну стій- кість. Величина корозійного струму icorr — ще один критерій ступеня деградації матеріалу при корозії: чим нижчий icorr, тим ліпші ко- розійні властивості обраного матеріалу. По- тенціал руйнування оксидної плівки Еbd — це потенціал, за якого сильно підвищується анод- ний струм. Фактично інтервал потенціалів між Ecorr і Ebd є областю пасивації, в якій корозія є послабленою [5, 23]. Важливим параметром, що впливає на корозійну поведінку, є також шорсткість поверхні, яка прямо пропорційна питомій поверхні дії агресивних середовищ. Згідно з експериментальними даними [15, 21, 24], УЗУО знижує шорсткість поверхні та під- вищує стійкість до корозії. Проведені нами корозійні дослідження стан- дартних сплавів (Ti–6Al–4V) і розроблених високоентропійних сплавів (систем Zr–Ti–Nb, Zr–Ti–Nb–Ta) у розчині штучної фізіологічної рідини (рис. 3) дають змогу зробити висновок про позитивний вплив УЗУО на їх корозійну поведінку, що проявляється в чотирьох ключо- вих моментах: 1) підвищення потенціалу в зоні активного розчинення Еcorr; 2) підвищення по- тенціалу Еbd; 3) розширення області пасивації ΔЕр; 4) зниження струму корозії icorr. Сформо- вані оксидні плівки залишаються стійкими, зо- крема, й в інтервалі потенціалів від 0,4 до 0,5 В (позначеному на рис. 3 затемненою ділянкою), які виникають між біологічними тканинами та металевими біоматеріалами у фізіологічних умовах [5]. Іншим визначальним чинником біосуміс- ності є механічна сумісність. Потрібно, щоб металеві матеріали та конструкції з них мали високу циклічну витривалість і високу втомну міцність, а також відповідне значення модуля пружності, що унеможливить руйнування тка- нин організму людини в процесі експлуатації імплантату. Проведений аналіз механічної поведінки за умов циклічного розтягу–розвантаження дроту, який зазвичай застосовують для ство- рення медичних конструкцій, продемонстру- вав великий ступінь оборотної деформації (εr) та високу циклічну міцність (наприклад, Рис. 3. Характеристика корозійної поведінки спла- вів Ti–6Al–4V (0), Zr–18Nb (1), Zr–31Ti–18Nb (2), Ti–51Zr–18Nb (3), Ti–Zr–Nb–Ta (4) після УЗУО за потенціодинамічними кривими 46 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (4) МОЛОДІ ВЧЕНІ сплав Zr–Ti–Nb на рис. 4а). Було показано, що цілеспрямованим легуванням або тер- момеханічним обробленням можна досягти зниження модуля пружності та підвищення ступеня оборотної деформації, як, наприклад, у сплавах систем Zr–Ti–Nb, Zr–Ti–Nb–Ta [1, 25, 26]. Величина оборотної деформації визначає верхню межу робочих напружень конструк- ційних матеріалів, у тому числі на основі цирконію/титану, за заданої розмірної ста- більності деталей і конструкцій, а також такі їх характеристики, як релаксація напружень, механічний гістерезис і циклічна стійкість. Це повною мірою стосується металевих пружних конструкцій медичного призначення (стенти, кава-фільтри). Стосовно механічної стійкості матеріа- лів імплантатів в Інституті металофізики ім. Г.В. Курдюмова НАН України було отри- мано важливий результат на сплаві Ti–6Al– 4V, виробленому за допомогою новітнього ме- тоду порошкової металургії із застосуванням гідриду титану [15]. Вибором режимів спікан- ня та термооброблення порошкового матеріа- лу можна керувати залишковою пористістю, а отже, і величиною модуля пружності. Було показано, що УЗУО здатна істотно підвищи- ти втомну міцність цього сплаву (рис. 4б) за- вдяки зниженню шорсткості поверхні, виник- ненню стискальних напружень і формуванню безпористих наноструктурованих шарів на його поверхні (рис. 2а) [15]. Така ієрархічна структура металу подібна до структури кістки, що складається з пористої серцевини та ущіль- неної поверхні. Оскільки руйнування матері- алу найчастіше розпочинається з поверхні та із зон із залишковими напруженнями розтягу, то зниження рівня цих напружень і шорсткос- ті поверхні є дуже важливим. Сформовані в процесі УЗУО напруження стиску нівелюють напруження розтягу, одночасно підвищуючи втомну довговічність і корозійну стійкість ма- теріалу та, як наслідок, циклічну витривалість конструкцій, які працюють в агресивних (біо- хімічних) середовищах. Отже, встановлені в роботі закономірності пластичної деформації та формування гра- дієнтних наномікроструктур і напруженого стану в поверхневих шарах сплавів на осно- ві цирконію/титану за умов УЗУО можуть бути використані для керування комплексом властивостей і ширшого застосування ден- тальних, ортопедичних та ендоваскулярних імплантатів. Було показано, що УЗУО є од- ним з найефективніших деформаційних об- роблень поверхні для модифікації структури на мікро- і нанорівні, хімічного та фазового Рис. 4. Механічна поведінка сплавів Zr–31Ti–18Nb і Ti–6Al–4V: а — деформаційні криві циклічного роз тя- гу–розвантаження дротяного зразка сплаву Zr–31Ti– 18Nb після деформації волочінням (ε  95 %, εr — обо- ротна деформація); б — криві тривалої міцності (за Веллером) порошкового сплаву Ti–6Al–4V у вихідно- му (1) й обробленому УЗУО (2) станах ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 4 47 МОЛОДІ ВЧЕНІ складу поверхневих шарів біосумісних спла- вів, що може забезпечувати поліпшену якість протезів та імплантатів, у тому числі й завдяки формуванню шарів з оксидних нанотрубок або гідроксіапатитних структур. Саме зараз акту- альною стає апробація одержаних матеріалів з наноструктурованими поверхнями in vivo та випробувань in vitro. Метод УЗУО з використанням режимів оброблення, встановлених у цій роботі, мож- на застосовувати в промислових масштабах для фінішного оброблення протезів та ім- плантатів. Цілеспрямованим легуванням або термоме- ханічним обробленням можна досягти прийнят- них характеристик біохімічної та біомеханічної сумісності металевих матеріалів, а саме, високої корозійної стійкості в біологічних рідинах, зни- ження модуля пружності, підвищення ступеня оборотної деформації та втомної довговічності. Перспективними є багатокомпонентні (так зва- ні високоентропійні) сплави. Модифікація по- верхневих шарів методом інтенсивної пластич- ної деформації поверхні (УЗУО) є ефективним засобом вирішення проблеми біомеханічної су- місності металевих матеріалів. REFERENCES [СПИСОК ЛІТЕРАТУРИ] 1. Kuroda D., Niinomi M., Morinaga M., Kato Y., Yashiro T. Design and mechanical properties of new β type tita- nium alloys for implant materials. Mater. Sci. Eng. A. 1998. 243(1-2): 244. https://doi.org/10.1016/S0921-5093- (97)00808-3 2. Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials. Mater. Sci. Eng. R. 2015. 87: 1. https://doi.org/10.1016/j. mser.2014.10.001 3. Khan M.A., Williams R.L., Williams D.F. The corrosion behaviour of Ti–6Al–4V, Ti–6Al–7Nb and Ti–13Nb–13Zr in protein solutions. Biomaterials. 1999. 20(7): 631. https://doi.org/10.1016/S0142-9612(98)00217-8 4. Martins D.Q., Souza M.E.P., Souza S.A., Andrade D.C., Freire M.A., Caram R. Solute segregation and its influence on the microstructure and electrochemical behavior of Ti–Nb–Zr alloys. J. Alloys Compd. 2009. 478(1-2): 111. https:// doi.org/10.1016/j.jallcom.2008.11.030 5. Eisenbarth E., Velten D., Müller M., Thull R., Breme J. Biocompatibility of β-stabilizing elements of titanium alloys. Biomaterials. 2004. 25(26): 5705. https://doi.org/10.1016/j.biomaterials.2004.01.021 6. Tallarico D.A., Gobbi A.L., Paulin Filho P.I., Maia da Costa M.E.H., Nascente P.A.P. Growth and surface character- ization of TiNbZr thin films deposited by magnetron sputtering for biomedical applications. Mater. Sci. Eng. C. 2014. 43: 45. https://doi.org/10.1016/j.msec.2014.07.013 7. Cotrut C.M., Balaceanu M., Titorencu I., Braic V., Braic M. ZrNbCN thin films as protective layers in biomedical applications. Surf. Coat. Technol. 2012. 211: 57. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2011.08.016 8. Hsu H.-C., Wu S.-C., Sung Y.-C., Ho W.-F. The structure and mechanical properties of as-cast Zr–Ti alloys. J. Alloys Compd. 2009. 488 (1): 279. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2009.08.105 9. Khripta N.I., Mordyuk B.N., Karasevskaya O.P. et al. Effect of structural and phase transformations induced by ul- trasonic impact peening on the corrosion resistance of Zr-based alloys. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2008. 30: 369 (in Russian). [Н.И. Хрипта, О.П. Карасевская, Б.Н. Мордюк, и др. Влияние структурных и фазовых превращений, ини- циированных ультразвуковой ударной обработкой, на сопротивление коррозии сплавов на основе циркония. Металлофизика и новейшие технологии. 2008. Т. 30, спецвыпуск. C. 369–382.] 10. Aguilar Maya A.E., Grana D.R., Hazarabedian A., Kokubu G.A., Luppo M.I. Vigna G. Zr–Ti–Nb porous alloys for biomedical application. Mater. Sci. Eng. C. 2012. 32(2): 321. https://doi.org/10.1016/j.msec.2011.10.035 11. Hernigou P., Mathieu G., Poignard A., Filippini P., Demoura A. Oxinium, a new alternative femoral bearing surface option for hip replacement. Eur. J. Orthop. Surg. Traumatol. 2007. 17(3): 243. https://doi.org/10.1007/s00590-006- 0180-2 12. Sonntag R., Reinders J., Kretzer J.P. What’s next? Alternative materials for articulation in total joint replacement. Acta Biomater. 2012. 8(7): 2434. https://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.03.029 48 ISSN 1027-3239. Visn. Nac. Acad. Nauk Ukr. 2019. (4) МОЛОДІ ВЧЕНІ 13. Nomura N. et al. Proc. of Eighteenth International Conference on Processing and Fabrication of Advanced Materials (PFAM-XVIII). 2009. 3: 1205. 14. Bauer S., Schmuki P., von der Mark K., Park J. Engineering biocompatible implant surfaces. Part I: Materials and surfaces. Progress Mater. Sci. 2013. 58(3): 261. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2012.09.001 15. Dekhtyar A.I., Mordyuk B.N., Savvakin D.G., Bondarchuk V.I., Moiseeva I.V., Khripta N.I. Enhanced fatigue behav- ior of powder metallurgy Ti-6Al-4V alloy by applying ultrasonic impact treatment. Mater. Sci. Eng. A. 2015. 641: 348. https://doi.org/10.1016/j.msea.2015.06.072 16. Petrov Yu.N., Prokopenko G.I., Mordyuk B.N., Vasylyev M.A., Voloshko S.M., Skorodzievski V.S., Filatova V.S. Influence of microstructural modifications induced by ultrasonic impact treatment on hardening and corrosion behavior of wrought Co-Cr-Mo biomedical alloy. Mater. Sci. Eng. C. 2016. 58: 1024. https://doi.org/10.1016/j. msec.2015.09.004 17. Chenakin S.P., Filatova V.S., Makeeva I.N., Vasylyev M.A. Ultrasonic impact treatment of CoCrMo alloy: Surface composition and properties. App. Surf. Sci. 2017. 408: 11. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.004 18. Mordyuk B.N., Karasevskaya O.P., Prokopenko G.I., Khripta N.I. Ultrafine-grained textured surface layer on Zr– 1%Nb alloy produced by ultrasonic impact peening for enhanced corrosion resistance. Surf. Coat. Technol. 2012. 210: 54. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2012.08.063 19. Mordyuk B.M., Karasevska O.P., Khripta N.I., Prokopenko G.I., Vasylyev M.O. Structural Dependence of Corrosion Properties of Zr—1.0% Nb Alloy in Saline Solution. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2014. 36(7): 917. https:// doi.org/10.15407/mfint.36.07.0917 [Мордюк Б.Н., Карасевская О.П., Хрипта Н.И. и др. Структурная зависимость коррозионных свойств сплава Zr–1,0%Nb в соляном растворе. Металлофизика и новейшие технологии. 2014. Т. 36, № 7. С. 917–933.] 20. Vasylyev M.A., Chenakin S.P., Yatsenko L.F. Ultrasonic impact treatment induced oxidation of Ti6Al4V alloy. Acta Materialia. 2016. 103: 761. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2015.10.041 21. Chenakin S.P., Mordyuk B.N., Khripta N.I. Surface characterization of a ZrTiNb alloy: Effect of ultrasonic impact treatment. App. Surf. Sci. 2019. 470: 44. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2018.11.116 22. United States Patent 7473278. Hunter G., Jani S.C., Pawar V. Method of surface oxidizing zirconium and zirconium alloys and resulting product. Pub. Date: 01.06.2009. 23. Timoshevskii A.N., Yablonovskii S.O., Ivasishin O.M. First principles calculations atomic structure and elastic prop- erties of Ti-Nb alloys. Functional Materials. 2012. 19(2): 266. 24. Lee H., Kim D., Jung J., Pyoun Y., Shin K. Influence of peening on the corrosion properties of AISI 304 stainless steel. Corros. Sci. 2009. 51(12): 2826. https://doi.org/10.1016/j.corsci.2009.08.008 25. Ivasishin O.M., Popov A.A., Karasevska O.P., Markovskyy P.E., Mordyuk B.M., Skiba I.O., Illarionov A.G. For- mation of Nanostructured omega-Phase in Deformed Metastable beta-Alloys Based on Ti and Zr. Metallofizika i Noveishie Tekhnologii. 2011. 33(5): 675. [Ивасишин О.М., Карасевская О.П., Мордюк Б.Н. и др. Образование наноструктурной омега-фазы в дефор- мированных метастабильных β-сплавах на основе Ti и Zr. Металлофизика и новейшие технологии. 2011. Т. 33, № 5. С. 675–686.] 26. Patent of Ukraine No. 84993. Mordyuk B.N., Prokopenko G.I., Khripta N.I. et al. Method of ultrasonic surface treat- ment of long products. Pub. Date: 10.12.2008. [Патент України №84993, Мордюк Б.М., Прокопенко Г.І., Хріпта Н.І. та ін. Спосіб ультразвукової обробки поверхні довгомірних виробів. Опубл. 10.12.2008. Бюл. № 23.] ISSN 1027-3239. Вісн. НАН України, 2019, № 4 49 МОЛОДІ ВЧЕНІ N.I. Khripta Kurdyumov Institute for Metal Physics of the National Academy of Sciences of Ukraine (Kyiv) THE PROBLEM OF BIOMECHANICAL COMPATIBILITY OF METALLIC MATERIALS AND WAYS OF SOLVING IT According to the materials of scientific report at the meeting of the Presidium of NAS of Ukraine, February 27, 2019 The required properties of metallic biomaterials are analyzed in view of their biochemical/biomechanical compatibility, high X-ray contrast, and reduced magnetic susceptibility. As established, the purposeful alloying and/or thermome- chanical treatment result in acceptable biocompatibility characteristics of metallic materials such as high corrosion resis- tance in biological fluids, reduced elastic modulus, increased degree of reversible deformation and fatigue life. The meth- od of ultrasonic impact treatment (UIT) is developed for the nanostructuring and mechanochemical oxidation of the surface layers of metallic alloys by surface severe plastic deformation. The efficiency of the method is illustrated by ex- perimental results indicating on the increased corrosion resistance, reversible deformation, and fatigue resistance at cy- clic loads of the Zr1Nb, Ti6Al4V, ZrTiNb, and TiZrNbTa alloys. The advantages of the developed UIT process in the sense of solving the problem of biomechanical compatibility of metallic materials and producing the orthopedic construc- tions and implants are shown. Keywords: zirconium/titanium alloys, structure, ultrasonic impact treatment, ultrafine/nano grains, deformation, oxi- dation, corrosion resistance.

Institution

Similar Items