Тольяттинские ученые разработали способ звукового контроля магниевых имплантатов
Ученые Тольяттинского госуниверситета (ТГУ) разработали способ проверки качества магниевых имплантатов по звуку, который металл издает при сжатии. Метод позволяет контролировать сплавы прямо на производстве, без дорогих лабораторных анализов. Такой способ контроля делает технологию производства медицинских имплантатов более предсказуемой, а значит снижает риски для пациентов.
Магниевые сплавы используют для изготовления хирургических спиц, винтов и пластин, которые не нужно удалять после того, как кость срослась. Изделия из них — легкие, прочные, а главное, способны постепенно растворяться в организме. Но магниевые сплавы сложны в обработке.
«Их кристаллическая решетка устроена так, что при обработке — ковке, прокатке или экструзии — в материале возникает текстурная анизотропия, из-за чего свойства сплава начинают сильно зависеть от того, с какой стороны и как надавить. В результате при производстве мы рискуем получить заготовку, которая станет слишком хрупкой или будет растворяться слишком быстро», — рассказал один из авторов разработки, директор Научно-исследовательского института прогрессивных технологий ТГУ Дмитрий Мерсон.
Ученые исследовали сплав ZX10 (система Mg-Zn-Ca) собственной разработки в пяти разных состояниях: от простого литья до сложной термомеханической обработки. Образцы сжимали в разных направлениях, а рядом, на расстоянии двух сантиметров от металла, установили высокочувствительный датчик. Он улавливал акустические сигналы в широком диапазоне частот. Частота записи — два миллиона значений в секунду, так что ни один всплеск энергии не остался незамеченным.
Проведя эксперименты, авторы выяснили, что мощность акустического сигнала зависит от того, как кристаллы развернуты относительно направления сжатия, в то время как раньше считалось, что главное — размер зерен. Если кристаллы правильного размера и «смотрят» в правильную сторону, металл звучит «слаженно» и «чисто». Если нет — звук «рваный» или «слабый», это верный показатель того, что структура сформировалась неудачно.
«Сейчас, чтобы оценить качество сплава, нужно резать образец, шлифовать, травить кислотами и рассматривать под микроскопом. Это занимает очень много времени. Наш метод упрощает процесс многократно: поставил образец, сжал, записал звук — и сразу понятно, все ли в порядке. Если звук слишком тихий, значит, кристаллы «зажаты», и заготовка получилась жесткой и хрупкой. Если звук слишком мощный, возможно, материал перегрели, и он будет слишком мягким», — пояснил Дмитрий Мерсон.
В дальнейшем ученые планируют адаптировать новый метод для онлайн-мониторинга процессов горячей деформации и расширить спектр исследуемых сплавов.
Исследования, связанные с магниевыми сплавами медицинского назначения, Тольяттинский госуниверситет ведет на базе передовой инженерной школы «ГибридТех», развиваемой при поддержке Минобрнауки России в рамках федерального проекта «Передовые инженерные школы» нацпроекта «Молодежь и дети».
Работа поддержана грантом Российского научного фонда.