Разработка и исследование наноструктурных металлов и миниатюризация медицинских изделий

Широкое использование «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины основано на миниатюризации медицинских изделий-имплантатов и медицинского инструмента за счет использования нового класса конструкционных и функциональных материалов с ультрамелкозернистой структурой (УМЗ), отличающихся высокой твердостью и прочностью. Этим требованиям в полной мере отвечают объемные УМЗ металлические материалы, полученные методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Многочисленные исследования последних двух десятилетий убедительно свидетельствуют, что создание УМЗ структур в металлических материалах методами ИПД, позволяют значительно увеличить их твердость, прочность и усталостную долговечность. Это относится, прежде всего, к широко используем для изготовления медицинских имплантатов и других устройств биометаллам, к числу которых относятся титан и его сплавы, аустенитные нержавеющие стали, магниевые сплавы и другие материалы.

В настоящем проекте будут реализованы преимущества междисциплинарного подхода. Инновационные подходы наноструктурирования вышеуказанных материалов, основанные на сочетании формирования УМЗ структуры и образования нанодисперсных выделений вторых фаз и сегрегаций, связанные с выбором режимов методов ИПД, позволят обеспечить в металлах и сплавах не только рекордную прочность, но и их пластичность и вязкость, открывая путь к повышению целого комплекса их служебных свойств: ударной вязкости, низкой чувствительности к концентраторам напряжения, усталостной прочности и т.д. Это, в свою очередь, позволит существенно миниатюризировать медицинские имплантаты, предлагая, как усовершенствованные, так и новые перспективные конструкции имплантатов и сопутствующих медицинских инструментов. Кроме того, проведение поверхностной модификации имплантатов позволит повысить их биофункциональные свойства. Решение поставленной задачи предполагает также расчет прочностных свойств, предполагаемых изделий; исследование микроструктуры и механических свойств, полученных наноструктурных материалов на всех стадиях изготовления изделий – заготовок, полуфабрикатов, изделий, поверхностной обработки. Механические испытания будут включать: статические, ударные, усталостные и специфические для имплантатов нагрузки. Особое место займут исследования биосовместимости разработанных имплантатов. В заключении проекта будет проведен полный комплекс аттестации полученных медицинских изделий.

Актуальность решения данной проблемы несомненна, поскольку миниатюризация медицинских имплантатов является необходимым условиям широкого внедрения «щадящих» операционных технологий, способствующих быстрой послеоперационной реабилитации больных.

Междисциплинарный проект будет выполняться по двум отраслям знаний. Исследования в области знаний «03 Химия и науки о материалах» будут выполняться первой группой исследователей из Уфимского государственного авиационного технического университета. Основная цель данной группы – разработка научных принципов достижения высокой конструкционной прочности биосовместимых металлических материалов медицинского назначения и определения технологических режимов получения полуфабрикатов для изготовления новых конструкций имплантатов.

Исследования в области знаний «09 Инженерные науки» будут выполняться второй группой исследователей из Тольяттинского государственного университета. Главная цель данной группы - разработка научных принципов создания и изготовления имплантатов и медицинских инструментов улучшенной конструкции, основанных на преимуществе нового класса наноструктурированных металлических материалов с повышенными прочностными и усталостными свойствами.

Результатом запланированных исследований по проекту (область науки 09) будет создание новых научных принципов и технических решений получения медицинских имплантатов нового поколения из наноструктурных металлов с биосовместимыми покрытиями, учитывающими медицинские показания для пациента. Это станет возможным благодаря получению по проекту (область науки 03) сверхпрочных металлических биоматерилов путем наноструктурирования методами интенсивной пластической деформации (ИПД). Заявленное направление исследования входит в научно-технические российские и мировые приоритеты и соответствует сформулированным перспективным научным и технологическим направлениям развития России [Прогноз научно-технологического развития Российской Федерации на долгосрочную перспективу (до 2030 г.) - pdf].

В ходе выполнения проекта впервые, на примере ряда наиболее известных биосовместимых материалов - технически чистого титана, титановых и магниевых сплавов, нержавеющих сталей и других материалов будут разработаны научно-обоснованные принципы для разработки технологий производства имплантатов для остеосинтеза улучшенной конструкции. За счет предлагаемых в проекте (область науки 03) методов обработки интенсивной пластической деформацией будут значительно улучшены механические характеристики этих материалов (высокая прочность в сочетании с пластичностью и усталостной долговечностью) по сравнению с результатами, имеющимися в мировой практике на сегодняшний день. Физической основой данного подхода является реализация множественных механизмов упрочнения при формировании ультрамелкозернистой структуры и наборе наноструктурных особенностей - нанофазных выделений, зернограничных сегрегаций и пр.

Будет осуществлен переход к цифровым производственным технологиям, используя моделирование конструкций имплантатов с учётом индивидуальной информации о пациенте. Применение цифрового производства и прецизионного станочного оборудования с ЧПУ позволит реализовать производство имплантатов персонализированной формы, а применение органических и неорганических покрытий позволит управлять биосовместимостью изделия. Также в рамках проекта будет проведена работа по созданию комплекта приспособлений и инструмента для малоинвазивной установки персонифицированных имплантатов, для повышения эксплуатационных свойств которых предполагается упрочнение поверхности различными методами. Реализация такого подхода позволит создать имплантаты оптимальной геометрии с целью сокращения времени хирургической операции и для надежной фиксации фрагментов костей. Это откроет возможность широкого использования «щадящих» операционных технологий в челюстно-лицевой хирургии, травматологии и других областях медицины.

В настоящем проекте реализуются преимущества междисциплинарного подхода. В отчетном году внимание группы, занимающейся разработкой материалов (УГАТУ, г. Уфа), было сконцентрировано на инновационном подходе к выбору режимов наноструктурирования медицинских материалов, таких как титан, магниевый сплав и аустенитная сталь, основанном на сочетании формирования ультрамелкозернистой (УМЗ) структуры и образования нанодисперсных выделений вторых фаз и сегрегаций. Это, в свою очередь, позволило обеспечить в металлах и сплавах высокую прочность и пластичность. Аттестация механических свойств данных УМЗ материалов, проведенная в ТГУ (г. Тольятти), показала приемлемую трещиностойкость, хорошую усталостную прочность и сопротивление кручению. В частности, установлено, что крутящий момент для образцов из УМЗ титана Grade4 в 1.1÷1.2 раза выше, чем для образцов из крупнозернистого (КЗ) титана, а крутящий момент при разрушении образцов из УМЗ аустенитной стали 08Х18Н9 при кручении в 1.4 раза выше, чем у образцов из КЗ стали. Анализ прямолинейного участка кинетических диаграмм усталостного разрушения стали 08Х18Н9 показал, что коэффициент n в уравнении Периса для стали 08Х18Н9 после РКУП ниже, чем после отжига. Следовательно, данная сталь в УМЗ состоянии менее чувствительна к циклическим перегрузкам, чем в КЗ состоянии.

Такая конструктивная прочность исследуемых УМЗ материалов дает реальную возможность существенно миниатюризировать медицинские имплантаты, в том числе, и новые, предполагаемые к разработке перспективные конструкции имплантатов и сопутствующих медицинских инструментов.

Не менее важным аспектом на данном этапе является исследование механизмов разрушения УМЗ материалов на различном масштабном уровне при различных видах нагружения. Пока такие исследования являются как бы фоновыми в процессе оценки механических свойств. Однако, очевидно, что без анализа механизмов разрушения невозможно понять физическую природу прочности и пластичности данного класса материалов. Поэтому все испытания исследуемых материалов сопровождались макро- и микрофорактографическими исследованиями.

Известно, что важным параметром качества медицинской продукции являются биофункциональные свойства. Повышение биофункциональных свойств достигается  проведением разного рода поверхностной модификации. В этом плане  проводимая в УГАТУ и ТГУ обработка поверхности имплантатов методом плазменного электролитического окисления (ПЭО) видится весьма перспективной. В текущем году была изготовлена в ПО «Стрела» (г. Оренбург)  экспериментальная серия мини пластин и мини шурупов. На часть пластин было нанесено покрытие методом ПЭО. Для изучения биосовместимости исследуемых наноматериалов была разработана методика проведения операции по установке мини пластин в челюсть кроликов, и начались работы по осуществлению такой операции.

Проведен статистический анализ причин и механизмов разрушения в процессе эксплуатации пластин для травматологии и челюстно-лицевой хирургии. Это позволило выявить некоторые общие закономерности разрушения таких медицинских изделий:
1) Большинство разрушений имплантатов (пластин с отверстиями) произошло по области, прилегающей к отверстию.
2) На полученных микрофрактограммах поверхности изломов встречаются участки с усталостными бороздками, свидетельствующие о том, что исследуемые пластины или, по крайней мере, часть из них разрушились по усталостному механизму (от циклических нагрузок). Дальнейшая работа по повышению прочностных свойств медицинских пластин будет основываться на полученных фактах.

С практической точки зрения, важно оценить параметры циклического нагружения, вызвавшего разрушение пластин или других медицинских изделий. В первую очередь – это максимальное значение напряжения цикла нагружения σmax и коэффициент асимметрии цикла R (σmin/σmax). Основываясь на положениях механики разрушения, в работе предложены методики определения данных параметров усталостного разрушения по глубине пластических зон под поверхностью изломов.

По результатам проведенных исследований были опубликованы две статьи:

1. Матчин А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В., Стадников А.А. Разработка и исследование медицинских изделий нового поколения из высокопрочного наноструктурированного материала ВЕЛЕС, Київ: Центр наукових публікацій, 2020. – С. 58-64.
2. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В., Гречихина С.В. Experimental and morphological justification of the use of new medical technologies in maxillofacial surgery JOURNAL OF SCIENCE. LYON, № 10/2020. V.1, р. 41-45.

Настоящий междисциплинарный проект выполняется по двум отраслям знаний: 1. Исследования в области знаний «09. Инженерные науки» (проект 20-69-47059) выполняется группой исследователей из Тольяттинского государственного университета (ТГУ). 2. Исследования в области знаний «03. Химия и науки о материалах» (проект 20-63-47027) выполняется группой исследователей из Уфимского государственного авиационного технического университета (УГАТУ).

В отчетном периоде были завершены работы, которые не были выполнены ТГУ и УГАТУ в 2020 году в связи с объективными обстоятельствами (К-пандемия). В частности, группой исследователей из УГАТУ были отработаны режимы РКУП, изучена тонкая структура УМЗ материалов и завершено изготовление партий заготовок из УМЗ титана Grade4, магниевого сплава Mg-Zn-Са и аустенитной стали 08Х18Н9; отработана методика нанесения на поверхность изделий из магниевого сплава покрытия методом плазменного электролитического окисления (ПЭО) (УГАТУ). Это позволило группе исследователей из ТГУ закончить полный объем испытаний образцов из исследуемых КЗ и УМЗ материалов при различных видах нагружения. Были проведены испытания на кручение (титан Grade4 и магниевый сплав Mg-Zn-Ca), на статическую трещиностойкость (титан Grade4, сталь 08Х18Н9), на циклическую прочность (титан Grade4), на ударную вязкость (сталь 08Х18Н9, магниевый сплав Mg-Zn-Са). Была проведена топография защитного ПЭО покрытия на образцах из КЗ и УМЗ магниевого сплава (ТГУ). Полученные результаты позволили сформулировать закономерности влияния наноструктурирования на механические свойства и механизм разрушения каждого из исследуемых материалов при различных видах нагружения применительно к медицинским изделиям (ТГУ). В частности, сделан вывод, что титан Grade4, сталь 08Х18Н9 и магниевый сплав Mg-Zn-Са после РКУП по разработанным в УГАТУ режимам могут быть использованы для изготовления медицинских изделий, испытывающих в процессе эксплуатации разнообразные статические и циклические нагрузки. Однако следует избегать ударных нагрузок (ТГУ). Все испытания исследуемых материалов сопровождались макро- и микрофорактографическими исследованиями (ТГУ).

Для проведения механических испытаний и испытаний на биосовместимость медицинских изделий были разработаны чертежи мини пластин и мини шурупов (ТГУ);  по данным чертежам и разработанным группой исследователей из ТГУ опытным технологиям изготовления медицинских изделий в АО «ПО «Стрела» (г. Оренбург) была изготовлена партия мини пластин и мини шурупов из полуфабрикатов наноструктурированного титана Grade4. Полуфабрикаты были поставлены из УГАТУ.

Часть вышеуказанных медицинских изделий было использовано ТГУ совместно с ОГМУ для испытаний материала на биосовместимость и было установлено в сломанную нижнюю челюсть подопытных кроликов; часть изделий ТГУ использовал для проведения механических испытаний; часть изделий передано УГАТУ для нанесения защитных покрытий методом ПЭО с целью дальнейшего испытания на биосовместимость.

Перед проведением механических испытаний медицинских изделий на прочность было проведено моделирование напряженно-деформированного состояния винтов и пластин из КЗ и УМЗ титана при различных видах и схемах нагружения (ТГУ). С этой целью были разработаны соответствующие твердотельные геометрические модели. На основе разработанных моделей в программной среде «ANSYS Workbench» были сформированы соответствующие конечно-элементные (КЭ) модели.  Формирование КЭ моделей включало в себя генерацию конечно-элементной сетки, формирование моделей материалов, задание граничных условий, моделирование и задание нагрузки. Для создания сетчатой модели использовали различные типы сеток. Поведение шурупов моделировали при кручении, пластин при растяжении с боковым и центральным закреплением, при циклическом нагружении изгибающими и растягивающими напряжениями, при упругих изгибающих нагрузках.. Это позволило выявить слабые места в испытуемых медицинских пластинах (ТГУ). В частности, было установлено, что максимальные эффективные напряжения при растяжении и циклических нагрузках пластин возникают у кромки отверстий.

Последующие механические испытания медицинских изделий из УМЗ титана и изделий фирмы ООО «Conmet» (для сравнения) подтвердили (ТГУ) наличие слабых мест в кромках отверстий пластин. Все пластины при растяжении и циклических нагрузках разрушились в области отверстий. В рамках программы исследования в 2021 году были разработаны оригинальные конструкции шурупа для временного крепления пластин при остеосинтезе костей и мини-пластины для остеосинтеза нижней челюсти (ТГУ, УГАТУ, ОГМУ). На конструкцию мини-пластины для остеосинтеза нижней челюсти подана заявка на выдачу патента на полезную модель.

По результатам выполненных работ в 2021 году научными коллективами ТГУ и УГАТУ было опубликовано 11 статей:

1. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Линдеров М.Л., Пигалева И.Н. Кинетика и механизм разрушения ультрамелкозернистых материалов промышленного и медицинского назначения в области малоцикловой усталости Физическое материаловедение: Х Международная школа. Актуальные проблемы прочности: LХIII Международная конференция, посвященная 70-летию ТГУ : сборник материалов, Изд-во ТГУ, 2021. С. 290-292 (год публикации - 2021).
2. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Турьков М.Н., Линдеров М.Л., Абрамова М.М., Рааб А.Г., Минасов Т.Б. Strength and Fracture Mechanism of an Ultrafine-Grained Austenitic Steel for Medical Applications  Materials, - (год публикации - 2021).
3. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Тюрьков М.Н., Фесенюк М.В., Линдеров М.Л., Пигалева И.Н. Прочность ультрамелкозернистых материалов медицинского назначения Прочность ультрамелкозернистых материалов медицинского назначения. Перспективные материалы и технологии: материалы международного симпозиума, Минск: БГИСиС, 2021.- С. 205-207 (год публикации - 2021).
4. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Фесенюк М.В., Тюрьков М.Н., Кулясова О.Б. Прочность и механизм разрушения магниевого сплава медицинского назначения после РКУП Международная конференция «Физика и технологии перспективных материалов-2021», Уфа: РИЦ БашГУ, 2021.- С. 13 (год публикации - 2021).
5. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Фесенюк М.В., Тюрьков М.Н., Поляков А.В. Strength and torsion fracture mechanism of commercially pure titanium with ultrafine-grained structure Letters on Materials, 11 (3), 2021 pp. 273-278 (год публикации - 2021).
6. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Фесенюк М.В., Клевцова Н.А., Тюрков М.Н., Абрамова М.М., Рааб Г.И. Прочность и механизм разрушения при кручении ультрамелкозернистой аустенитной стали медицинского назначения Известия вузов. Черная металлургия, - (год публикации - 2021).
7. Матчин А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В. Мини-пластина для остеосинтеза нижней челюсти. -, заявка № 2021128351 от 27.09.2021 г., входящий № 05995 (год публикации - ).
8. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В. Экспериментально-морфологическое обоснование использования титановых мини-пластин для остеосинтеза переломов нижней челюсти, изготовленных из высокопрочного наноструктурированного материала  Актуальные вопросы стоматологии: сборник научных трудов, посвященный 55-летию стоматологического образования в СамГМУ, Самара: ФГБОУ ВО СамГМУ Минздрава России, 2021. – С. 169-173 (год публикации - 2021).
9. Расторгуев Д.А., Севастьянов А.А., Клевцов Г.В., Боков А.И., Дёма Р.Р., Амиров Р.Н., Латыпов О.Р. Исследование силы резания при торцевом фрезеровании крупнозернистого и ультрамелкозернистого титанового сплава ВТ6  Технология металлов, № 7, С. 21-28 (год публикации - 2021).
10. Тюрьков М.Н., Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Пигалева И.Н., Фесенюк М.В. Особенности разрушения ультрамелкозернистых металлических материалов медицинского назначения Физическое материаловедение: Х Международная школа. Актуальные проблемы прочности: LХIII Международная конференция, посвященная 70-летию ТГУ (Тольятти, 13-17 сентября 2021 г.): сборник материалов, Изд-во ТГУ, 2021. С. 140-142 (год публикации - 2021).
11. Фролова О.А., Клевцов Г.В. . Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния элементов фиксаторов, применяемых в остеосинтезе Физическое материаловедение: Х Международная школа. Актуальные проблемы прочности: LХIII Международная конференция, посвященная 70-летию ТГУ (Тольятти, 13-17 сентября 2021 г.): сборник материалов, Изд-во ТГУ, 2021. С. 288-289 (год публикации - 2021).

Настоящий междисциплинарный проект выполняется по двум отраслям знаний: 1. Исследования в области знаний «09. Инженерные науки» (проект 20-69-47059) выполняется группой исследователей из Тольяттинского государственного университета (ТГУ). 2. Исследования в области знаний «03. Химия и науки о материалах» (проект 20-63-47027) выполняется группой исследователей из Уфимского университета науки и технологий (УУНИТ).

В отчетный период были проведены механические испытания медицинских пластин и шурупов из крупнозернистого (КЗ), ультрамелкозернистого (УМЗ) титана и изделий фирмы ООО «Conmet». Были получены следующие результаты. Пластины из УМЗ титана при растяжении выдержали напряжение в 3.5 раза более высокое, чем пластины из КЗ титана и пластины фирмы ООО «Conmet». Усталостные испытания показали, что пластины из УМЗ титана выдержали в 2.8 раз большее количество циклов нагружения до разрушения по сравнению с пластинами из КЗ титана, но в 3.4 раза меньшее, чем пластины фирмы ООО «Conmet». Механические испытания шурупов на кручение показали, что крутящий момент, приводящий к разрушению шурупов из УМЗ титана в 1.2 раза выше, чем крутящий момент шурупов из КЗ титана и равен крутящему моменту шурупов фирмы ООО «Conmet». Изучен механизм разрушения шурупов из КЗ и УМЗ титана.

Таким образом, проведенные исследования показали, что медицинские изделия (пластины и шурупы), изготовленные из УМЗ титана Grade4, обладают более высокими прочностными свойствами при различных видах нагружения по сравнению с изделиями, изготовленными из КЗ титана и изделиями фирмы ООО «Conmet».

Исследована связь локального напряженного состояния материала у вершины трещины с механизмом разрушения при однократных видах нагружения (ударном и статическом) материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками как в КЗ, так и УМЗ состояниях. Проведенные исследования показали, что для однократных видов нагружения не всегда представляется возможным установить однозначную связь между механизмами разрушения металлических материалов с ОЦК, ГЦК и ГПУ решетками и локальным напряженным состоянием материала у вершины трещины. Установлены некоторые частные закономерности: 1. Разрушение материалов, независимо от типа кристаллической решетки, по механизму скола, квазискола или межзеренного хрупкого разрушения свидетельствует о реализации условия плоской деформации (ПД). 2. В переходной области (ПД↔ПН) большинство материалов с ГЦК решеткой разрушаются по смешанному механизму. 3. В условиях плоского напряженного (ПН) состояния все материалы, независимо от типа кристаллической решетки, разрушаются вязко с образованием ямочного микрорельефа. Противоречие между реализацией смешанного механизма разрушения материалов с ГЦК решеткой в переходной области (ПД↔ПН) и оценкой локального напряженного состояния материала как ПД по критерию t/(K1С /σ0.2)2 ≥ 2.5, указанному в ГОСТ 25.506-85, может быть устранено. Для этого следует использовать уточненный критерий реализации условия ПД для материалов с ГЦК решеткой t/(K1C/σ0,2)2 ≥10.

Изучено влияние интенсивной пластической деформации кручением (ИПДК) и равноканального углового прессования (РКУП) на мартенситные превращения и закономерности мартенситных превращений в пластических зонах под поверхностью изломов в КЗ и УМЗ медицинской метастабильной аустенитной стали 08Х18Н9. Установлено, что в результате ИПДК сталь 08Х18Н9 испытывает мартенситные превращения по механизму γ→ε→α, а при статическом разрушении стали после РКУП – по механизму γ→α. Неоднородность микротвердости и фазового состава в образцах стали 08Х18Н9 после ИПДК является неблагоприятным фактором для выбора образцов после ИПДК в качестве заготовок для изготовления пластин для костного остеосинтеза. Количество α-мартенсита уменьшается от поверхности статических изломов КЗ и УМЗ стали 08Х18Н9 вглубь образцов, а глубина, на которую распространяется α-мартенсит под поверхностью изломов, совпадает с глубиной пластических зон под поверхностью изломов.

В рамках подготовки к регистрации медицинских изделий был разработан 0-ой вариант конструкторской документации: технические условия (ТУ) на медицинские изделия (пластины и винты для остеосинтеза) из наноструктурированного титана, а также эксплуатационная документация в виде Инструкции по применению.

Разработаны управляющие программы для изготовления винтов (ФПМ.00.002-01, ФПМ.00.002-02) и пластин (ФПМ.00.015-01) из наноструктурированного титана (ФПМ.00.002-01) на станках с ЧПУ. В АО «ПО «Стрела» (г. Оренбург) в 2022 году по данным программам было изготовлено 50 комплектов изделий.
С целью оценки остеосинтеза пластин и шурупов из нанострукурированного титана была проведена оценка состояния костной ткани в месте контакта поломанной челюсти у кроликов с конструкцией имплантатов. Показано, что по сравнению с материалом фирмы ООО «Conmet» ткани в контакте с наноструктурированным титаном реагировали меньшим количеством клеток с геном, отвечающими за программированную гибель клеток – апоптоз (caspase-3, p53). Данные процессы протекают при многочисленных стрессовых стимулах на генетический аппарат клетки, связанных с гипоксией, токсическом воздействии материалов и других патологических факторах. Основываясь на полученных результатах, можно сделать выводы о повышенных остеоинтеграционных свойствах и оптимальном влиянии наноструктурированного УМЗ титана на восстановительные процессы в костных и мягких тканях по сравнению с изделиями фирмы ООО «Conmet».

По результатам выполненных работ в 2022 году опубликованы 3 статьи в журналах, индексируемых в WoS и Scopus (в т.ч. одна статья Q1; две –  Q2); 5 статей в журналах РИНЦ, 2 тезисов докладов. Сделано 7 докладов на международных конференциях. Получен 1 патент; подана 1 заявка на изобретение:

1. Клевцов Г.В., Ботвина Л.Р., Клевцова Н.А., Валиев Р.З., Пигалева И.Н. Определение параметров аварийного усталостного разрушения изделий по глубине пластиче-ских зон под поверхностью изломов Физическая мезомеханика, Физическая мезомеханика, 25 5 (2022) С. 5-11. (год публикации - 2022).
2. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Фесенюк М.В., Кулясова О.В., Пигалева И.Н. Strength and fracture mechanism of a magnesium alloy for medical applications after equal-channel angular pressing. Letters on Materials, Letters on Materials 12 (3), 2022 pp. 203-208 (год публикации - 2022).
3. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Резяпова Л.Р., Клевцова Н.А., Тюрьков М.Н., Лидеров М.Л., Фесенюк М.В., Фролова О.А. Strength of products made of ultrafine-grained titanium for bone osteosynthesis Materials, Materials 2022, 15, 8403 (год публикации - 2022).
4. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Фесенюк М.В., Клевцова Н.А., Тюрьков М.Н., Матчин А.А., Носов Е.В. Прочность и механизм разрушения наноструктурированных металлических материалов медицинского назначения   Письма о материалах, - (год публикации - 2022).
5. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В. , Клевцов Г.В. Репаративные процессы в тканях челюстно-лицевой области при использовании нанострукту-рированного титана  Журнал Медицина и инновации, Журнал Медицина и инновации, 2022, 1(5).- С. 123-133 (год публикации - 2022).
6. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В. Остеосинтез экспериментальных переломов нижней челюсти мини пластинами из наноструктурированного титана. Актуальные вопросы современной медицины: материалы VI международной научно-практической конференции прикаспийских государств. – Астрахань: Издательство ФГБОУ ВО Астраханский ГМУ Минздрава России, 2022., Актуальные вопросы современной медицины: материалы VI международной научно-практической конференции прикаспийских государств. – Астрахань: Издательство ФГБОУ ВО Астраханский ГМУ Минздрава России, 2022. – С. 60-64. (год публикации - 2022).
7. Матчин А.А., Стадников А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В., Блинова Е.В. Иммуногистохимическая характеристика репаративных процессов в зоне экспериментального перелома нижней челюсти.  Сборник трудов Национального конгресса с международным участием «Паринские чтения 2022», посвященного памяти профессора, Заслуженного деятеля науки Республики Беларусь О. П. Чудакова (Минск, 5–6 мая 2022 года), Сборник трудов Национального конгресса с международным участием «Паринские чтения 2022» (Минск, 5–6 мая 2022 г.). Минск: Изд. центр БГУ, 2022.- С. 473-479 с. (год публикации - 2022).
8. Носов Е.В., Волков Д.А., Лихачёв Р.Ю., Постернак В.Д. Морфологические особенности репаративной регенерации костной ткани при использовании медицинских изделий, изготовленных из наноструктурированного и крупнозернистого титана.  Всероссийские студенческие Ломоносовские чтения: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции (17 февраля 2022 г.). В 2-х частях. Часть 2. – Петрозаводск: МЦНП «Новая наука», 2022., Всероссийские студенческие Ломоносовские чтения: сборник статей Всероссийской научно-практической конференции (17 февраля 2022 г.). В 2-х частях. Часть 2. – Петрозаводск: МЦНП «Новая наука», 2022. – С. 332-338. (год публикации - 2022).
9. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Фесенюк М.В., Фролова О.А., Тюрьков М.Н., Матчин А.А., Носов Е.В. Прочность медицинских изделий для костного остеосинтеза из титана Grade4.  Сборник тезисов LXIV Международной конференции «Актуальные вопросы прочности», г. Екатеринбург, 4-8 апреля 2022 г. / отв. редактор Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2022. – С. 385-387., Сборник тезисов LXIV Международной конференции «Актуальные вопросы прочности», г. Екатеринбург, 4-8 апреля 2022 г. / отв. редактор Д.В. Зайцев. – Екатеринбург: Изд-во УГГУ, 2022. – С. 385-387. (год публикации - 2022).
10. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Фесенюк М.В., Клевцова Н.А., Тюрьков М.Н., Матчин А.А., Носов Е.В.. Прочность и механизм разрушения наноструктурированных металлических материалов медицинского назначения Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы: сборник тезисов докладов Открытой школы-конференции стран СНГ, г. Уфа, Республика Башкортостан, Россия, 3-7 октября 2022 г. / отв. ред. А.А. Назаров. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2022. – С. 60., Ультрамелкозернистые и наноструктурные материалы: сборник тезисов докладов Открытой школы-конференции стран СНГ, г. Уфа, Республика Башкортостан, Россия, 3-7 октября 2022 г. / отв. ред. А.А. Назаров. – Уфа: РИЦ БашГУ, 2022. – С. 60. (год публикации - 2022).
11. Матчин А.А., Носов Е.В., Клевцов Г.В. Мини-пластина для остеосинтеза нижней челюсти. -, № 214691 (год публикации - ).

В настоящем проекте реализуются преимущества междисциплинарного подхода между научными коллективами Тольяттинского государственного университета (ТГУ) и Уфимского университета науки и технологий (УУНИТ). Установлены прочные связи с коллегами из других регионов, в частности, из Оренбургского государственного медицинского университета (ОГМУ), АО «ПО «Стрела» (г. Оренбург).

В отчетном году была завершена подготовка комплекта документов для регистрации мини пластин и мини шурупов из наноструктурированного технически чистого титана. Комплект документов включает в себя: проекты «Технические условия (ТУ) на имплантаты для остеосинтеза из нанотитана» и «Инструкция по применению имплантатов для остеосинтеза из нанотитана», а также проект заявки о государственной регистрации медицинских изделий. Был проведен поиск аккредитованных лабораторий для проведения соответствующих испытаний медицинских изделий.  Были изготовлены в АО ПО «Стрела» (г. Оренбург) 50 экз. изделий из УМЗ титана на станках с ЧПУ. Были проведены переговоры и расчет стоимости испытаний в экспертном центре Росздравнадзора «ВНИИИМТ».

В УУНИТ была разработана усовершенствованная технология РКУП магниевого сплава Mg-1% Zn-0,15% Са, позволяющая повысить прочностные свойства сплава при растяжении в 1.4-2.4 раза. Изучена тонкая структура такого сплава. Проведенные испытания образцов на кручение показали, что при кручении предел прочности увеличился в 1.22 раза, предел текучести – в 1.74 раза. При этом относительный сдвиг практически не изменился по сравнению со старым режимом РКУП. Изучен механизм разрушения магниевого сплава при кручении. Экспериментально полученные механические свойства магниевого сплава при кручении были использованы при моделировании эквивалентных напряжений, возникающих в медицинских винтах при кручении. Определены зоны максимальной концентрации эквивалентных напряжений.

Проведенные исследования коррозионных свойств магниевого сплава Mg-1% Zn-0,15% Са, обработанного по усовершенствованной технологии РКУП, показали, что скорость коррозии данного сплава ниже, чем других аналогичных сплавов, например, после равносторонней ковки с последующей экструзией, что крайне важно для биорезорбируемых медицинских магниевых сплавов.
Кроме того, исследования температуры низколегированной стали в КЗ и УМЗ состояниях при концевом фрезеровании показали, что для стали в УМЗ состоянии значимым фактором для вычисления температуры резания является подача, а уровень температуры в целом выше, чем при обработке стали в КЗ состоянии.

Проведенные экспериментальные исследования in vivo на кроликах убедительно продемонстрировали, что заживление переломов нижней челюсти и устранение обширных дефектов нижней челюсти зависит, прежде всего, от неподвижности костных фрагментов, зафиксированных мини-пластинами и мини-винтами. Костная ткань с нарушенной структурой подвергается резорбции остеокластами.

Одновременно в зоне перелома начинаются активные репаративные процессы. Новообразование костной мозоли начинается с формирования остеобластической грануляционной ткани, которая на 7 сутки еще не имеет волокнистого строения. К 14 суткам в регенерате появляются многочисленные фибриллярные структуры. Дальнейшая трансформация волокнистой ткани приводит к появлению остеиодной ткани. Последняя возникает у краев костного дефекта, внедряется в толщу регенерата. Однако к 21 суткам полного замещения остеоидной тканью зоны перелома еще не происходит. Гистохимические методы исследования раскрыли более тонкие механизмы репаративной регенерации кости. Они свидетельствуют о том, что дифференцировке остеоидной ткани в костную предшествует фаза наполнения кислых мукополисахаридов, которые участвуют в процессе образования костных пластинок. В сформированной костной ткани содержание этих веществ резко уменьшается.

Сформулирован алгоритм обследования и лечения пациентов с использованием индивидуальных реконструктивных пластин и пластин для остеосинтеза из высокопрочных УМЗ материалов. На начальном этапе проводится компьютерно-томографическое обследование с построением 3D модели с последующим изготовлением металлических или иных пластин. Индивидуальная пластина пассивно адаптируется под лежащей костью путем легкого сгибания пластины над местом перелома или дефекта. В предоперационном периоде производится обследование с оценкой результатов компьютерной томографии с шагом не более 0,5 мм с построением компьютерной 3D-модели фрагмента нижней челюсти, требующего реконструкции. При создании трехмерной формы нижней челюсти учитывается анатомия соседних образований и распределение на зубы жевательной нагрузки. Оптимальным методом изготовления такой пластины является индивидуальное моделирование на 3D модели челюстей, проводимое в предоперационном периоде с последующим изготовлением такой индивидуальной пластины.

Сформулированы преимущества имплантатов из УМЗ материалов (на примере титана) по сравнению с КЗ материалами и промышленными изделиями (на примере компании ООО «Conmet»).

1. УМЗ титан обладает более высокими механическими свойствами по сравнению с КЗ титаном.  Высокие механические свойства УМЗ титана обеспечили более высокие механические свойства изделий (пластин и винтов) по сравнению с изделиями из КЗ титана и промышленными изделиями компании ООО «Conmet» примерно таких же размеров.
2. Высокая биосовместимость УМЗ титана позволяет использовать имплантаты без защитных покрытий, что упрощает технологический процесс их изготовления и удешевляет продукцию. Отсутствие покрытий упрощает процесс нанесения на поверхность имплантатов, при необходимости, специального профиля для улучшения остеоинтеграции имплантата и костных структур.
3. Использование имплантатов из УМЗ титана оказывает оптимизирующее влияние на репаративный остеогенез при заживлении переломов. Так, установлено (см. отчет РНФ за 2022 г.), что использование пластин, изготовленных из УМЗ титана, по сравнению с пластинами компании ООО «Conmet», способствовало повышению активности генов Ki67 и bcl2 у остеобластов и эндотелиоцитов в зоне остеоинтеграции. При этом данные процессы протекали на фоне угнетения антиапоптотических генов.   Приведены, предпринятые силами ТГУ и УУНИТ, пути продвижения информации о медицинских изделиях из УМЗ материалов в научных публикациях, выставках и СМИ. Кроме того, рассмотрены возможные пути организации производства имплантатов из УМЗ титана. В частности, отмечено, что планируется наладить производство полуфабрикатов и конечных изделий (имплантатов) в Инновационно-технологическом центре ТГУ из материала, поставляемого УУНИТ.

Публикации

1. А.А. Матчин, Е.В. Носов, А.А. Стадников, Г.В. Клевцов, Л.Р. Резяпова, Н.А. Саяпина, Е.В. Блинова, Р.З. Валиев In Vivo Studies of Medical Implants for Maxillofacial Surgery Produced from Nanostructured Titanium. ACS Biomaterials Science & Engineering, 2023, 9, 11, 6138-6145. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1021/acsbiomaterials.3c00813
2. Г.В. Клевцов, Л.Р. Ботвина, Н.А. Клевцова, Р.З. Валиев, И.Н. Пигалева Determination of Fatigue Failure Parameters from the  Depth of Plastic Zones Beneath the Fracture Surface Physical Mesomechanics, № 1, Vol. 26, pp. 1–6. (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1029959923010010
3. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова Effect of Local Stress State on the Fracture Mechanism of Metallic Materials with Different Lattices under Single Loads Physical Mesomechanics, 2023, Vol. 26, No. 6, С. 656-665 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S102995992306005X
4. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, Н.А. Еникеев, И.Н. Пигалева, М.М. Абрамова, О.А. Фролова Effect of Severe Plastic Deformation on Martensitic transformations in metastable austenitic steel.  Letters on Materials, - (год публикации - 2023)
5. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова. Влияние локального напряженного состояния на механизм разрушения металлических материалов с различным типом кристаллической решетки при однократных видах нагружения Физическая мезомеханика, Т. 26.- № 4.- С. 79-89 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.55652/1683-805X_2023_26_4_79
6. Д.А. Расторгуев, А.А. Севастьянов, Г.В. Клевцов Исследование температуры концевого фрезерования низколегированной ста-ли в крупнозернистом и ультрамелкозернистом состояниях Frontier Materials & Technologies, № 1 (год публикации - 2024)
7. Носов Е.В., Матчин А.А., Стадников А.А., Клевцов Г.В., Блинова Е.В. Фиксирующие мини-пластины из наноструктурированного титана для скрепления отломков экс-периментальных переломов нижней челюсти Стоматология славянских государств: сборник трудов ХVI Международной научно-практической конференции. 8-10 ноября 2023 г., Белгород: ИД «БелГУ» НИУ «БелГУ», 2023. – С. 267-270 (год публикации - 2023)
8. Батова А.А., Фролова О.А., Клевцов Г.В. Моделирование и расчет напряженно-деформированного состояния медицинского винта для остеосинтеза из магниевого сплава XI Международная школа "Физическое материаловедение",Тольятти, 11–15 сентября 2023 года: сборник материалов / отв. ред. Д.Л. Мерсон. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2023. – С. 211, Изд-во ТГУ, 2023. – С. 211. (год публикации - 2023)
9. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, М.Н. Тюрьков, И.Н. Пигалева, Д.А. Аксёнов Влияние типа кристаллической решетки на прочность наноструктурированных металлических материалов в области малоцикловой усталости Сб. трудов XI-ой Евразийской научно-практической конференции «Прочность неоднородных структур» - ПРОСТ 2023. 18-20 апреля 2023 г. – Москва, НИТУ МИСИС. – М.: ООО «Студио-Принт», М.: ООО «Студио-Принт», 2023. – С. 42. (год публикации - 2023)
10. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, Н.А. Еникеев, И.Н. Пигалева, М.М. Абрамова Влияние интенсивной пластической деформации кручением на мартенситные превращения в метастабильной аустенитной стали. Материалы LXVI Международной конференции «Актуальные проблемы прочности» (АПП-2023) 23-27 сентября 2023 г. –Санкт-Петербург: ООО «Альфа Технологии», 2023. – С. 60., Санкт-Петербург: ООО «Альфа Технологии», 2023. – С. 60. (год публикации - 2023)
11. Г.В. Клевцов, Р.З. Валиев, Н.А. Клевцова, Н.А. Еникеев, И.Н. Пигалева, М.М. Абрамова Влияние интенсивной пластической деформации на мартенситные превращения в метастабильной аустенитной стали.  сборник трудов Международной конференции "Физика и технология перспективных материалов–2023" Уфа РИЦ УУНиТ 2023. – С. 164-166, Уфа РИЦ УУНиТ 2023. – С. 164-166. (год публикации - 2023)
12. Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А. Влияние локального напряженного состояния на механизм разрушения крупнозернистых и ультрамелкозернистых металлических материалов с различным типом кристаллической решетки XI Международная школа "Физическое материаловедение" сборник материалов.Тольятти: Изд-во ТГУ, 2023. – С. 209-210, Изд-во ТГУ, 2023. – С. 209-210 (год публикации - 2023)
13. Тюрьков М.Н., Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Клевцова Н.А., Фесенюк М.В., Матчин А.А., Носов Е.В., Ястребова Л.Д. Влияние наноструктурирования титана на механические свойства медицинских изделий сборник материалов XI Международной школы "Физическое материаловедение" Тольятти, 11–15 сентября 2023 года: сборник материалов / отв. ред. Д.Л. Мерсон. – Тольятти: Изд-во ТГУ, 2023. – С. 208., Изд-во ТГУ, 2023. – С. 208. (год публикации - 2023)

Разработка новых научно-технических подходов к созданию миниатюрных и персонализированных имплантатов их титана, магниевого сплава и аустенитной стали, обеспечивающих повышенную биосовместимость и биоактивность при остеосинтезе, позволит решить ряд экономических и социальных задач. Так, малоинвазивность операций по установке малогабаритного имплантата с повышенными прочностными свойствами и улучшенной биосовместимостью позволят сократить срок пребывания в медицинском учреждении, а также уменьшить срок реабилитации, что снизит стоимость лечения и экономическую нагрузку на оплату временной нетрудоспособности пациента. С социальной точки зрения, реализация проекта позволит расширить круг лиц, получающих высокотехнологичную медицинскую помощь в сфере челюстно-лицевой хирургии, стоматологии и травматологии за счет снижения стоимости лечения, а улучшенные эксплуатационные характеристики изделий позволят увеличить среднюю продолжительность жизни населения. Также следует учитывать, что создание импортозамещающих производств имплантатов нового поколения обеспечит дополнительные рабочие места и повысит экспортный потенциал продукции медицинского назначения.

Кроме того, в процессе разработки методик испытания медицинских материалов и изделий, а также обработки полученных результатов были предложены и экспериментально обоснованы ряд методик, касающихся механики и физики разрушения. Так экспериментально обоснован единый критерий оценки локального напряженного состояния материала у вершины трещины при различных видах нагружения (статическом, ударном, циклическом), как отношение максимальной глубины пластической зоны под поверхностью изломов (hmax) к толщине образца или детали (t), т.е. hmax/t. Показано влияние локального напряженного состояния материала у вершины трещины на механизм разрушения материалов с различным типом кристаллической решетки. Разработаны методики определения по глубине пластических зон под поверхностью изломов статической трещиностойкости материалов (К1С) при однократных видах нагружения, максимального напряжения цикла (σmax) и коэффициента асимметрии цикла нагружения (R) при циклическом нагружении. Данные методики важны в практике диагностики аварийного разрушения конструкций и деталей машин, в том числе и медицинских изделий.