Нанотехнологии

Нанотехнологии «сверху» и новые изделия машиностроения

Для получения общего представления об областях приложения результатов исследований в области наноматериалов ниже подробно описаны пять примеров успешного проведения исследований консолидированных наноструктур разного типа и разработки на этой основе новых технологий производства. Исследования проводились по следующим темам: пластическая деформация, при которой перестраивается микроструктура металлов с образованием нанофаз, модификация структуры твёрдых сплавов добавлением наночастиц карбидов, использование наночастиц металлов и некоторых соединений для получения эффекта безызностного трения, получение наноразмерных композитов и керамик для теплопроводных электроизоляторов и высокоэффективных преобразователей ультразвука, получение биометаллических живых структур для восстановления повреждённых тканей организма.

Некоторые из описанных ниже материалов уже производятся в коммерческом масштабе, а технология производства других быстро развивается в этом направлении.

Все описанные материалы показывают примеры развития нанотехнологии «сверху», то есть использование консолидированных материалов из наночастиц, полученных дроблением более крупных, макро и микрочастиц. Такая технология – получение изделия из крупной заготовки путём отсечения лишнего – является традиционным направлением развития технологии.

При дроблении частиц «обычной» крупности резко возрастает их поверхностная энергия, что в сочетании с приближением размеров частиц к физическим константам и обуславливает необычные свойства полученных материалов, сочетающих обычно не сочетающиеся свойства. Например, стали, прошедшие интенсивную пластическую деформацию приобретают высочайшую твёрдость в сочетании с высокой упругостью, твёрдые сплава обычно твёрдые, но при этом хрупкие, приобретают при измельчении структурных составляющих высокую динамическую вязкость, то есть способность противостоять удару, сохраняя высокую твёрдость, присадки нанопорошков к смазкам в узлах трения – подшипниках придают последним высокое сопротивление изнашиванию, подшипники становятся практически безызносными, наноструктурированная керамика на основе нитрида бора сохраняя электроизоляционные свойства, становится сверхтеплопроводной. Особенно интересно создание на основе нанопорошков никелида титана комбинированной ткани живого организма, обладающей высокой приживляемостью и уникальными свойствами по восстановлению повреждённых мышечных, костных и других тканей организма.

1. Модификация структуры материалов методами деформации

Пластическая деформация металлов и сплавов является не только способом формообразования изделий из них, но и мощным методом воздействия на их структуру и свойства. Внешние параметры, при которых осуществляется деформация, определяют поведение материала как во время самого воздействия, так и при последующей эксплуатации. Поэтому целенаправленное управление режимами и условиями деформации (температура, скорость и степень деформации, а также параметры внешних полей и сред) может приводить к разработкам так называемых «критических» технологий (за пределами которых твердое тело разрушается) и, соответственно, к проявлению предельных свойств твердого тела. Типичными примерами таких свойств являются сверхпластичность и сверхпрочность, которые возникают при особых условиях деформации и/или соответствующей структуре. Отметим, что для максимального эффекта проявления указанных свойств, являющихся по физической природе антагонистическими, материал должен быть наноструктурирован.

Интенсивная пластическая деформация (ИПД) сдвигом прочно вошла в арсенал методов обработки металлов давлением, позволяющих упрочнять материал путем измельчения структуры. Наиболее известными методами наноструктурирования объемных металлов и сплавов ИПД являются деформация кручением (ИПДК) под квазигидростатическим давлением и равноканальное угловое прессование (РКУП). Эти методы (рис. 5) характеризуются высокой степенью сдвиговой деформации при относительно низких температурах в условиях гидростатического сжатия и, как следствие, формированием наноструктур с высокоугловыми границами зерен.

Применение данных методов для чистых металлов и многих промышленных сплавов на их основе приводит к аккумулированию предельно высоких степеней деформации без разрушения и измельчению структуры до наноразмерного масштаба 50—500 нм.

В результате сильного диспергирования структуры появляется ряд уникальных физико-механических свойств: сверхпрочность (табл. 1), низкотемпературная высокоскоростная сверхпластичность, сверхупругость в сплавах с памятью формы, высокие гистерезисные магнитные характеристики. В многофазных сплавах в результате ИПД изменяется фазовое состояние материала — от пересыщенных твердых растворов до аморфного состояния. Последующий нагрев таких сильнонеравновесных структур способен вызвать нанокристаллизацию с образованием нанофаз (наночастиц, кластеров) размером менее 50 нм.

Схемы методов ИПДК

Рис.5. Схемы методов РКУП (А) и ИПДК (Б)

Изготовленные из таких материалов изделия обладают свойством не накапливать напряжения, то есть обладают высокой усталостной прочностью и способны работать практически неограничеснное время без усталостных разрушений и не обладают ползучестью при повышенных температурах. При этом присущие данному материалу прочностные свойства либо сохраняются, либо возрастают.

Таблица 1. Структурные пареметры и механические свойства ИПД-сплавов.

Структурные пареметры и механические свойства ИПД-сплавов

Электропластическая деформация (ЭПД) заключается во введении в зону деформации импульсного тока высокой плотности и частоты. Возникающий электропластический эффект (ЭПЭ), связанный с силовым электронным и пинч-действием тока, приводит к повышению деформируемости благодаря резкому снижению усилий деформации и повышению пластичности материала]. Под воздействием тока наблюдается уменьшение сопротивления деформации кристаллической решетки.

В работе показано, что ЭПД интерметаллического соединения никеля с титаном, обладающего памятью формы, является мощным средством формирования спектра микроструктур: аморфной, нанокристаллической, ультрамелкозернистой (УМЗ). Вид структуры определяется условиями ЭПД, среди которых плотность импульсного тока является критическим параметром технологии. ЭПД значительно увеличивает разовую и суммарную деформации до разрушения (табл. 2) без использования промежуточных отжигов, что повышает технологическую пластичность сплава и обеспечивает экономичность данного метода.

Таблица 2. Истинная деформация дл оазрушения и микротвёрдость сплава ТН-10 (Нитинол) при прокатке с током и без тока

Истинная деформация дл оазрушения и микротвёрдость сплава ТН-10 (Нитинол) при прокатке с током и без тока

Лазерно-ударно-волновая обработка (ЛУВО) как один из импульсных методов обработки объемных материалов и сплавов может быть дополнительно применена к материалам до и после их обработки ЭПД для увеличения толщины наноструктурированного слоя до 1,5—2 мм, а также для придания повышенной термостойкости материалам. Суть метода заключается в следующем. При фокусировке короткого (в диапазоне 3—30 не) и интенсивного (> 101 Вт/м2) лазерного импульса на поверхность наноструктурного материала поверхностные слои мгновенно испаряются (явление абляции) и образуется поверхностная плазма с высокими температурой (приблизительно 10000 К) и давлением (> 5 ГПа)]. При расширении от облучаемой поверхности плазма излучает ударные волны, а механические импульсы распространяются как всреде, так и в конструкции. В экспериментах используется неодимовый импульсный лазер, генерирующий выходную мощность 80—100 Дж с продолжительностью импульса около 20 не. Форма импульса может быть Гауссовой или иметь несимметричный профиль с укороченным временем нарастания (УВН).

Лазерная ударная волна рассматривается как волна напряжений сжатия, распространяющаяся в перпендикулярном от поверхности материала направлении в течение очень короткого времени. На рис. 6 показана схема возникновения сжимающих остаточных напряжений, включающая два процесса:

  1. формирование на поверхности наноструктурного материала во время воздействия лазерного излучения импульса давления от быстрорасширяющейся плазмы, создающего одноосное сжатие вдоль распространения ударной волны и растягивающие напряжения в плоскости, параллельной поверхности материала (см. рис. 6, а);
  2. создание в прилегающих зонах при изменении объема поля сжимающих напряжений внутри области воздействия.

Схема генерации сжимающих остаточных напряжений при ЛУВО

Рис.6. Схема генерации сжимающих остаточных напряжений при ЛУВО: А – во аремя воздействия лазера, Б – после воздействия лазера.

Исследования показали, что для любого материала можно подобрать оптимальные параметры ударного воздействия, обеспечивающие создание в нем поля максимальных сжимающих остаточных напряжений. (Табл.3)

Таблица 3. Остаточные напряжения в алюминии после ЛУВО

Остаточные напряжения в алюминии после ЛУВО

Исследования также показали, что при ЛУВО генерируется (-0,6 а/) поле приповерхностных напряжений в пределах глубин от 1 до 2 мм, которые в пять—десять раз больше напряжений, возникающих при стандартной механической обработке. Например, показано, что при повторных воздействиях лазерного импульса некоторые наноструктурные сплавы имеют положительную тенденцию к увеличению уровня всего поля остаточных напряжений, особенно около поверхностей.

Исследовано влияние ЛУВО и классического дробеструйного метода, который традиционно используется в течение многих лет в промышленности, на циклическую усталость алюминиевых наноструктурных сплавов. Поверхности испытуемых образцов перекрывались на 67 % лазерным воздействием удельной мощностью 4-1013 Вт/м2 в радиусе 4,5 мм. Для каждой позиции наносились три импульса.

Распределение остаточных напряжений по глубине поля остаточных напряжений в алюминиевых конструкционных сплавах, генерируемых ЛУВО и дробеструйным методами

Рис.7. Распределение остаточных напряжений по глубине поля остаточных напряжений в алюминиевых конструкционных сплавах, генерируемых ЛУВО и дробеструйным методами. Измерения проведены методом сверления отверстий.

Исследования на усталостную прочность показали заметные улучшения предела выносливости материала при базовом числе циклов 107 по сравнению с необработанным образцом и образцом, обработанным дробеструйным методом (рис. 7). Улучшение усталостных характеристик при дробеструйном методе и ЛУВО (+11 против +22 %) было связано с большей задержкой возникновения усталостной трещины в случае обработки ЛУВО.

Таким образом, достигнутое повышение предела выносливости находится в хорошем соответствии с теоретическими данными, имеющимися в литературе для алюминиевых наноструктурных сплавов, где максимальное увеличение предела выносливости находится в пределах 20—35 % при коэффициенте асимметрии цикла р = 0,1.

2. Высокопрочные износостойкие твёрдые сплавы

В настоящее время все большее внимание промышленников привлекают на-ноструктурные твердые материалы, поскольку за последнее десятилетие разработан ряд нанокомпозитов на основе карбидов с металлами-связками (например, WC/Co и TiC/Fe), значительно превосходящих по прочности, ударной вязкости, износостойкости и т. д. аналогичные материалы с обычной, зернистой структурой. Превосходные характеристики наноструктурных материалов объясняются тем, что между частицами разных фаз (например, WC и Со) формируются трехмерные контакты, в результате чего образуется структура, которую топологи называют «непрерывной в двух направлениях». Обычно материалы типа WC/Co получают механическим перемешиванием соответствующих порошков с последующим холодным прессованием и спеканием. Наиболее сложным этапом этой технологии является механическое перемешивание ультрадисперсных порошков WC и Со. Степень однородности механического перемешивания не позволяет получать в конечном спеченном продукте зерна размером меньше 300 нм, однако разработанные в последнее время новые химические методы обеспечивают предварительное наноразмерное перемешивание порошков.

Консолидированные наноструктурные твердые сплавы Микросверла из нанокомпозита

Рис. 8. Консолидированные наноструктурные твердые сплавы (фирма Nanodyne Inc.). Микросверла из нанокомпозита (вверху) и из обычного материала (внизу) после эксплуатации в одинаковых условиях.

В качестве примера новой технологии можно привести уже внедренный в промышленное производство процесс, при котором однородный порошок-полуфабрикат изготовляется методом сушки при распылении смеси растворов солей вольфрама и кобальта, а затем подвергается термохимической переработке в псевдоожиженном слое (пиролиз, восстановление и науглероживание) для превращения в конечный продукт — нанофазный порошок WC с кобальтовой связкой. Обычно размеры частиц WC составляют от 30 до 40 нм. Жидкофазное спекание таких частиц с введением небольшого количества ингибитора роста зерен (например, VC) позволяет избежать укрупнения зерен и получить нанокомпозитный продукт. Некоторые фирмы уже используют этот порошок для изготовления высококачественных металлообрабатывающих инструментов, в частности показанных на рис. 7. 2 микросверел для обработки печатных плат (в этой отрасли быстрый износ сверл всегда представлял собой крупную технологическую проблему).

Другим примером может быть метод модификации твёрдых сплавов добавлением наночастиц карбида вольфрама. Получаемые твёрдые сплавы отличает высокая износостойкость в узлах трения, работающих в условиях абразивного запыления и режущем инструменте для обработке композитов на основе стеклосеток, металлокорда и томук подобных материалов.

Для сравнительного анализа материалов по критерию трения и износа выбирали значения скорости изнашивания и коэффициента трения на втором этапе изнашивания образцов. Твердый сплав с ультрадисперсной добавкой показал наилучшие результаты по износу. Скорость изнашивания имеет не только наименьшее значение, но и высокую плотность результатов в серии опытов (0,77±0,33х10-3). Это хорошо видно на сравнительной диаграмме, показанной на рисунке 9.

Диаграмма сравнительного износа для различных материалов

Рис.9. Диаграмма сравнительного износа для различных материалов

Наиболее высокоизносостойким материалом является твердый сплав с добавкой нанопорошка карбида вольфрама ВК8УДП – ответная деталь изнашивается на порядок больше.

После определения основных физических параметров процесса изнашивания было проведено определение реального ресурса матриц в условиях производства серийной продукции и подшипников скольжения, работающих в абразивной среде.

Для этой цели использованы матрицы, показанные на рисунке 10 и подшипники скольжения, показанные на рисунке 11, изготовленные из твёрдого сплава ВК8 стандартного состава, модифицированного добавлением наночастиц карбида вольфрама.

Износ таких матриц представлен на на рисунке 10 в виде трёхмерной модели.

Трёхмерная модель износа рабочих поверхностей матрицы.

Рис.10. Трёхмерная модель износа рабочих поверхностей матрицы.

А – участок перемещения порошка нижним пуансоном;

Б – участок окончательного прессования;

В – участок перемещения порошка верхним пуансоном.

Следующим этапом испытаний модифицированных твёрдых сплавов были эксперименты по изучению износа пассеров — сопел для гидроабразивной резки, через которые с большой скоростью истекает поток воды со взвешенными частицами песка.

Подшипник скольжения из твёрдого сплава для работы в абразивной среде

Рис.11. Подшипник скольжения из твёрдого сплава для работы в абразивной среде. А — заготовка втулки подшипника, Б — подшипниковая пара в сборе. (Электростальский политехнический институт)

Износ канала пассера носит чисто абразивный характер с особенностями, связанными с формированием конфигурации потока по сечению, связанной с динамикой течения жидкости в канале. Поскольку концентрация частиц песка по длине и сечению струи различна и произвольна, то и абразивное воздействие потока на стенки также различно. На рисунке 12 показаны типичные сечения каналов пассеров. На рисунке 12А показан равномерно изношенный канал , а на рисунке 12Б и В — каналы изношенные вследствие возникновения нестационарных явлений в жидкости.

Испытание пассеров, изготовленных из твёрдого сплава, модифицированного добавкой наночастиц, подтвердило результаты, полученные при испытании подшипников скольжения и матриц для прессования абразивных материалов, режущего инструмента – твёрдые сплавы со структурой, модифицированной присадками наночастиц во время спекания обладают высоким сопротивлением абразивному изнашиванию.

Картина износа каналов гидроабразивных сопел (пассеров)

Рис.12. Картина износа каналов гидроабразивных сопел (пассеров). А — равномерный износ, Б и В – неравномерный износ, связанный с возникновением областей неустойчивого течения рабочей суспензии. Видны каверны, образовавшиеся в местах образования пучностей. (Электростальский политехнический институт)

Стойкость режущего инструмента из модифицированных твёрдых сплавов определями точением на токарном станке. Резание производили без охлаждения, обрабатываемый материал — сталь 45 в отожжённом состоянии. Обработку производили до износа по задней поверхности 0,2 мм. Величину износа определяли с помощью инструментального микроскопа.

Результаты испытаний показаны на рисунке 13..

Характер выкрашивания режущей кромки после восьми минут резания для сплавов с различной величиной зёрен

Рис.13. Характер выкрашивания режущей кромки после восьми минут резания для сплавов с различной величиной зёрен. А — стандартный твёрдый сплав ВК8, средняя величина зерна 3…5 мкм, Б — сплав ВК8М, средняя величина зерна 1…3 мкм и В — сплав ВК8 с добавлением наночастиц карбида вольфрама, средняя величина зерна 1,2…1,5 мкм.

Режущие инструменты и детали, изготовленные из твёрдого сплава с модифицированной структурой на основе наночастиц карбида вольфрама

Рис.14. Режущие инструменты и детали технологической оснастки, изготовленные из твёрдого сплава с модифицированной структурой на основе наночастиц карбида вольфрама. (Лаборатория М-30 Электростальский политехнический институт)

3. Керамические материалы на основе нанопорошков

За последние годы были разработаны новые, экономически выгодные технологии, позволяющие изготавливать из керамических порошков детали и изделия без дополнительной механической обработки (рис. 15), что облегчает их крупномасштабное производство.

Изделия, изготовляемые по технологии из нанопорошков керамики.

Рис.15. Изделия, изготовляемые по технологии НИЦ «СПЕКТР» (г.Томск) из нанопорошков керамики.

Сейчас объем производимых нанофазных керамических порошков, обладающих особыми реологическими и механическими характеристиками, измеряется тоннами. Новые способы сухого компактирования порошков под действием ультразвука и с регулированием в прессовке сил внешнего и внутреннего трения обеспечивают равномерное распределение плотности и минимальные градиенты внутренних напряжений в прессовках сложной формы [4]. Из таких прессовок спекаются качественные нанокерамические изделия требуемого состава и заданной геометрии с высокой точностью типоразмеров.

4. Повышение огнестойкости пластмасс 

Пластмассы используются в разнообразных отраслях промышленности — от самолетостроения до производства бытовых товаров. Один из основных недостатков пластмасс — горючесть, постоянно создающая серьезные проблемы при их применении. Проблемы не сводятся только к пожарной безопасности, поскольку продукты сгорания полимеров часто представляют собой ядовитые и вредные вещества. Огнестойкость пластмасс может быть значительно повышена введением в них диспергированных неорганических наполнителей из наноразмерных порошков. Например, тепловыделение при образовании термопластических и термоотверждаемых полимерных материалов может быть снижено на 40—60% путем введения всего 2—6 вес.% наноразмерного наполнителя из силикатных глин (наполнитель вводится в виде слоев или дисперсии).

Влияние такого наполнителя на огнестойкость демонстрируют фотографии на рис. 16. Наноразмерная структура слоя наполнителя улучшает его характеристики, поскольку он не только замедляет горение, но и препятствует выделению летучих соединений, образующихся при разложении полимера. Снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени, однако не менее важным является то обстоятельство, что (в отличие от применения других огнестойких добавок) механическая прочность, физические характеристики и обрабатываемость материалов с нанодобавками почти не ухудшаются, а вредные продукты горения (монооксид углерода, сажа, токсичные вещества) выделяются в небольших количествах.

Наряду с высокой огнестойкостью рассматриваемых нанокомпозитов от обладают и высокой абляционной стойкостью, сравнимой с ее величиной у тех абляционных (испаряющихся) материалов, которые сейчас используются в ракетных двигателях. Такие материалы играют решающую роль для защиты аэродинамических поверхностей космических аппаратов, двигателей и наземного оборудования от воздействия высоких температур (> 2000°С), переменных тепловых нагрузок и химически агрессивных сред при скоростях обтекания от 0,01 до 10 М. Введение всего 1,6 об.% однородно диспергированного наноразмерного слоистого силиката в лавсан создает материал, образующий при абляции относительно жесткий слой неорганической окалины, скорость эрозии (потери массы) которой как минимум на порядок ниже, чем у чистого лавсана.

Огнестойкость полимера со слоистым наполнителем из каолина

Рис.16. Огнестойкость полимера со слоистым наполнителем из каолина. Промежуток времени между снимком слева и справа – 6 мин.

Модификация позволила существенно улучшить термические, механические свойства полимеров, радиационную стойкость:

  1. повышается температура начала деструкции на 30-60 оС,
  2. снижается скорость деструкции в 2-4 раза,
  3. увеличивается относительное удлинение при разрыве в 4,5 раза,
  4. увеличивается пластичность полимерных покрытий,
  5. снижается трещинообразование в процессе эксплуатации при сохранении прочности на разрыв и паропроницаемости.

5. Изготовление наноструктурных покрытий

Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость). Число атомов на границе наноразмерного кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей. Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозионную морфологию и более высокую коррозионную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом.

Исследования последних лет показали, что у наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит резкое улучшение физических характеристик. Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью [6], но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям сверхвысокую прочность и, в некоторых случаях, сверхвысокую ударную вязкость. Еще одно важное преимущество покрытий с наноразмерной зернистой структурой связано с уменьшением остаточных напряжений, что впервые позволило создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Например, термическим напылением при использовании высокоскоростных кислородсодержащих струй удалось получить разнообразные наноструктурные покрытия (никель, жаропрочные сплавы; карбид хрома — нихром; карбид вольфрама — кобальт), которые обладают значительно большей микротвердостью, чем покрытия из обычных материалов. Увеличение составляет от 16 до 63% , в зависимости от состава газовой струи и метода измельчения материалов.

Потенциальные применения рассмотренных методов включают широкий спектр технологий — от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин до износостойких деталей вращения.

Структура двухмерного нанокомпозитного покрытия Структура двухмерного нанокомпозитного покрытия

Рис. 17. Структура двухмерного нанокомпозитного покрытия: многослойная, с периодически чередующимися нанослоями толщиной 1-3 нм; общая толщина – 1,5 мкм.

Число атомов на границе наноразмерного кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того же состава при той же объемной концентрации примесей. Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозионную морфологию и более высокую коррозионную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом.

СЭМ-изображение морфологии обычного и наноструктурного покрытий из Cr3C2/NiCr

Рис. 18. СЭМ-изображение морфологии обычного (а) и наноструктурного (б) покрытий из Cr3C2/NiCr.

Исследования последних лет показали, что у наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит резкое улучшение физических характеристик. Наноразмерные кристаллические зерна не только обладают высокой термической стабильностью [6], но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям сверхвысокую прочность и, в некоторых случаях, сверхвысокую ударную вязкость. Еще одно важное преимущество покрытий с наноразмерной зернистой структурой связано с уменьшением остаточных напряжений, что впервые позволило создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов). Увеличение составляет от 16 до 63% , в зависимости от состава газовой струи и метода измельчения материалов.

Потенциальные применения рассмотренных методов включают широкий спектр технологий — от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин до износостойких деталей вращения. Прибыль от их внедрения может составить несколько миллиардов долларов в год. Развитие данной технологии наверняка коснется таких крупных и важных отраслей, как аэрокосмическая промышленность (фирма Boeing Corporation), производство реактивных двигателей (фирма General Electric) и автомобильная промышленность (фирма Ford).

6. Синтез биометаллических материалов 

Избыток поверхностной энергии и повышенный гистерезис между накоплением и возвращением деформаций наноструктурированного никелида титана создаёт условия для создания новых уникальных материалов для восстановительной хирургии. Механическая смесь коллагена и нанопорошка никелида титана, введённые в организм в виде геля, образуют область усиленного роста примыкающих или охваченных этой областью клеток как мышечных, так и костных, и соединительных. Избыточная поверхностная энергия наночастиц провоцирует быстрый рост клеток, а из коллагена продуцируются «нужные» клетки. Процесс обладает саморегуляцией – рост клеток прекращается после восстановления – регенерации потерянной ткани/

Особенно эффективно применение композиций из имплантатов, изготовленных из никелида титана, с гелем из смеси нанопорошка никелида титана и коллагена.

Комплексы из наноструктурированного литого никелида титана с наноструктурными гелями оптимизируют интеграцию композиционного имплантанта в живую ткань и наиболее функциональны. В данных условиях кость «растет» наиболее физиологично, надо лишь периодически активировать дистрактор, что безболезненно может осуществлять сам пациент.

Таким образом можно решить актуальнейшую проблему пожизненного функционирования в организме биоинертных имплантатов и эндопротезов в условиях функциональных знакопеременных циклических нагрузок. Например, создавая промежуточные имплантируемые фазы на границе «ткань—имплантант», которые из первоначального аморфного состояния согласно закону Вульфа о том, что организм стремится восполнить прежде всего функцию утраченного органа, но не его структуру, преобразуются под воздействием функциональных сил в переходную от неживого объекта (имплантата или эндопротеза) к живой ткани структуру. Эту структуру организм выстраивает (самоорганизует) самостоятельно при условии пористопроницаемости жидкотекучей аморфной имплантируемой фазы и биоинертности TiNi-матрицы.

На рис. 19 показана схема использования наноструктурированного цельнолитого и пористого никелида титана, позволяющего добиться лучшего приживления зубочелюстных имплантатов, а небольшие размеры имплантатов — эффективно работать на операционном поле. В этом случае между металлическим имплантатом и живой тканью образуется слой переходной соединительной ткани структурно объединяющей металлический каркас самоорганизованный из геля наночастиц никелида титана и коллагена в псевдокристаллический каркас пронизанный живой органической тканью.

Приведённые примеры показывают, что области применения наноматериалов в технологии «сверху» отличаются большим разнообразием областей применения и практически охватывают все мыслимые сферы деятельности человека.

Композиция из наноструктурированного цельнолитого и пористого никелида титана в качестве зубочелюстных имплантатов

Рис. 19. Композиция из наноструктурированного цельнолитого и пористого никелида титана в качестве зубочелюстных имплантатов: А — разрушенный зуб, вставлен металлический имплантат; Б — в корневую часть введена инъекция геля никелид титана – коллаген; В — вокруг «корня» имплантата образовалась комбинированная соединительная ткань.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *