Oficialus pranešimas apie pasiekimus

Sėkmingai sukūrėme kompozitinius išpjovus pusiau standžius velenus, kurių pagrindą sudaro didelio našumo nerūdijantis plienas (304V/316L) ir itin elastingas nikelio ir titano lydinys (NiTi), todėl medžiagų mechaninės savybės buvo optimizuotos. Dėl naujoviškų medžiagų formulavimo ir terminio apdorojimo procesų produktas išlaiko itin didelį NiTi lydinio elastingumą (8,5 % atkuriama deformacija), o nerūdijančio plieno takumo riba padidinama iki 1250 MPa. Bandymai patvirtina, kad kompozitinis velenas užtikrina 99,8 % elastingą atsistatymo greitį, o veikimas po milijono lenkimo ciklų pablogėja mažiau nei 3 %, o tai yra revoliucinis medžiagos sprendimas aukšto dažnio, didelio tikslumo intervencinėms operacijoms.

MTEP fonas ir skausmo taškai

Įprastiems vienos medžiagos plyšiniams velenams būdingi medžiagų veikimo apribojimai. Medicininis nerūdijantis plienas (316L) pasižymi dideliu takumo riba (paprastai 690 MPa), tačiau ribotu elastingumu, o maksimali atsigaunama deformacija yra tik 0,3–0,5 %, todėl nuolat lenkiant gali atsirasti plastinių deformacijų ir nuovargio įtrūkimų. NiTi lydinys pasižymi išskirtiniu itin elastingumu (atkuriama deformacija 6–8 %), bet santykinai mažą takumo ribą (400–800 MPa), todėl sudėtinguose anatominiuose keliuose gali atsirasti pernelyg didelis lenkimas ir susilinkimas. Šiluminio plėtimosi koeficientų skirtumai tarp dviejų medžiagų (17,3×10⁻⁶/laipsnis nerūdijančiam plienui, palyginti su . 10.4×10⁻⁶/laipsniu NiTi lydiniui) sukelia sąsajos įtempių koncentraciją kompozitinėse konstrukcijose ir sutrumpina tarnavimo laiką. Klinikiniai tyrimai rodo, kad po paviršiaus oksidacijos sluoksnių nusilupimo daugiau nei 500 000 ciklai, potencialiai išskiriantys nikelio jonus, sukeldami alergines reakcijas; nerūdijančio plieno velenai patiria nuolatinę deformaciją ir 25 % sumažėja lenkimo standumas tik po 200 000 ciklų. Medžiagos pasirinkimas tapo kritine kliūtimi, ribojančia veleno veikimą.

Pagrindinės technologinės naujovės

1. Gradiento kompozitinės metalurgijos technologijaNerūdijančio plieno-NiTi lydinio gradiento kompozitiniai vamzdžiai gaminami miltelių metalurgijos būdu ir karštu izostatiniu presavimu, kad būtų užtikrintas nuolatinis medžiagos perėjimas. Nuo vidinio iki išorinio sluoksnio NiTi kiekis palaipsniui mažėja nuo 100% iki 0%, o nerūdijančio plieno kiekis didėja nuo 0% iki 100%. Pereinamojo sluoksnio storis tiksliai kontroliuojamas 30–80 μm. Molekulinės dinamikos modeliavimas optimizuoja sąsajos struktūrą, pasiekiant 500 MPa sąsajos sukibimo stiprumą ir šiluminio plėtimosi koeficientų gradiento kitimą, kad būtų pašalinta šiluminio įtempio koncentracija.
2. Tikslus nanokristalinių struktūrų reguliavimasKombinuotas aukšto slėgio sukimo ir žemos temperatūros atkaitinimo procesas patobulina nerūdijančio plieno grūdelių dydį iki mažesnio nei 30 nm. Sustiprinta Hall-Petch efekto, nanokristalinė struktūra trukdo dislokacijos judėjimui, padidindama takumo ribą iki 1250 MPa, išlaikant 18% pailgėjimą. NiTi lydinio apdorojimas dviem etapais (350 laipsnių × 1 h + 450 laipsnis × 30 min.) reguliuoja nuosėdų dydį ir pasiskirstymą, apribodamas fazės transformacijos histerezę 3 laipsniais ir padidindamas itin elastingą stabilumą 40%.
3. Daugiafunkcinė kompozicinė paviršiaus dangaA multilayer gradient titanium‑nitrogen‑carbon coating is developed, forming a 2–3 μm functional layer on the surface via physical vapor deposition. The coating achieves a hardness of HV 2800 and a friction coefficient of 0.12, with excellent biocompatibility. Trace silver and copper ions (0.5–1.0 at% each) are doped into the coating for sustained‑release antibacterial functions, attaining >99,5% bakteriostatinių rodiklių priešStaphylococcus aureusirEscherichia coli. Citotoksiškumo testai atitinka ISO 10993-5 standartus.

Darbo mechanizmas

Kompozitinių velenų pranašumai kyla dėl daugialypio sinerginio poveikio. Atominiu mastu grįžtamasis martensitinis NiTi lydinio transformavimas veikiant įtempiams suteikia itin elastingumo ir formos atminties efektų; nerūdijančio plieno nanokristalinė struktūra padidina stiprumą ir atsparumą nuovargiui, nes sutvirtinamas grūdelių riba ir pritvirtinamas išnirimas. Mikroskalėje gradiento pereinamasis sluoksnis leidžia sklandžiai keisti elastingumo modulį (40–60 GPa NiTi gale, 190–210 GPa nerūdijančio plieno gale), suderindamas skirtingų audinių biomechanines savybes ir sumažindamas apsauginį poveikį. Makro skalėje sudėtinė struktūra suteikia mechaninį atsakąsubalansuotas standumas ir lankstumas: nerūdijantis plienas užtikrina ašinę stūmimo jėgą ir sukimo standumą, kad būtų užtikrintas 1:1 sukimo momento perdavimas; NiTi lydinys užtikrina radialinį atitikimą ir formos atkūrimo galimybę, kad būtų galima nedelsiant ištiesinti po lenkimo. Funkcinė danga sumažina baltymų ir ląstelių sukibimą sumažindama paviršiaus energiją, o ilgalaikis sidabro ir vario jonų išsiskyrimas sudaro antibakterinę mikroaplinką, kad sumažintų infekcijos riziką.

Veiklos patvirtinimas

Material performance tests yield exceptional results. In super‑elasticity tests, the composite fully recovers under 8.5% strain, with a 35% smaller hysteresis loop area and reduced energy dissipation compared with pure NiTi. In fatigue tests under ±90° bending at 4 Hz, performance retention remains >97% po 1 milijono ciklų. Atliekant korozijos bandymus, panardintus į imituojamą kūno skystį (PBS, pH 7,4, 37 laipsniai) 180 dienų, nikelio jonų išsiskyrimo greitis yra<0.05 μg/cm²·day, far below the ISO 10993‑12 limit of 1 μg/cm²·day.Animal experiments show mild inflammatory responses in surrounding tissues and a fibrous capsule thickness of only 40–60 μm (vs. 100–130 μm for the stainless steel control group) 12 months post‑implantation. In clinical trials of neurointerventional surgeries using composite shafts, the navigation success rate of microcatheters through tortuous blood vessels rises from 82% to 96%. In complex cardiac arrhythmia ablation surgeries, catheters maintain stable performance during 6 hours of continuous intracardiac operation, whereas conventional products suffer a 15% decline in bending stiffness after only 3 hours.

MTEP strategija ir filosofija

Mes laikomės mokslinių tyrimų ir plėtros filosofijos:Medžiagų apibrėžiamas našumas, konstrukcijų realizuojamos funkcijosir sukurti keturių dimensijų MIPS naujovių sistemą (Medžiagos-sąsajos-našumo sistemą). Medžiagų lygmeniu sukuriame pirmąją pasaulyje medicininių velenų medžiagų genų duomenų bazę, kurioje yra 542 213 lydinių veikimo parametrai, numatantys naujų medžiagų savybes mašininio mokymosi būdu. Sąsajos lygmeniu tiriami atominio masto sujungimo mechanizmai, o sąsajos dizainas optimizuojamas atliekant pirmųjų principų skaičiavimus. Eksploatacinių savybių lygmeniu sukurti kelių mastelių modeliavimo modeliai, skirti numatyti mechaninį elgesį nuo nanoskalės iki makroskalės. Sistemos lygiu medžiagų savybės tiksliai atitinka klinikinius reikalavimus. Bendros laboratorijos su Metalo tyrimų institutu (CAS) ir Beihango universitetu sutelkia dėmesį į fundamentinius formos atminties lydinių tyrimus. Tuo tarpu mes įgyvendiname medžiagų genomo inžineriją, kad paspartintume naujų medžiagų mokslinius tyrimus ir plėtrą, atlikdami didelio našumo skaičiavimus ir eksperimentus, sutrumpindami kūrimo ciklą nuo tradicinių 6–10 metų iki 3–4 metų.

Ateities perspektyva

Medicininės medžiagos vystysis link intelekto, funkcionalumo ir biomimikrijos. Kuriame į dirgiklius reaguojančias išmaniąsias medžiagas, kurių mechaninės savybės prisitaiko prie kūno temperatūros, pH verčių ar elektrinių laukų, kad būtų galima realiuoju laiku reguliuoti operacijos standumą. Savaime gyjančios kompozicinės medžiagos yra sukurtos taip, kad aptikus mikroįtrūkimus automatiškai išskirtų taisymo priemones ir prailgintų jų tarnavimo laiką. Bioabsorbuojami magnio lydiniai tiriami, kad jie saugiai suirtų per 9–12 mėnesių po to, kai baigs veikti įrenginio funkcijos. Iki 2027 m. pristatysime prie audinių prisitaikančius išmaniuosius velenus su modifikuotais paviršiuje esančiais ekstraląstelinės matricos baltymais (pvz., fibronektinu, lamininu), kad paskatintume endotelio ląstelių adheziją ir sumažintume trombozės riziką. Ilgainiui 4D spausdintos aktyvios medžiagos taps realybe. Šios medžiagos ne tik reaguoja į išorinius dirgiklius, bet ir perduoda biologinį signalą su aplinkiniais audiniais, kad pasiektų tikrą biologinę integraciją ir sukurtų naujus nuolatinių implantuojamų prietaisų kelius.