Oficialus pranešimas apie pasiekimus

Sėkmingai sukūrėme kompozitinius išpjovus pusiau standžius velenus, pagamintus iš didelio našumo nerūdijančio plieno (304V/316L) ir itin elastingo nikelio ir titano (NiTi) lydinio, siekdami novatoriško medžiagų mechaninių savybių optimizavimo. 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 % elastingumo atsistatymą, o veikimas sumažėja mažiau nei 3 % po milijono lenkimo ciklų, tai yra revoliucinis medžiagos sprendimas atliekant aukšto dažnio ir didelio tikslumo intervencines operacijas.

MTEP fonas ir skausmo taškai

Įprasti vienos medžiagos plyšiniai velenai turi būdingų medžiagų veikimo apribojimų. Medicininės klasės 316L nerūdijantis plienas pasižymi dideliu takumo riba (paprastai 690 MPa), tačiau ribotu elastingumu, o maksimali atkuriama 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, 10,4×10⁻⁶/laipsniui NiTi lydiniui) sukelia sąveikos įtempių koncentraciją kompozitinėse konstrukcijose ir sutrumpina tarnavimo laiką.

Klinikiniai tyrimai rodo, kad gryno NiTi velenų paviršinis oksido sluoksnis pradeda luptis po daugiau nei 500 000 ciklų, todėl gali išsiskirti nikelio jonai ir sukelti alergines reakcijas. Nerūdijančio plieno velenai išvysto nuolatinę deformaciją ir 25 % sumažėja lenkimo standumas jau po 200 000 ciklų. Medžiagos pasirinkimas tapo kritine kliūtimi, ribojančia veleno veikimą.

Pagrindinės technologinės naujovės

• Gradiento kompozitinės metalurgijos technologijaNerūdijančio plieno-NiTi lydinio gradiento kompozitiniai vamzdžiai gaminami miltelių metalurgijos būdu ir karštuoju 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, šiluminio plėtimosi koeficientų gradiento kitimą ir pašalinant šiluminio įtempio koncentraciją.
• 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 nusodintų fazių dydį ir pasiskirstymą, apribodamas fazių transformacijos histerezę 3 laipsniais ir padidindamas itin elastingą stabilumą 40%.
• Daugiafunkcinė kompozicinė paviršiaus dangaSukurta daugiasluoksnė gradientinė titano-azoto-anglies danga, kuri fizinio garų nusodinimo (PVD) būdu ant paviršiaus sudaro 2–3 μm funkcinį sluoksnį. Danga pasiekia HV 2800 kietumą ir 0,12 trinties koeficientą, o tai yra puikus biologinis suderinamumas. Sidabro ir vario jonų pėdsakai (kiekvienas 0,5–1,0 %) yra legiruojami į dangą, kad būtų užtikrintas ilgalaikio atpalaidavimo antibakterinis veikimas ir pasiekiamas daugiau nei 99,5 % bakteriostatinis poveikis.Staphylococcus aureusirEscherichia coli. Citotoksiškumo testai atitinka ISO 10993-5 standartą.

Darbo mechanizmas

Kompozitinių velenų pranašumai kyla dėl daugialypio sinerginio poveikio. Atominiu mastu NiTi lydinio grįžtamoji martensitinė transformacija vyksta esant įtampai, suteikdama itin elastingumo ir formos atminties efektą. Nerūdijančio plieno nanokristalinė struktūra padidina stiprumą ir atsparumą nuovargiui, sustiprindama grūdelių ribas ir pritvirtindama išnirimą. 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. Makroskalėje kompozitinė struktūra užtikrina mechaninį atsaką, integruojantį standumą ir lankstumą: nerūdijantis plienas suteikia ašinę stūmimo jėgą ir sukimo standumą, kad užtikrintų 1:1 sukimo momento perdavimą; NiTi lydinys užtikrina radialinį atitikimą ir formos atkūrimo galimybes, o po lenkimo akimirksniu atsigauna į tiesų profilį. Funkcinė danga sumažina baltymų ir ląstelių sukibimą sumažindama paviršiaus energiją, o nuolatinis sidabro ir vario jonų išsiskyrimas sudaro antibakterinę mikroaplinką, kad sumažintų infekcijos riziką.

Veiklos patvirtinimas

Medžiagų eksploatacinių savybių bandymai duoda puikių rezultatų. Atliekant itin elastingumo testus, kompozitas visiškai atsistato esant 8,5 % įtempimui, o histerezės kilpos plotas yra 35 % mažesnis ir energijos išsklaidymo lygis yra mažesnis, palyginti su grynu NiTi. Atliekant nuovargio bandymus esant ±90 laipsnių lenkimui, esant 4 Hz dažniui, eksploatacinių savybių išlaikymas viršija 97 % po milijono ciklų. Atliekant korozijos bandymus, po 180 dienų panardinimo į imituojamą kūno skystį (PBS, pH 7,4, 37 laipsniai), nikelio jonų išsiskyrimo greitis yra mažesnis nei 0,05 ug/cm²·per dieną, gerokai mažesnis už ISO 10993-12 ribą – 1 ug/cm²·per dieną.

Eksperimentai su gyvūnais rodo lengvą uždegiminį atsaką aplinkiniuose audiniuose ir tik 40–60 μm pluoštinės kapsulės storį (100–130 μm nerūdijančio plieno kontrolinei grupei) praėjus 12 mėnesių po implantacijos. Klinikinių neurointervencinių operacijų, naudojant sudėtinius velenus, tyrimuose mikrokateterių navigacijos per vingiuotas kraujagysles sėkmės rodiklis padidėja nuo 82% iki 96%. Atliekant sudėtingas širdies aritmijos abliacijos operacijas, kateteriai išlaiko stabilų veikimą per 6 valandas nepertraukiamos intrakardinės operacijos, o įprastų produktų lenkimo standumas sumažėja 15 % jau po 3 valandų.

MTEP strategija ir filosofija

Mes laikomės mokslinių tyrimų ir plėtros filosofijos:Veiklą apibrėžia medžiagos, funkcijas realizuoja konstrukcijosir sukurti keturmatę 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, ir prognozuojame naujų medžiagų savybes naudodamiesi mašininiu mokymusi. Sąsajos lygmeniu tiriame atominio masto sujungimo mechanizmus ir optimizuojame sąsajos dizainą atlikdami pirmųjų principų skaičiavimus. Našumo lygmeniu kuriame kelių mastelių modeliavimo modelius, skirtus numatyti mechaninį elgesį nuo nanoskalės iki makroskalės. Sistemos lygiu medžiagos savybes tiksliai suderiname su klinikiniais reikalavimais.

Su Metalų tyrimų institutu, Kinijos mokslų akademija ir Beihang universitetu sukūrėme bendras laboratorijas, kuriose daugiausia dėmesio skiriame fundamentiniams formos atminties lydinių tyrimams. Tuo tarpu mes įgyvendiname medžiagų genomo inžineriją, kad paspartintume naujų medžiagų kūrimą per didelio našumo skaičiavimus ir eksperimentus, sutrumpindami MTEP 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 vertės ar elektrinių laukų, todėl realiuoju laiku galima reguliuoti operacijos standumą. Kuriamos savaime gyjančios kompozicinės medžiagos, kurios aptikus mikroįtrūkimus automatiškai išskiria taisymo priemones ir prailgina tarnavimo laiką. Bioabsorbuojami magnio lydiniai tiriami, kad jie saugiai suirtų per 9–12 mėnesių po to, kai baigia veikti įrenginio funkcijos.

Iki 2027 m. pristatysime prie audinių prisitaikančius išmaniuosius velenus su paviršiuje modifikuotais ekstraląstelinės matricos baltymais (pvz., fibronektinu, lamininu), kad paskatintume endotelio ląstelių sukibimą ir sumažintume trombozės riziką. Ilgainiui 4D spausdintos aktyvios medžiagos taps realybe. Tokios medžiagos ne tik reaguoja į išorinius dirgiklius, bet ir atlieka biologinio signalo ryšį su aplinkiniais audiniais, kad pasiektų tikrą biologinę integraciją ir sukurtų naujus nuolatinių implantuojamų prietaisų kelius.