Структурные исследования материалов будущего проводятся в ОИЯИ

Научные сотрудники НИТУ МИСиС вместе с учеными Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ провели на станции рентгеновского рассеяния Xeuss 3.0 исследования биосовместимых полимерных материалов, использующихся в эндопротезах, а также передовых углекомпозитов. Углепластиковый композит известен своим применением в авиации, но он также находит применение в создании экзопротезов – того, что обычно принято называть протезами. В рамках этих работ ОИЯИ входит в коллаборацию создаваемой в НИТУ МИСиС Лаборатории ускоренных частиц («ЛУЧ»).

Xeuss 3.0 служит специалистам НИТУ МИСиС для анализа кристаллической и молекулярной структуры разрабатываемых новых материалов. По словам заведующего кафедрой физической химии НИТУ МИСиС, заместителя руководителя лаборатории «ЛУЧ» к. ф.-м. н. Алексея Салимона, для исследования полимерных материалов лучше всего подходит именно малоугловое рассеяние.

Чтобы обеспечить необходимый набор свойств создаваемого материала, нужно правильно сформировать его структуру. Далее следует этап испытания, в частности, в случае имплантологии – специальные биологические тесты. «Это всегда трудозатратный процесс движения по кругу «структурные исследования – испытание свойств – применение», в котором вам приходится длительное время циркулировать для того, чтобы, уточнив задачу, улучшить свойства материала», — рассказал ученый.

«Xeuss – уникальный инструмент именно для структурных исследований», — отметил он, пояснив, что к работе на Xeuss его научную группу привлекло такое преимущество, как малое пятно засветки, т.е. исследуемой области интереса в объеме вещества. «Это очень острофокусный инструмент, где размер пятна засветки на образце – не больше 100–150 микрон. На большинстве лабораторных источников рентгеновского излучения вы не получите такую разрешающую способность», — добавил ученый. Острый фокус важен, поскольку, например, позволяет исследовать тонкости распределения напряжений, в частности, при нагружении сложных слоистых структур углекомпозитов.

Как известно, наиболее острофокусное рентгеновское излучение дают синхротроны, однако это инструменты очень высокого класса и стоимости, и их в мире немного. «Современные лабораторные инструменты класса Xeuss по ряду свойств в комплексе приближаются к синхротронам. Это хорошая возможность восполнить зазор между сверхдорогими инструментами класса мегасайенс и традиционными лабораторными», — сообщил Алексей Салимон.

Для моделирования механических нагрузок образцов углекомпозитов было создано специальное рамочное испытательное устройство. Небольшую балку, вырезанную из углекомпозита, фиксируют в устройстве между двумя упорами и, установив в рабочую камеру Xeuss, нагружают, сдвигая упоры друг к другу. В результате в режиме реального времени можно отследить, как именно происходит разрыв, какое усилие нужно приложить для этого и как это связано с внутренней структурой.

Инновационный материал для эндопротезов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) сочетает в себе три слоя: сплошной, имитирующий скользкий и гладкий хрящ, пористый СВМПЭ, имитирующий губчатую костную ткань и пористый коллаген. Воспроизвести в точности сложные ткани человеческого организма очень трудно, поэтому композитные, гибридные материалы в биоинженерии – наиболее частое решение.

«Наши материалы для тазобедренных и коленных суставов находятся на стадии доклинических испытаний. В тазобедренном суставе используется уникальное свойство полимеров – низкий коэффициент трения и высокая износостойкость», — отметил Алексей Салимон. Он рассказал, что разработанный материал позволяет проводить работу как по созданию искусственных суставов, так и по реконструкции непосредственно опорных костей. При поражении онкологическими заболеваниями, чтобы сохранить конечность, возможно заменять большие фрагменты бедренной либо берцовых костей ноги, локтевой, плечевой костей руки и других крупных костей. Научно-образовательный центр «Биоинженерия» в МИСиС показал это в ветеринарии, в операциях на домашних питомцах – для животных намного проще получить разрешение на применение при операции: достаточно расписки со стороны хозяина – согласия в использовании инновационного решения.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен используется в хирургии достаточно давно. «Мы расширяем и улучшаем стандартные марки таких полимеров и придаем им особые свойства. В частности, для чашки тазобедренного сустава в НИТУ МИСиС смогли существенно снизить коэффициент трения и повысить износостойкость за счет использования углеродных нанотрубок», — рассказал ученый.

Помимо малоуглового рентгеновского рассеяния на Xeuss, ученые МИСиС используют и другие методы структурного анализа: пустоты, несплошности, дефекты отслеживаются с помощью томографии в Институте порошковой металлургии имени академика О.В. Романа, химические состояния атомов в образце с высокой точностью уточняются методом EXAFS Extended X-ray Absorption Fine Structure (тонкая структура края поглощения различных элементов).

Биосовместимость и другие интересные свойства материалов будущего активно находят применение в челюстно-лицевой хирургии. Партнеры МИСиС из НИИ неотложной детской хирургии и травматологии используют такие материалы в задачах по реконструкции свода черепа после операций по врачеванию черепно-мозговых травм. «В современную эпоху, если после черепно-мозговой травмы начинается отек мозга, хирургам необходимо снять от трети до половины площади черепа пациента, которую приходится потом закрывать. И одно из решений здесь – это использование сложной титанополимерной конструкции, где полимером является тот, который мы разрабатываем», — сказал Алексей Салимон.

Проделанную работу прокомментировала старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова: «В 2022 году мы с командой МИСиС проводили на Xeuss 3.0 “пристрелочные” эксперименты по тематике биосовместимых полимерных материалов и передовых углекомпозитов. Фактически это были пусконаладочные работы на установке. На этом этапе нам самим было важно определить предельные возможности прибора. Однако полученные результаты оказались впечатляющими, что позволило их включить в совместную публикацию¹». Юлия Горшкова сообщила, что 15 февраля станция Xeuss 3.0 была официально введена в эксплуатацию. «Уже сегодня у нас есть планы по дальнейшему развитию взаимовыгодного сотрудничества с командой профессора Александра Корунского на регулярной основе. Это как раз тот случай, когда и нам есть что предложить, и есть самим чему поучиться у коллег», — отметила она.

Справочно

Xeuss 3.0 реализует метод малоуглового (SAXS) и широкоугольного (WAXS) рентгеновского рассеяния и дает возможность осуществлять их за один проход, экономя время для исследований. Жидкости и аморфные тела, поликристаллические и пористые вещества, сплавы, порошки также могут быть изучены методом WAXS (Wide-Angle X-Ray Scattering). На приборе можно в режиме реального времени исследовать структуру материалов и наноматериалов от атомного до наноразмерного масштаба.

Среди других участников коллаборации «ЛУЧ» – Сколтех, Институт порошковой металлургии имени академика О.В. Романа (Беларусь), Отдел электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ им. Скобельцына, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных материалов (ТИСНУМ) и Лаборатория рентгеновской оптики ФИАН им. А.Н. Лебедева.

Литература

1. Eugene S. Statnik, Alexey I. Salimon, Yulia E. Gorshkova, Natallia S. Kaladzinskaya, Ludmila V. Markova and Alexander M. Korsunsky. Stress relaxation analysis in bulk and porous Ultra-High Molecular Weight Polyethylene (UHMWPE). Polymers 2022, 14, 5374. IF 4.967, Q1 (SRJ 0.73) https://doi.org/10.3390/polym14245374

Информация предоставлена пресс-службой Объединенного института ядерных исследований