В МАИ испытывают новый класс материалов для производства протезов

Специалисты кафедры «Материаловедение и технологии обработки материалов» (МиТОМ) Московского авиационного института работают над новым классом биосовместимых функциональных композиционных металл-полимерных материалов, обладающих эффектом памяти формы и сверхупругостью. Материалы данного класса создаются на основе никелида титана и имеют большие перспективы в медицине, а также во многих других сферах деятельности: строительстве, транспортной и авиационно-космической промышленности, приборостроении.

Исследователи делают акцент на использовании таких материалов для изготовления медицинских ортопедических изделий. Работа ведётся в сотрудничестве с Центром инновационных технологий в ортопедии (ФГУП «ЦИТО»). На сегодняшний день со стороны МАИ участие в ней принимают восемь человек: трое сотрудников кафедры, а также аспиранты и студенты университета. Подробностями о проекте поделился профессор кафедры МиТОМ, доктор технических наук Дмитрий Гусев.

Опыт кафедры МиТОМ

Кафедра МиТОМ имеет почти 40-летний опыт исследований сплавов с памятью формы на основе никелида титана.

— Сначала целью работ было оценить возможности никелида титана для создания трансформирующихся функциональных конструкций авиационного и космического назначения, — рассказывает Дмитрий Гусев. — Впоследствии были обнаружены большие перспективы материала в медицине, поскольку никелид титана отличается не только высокими показателями эффекта памяти формы и сверхупругости, но и хорошей коррозионной стойкостью, биохимической совместимостью с тканями организма и, что особенно важно, отличной биомеханической совместимостью с костными и хрящевыми структурами. Применение имплантатов из никелида титана позволяет сократить длительность проведения хирургического вмешательства при лечении травм и заболеваний опорно-двигательной системы, повысить эффективность лечения, уменьшить вероятность осложнений и сократить сроки реабилитации пациентов.

Итогом этих работ стала регистрация в 2003 году разработанных на кафедре имплантируемых никелид-титановых фиксаторов для остеосинтеза и укрепления связочно-хрящевых структур суставов. Сегодня данные импланты применяются во многих клиниках России, а также за рубежом.

Однако сплавы на основе никелида титана имеют существенный недостаток — высокую стоимость. Чтобы решить эту проблему, с 2017 года на кафедре МиТОМ ведётся разработка нового класса композиционных материалов, состоящих из полимерной матрицы, армированной никелид-титановой проволокой или фольгой. Использовать новые материалы предполагается для медицинских изделий наружного применения — туторов и экзопротезов кисти, что требует принципиально разных подходов к проектированию.

Ортопедические конструкции

Полимерные материалы, используемые сегодня для промышленного изготовления туторов, при ходьбе накапливают деформации, что приводит к ухудшению свойств изделия и снижению эффективности лечения.

— Наша задача — разработать композиционный материал с повышенными упругими свойствами, который лучше будет переносить подобные нагрузки, — объясняет профессор кафедры МиТОМ. — Повысить упругие свойства полимерных конструкций можно с помощью армирования. Лучше всего для этого подходит никелид титана, близкий по своим показателям упругости к костной и хрящевой ткани. Такое решение позволяет создавать конструкции, чьё механическое поведение максимально соответствует поведению живых тканей. Это существенно повышает эффективность лечения и снижает риски послеоперационных осложнений.

Для изготовления ортопедических изделий могут применяться разные полимерные материалы, от полиэтилена до углепластика, механическое поведение которых сильно различается. Поэтому в каждом случае необходим свой подход к методам армирования. Таким образом, наиболее важная задача исследований в этой области — разработка научно обоснованных методов выбора способа армирования элементами из никелида титана в зависимости от свойств полимерной матрицы.

Экзопротезы

Экзопротезы кисти с использованием никелида титана по своим функциональным характеристикам займут промежуточное положение между относительно дешёвыми косметическими протезами, которые лишь воспроизводят внешний вид отсутствующей конечности, и дорогостоящими высокотехнологичными системами, требующими особых условий эксплуатации и сложного ухода.

В основе предлагаемой конструкции протеза лежит макет конечности из силикона, помещённый в чехол из материала, имитирующего кожу человека. Чтобы обеспечить протезу необходимую жесткость, силиконовую руку армируют проволочной конструкцией из никелида титана. При этом выбирается такой сплав, чтобы при температуре эксплуатации протеза он находился не в сверхупругом состоянии, как в случае с ортопедическими изделиями, а, наоборот, в пластичном. В этом случае пользователь протеза легко сможет своей здоровой рукой придавать ему нужную форму: загибать и разгибать пальцы для удержания предметов.

Также в армирующей конструкции можно реализовать эффект памяти формы, чтобы легко возвращать её в исходное состояние. Для этого протез надо погрузить на некоторое время в горячую воду.Подобные конструкции протезов уже существуют, однако в них для армирования используется сталь, которая при многократной пластической деформации быстро разрушается, в результате чего изделие приходит в негодность. Поскольку долговечность никелида титана при тех же амплитудах деформации на несколько порядков выше, внедрение проекта позволит избежать быстрого разрушения протезов и повысит качество жизни их пользователей.

Результаты исследований

В рамках проекта проводятся исследования на модельных образцах композиционных материалов, отличающихся друг от друга типом полимерной матрицы (силиконовая резина, полиэтилен, углепластик и т.д.), способом армирования (размеры, количество и характер расположения армирующих элементов), структурой и свойствами никелида титана. Кроме того, изучается механическое поведение опытных конструкций туторов и экзопротезов кисти, рассматриваются технологические методы их изготовления.

Проведение исследований модельных образцов осложняется тем, что общепринятые и стандартизированные методики испытаний не могут в полной мере описать функциональные свойства новых материалов. Поэтому попутно команда разрабатывает собственные методики испытаний образцов, способы расчёта характеристик работоспособности материала и др. На сегодняшний день исследователями показано влияние структуры металл-полимерных композитов на их деформационно-силовые характеристики. Успешно проведены предварительные циклические испытания. Сейчас на повестке дня более сложные и ответственные усталостные испытания медицинских изделий.

Другим важным этапом внедрения новых композиционных материалов является разработка технологии промышленного производства изделий. Для этого необходимо изготовление соответствующего оборудования и/или технологической оснастки, уточнение параметров обработки и т.д. Реализация этого этапа возможна только при непосредственном участии предприятия-производителя. В данном случае это ФГУП «ЦИТО».

По оценке исследователей, подготовить проект к внедрению возможно за три-четыре года. Ещё не менее года понадобится, чтобы зарегистрировать медицинские изделия в Росздравнадзоре.Развитие проекта

Металл-полимерные функциональные материалы могут успешно применяться при изготовлении не только медицинских изделий, но и новых образцов техники. Конструкции из этих материалов могут обладать высокой пластичностью и деформационной циклостойкостью при удовлетворительном уровне прочности и относительно низкой стоимости. Кроме того, низкая плотность полимерной матрицы позволит разрабатывать лёгкие трансформирующиеся конструкции, которые можно будет использовать в различных областях, в том числе в авиационно-космической промышленности.

— Например, за рубежом из подобных материалов были разработаны адаптивные шевроны для турбореактивных двигателей самолётов. Из-за изменения их профиля при взлёте и посадке самолёта существенно снижается уровень шума. Некоторые исследователи предлагают использовать металл-полимерные композиты с памятью формы для изготовления планера с изменяемой геометрией крыла для беспилотных летательных аппаратов. Кроме того, функциональные композиционные материалы могут быть использованы для создания принципиально новых механизмов, в основу работы которых положены принципы «мягкой робототехники», базирующейся на копировании биомеханического поведения живых организмов, — отмечает Дмитрий Гусев.

Исследователь уверен, что подобными проектами могут заинтересоваться многие российские производственные компании и конструкторские бюро.

— За рубежом интенсивными работами в данной области занимаются научные группы Хьюстноского, Виргинского, Калифорнийского университетов, Технологического института Киото и многие другие, что говорит о больших перспективах направления, — подчёркивает маёвец.

В этом году коллектив кафедры МиТОМ планирует начать работу над новым научно-исследовательским проектом в той же области. Так, исследователи займутся созданием трансформирующихся конструкций из композиционных материалов с обратимым эффектом памяти формы. В рамках проекта планируется разработать изделия, изменение формы которых будет происходить только в результате изменения температуры окружающей среды без какого-либо внешнего механического воздействия.