Введение к работе
Актуальность проблемы. К настоящему времени сформировался новый междисциплинарный раздел науки - биоматериаловедение, призванный решать проблемы теории и практики создания и применения неорганических материалов для замены дефектов тканей организма при заболеваниях и травмах.
В основе биоматериаловедения лежат фундаментальные исследования по механике биологических тканей и органов и взаимодействию живых тканей с неорганическими материалами, которые позволили сформулировать новые требования к материалам и импланта-там. Научный подход к проблеме создания новых материалов для медицины тем более необходим, поскольку потребность в различных типах биоматериалов в мире возрастает ежегодно на 15-20 % и, по прогнозам, к 2010 году приблизится к уровню потребности в медикаментах.
Несмотря на то, что процесс создания новых имплантационных материалов идет активно, пока еще не разработан оптимальный материал для имплантации, не созданы адекватные методы оценки материалов, недостаточны знания о взаимодействии существующих материалов с живыми тканями. Решение данной проблемы лежит на стыке нескольких областей науки: физиологии, биомеханики, физики, химии, материаловедения.
Изучение основных закономерностей деформации и разрушения биологических тканей позволило понять причины неудач при использовании традиционных имплантационных материалов. С точки зрения биомеханики функциональные материалы для имплантации в организм должны быть подобны тканям, то есть обладать эластичностью, иметь близкую к тканям диаграмму напряжение - деформация и присущую им величину гистерезиса на диаграмме нагрузка-разгрузка. Среди используемых в медицине материалов только сплавы с памятью формы проявляют в изотермических условиях аналогичные свойства, иначе говоря, биомеханическую совместимость.
Анализ переходной зоны костная ткань - металл (сплав) показал, что на границе раздела существуют белковые структуры и мягкие ткани. Прочность связи на межфазной границе низка и определяется в основном механическим зацеплением кости за неровности металлической поверхности. Разрушение имплантатов начинается обычно с границы раздела "металл - кость".
Одним из путей решения проблемы прочности связи на границе раздела является использование биоактивных керамик и стекол. Биоактивный материал вызывает определе-ный биологический отклик на границе раздела с ним, приводя к образованию связи между тканями и материалом. Однако керамические материалы обладают большим недостатком -хрупкостью и отсутствием биомеханической совместимости с тканями организма.
В природе известны биокомпозиты, подобные керамике, обладающие прочностью и вязкостью, например, костная ткань или эмаль зубов, которые представляют собой анизотропный композиционный материал. Перспективным путем увеличения вязкости материалов на основе биокерамик и придания им биомеханической совместимости является использование в качестве связки композита никелида титана, который способен менять под действием деформации тип решетки и релаксировать концентраторы напряжений, возникающие в керамической матрице.
Таким образом, перспективным направлением в биоматериаловедении является создание и исследование нового класса функциональных композитов, в которых одной фа-
зой является поверхностно-активная керамика, а другой - сверхэластичный сплав с памятью формы. Такие керамико-металлические материалы сочетают в себе способность срастаться с костью и механическое поведение, подобное тканям организма.
Целью диссертационной работы является изучение межфазного взаимодействия и реакционного спекания в системах "биокерамика - никелид титана", исследование механического поведения и прочностных свойств пористых функциональных композитов на основе этих систем, представляющих новый класс материалов для медицины.
В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи:
Изучить межфазное взаимодействие биокерамик с титаном и никелидом титана и определить структурно-фазовые состояния, возникающие на границе раздела составляющих. Определить условия существования твердо- и жидкофазного взаимодействия и установить тип связи на границе раздела биокерамика - металл (сплав).
Исследовать закономерности твердо- и жидкофазного спекания композиционных материалов и определить основные факторы, влияющие на объемные и линейные изменения пористых композитов при спекании.
Исследовать механическое поведение, физико-механические и биосовместимые свойства композитов.
Провести компьютерное моделирование механического поведения в организме пористого материала, заполненного живыми тканями.
Предложить на базе систем "биокерамика - сплавы с памятью формы на основе никелида титана" новые медицинские материалы и оптимальные технологии их получения.
Научная новизна. Впервые исследованы межфазное взаимодействие между биокерамикой и никелидом титана (титаном), закономерности их спекания, фазовый состав, структура и прочностные свойства новых функциональных композиционных материалов "фарфор - никелид титана". Впервые обнаружено сильное влияние механоактивации на спекание прессовок из порошка никелида титана и его смесей с фарфором. Показано, что новые пористые композиты обладают свойствами, подобными сверхэластичности, характерной для тканей организма. Проведена оценка механических свойств пористого материала, проросшего тканями организма, и установлен характер влияния параметров структуры и свойств материала имплантата на степень неоднородности напряженного состояния системы «металл - костная ткань», в рамках модели гетерогенного материала стохастической структуры.
Практическая ценность. Предложены новые составы функциональных композиционных материалов "биокерамика - никелид титана" для медицины и оптимальные способы их получения, обеспечивающие заданные пористость, структуру и прочностные свойства. Принята к рассмотрению заявка на изобретение "Способ получения пористого материала на основе никелида титана для медицины" (приоритетная справка 2000106371, вх.№ 006466).
На защиту выносятся следующие положения:
1 .Последовательность структурно-фазовых состояний, возникающих при высоких температурах в результате взаимодействия биокерамик (гидроксиапатита и фарфора) с титаном и никелидом титана на межфазной поверхности как в присутствии жидкой фазы, так и без ее участия.
2.Экспериментальные результаты исследования закономерностей спекания композиционных материалов со структурно-неустойчивой связкой. Изменение плотности композитов при спекании определяется в основном концентрацией компонентов и температурой спекания, и контролируется следующими факторами: давлением газов в замкнутых порах, обратным мартенситным превращением в никелиде титана, образованием жидкой фазы на границах раздела составляющих. Методы управления структурой и физико-механическими свойствами композитов: механоактивационная обработка порошков; размол, повторное прессование и спекание; использование добавок, вызывающих образование жидкой фазы.
3.Особенности деформации и разрушения пористых композитов "биокерамика - ни-келид титана", заключающиеся в увеличении пластичности материала в результате последовательного разрушения локальных областей и обратимости деформации в режиме нагрузка - разгрузка
4.Результаты численного моделирования механического поведения композитов "металл - костная ткань", устанавливающие характер влияния параметров структуры и свойств составляющих на локальные деформационные свойства данной системы и степень их разброса.
Апробация работы. Основные результаты и положения работы доложены на: Международной конференции "Сверхэластичные имплантаты с памятью формы в медицине" (Новосибирск, 1995); XVI Российской школе по проблемам проектирования неоднородных конструкций (Миасс, 1997); V International Conference "Computer Aided Design of Advanced Materials and Technologies" (Байкальск, 1997); 1st International Symposium on Advanced Biomaterials (Канада, Монреаль, 1997); Международной конференции "Новейшие процессы и материалы в порошковой металлургии" (Украина, Киев, 1997); Международной конференции "Сверхэластичные медицинские материалы и имплантаты с памятью формы в медицине" (Томск, 1998); конференции "Материалы Сибири" (Барнаул, 1998); конференции, посвященной 70-летию СФТИ (Томск, 1998); конференции молодых ученых "Физическая мезомеханика материалов" (Томск, 1998); Всероссийской научной конференции "Байкальские чтения по математическому моделированию процессов в синергетических системах" (Улан-Удэ, 1999).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 24 работы, из них 7 статей, 7 материалов и трудов конференций, 10 тезисов докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения; содержит 40 рисунков, 19 таблиц и список цитируемой литературы из 156 наименований. Общий объем диссертации 161 страницы.
