Поиск - новости науки и техники

Титан прогнулся! К полезным качествам металла добавили сверхпластичность.

Профессор МАИ Михаил КОЛЛЕРОВ с гордостью говорит о своей профессии: он –  технолог. 40 с лишним лет ученый занимается металловедением: начинал в МАТИ, а последние четыре года продолжает в МАИ. Михаил Юрьевич разрабатывает новые материалы и технологии их обработки. В первую очередь – соединения титана с другими металлами, например, с алюминием и никелем. Взяв их за основу, специалисты “конструируют” всевозможные сплавы, в частности, жаропрочные, выдерживающие температуры порядка 700-900 градусов. Необыкновенно легкие и прочные материалы идут на изготовление ответственных деталей двигателей военных и гражданских самолетов. Применяются они и в судостроении, демонстрируя высочайшую стойкость к коррозии.

Главное достоинство сплавов на основе титана и никеля – они “умные”: обладают эффектом памяти формы и сверхупругостью. Они подобны биологическим тканям, а потому медики относятся к ним с большим почтением, ведь титан и его сплавы отличаются прекрасной биосовместимостью, организм человека их не отторгает. Более того, эндопротезы из них очень хорошо приживаются –  кость в них буквально врастает. А за счет эффекта памяти формы имплантаты принимают фактически любую заданную ранее форму, стоит им оказаться в организме пациента, учитывая его температуру. Из этих чрезвычайно востребованных материалов М.Коллеров и его команда разрабатывают всевозможные эндопротезы, замещающие различные органы человека. Наиболее сложные и ответственные – тазобедренного и коленного суставов. При движении пациента они испытывают огромные нагрузки, а потому врачи предъявляют к ним особо жесткие требования.
Эндопротезирование начало развиваться еще в прошлом веке. Тогда в качестве имплантатов применяли сталь и кобальтовые сплавы, которые только условно можно отнести к биоинертным материалам. А во второй половине прошлого столетия перешли на легкий, прочный, не поддающийся коррозии титан. Но при всех его преимуществах перед сталью и у него обнаружилось слабое место – он не износостойкий. И при нагрузке находящиеся в постоянном движении протезы суставов попросту стираются. Случалось, что в течение одного года пациенту приходилось повторять операцию. Поэтому мир работает над созданием новых технологий, улучшающих качество эндопротезов. Скажем, для уменьшения износа тазобедренного протеза его головку стали делать из различных материалов, в том числе керамики. Износостойкость протезов действительно повысилась. Однако эта технология оказалась далеко не идеальной: керамика хрупкая и может дать трещину от напряжения. М.Коллеров и его сотрудники пошли другим путем: создали протез целиком из титана, устранив при этом все известные его недостатки. 
– Мы добились этого благодаря применению эффективного метода насыщения титана водородом, – объясняет Михаил Юрьевич. – Из учебников металловедения известно, что титан очень легко поглощает водород, но делает его хрупким, как стекло. Однако при определенных условиях (температуре, химическом составе, структуре материала) водород, наоборот, усиливает достоинства титана. Эту ценную особенность ученые МАТИ открыли еще в 70-е годы прошлого века. Воздействуя водородом на металл, они научились управлять его свойствами. Сегодня для насыщения титана водородом мы используем гидрид (химическое соединение водорода с титаном). В вакуумной установке происходит его разложение. При определенных температурах из черного порошка гидрида образуется газообразный водород, и титан его поглощает, всасывает. В результате насыщенный газом металл меняет свою кристаллическую структуру. Водород свое дело сделал – и мы его удаляем. 
Титан и сам по себе материал гибкий, но благодаря нашей технологии становится еще более пластичным. Ему легко можно придать практически любую форму, даже самую сложную и замысловатую – все равно что лепить из пластилина. Чтобы прокатать титановую заготовку по традиционным технологиям, ее необходимо нагреть до 1000 градусов. А наш метод, придающий металлу сверхпластичность, позволяет при комнатной температуре получать из заготовки лист, экономя при этом немалые средства. Так мы научились изменять структуру материала, улучшая нужные нам в данный момент свойства. Например, повышать его прочность и долговечность, увеличив в два раза усталость металла. А можно, наоборот, сделать хрупким и даже истолочь в порошок, что очень важно при переработке отходов титана, – не выбрасывать же их на свалку! Так металл становится послушным, совсем “ручным” и позволяет менять его свойства в зависимости от поставленной задачи. Теперь мы в состоянии изготовить особо прочные, не знающие износа и усталости эндопротезы тазобедренного и коленного суставов. Такие, чисто титановые, протезы пока никто в мире разработать не в состоянии, хотя и пытаются, и вынуждены использовать металл вместе с другими материалами (кобальтовыми сплавами, керамикой и т.п.), снижающими надежность эндопротезов и повышающими их цену.
Серийно наши титановые имплантаты выпускает предприятие АО “Имплант-ИМТ”. Новые образцы эндопротезов проходят клинические испытания в нескольких лечебных учреждениях страны. Главное из них – известный в стране ЦИТО (ЦНИИ травматологии и ортопедии им. Н.Н.Приорова). Отзывы сплошь положительные. Сколько прослужат наши титановые протезы, точно сказать не могу, однако, как показали ускоренные испытания, срок их функционирования должен составить не менее 30 лет. Тазобедренный сустав, ориентировочно, стоит 40 тысяч рублей, коленный – около 200 тысяч. Понятно, что из-за высокой цены далеко не все нуждающиеся смогут воспользоваться нашими эндопротезами, поэтому на подобные операции введены квоты. Это значит, что расходы возьмет на себя государство. (Коммерческие операции, естественно, будут проводиться тоже.) Замечу, что на Западе замена суставов обходится раза в два-три дороже. 
Значение нашей разработки – в том, что впервые удалось открыть способ управления свойствами титановых сплавов с помощью насыщения их водородом. Прогрессивный экономичный метод найдет применение в космонавтике и авиации. По нашей технологии можно делать самые разные изделия – бронежилеты, например – и получать при этом большую экономию. Надеемся, что благодаря несом-ненным достоинствам нашего суперматериала по сравнению с зарубежными аналогами выпущенные отечественными предприятиями всевозможные изделия, не только медицинского назначения, будут пользоваться повышенным спросом на мировых рынках.
Юрий ДРИЗЕ
Фотоснимки предоставлены М.Коллеровым
На снимках: аппарат для исправления деформации позвоночника с балками из никелида титана с эффектом памяти формы; эндопротезы тазобедренного сустава из титанового сплава.

Нет комментариев