Белгородский государственный национальный исследовательский университет Научно-образовательный и инновационный центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии»

2

Лаборатория физического материаловедения Зав. Ю.Р. Колобов, д.ф.-м.н., профессор Лаборатория теоретических исследований и компьютерного моделирования Зав. А.Г. Липницкий, к.ф.-м.н. Лаборатория биоматериалов Зав. М.Б. Иванов, к.ф.-м.н. ООО «Металл-деформ» Директор М.Б. Иванов, к.ф.-м.н. Руководитель Центра НСМН проф., д.ф.-м.н. Колобов Юрий Романович Кафедра наноматериалов и нанотехнологий на базе Научного центра РАН в Черноголовке Зав. Ю. Р. Колобов, д. ф.- м. н., профессор НИЛ перспективных материалов Зав. Е. В. Голосов, к. ф.- м. н.

НАНОСТРУКТУРИРОВАННЫЙ / СУБМИКРОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ТИТАН ДЛЯ МЕДИЦИНСКИХ ИМПЛАНТАТОВ 4

Предел прочности чистого титана (сплав ВТ1-0) и титанового сплава ВТ6 Формирование наноструктурного состояния в чистом титане, не содержащем вредных для живого организма легирующих элементов, обеспечивает механические свойства на уровне высоколегированных титановых сплавов медицинского назначения, что позволяет заменить данные сплавы на технически чистый титан при производстве медицинских имплантатов. 5

Зависимость концентрации металлических ионов в «среде Игла» от числа циклов изнашивания сплава Ti-6Al- 4V ELI в контакте с апатитовой керамикой. Изменения в относительной скорости роста клеточной культуры L929 со временем после 10 5 циклов трения титановых сплавов в контакте с апатитовой керамикой в «среде Игла». Yoshimitsu Okazaki, Sethumadhvan Rao, Yoshimasa Ito, Tetsuya Tateishi. Corrosion resistance, mechanical properties, corrosion fatigue strength and cytocompatibility of new Ti alloys without Al and V // Biomaterials. – – 19. – p

Предел прочности чистого титана (сплав ВТ1-0) и титанового сплава ВТ6 Формирование наноструктурного/субмикрокристаллического состояний в чистом титане, не содержащем вредных для живого организма легирующих элементов, обеспечивает механические свойства на уровне высоколегированных титановых сплавов медицинского назначения, что позволяет заменить данные сплавы на технически чистый титан при производстве медицинских имплантатов. 7

Создан опытно-промышленный участок реализации новых высокопроизводительных и малозатратных технологий формирования субмикрокристаллического и наноструктурного состояний в металлах и сплавах, в том числе с использованием оборудования, разработанного в Московском институте стали и сплавов. 8 Разработка защищена патентом РФ: RU C1, Колобов Ю.Р., Иванов М. Б., Голосов Е. В., Пенкин А. В. «Способ получения субмикрокристаллической структуры в нелегированном титане» 8 Поперечно-винтовая прокатка – перспективный промышленный метод формирования высокопрочных субмикрокристаллических и наноструктурированных состояний в металлах и сплавах

средний размер зерен d ~ 150 нм; доля зерен размером менее 100 нм ~ 35 %. средний размер зерен d ~ 90 нм; доля зерен размером менее 100 нм ~ 60 %. 9

Материал σ 0,2 10, МПаσ B 10, МПа δ B, %δ, % ВТ ВТ1-0 СМК ,16,8 ВТ ,511 ВТ Испытания на растяжение на цилиндрических образцах по ГОСТ Усталость на базе N=10 7 циклов, кручение с изгибом ГОСТ , V-образный надрез с R=0,3 мм ( T =3,3). Механические свойства на растяжение титановых сплавов ВТ1-0 в исходном и СМК состояниях, а также сплавов ВТ6 и ВТ16 в исходном состоянии Предел выносливости при испытаниях с концентратором напряжений (надрезом) и без него, усталостная чувствительность к надрезу (K σ ) для титановых сплавов ВТ1-0 и ВТ6 МатериалГеометрия образца -1, МПа при N= ВТ 1-0 гладкие 350 1,8 0,7 с надрезом 190 0,4 ВТ 1-0 СМК гладкие 490 2,0 0,5 с надрезом 2400,3 ВТ 6 гладкие 600 2,0 0,6 с надрезом 3000,3

11

В 2009 году наборы имплантатов для травматологии из субмикрокристаллического титана изготовленные в ГУП РТ Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт медицинских инструментов («ВНИПИМИ», г. Казань) по ТУ успешно прошли клинические испытания в 3-х клиниках РФ: «Научно-исследовательский центр Татарстана «Восстановительная травматология и ортопедия» (ГУ «НИЦТ «ВТО», г. Казань) ГОУ ВПО Российский университет Дружбы народов (кафедра травматологии и ортопедии, г. Москва) Городская клиническая больница 1 им. Н.И. Пирогова (г. Москва) Результаты клинических испытаний имплантатов, изготовленные из наноструктурного титана (прутки и полосы производства ГОУ ВПО БелГУ, г. Белгород, ИФПМ СО РАН и СФТИ при ТГУ, г. Томск), показали высокую стабильность фиксации переломов, высокую пластичность материала для моделирования имплантатов по кости, отсутствие осложнений, 100%-ную успешность проведения операций и консолидации переломов. Разработка является результатом НИОКР в рамках Комплексного проекта Федеральной целевой программы Минобрнауки (госконтракт ) и защищена патентом РФ Способ получения субмикрокристаллической структуры в нелегированном титане / Колобов Ю.Р., Иванов М.Б., Голосов Е.В., Пенкин А.В. – приоритет от г.

Grade-4 фирма "Perymann and K o " (США) ВТ1-0 субмикрокристаллический Цена, руб/кг Предел прочности, МПа Цена, руб/кг Предел прочности, МПа Ø 3-8 мм, калиброванный пруток (ASTM F ) Адаптация технологии СМК и НС титана к производству имплантатов: Выпуск готового профиля под пластины остеосинтеза Калиброванный пруток для автоматов продольного точения Возможность высадки головки винтов и накатки резьбы 14

*разработчик д.м.н., профессор Миргазизов М.З.

Разработка защищена патентами РФ: «Способ получения электролита для нанесения биоактивных покрытий» , «Способ модифицирования поверхности имплантатов из титана и его сплавов» Применение запатентованных составов кальций-фосфатных электролитов позволяет получать биосовместимые покрытия для использования в имплантологии. Значение объемной пористости покрытия находится в диапазоне 10…50 %, средний размер пор достигает 20 при толщине покрытия до 100 мкм. Эксплуатация участка в целом решает задачи научно- исследовательского поиска в области электролитических плазменных процессов и обеспечивает выпуск опытных партий медицинских имплантатов.

17 Синтезированный в Центре НСМН БелГУ наногидроксиапатит использован в качестве одного из компонентов нового на мировом рынке лечебно-профилактического препарата «Нанофлюор». Для проведения маркетинговых исследований первая пробная партия препарата «Нанофлюор» (1000 упаковок) представлена на рынке (Российская Федерация и страны СНГ) в конце июня 2007 г. Предполагаемые объемы производства препарата «Нанофлюор» – упаковок в месяц по цене 1000 руб. за упаковку.

БелОст – выпускается в виде 20% пасты и гранул 0,5-1 мм. Синтетический нанокристаллический гидроксиапатит по структуре и свойствами максимально приближен к гидроксиапатиту из организма человека. Является основным минеральным компонентом при формировании новой кости Gamalant-паста-ФОРТЕ Плюс. Резорбируемый композиционный материал, содержащий наноструктурный гидроксиапат и высокоочищенный коллаген с сохраненной нативной структурой, а также факторы роста костной ткани человека – костные морфогенетические белки человека По данным интернет-сайта: 18 На основе синтезированного в Центре НСМН нанокристаллического гидроксилапатита совместно с НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи разработаны и внедрены в клиническую практику:

Заключение 19 Разработаны высокопроизводительные малозатратные способы формирования высокопрочного (при улучшенной технологической пластичности) субмикрокристаллического и наноструктурного состояний в нелегированном титане с использованием сочетания поперечно- винтовой и продольной прокаток. На базе малого инновационного предприятия «Металл-деформ» при НИУ БелГУ создан опытно-промышленный участок по производству полуфабрикатов наноструктурного медицинского титана промышленного сортамента в объеме сегодняшней потребности соответствующих предприятий РФ. Успешно завершены клинические испытания имплантатов в медицинских учреждениях России. Всероссийским научно- исследовательским и проектным институтом медицинских инструментов (г. Казань) поставляются партии сертифицированной продукции в медицинские учреждения РФ. Разработаны способы синтеза биоактивных покрытий, основанные на методе микродугового оксидирования, а также использования шликера нанокристаллического гидроксилапатита. Покрытия обладают высокой адгезией, остеиндуктивными и остекондуктивными свойствами.