Иван Федотов: пайка керамики и титана может пригодиться для любых эндопротезов

Учеными кафедры физических проблем материаловедения Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ разработана новая технология пайки композитной керамики ZTA и титана, которая, в частности, может пригодиться при изготовлении медицинских эндопротезов. О новой разработке мы беседуем с представителем научной группы, доцентом Иваном Федотовым.

Интервью взято для рубрики «Голос науки».

– Иван, расскажите, пожалуйста, немного о предыстории вашего проекта.

– Все началось в 2021 году, когда мы с немецкими коллегами планировали подать заявку на совместный грант РНФ, чтобы найти легкий и недорогой способ соединения оксидных керамик и металлов, конкретно - оксидных керамик и титановых сплавов для применения в пайке небольших медицинских инструментов и имплантатов, то есть устройств, которые работают внутри человека. Изначально мы хотели найти технологию создания модульной головки эндопротеза тазобедренного сустава для того, чтобы повысить его надежность. Параллельно мы также работали с Севастопольским государственным университетом, так как там коллеги занимаются вопросами износа таких протезов в процессе эксплуатации, они у нас в этом вопросе были консультантами. В 2021 году мы подали заявку на совместный с немецкими учеными грант, но, естественно, этот грант потом отменили. Затем мы подали уже в 2023 году в РНФ заявку на проведение научных исследований малыми научными группами, этот грант мы, научный коллектив из четырех человек, выиграли, и всерьез начали работать над созданием биосовместимых припоев. Всего мы исследовали две системы: титан-цирконий-медь-никель и титан-цирконий-кобальт. В рамках этой работы мы придумали новый “кобальтовый” припой и оценили коррозионную стойкость и механические свойства паянных соединений керамика ZTA-титан.

– То есть, “кобальтовый припой” — это ваша уникальная разработка?

– Да. Мы так его называем — кобальтовый припой, хотя на самом деле он на основе титана и циркония, но основная добавка в нем — кобальт, около 20%.

– Не могли бы подробнее рассказать, какая его функция в пайке и в чем его преимущество?

– Сейчас единственный широко используемый метод получения биосовместимых паянных соединений — это пайка чистым золотом. Это очень дорого, но зато это гарантированно работает, то есть никаких проблем с коррозией нет, потому что золото — благородный металл и может работать внутри человеческого тела. Но золото плавится при температуре 1065 градусов, а значит пайка происходит при температуре где-то 1090 градусов, и это проблема, потому что если имеет место такая высокая температура пайки, то когда конструкция охлаждается, керамика может треснуть. Вот мы и придумали припой, который имеет температуру плавления 880 градусов по Цельсию, и которым можно паять при температуре 900 градусов. В результате в керамике меньше остаточные термонапряжения, и естественно, что повышает надежность всей конструкции и кроме того это гораздо дешевле, чем пайка чистым золотом.

– А что насчет биосовместимости?

– Конечно, это хуже, чем золото, но опять же, этот параметр надо оценивать по самому изделию, то есть по тому, какая протяженность паянного соединения. Если это какой-то небольшой имплант, то в принципе можно использовать разработанный нами припой.

– Проводились ли какие-то испытания?

– Пока мы проводили предварительные коррозионные испытания с использованием потенциостата, они сертифицированы по американскому стандарту ASTM F 2129 - это оценка склонности небольших медицинских устройств к точечной коррозии. Грубо говоря, эксперимент заключается в том, чтобы подать на паянное соединение положительный потенциал относительно стандартного платинового электрода и затем оценить, что происходит с паяным соединением. На некоторых образцах у нас была видна очень большая коррозия, но мы с помощью определенных манипуляций смогли свести ее к минимуму и снизить выход ионов кобальта в испытуемый раствор.

Иван Федотов

– А что за манипуляции?

– Во-первых, мы на керамику наносили порошок гидрида титана и плюс ко всему наносили лазером насечки на керамику, то есть создавали более развитый рельеф, что сразу позволило повысить прочность паянного соединения. Нанесение порошка гидрида титана позволило сдвинуть состав паянного шва в сторону титана; титан – это один из материалов, который хорошо работает внутри организма, он коррозионно стоек к различным биологическим жидкостям человека, и чем больше концентрация титана в составе паяного шва, тем, соответственно, ниже вероятность его коррозионного повреждения в процессе эксплуатации.

– Таким образом, ваша технология включает три элемента: нанесение насечек лазером, использование порошка гидрида титана и использование припоя из циркония титана и кобальта.

– Да, в целом так. Идея состоит в том, чтобы нанести насечки, затем нанести порошок гидрида титана, затем уложить ленту припоя между соединяемыми элементами, прижать паяемые элементы плотно друг к другу и нагреть в вакуумной печи.

Керамику для головки эндопротеза тазобедренного сустава раньше делали из оксида алюминия, сейчас это сложный композит из оксида алюминия и оксида циркония. Наша идея состоит в том, чтобы эту головку делать модульной. Сейчас ножка, на которую надевается керамическая головка - титановая, и если, допустим, пациент после операции начал вести активный образ жизни, эта ножка может ударить по головке, и головка расколется. Мы хотим попробовать другую конструкцию, впаять в головку эндопротеза титановую втулку – своего рода демпфер, чтобы титановая ножка соприкасалась не с керамикой, а с металлом.

– То есть, в эндопротезе будет взаимодействие не титан-керамика, а титан-титан?

– Да, титановая ножка соприкасается с титановой втулкой, и нагрузки будут частично демпфироваться втулкой, что повысит надежность всей конструкции.

– Какие планы по дальнейшему продвижению этого проекта?

– Сейчас попытаемся выйти на производителя керамики, посмотреть сколько будет стоит изготовление заготовок для модульных головок. Задача состоит в том, чтобы изготовить образцы керамических головок, затем изготовить титановые втулки, провести пайку, а дальше, сравнить прочность головок со втулками и головок без втулок, оценить их надежность по способности выдерживать циклическую и статическую нагрузку. За данный проект мы сейчас отчитались перед РНФ и думаем подать заявку на продолжение. В дальнейшем предстоят испытания на цитотоксичность, путем засева области паяного соединения определенными культурами клеток и оценка их выживаемости.

– Для каких сфер может в будущем пригодиться ваша технология?

– Любые импланты, которые состоят из оксидной керамики и титана или титанового сплава, работающие внутри человеческого тела или медицинские инструменты. Есть множество таких имплантов, например, зубные, зрительные или слуховые импланты. Там тоже встает задача по связыванию керамики с титаном.

Беседовал Константин Фрумкин, пресс-служба МИФИ