Учёными кафедры физических проблем материаловедения Института ядерной физики и технологий НИЯУ МИФИ разработана новая технология пайки композитной керамики и титана, которая, в частности, может пригодиться при изготовлении медицинских имплантатов.
Исходная цель ученых заключалась в повышении надежности эндопротеза тазобедренного сустава. Важная проблема этих медицинских изделий заключается в том, что подвижная головка протеза, изготавливаемая из композитной керамики, надевается на ножку из титанового сплава, и поскольку керамика в целом обладает низкой ударной прочностью, то если человек с эндопротезом позволяет себе повышенные физические нагрузки - например, прыжки – то головка эндопротеза может треснуть.
Как рассказал представитель научной группы, доцент НИЯУ МИФИ Иван Федотов, решением данной проблемы может заключаться в том, чтобы впаять в головку эндопротеза металлическую (титановую) втулку, которая будет служить промежуточным звеном между керамической головкой и титановой ножкой и демпфировать часть нагрузок на головку. Однако, в этом случае возникает проблема с технологией пайки.
«Сейчас единственный широко используемый метод получения биосовместимых паянных соединений — это пайка чистым золотом. Это очень дорого, но зато это гарантированно работает, то есть никаких проблем с коррозией нет, потому что золото — благородный металл и может работать внутри человеческого тела.
Но золото плавится при температуре 1065 градусов, а значит пайка происходит при температуре где-то 1090 градусов, и это проблема, потому что если имеет место такая высокая температура пайки, то когда конструкция охлаждается, керамика может треснуть», - поясняет Иван Федотов.
Решением этой проблемы стала разработанная в МИФИ технология пайки, состоящая из трех шагов: нанесения на поверхность керамической головки насечек с помощью лазерной обработки, нанесения на поверхность керамики порошка гидрида титана и использование нового, разработанного в МИФИ припоя, состоящего из титана, циркония и кобальта.
Достоинство призванного заменить золото нового припоя, заключается в том, что, во-первых, он значительно дешевле и, во-вторых, его температура плавления – 880 градусов - значительно меньше, чем у золота, что уменьшает риск повреждения керамических частей в процессе пайки и последующего охлаждения. Роль порошка гидрида титана заключается в том, чтобы улучшить смачиваемость керамики припоем, а также подавить образование хрупких и коррозионно-нестойких интерметаллидов титана-кобальта в паяном шве, сдвинув состав шва ближе к титану.
«Титан – это один из материалов, который отлично работает внутри организма, он коррозионно стоек к различным биологическим жидкостям человека, и чем больше концентрация титана у нас в составе паяного шва, тем, соответственно, ниже вероятность его коррозионного повреждения в процессе эксплуатации», - объясняет Иван Федотов.
По словам учёного, разработанная технология может пригодиться для изготовления любых имплантов, работающих внутри человеческого организма, например, зубных, зрительных или слуховых имплантов, а также при изготовлении некоторых медицинских инструментов.
Разработка была поддержана грантом РНФ.
