| На главную | Написать нам |

Мы работаем с легкостью кузнечика!



русскийenglish

 
 Информация
 Проекты
 Сотрудники
 Контакты
   
   
   
   




РНФ 15-19-00078 Разработка аддитивной технологии формирования биосовместимых композиционных 3D плазменных покрытий титан – фосфаты кальция на поверхности внутрикостных имплантатов.

1. Написаны программы для работы автоматизированной роботизированной плазменной установки для напыления композиционного ТКП Ti+ФК покрытия с использованием вновь установленных датчиков и контроллера, произведена отладка программы с учетом изменений в технологии нанесения покрытий, установленных на предварительных этапах на стенде камеры и в процессе пусконаладочных работ. Программы предусматривают проведение напыления в одном цикле 24 изделий различной конфигурации (в зависимости от закладки), предварительно загруженных в камеру установки. Для каждой детали первоначально происходит подогрев, затем напыляется ТКП Ti покрытие и далее происходит напыление биоактивной ФК керамики. Последовательность цикла, включение газовых и электрических режимов работы плазмотронов, подача напыляемых материалов, смена деталей в захвате происходит по заложенной в систему управления роботом программе. Научная новизна данного пункта заключается в том, что удалось создать цифровую технологию нового технологического процесса последовательного напылении ТКП Ti покрытия и ГА покрытия на одной установке. 2. Напыление ТКП Ti+ФК покрытий по предлагаемой новой технологии, исследование и тестирование механических свойств покрытий на сдвиг, их структуры и фазового состава напыленных покрытий. Разработана новая технология напылениия композиционных биоактивных покрытий, состоящих из трехмерных капиллярно -пористых титановых (ТКП Ti) покрытий, которые определяют основной объем пористости до 50 % и механические свойства покрытия в целом, и нанесенных на него биосовместимых покрытий на основе фосфатов кальция. Для реализации разработанной технологии была произведена модернизация автоматизированной и роботизированной плазменной установке. Структура, фазовый состав и механические свойства композиционных покрытий (КП) были исследованы. Согласно предлагаемой технологии трехмерные капиллярно - пористые титановые покрытия толщиной 1мм нанесли методом плазменного напыления из проволоки на предварительно подогретую дуговым разрядом подложку, затем на ТКП Ti напыляли покрытие из гидроксиапатита (ГА) толщиной 0,08-0,35мм при температуре 20-300–550 °С. Для анализа механических свойств КП были проведены сдвиговые испытания. В открытую пористость ТКП Ti+ГА покрытий запрессовывали бакелитовую пластмассу со сдвиговой прочностью 96,1 МПа, которая имитирует костную тканью после ее врастание в поверхность имплантата при вживлении эндопротезов в организм человека. Максимальная сдвиговая прочность этого соединения составила, 103,68±18,2 МПа при использовании в качестве биоактивного покрытия керамики типа CaAlO и 90,76±9,9 МПа для ГА. Данные значения были достигнуты при подогреве подложки до 550 °С, толщине титанового покрытия 1,2 мм и толщине керамического покрытия 0,08-0,12 мм. Выполнили анализ поверхности разрушения образца после сдвигового испытания в бинокуляре и по его сечению в металлографическом шлифе. Поверхность разрушения проходит по внешней поверхности образца: по пластмассе и частично по керамическому покрытию на вершинах ТКП Ti покрытия. Максимальные значение относительной площади поверхности разрушения по керамическому покрытию составляет: 31,26 % для ГА и 2,84 % для CaAlO. Покрытия в состоянии после напыления содержало от 66,75% до 83,22% фазы ГА. Дополнительные фазы в покрытии в состоянии после плазменного напыления формируются в результате потери гидроксильных групп, это фазы: Ca3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Ca4(PO4)2O, Ca(OH)2 и CaO. Восстановление исходного фазового состава было достигнуто при гидротермической обработке в парах воды при 650 °С, в результате которой содержание ГА повысилось до 94,17%. Установленные по данным рентгенофазового анализа значения ОКР для исходного порошка ГА и покрытий из него коррелирует со значениями поперечных размеров кристаллитов на растровых снимках этих материалов. Макроструктура поверхности ГА покрытия соответствует покрытиям с плотной структурой, большая часть напыленных частиц имеет дискообразную форму, которая сформировалась при соударении, деформации и затвердевании жидких напыляемых частиц на подложке. 2. Произведено напыление ТКП Ti+ГА покрытия по предлагаемой новой технологии. Согласно предлагаемой технологии трехмерные капиллярно - пористые титановые покрытия толщиной 1мм нанесли методом плазменного напыления из проволоки на предварительно подогретую дуговым разрядом подложку, затем на ТКП Ti напыляли покрытие из гидроксиапатита (ГА) толщиной 0,08-0,35мм при температуре 20-300–550 °С. Напыленные покрытия удовлетворяют техническим условиям, предъявляемым к деталям эндопротезов тазобедренного сустава бесцементной фиксации, дополнительный слой ФК способствует повышению биосовместимости имплантатов с костной тканью при сохранении высоких механических свойств, которые демонстрирует ТКП Ti покрытие на титановой подложке. Проведены исследования структуры и фазового состава и определены механические свойства на сдвиг напыленных покрытий. Получена сдвиговая прочность композиционного ТКП Ti+ГА покрытия, 90,76±9,9 МПа, в три раза превышающая сдвиговую прочность известных зарубежных покрытий за счет нового механизма передачи механической нагрузки с ТКП Ti+ГА покрытия на костную ткань (по аналогии с передачей нагрузки в системе "винт-гайка"). ГА слой в состоянии после напыления содержал от 66,75% до 83,22% фазы ГА. Дополнительные фазы в покрытии в состоянии после плазменного напыления формируются в результате потери гидроксильных групп, это фазы: Ca3(PO4)2, Ca3(PO4)2, Ca4(PO4)2O, Ca(OH)2 и CaO. Восстановление исходного фазового состава было достигнуто при гидротермической обработке в парах воды при 650 °С, в результате которой содержание ГА повысилось до 94,17%. По данным рентгенофазового анализа значения ОКР покрытия меньше значений для исходного напыляемого ГА порошка ГА, что свидетельствует о плавлении порошка в плазме. ГА покрытие сформированное из расплавленных частиц имеет высокие значения адгезии и когезии и обеспечило высокие значения сдвиговой прочности ТКП Ti+ГА покрытия. 3. Составлен пакет технической документации на разработанную аддитивную технологию формирования биосовместимых композиционных 3D плазменных покрытий титан – фосфаты кальция на поверхности внутрикостных тазобедренных имплантатов. Разработана инструкция для работы оператора на модернизированной автоматизированной установке плазменного напыления. 4. Разработана технологии получения композиционных трехмерных капиллярных пористых покрытий с увеличенными показателями удельной поверхности за счет выращивания пленок октакальций фосфата (ОКФ) с заданной микроструктурой на подложках с предварительно нанесенным на них плазменным напылением ТКП Ti и ФК покрытиями. Необходимость создание многофазных покрытий заключается в различных свойствах ФК. Покрытия на основе гидроксилапатита (ГА) широко используются для защиты имплантата от реакций окисления и улучшение остеоинтеграционной способности, тем самым снижая риск возникновения отторжения имплантата и увеличивая его срок службы. Трикальцийфосфат (альфа-ТКФ) является наиболее растворимым и реакционноспособным по сравнению с ГА, использование его в качестве второго слоя способно увеличить остеокондуктивные потенции. Продуктом химической трансформации покрытия альфа-ТКФ является покрытие дикальцийфосфат дигидрат (ДКФД). Кристаллы ДКФД, полученные при трансформации альфа-ТКФ, имеют пластинчатую морфологию. Ширина и длинна пластинок ДКФД изменяется в диапазоне от 20 до 500 мкм, их толщина составляет от 2 до 20 мкм. 5. Разработан способ получения модификации трехмерных капиллярных пористых покрытий с образованием биологического гидроксиапатита при физиологических условиях. Был разработан способ преобразования плазменных ФК покрытий в буферных растворах. ТКФ в условиях буферной системы трансформируется в ДКФД, который может быть на следующем этапе трансформирован в ОКФ посредством гидролиза. Исходное покрытие на основе ГА, ввиду малой реакционной способности, в процессах трансформации участия не принимает. Данная система может быть использована для создания многослойного покрытия на основе фаз ГА/ТКФ/ДКФД/ОКФ, где каждая фаза отличается скоростью растворения в живом организме. Полученные пленки являются однородными, непрерывными, без трещин и хорошо сцепляются с Ti-подложкой. Для проверки цитотоксических свойств клетки миофибробластов из периферических сосудов человека культивировали в течение 3 дней на поверхности пленок. Количество живых клеток на пленках ОКФ составляло 98 ± 1%. Индекс MI пролиферативной активности миофибробластов на поверхностях ОКФ оценивался в 6,9%. Было показано, что пленки ОКФ более подходят для прикрепления и распространения клеток относительно субстратов Ti и пленок кальция карбоната, например, колонизируя всю доступную поверхность и образуя прозрачный монослой через 55 часов. Кроме того, пленки ОКФ имели более высокий уровень пролиферации как для миофиробластов, так и для мезенхимальных стромальных клеток костного мозга (BMMS). Таким образом, покрытие ОКФ на поверхности титана может обеспечить благоприятное микрокредитование имплантатов для остеоинтеграции в клинических практиках.

Список статей лаборатории за 2015 г.

1) Kalita V.I., Radyuk A.A., Komlev D.I., Ivannikov A.Y., Blagoveshchensky Y.V., Grigorovich K.V., Shibaeva T.V. Plasma coatings of mechanically doped Сo-С-Mo and Co-C powders. Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Т. 6. № 3. С. 212-218. (DOI: 10.1134/S2075113315030053. цитируется SCOPUS, РИНЦ).


2) Калита В.И., Комлев Д.И., Радюк А.А., Иванников А.Ю. Плазменные покрытия из стали Fe-25Cr-6Al. Физика и химия обработки материалов. 2015. № 4. С. 39-44. (цитируется РИНЦ, публикация из списка ВАК, Импакт-фактор РИНЦ 2013 - 0,446).


3) Ivannikov, A.Yu., Kalita, V.I., Komlev, D.I., Radyuk, A.A., Bagmutov, V.P., Zakharov, I.N., Parshev, S.N. The effect of electromechanical treatment on structure and properties of plasma sprayed Ni-20Cr coating. (2016) Journal of Alloys and Compounds, 655, pp. 11-20. (DOI: 10.1016/j.jallcom.2015.09.125. цитируется WOS, Scopus, РИНЦ. Импакт-фактор IPP (Impact per Publication) (2014) :3.031)


4) Пустов Ю.А., Золотарев А.С., Гладких Н.А., Калита В.И., Комлев Д.И., Радюк А.А., Иванников А.Ю. Структура и коррозионно-электрохимическое поведение систем “АМОРФНОЕ ПЛАЗМЕННОЕ ПОКРЫТИЕ НА ОСНОВЕ ЖЕЛЕЗА - СТАЛЬНАЯ ПОДЛОЖКА”. Физика и химия обработки материалов. 2015. № 3. С. 35-43. (цитируется РИНЦ, публикация из списка ВАК, Импакт-фактор РИНЦ 2013 - 0,446).


5) Иванников А. Ю., Калита В. И., Комлев Д. И., Радюк А. А., Багмутов В. П., Захаров И. Н., Паршев С. Н. Влияние электромеханической обработки на структуру и микротвердость хромо-марганцевой стали. Физика и химия обработки материалов. 2015. № 4. С. 44-53


Список статей лаборатории за 2016 г.

1) В.И. Калита, А.А. Радюк, Д.И. Комлев, А.Ю. Иванников, В.С. Комлев, К.Ю. Демин. Граница раздела покрытия гидроксиапатита с титановой подложкой. Физика и химия обработки материалов 2016, №5, с.27-35.


2) В.И. Калита, А.А. Радюк, Д.И. Комлев, А.Ю. Иванников, Ю.В. Благовещенский, В.К. Григорович, Т.В. Шибаева. Плазменные покрытия из механически легированных порошков WC-Co-C. Физика и химия обработки материалов 2016, №2, с.5-15.


3) В. И. Калита, Д. И. Комлев, А. Ю. Иванников, А. А. Радюк, В. С. Комлев, В. И. Мамонов, М. А. Севастьянов, А. С. Баикин. Сдвиговая прочность композиционных покрытий титан – гидроксиапатит для внутрикостных имплантатов. Перспективные материалы 2016 № 10, с.37-47.


4) V.I. Kalita, D.I. Komlev, V.S. Komlev, A.A. Radyuk. The shear strength of three-dimensional capillary-porous titanium coatings for intraosseous implants. Materials Science and Engineering C 60 (2016), pp. 255–259.


5) V. I. Kalita, A. I. Mamaev, V. A. Mamaeva, D. A. Malanin, D. I. Komlev, A. G. Gnedovets, V. V. Novochadov, V. S. Komlev, A. A. Radyuk. Structure and Shear Strength of Implants with Plasma Coatings. Inorganic Materials: Applied Research, 2016, Vol. 7, No. 3, pp. 376–387.


6) V. I. Kalita, D. I. Komlev, V. S. Komlev, A. Yu. Fedotov, and A. A. Radyuk. Hydroxyapatite-Based Coatings for Intraosteal Implants. Inorganic Materials: Applied Research, 2016, Vol. 7, No. 4, pp. 486–492.


7) V. I. Kalita, D. I. Komlev, and A. A. Radyuk. Structure and Mechanical Properties of Three-Dimensional Capillary-Porous Titanium Coatings on Intraosteal Implants. Inorganic Materials: Applied Research, 2016, Vol. 7, No. 4, pp. 536–541.


8) A. Yu. Ivannikov, V. I. Kalita, D. I. Komlev, A. A. Radyuk, V. P. Bagmutov, I. N. Zakharov, S. N. Parshev. Effect of Electromechanical Treatment on the Structure and Microhardness of Plasma Coating from Cr–Mn Steel. Inorganic Materials: Applied Research, 2016, Vo l. 7, No. 3, pp. 36 3–371.


9) Surtaev, A.S., Pavlenko, A.N., Kuznetsov, D.V., Kalita, V.I., Komlev, D.I., Ivannikov, A.Y., Radyuk, A.A. The influence of three-dimensional capillary-porous coatings on heat transfer at liquid boiling //Technical Physics Letters. – 2016. – Т. 42. – №. 4. – С. 391-394.


Список статей лаборатории за 2017 г.

1) Kalita, V. I., Radyuk, A. A., Komlev, D. I., Ivannikov, A. Y., Komlev, V. S., & Demin, K. Y. (2017). The boundary between the hydroxyapatite coating and titanium substrate. Inorganic Materials: Applied Research, 8(3), 444-451.


2) Kalita, V. I., Komlev, D. I., Ivannikov, A. Y., Radyuk, A. A., Komlev, V. S., Mamonov, V. I., ... & Baikin, A. S. (2017). The shear strength of Ti–HA composite coatings for intraosseous implants. Inorganic Materials: Applied Research, 8(2), 296-304.


3) Калита, В. И., Комлев, Д. И., Прибытков, Г. А., Коржова, В. В., Радюк, А. А., Барановский, А. В., ... & Михайлова, А. Б. (2017). Изменение содержания углерода, азота и кислорода при формировании плазменных керметных покрытий со стальной матрицей, упрочненной карбидом титана. Перспективные материалы, (8), 31-39.


4) Shamray, V. F., Sirotinkin, V. P., Smirnov, I. V., Kalita, V. I., Fedotov, A. Y., Barinov, S. M., & Komlev, V. S. (2017). Structure of the hydroxyapatite plasma-sprayed coatings deposited on pre-heated titanium substrates. Ceramics International, 43(12), 9105-9109.


5) Г.А. Прибытков, В.И. Калита, Д.И. Комлев, В.В. Коржова, А.А. Радюк, А.В. Барановский, А.Ю. Иванников, М.Г. Криницын, А.Б. Михайлова (2017). Структура и износостойкость плазменных покрытий, напыленных композиционным порошком TiC+Р6М5. Физика и химия обработки материалов, (3), 45-55.


6) Surtaev, A. S., Pavlenko, A. N., Kuznetsov, D. V., Kalita, V. I., Komlev, D. I., Ivannikov, A. Y., & Radyuk, A. A. (2017). Heat transfer and crisis phenomena at pool boiling of liquid nitrogen on the surfaces with capillary-porous coatings. International Journal of Heat and Mass Transfer, 108, 146-155


7) С.М.Баринов, А.Ю.Иванников, В.И.Калита, Д.И.Комлев, В.С.Комлев, А.А.Радюк, И.В.Смирнов, А.Ю.Федотов, (2017) Композиционные покрытия на основе низкотемпературных фосфатов кальция для внутрикостных имплантатов, Материаловедение, (6), 36-38.



Разработка: Eldream Design, 2003