Коллектив лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института Томского государственного университета подтвердил, что экспериментальные модельные тонкостенные конструкции из никелида титана (NiTi), полученные методом селективного лазерного плавления (SLM), по сверхэластичности не уступают аналогам, изготовленным по традиционной технологии. Стенты из сверхэластичного сплава NiTi широко применяют для протезирования подколенных артерий, которые испытывают экстремальные физиологические нагрузки. Сейчас заготовки таких стентов вырезают лазером из массива NiTi, однако большая часть дорогого материала уходит в отходы, делая процесс высокозатратным. Новая технология 3D-печати на основе SLM позволяет радикально снизить производственные потери.
Статья об исследованииопубликованав научном журнале Journal of Alloys and Compounds издательства Elsevier (Q1).
В научной работе под руководством заведующей лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУЕкатерины Марченкопринимали участие старшие научные сотрудники лабораторииЮрий ЯсенчукиГульшарат Байгонаковаи младший научный сотрудникКсения Турова. Исследования проводятся в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FSWM-2025-0009.
Стенты для подколенных артерий, в отличие от расширителей для ряда других сосудов и органов, могут быть изготовлены только из никелида титана. Его сверхластичность позволяет выдерживать миллионы циклов деформации растяжением и изгибом в коррозионно-активной среде кровеносного русла.
В настоящее время заготовки таких стентов вырезают лазером из массивных заготовок NiTi, полученных с применением термомеханической обработки – прокатки и ротационной ковки. Это обеспечивает хорошую внутреннюю структуру и физико-механические свойства, а последующая магнитоэлектрополировка делает поверхность стентов гладкой.
– Однако эти методы крайне неэффективны с точки зрения экономики, – поясняет заведующая лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУЕкатерина Марченко. – При использовании массива сплава для стентов до 90 % материала идет в отходы. Поэтому производители нацелены на то, чтобы развивать методы более экономичной лазерной наплавки. К таким методам можно отнести 3D-печать на основе SLM с локализованной подачей порошка NiTi в область воздействия лазерного луча. Исследований с использованием этого метода мало даже в масштабах мировой науки, поэтому результаты, полученные коллективом нашей лаборатории, актуальны.
Заведующая лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Екатерина Марченко
Сотрудники лаборатории изучили механические свойства тонкостенных конструкций, изготовленных методом лазерной наплавки порошка TiNi, с внутренней ячеистой структурой. Ячеистое заполнение, подобное пчелиным сотам, позволяет достичь баланса между прочностными характеристиками и экономией дорогостоящего материала. Исследования модельных тонкостенных ячеистых каркасов из SLM-NiTi сплава проходили совместно с лабораторией аддитивного производства НИТУ МИСИС. Ее заведующийСтанислав Чернышихинизготовил образцы методом SLM, а в ТГУ определяли сверхэластические свойства на машине циклического растяжения.
Эксперименты проходили в два этапа. Сначала ученые испытали на растяжение до разрыва пять образцов, полученных в разных режимах SLM. Режимы отличались скоростью сканирования лазерного луча – от 400 до 800 мм/с. На этом этапе была определена максимальная деформация образцов до разрушения и их пределы растяжения для циклических испытаний. Затем в результате циклических испытаний физики СФТИ определили оптимальные параметры лазерного воздействия, обеспечивающие минимальную остаточную деформацию при циклическом растяжении модельных конструкций.
– Мы обнаружили, что при промежуточной скорости сканирования лазерного луча 600 мм/с благодаря сбалансированному фазовому составу и низкой дефектности микроструктуры достигнута максимальная деформация около 8,5 %, свойственная биологическим тканям, и наилучшая сверхэластичность. При этом все образцы продемонстрировали полностью обратимую деформацию, что делает их пригодными для длительной работы в кровеносных сосудах. Это очень хороший признак – с учетом дальнейших исследований и совершенствования технологического процесса, свойства таких конструкций вполне приемлемы для биомедицинского применения, – говорит старший научный сотрудник лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУЮрий Ясенчук.
Стенты для артерий из NiTi
Исследователи отмечают, что конструкции SLM-NiTi имеют более шероховатую поверхность из-за особенностей процесса лазерной сварки. Однако даже с учетом дополнительной бесконтактной лазерной постобработки технология 3D-печати на основе SLM выигрывает в материалоемкости, энергоемкости и себестоимости у применяемых в настоящее время технологических процессов.
– С развитием технологии SLM улучшится точность процесса, и это обязательно приблизит качество разрабатываемых изделий к существующим в настоящее время. Поэтому наши исследования весьма перспективны и находятся на передовом крае мировой науки, – резюмируетЮрий Ясенчук.
В планах научного коллектива – исследовать конструкции с увеличенным числом вертикальных связей, изготовленных при оптимизированных режимах SLM. Это позволит оценить вклад геометрического фактора в распределение напряжений и деформаций при сохранении неизменных параметров процесса.
Справка.
В Томском государственном университете сформирована одна из сильнейших в России школ по созданию медицинских материалов. Лаборатория медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института ТГУ занимается медицинским материаловедением – разработкой и внедрением имплантатов из никелида титана и других материалов.
Так, ноу-хау материаловедов ТГУ – сверхэластичные и гиперупругие сетчатые имплантаты из тончайшей никелид-титановой проволоки диаметром 60–90 микрометров –предназначеныдля закрытия дефектов мягких тканей после различных повреждений, деформаций, возникающих из-за врожденных патологий либо травм.