Ведущие ученые России и Евросоюза объединяют свои усилия по созданию программного комплекса для компьютерного конструирования наноматериалов для медицинских имплантатов.

Международная конференция «Компьютерное моделирование наноструктурных материалов» (COMPUTATIONAL MODELLING OF NANOSTRUCTURED MATERIALS, ICCMNM – 2013) в г. Франкфурте-на-Майне (Германия), 03–06 сентября этого года проводилась в рамках международного проекта «Virtual Nanotitanium, ViNat».

Полное название проекта: «Theoretical analysis, design and virtual testing of biocompatibility and mechanical properties of titanium-based nanomaterials» (Теоретический анализ, дизайн и виртуальное тестирование механических свойств и биосовместимости наноматериалов, основанных на титане). Проект стартовал в 2011 г. и выполняется ведущими научными коллективами России и Евросоюза. Российские исследователи финансируются Министерством образования и науки РФ (Государственный контракт № 16.523.12.3002 ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007–2013 годы»), а европейские ученые – Еврокомиссией в рамках 7-ой Рамочной программы Евросоюза (Грантовое Соглашение № 295322).

В ходе выполнения проекта VINAT по разработке наноматериалов из титановых сплавов с заданными свойствами активно используются методы компьютерного моделирования. В настоящее время титан считается одним из наиболее перспективных материалов для медицинских имплантатов в травматологии, ортопедии и стоматологии в силу своей прочности и высокой биологической совместимости. Современные способы улучшения качества титановых имплантатов лежат в области нанотехнологий. В рамках проекта уже разработан ряд принципиально новых технологий, компьютерных моделей и программных модулей. Так, известно, что посредством интенсивной пластической деформации металлов можно получить наноструктурированные материалы, обладающие необходимыми эксплуатационными свойствами и более долговечные, чем обычные металлы. Новый способ получения нанотитана с использованием высокотемпературной ECAP-C технологии (high-temperature (330 ◦C) equal-channel angular pressing, ECAP) был разработан российским участником проекта – Уфимским государственным авиационным техническим университетом. Преимущество использования нанотитана состоит в возможности перехода на имплантаты в 1,5 раза меньшего диаметра, выдерживающих нагрузки, аналогичные имплантатам обычной конструкции из крупнозернистого титана. Поскольку имплантат изготавливается из чистого титана, он не содержит токсичных элементов или аллергенов. Прототип был разработан чешским партнером проекта, компанией Timplant.

Помимо чистого титана в проекте предложены физические модели и программные модули для наноструктурированных сплавов с памятью формы из никелида титана, а также безникелевых сплавов Ti-Ta-Nb, Ti-Ta-Zr с эффектом сверхупругости. Модули связывают структурно-фазовое состояние материала с режимами термомеханической обработки, что позволяет оптимизировать процессы получения и прогнозировать свойства материалов. Лидерами данного направления является коллектив ученых МИСиС под руководством проф. Прокошкина С.Д.

Программный комплекс состоит из взаимосвязанных модулей, обеспечивающих многомасштабное моделирование и виртуальное тестирование наноструктурированных титановых сплавов и осажденных многокомпонентных биоактивных наноструктурных покрытий, которые будут предложены пользователям, разрабатывающим конструкции и материалы имплантатов для оптимизации состава, структуры и технологических режимов получения.

По результатам исследований в рамках проекта издан специальный выпуск международного журнала “Computational Materials Science”, 76 (2013) www.elsevier.com/…te/commatsci.

Согласно мнению европейского координатора проекта Леона Мишнаевского (Технический университет Дании, Копенгаген), компьютерное моделирование позволит надежно и эффективно разрабатывать новые наноматериалы для медицинских имплантатов, сводя к минимуму испытания на животных. Разработанные в проекте инструменты и технологии, откроют новые возможности в травматологии, ортопедии и стоматологии.

Профессор Евгений Левашов, российский координатор проекта (Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС») отмечает, что проект является ярким примером сотрудничества между европейскими и российскими исследовательскими группами, приводящего к новым превосходным научным результатам.

По мнению технического консультанта проекта профессора Eberhard Seitz (Технический университет Клаушталя, Германия) разработанное в проекте программное обеспечение по оптимизации наноматериалов для имплантатов небольшого радиуса, несомненно, привлечет интерес промышленности.

Следует отметить широкий международный резонанс конференции ICCMNM – 2013. Запланированная первоначально как очередное мероприятие по проекту «ViNat», она вышла за его рамки и вызвала большой интерес у ученых разных стран, работающих в области компьютерного моделирования наноматериалов (см. сайт конференции).

Прозвучавшие на конференции доклады охватили весьма широкий спектр тем:

• компьютерные модели механического поведения и физических свойств наноматериалов, определяющие их эксплуатационные свойства,
• механика сплошных сред, молекулярная динамика и квантовая механика как инструменты для компьютерного моделирования наноматериалов,
• наноструктурные и ультрамелкозернистые металлы, тонкие пленки, многофазные материалы и их моделирование,
• экспериментальное обоснование, разработка программного обеспечения и практическое применение компьютерных моделей наноматериалов.

В центре внимания участников ICCMNM – 2013 были вопросы корреляции между компьютерными моделями, использующими различные научные концепции, решение которых позволит в дальнейшем развивать междисциплинарные инструменты оптимального проектирования и виртуального тестирования наноматериалов.

На конференции во Франкфурте-на-Майне участники проекта «ViNat» подписали Меморандум о взаимопонимании, где выразили готовность продолжать научное, техническое и практическое сотрудничество по тематике проекта и в смежных областях, в том числе, в области компьютерного моделирования и тестирования не только титана, но и других наноструктурных материалов.

После завершения проекта партнеры приняли решение совместно участвовать в новых конкурсах Horizont-2020 и ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014–2020 годы».

Участники проекта ViNat:

Россия

• Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС» (головная организация)
• Институт физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск)
• Уфимский государственный авиационно-технологический университет (Уфа)
• ЗАО НПО «Металл» (Москва)
• ООО НаноМеТ (Уфа)

Евросоюз

• Technical University of Denmark (DTU), Copenhagen, Denmark (EU– Coordinator)
• IMDEA Materiales Institute (IMDEA), Madrid, Spain
• Katholieke Universiteit Leuven, (KULeuven), Leuven, Belgium
• Johann Wolfgang Goethe-Universitaet Frankfurt am Main, Germany
• Technion-Israel Institute of Technology, Department of Materials Engineering, Haifa, Israel
• Timplant Ltd, Ostrava, Czech Republic