Международная группа ученых Уральского федерального университета (УрФУ, Екатеринбург), университетов Германии, Южной Кореи и Японии разработала новый класс материалов на основе магния и титана. Материал обладает необычной комбинацией свойств: повышенной прочностью и очень низким модулем упругости (модуль Юнга), что делает его крайне перспективным для производства высококачественных имплантов. Импланты на основе биоматериалов с низким модулем упругости обеспечивают быстрое заживление твердых тканей.

Статья с описанием характеристик материала опубликована в одном из ведущих международных журналов Scripta Materialia.

«Проблема в том, что, реагируя на присутствие импланта, который забирает на себя часть нагрузки на восстанавливающуюся кость, организм “решает”, что в данной его локации не нужно “лишней” костной ткани, и с помощью специальных клеток начинает ее разрушать. Данное явление называется эффектом экранирования напряжений. Вследствие этого имплант может сместиться или даже деформироваться, и потребуется повторная операция. Поэтому для полноценного и скорейшего лечения костей требуются материалы, свойства упругости которых сопоставимы с упругостью костей. Модуль Юнга созданного нами композита находится в диапазоне значений, соответствующих характеристикам человеческой кости. Это позволяет использовать наш материал в медицинских целях», — объясняет Илья Окулов, участник исследовательской группы, научный сотрудник УрФУ, Бременского университета и Института материаловедения имени Лейбница (Германия), Университета Тохоку (Япония).

Модуль упругости типичных композитов — это примерно среднее от модуля упругости каждого из двух материалов, из которых он состоит, с учетом их объемной доли в составе композита.

«Изучая свойства полученных нами материалов из магния и титана, мы обнаружили, что в этом случае данное правило не работает. У магния модуль упругости — 45 гигапаскалей, у титана — 110 гигапаскалей, у композитного материала — 17,6 — меньше, чем у магниевой фазы с наименьшим модулем упругости. Это привело нас в недоумение, ничего подобного мы еще не видели», — рассказывает Илья Окулов.

Стремясь объяснить аномалию, ученые предположили, что существенное снижение модуля упругости вызвано уникальным состоянием интерфейса. Это область контакта двух фаз — магниевой и титановой. Данные вещества несмешиваемы и не создают совместных фаз при равновесных условиях, то есть медленной скорости охлаждения (процесс создания композита протекает при температуре 700–800 ℃). Во время механических испытаний этого композитного материала наблюдается локальное скольжение одной фазы относительно другой. Определяющую роль интерфейса подтвердили цифровые эксперименты, проведенные на компьютерной модели композита.

«В процессе создания композита фаза магния находится в жидком, расплавленном состоянии, а титановая фаза — в твердом. При охлаждении композита фаза магния затвердевает. При этом объем магния последовательно уменьшается, что должно привести к образованию пор. В нашей модели мы распределили поры — пустоты — вдоль границы фаз — интерфейса. Присутствие пор в зоне интерфейса ослабляет его, и это ведет к значительному уменьшению модуля упругости, что мы и наблюдали при моделировании», — подчеркивает Илья Окулов.

Такой способ получения пористого композита применен впервые.