Исследование и разработка наноструктурного магниевого сплава Mg-1%Zn-0.06%Cа для медицинского применения

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Доступ платный или только для подписчиков

Аннотация

Биоразлагаемые и биосовместимые материалы из магниевых сплавов являются перспективными для применения в медицине и в настоящее время являются объектом активных исследований. В данной работе представлены результаты использования комбинированной термомеханической обработки, включающей в себя равноканальное угловое прессование (РКУП) и последующую экструзию для получения длинномерных прутков из магниевого сплава Mg-1%Zn-0.06%Ca с ультрамелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами. С помощью проведенного компьютерного моделирования определены термомеханические условия: интервалы скоростей деформации, степени деформации и напряженно-деформированного состояния при РКУП и экструзии. Выполнено экспериментальное деформирование, исследована структура прутков, полученных комбинированной обработкой. Показано, что комбинированная обработка исходного гомогенизированного сплава, включающая РКУП и последующую экструзию, позволила сформировать УМЗ-структуру с размером зерна около 1 мкм и образование наноразмерных частиц, что обеспечило значительное повышение механических свойств сплава в прутках-заготовках, предназначенных для изготовления перспективных имплантатов в челюстно-лицевой хирургии.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

А. В. Боткин

Уфимский университет науки и технологий

Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0001-9522-280X

д.т.н., проф.

Россия, г. Уфа

Е. П. Волкова

Уфимский университет науки и технологий

Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0009-0004-7183-4077

мл. науч. сотр.

Россия, г. Уфа

Г. Д. Худододова

Уфимский университет науки и технологий

Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0002-1273-8518

мл. науч. сотр.

Россия, г. Уфа

О. Б. Кулясова

Уфимский университет науки и технологий

Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0002-1761-336X

к.т.н., доц.

Россия, г. Уфа

Р. К. Исламгалиев

Уфимский университет науки и технологий

Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0002-6234-7363

д.ф.-м.н., проф.

Россия, г. Уфа

Р. З. Валиев

Уфимский университет науки и технологий

Автор, ответственный за переписку.
Email: ruslan.valiev@ugatu.su
ORCID iD: 0000-0003-4340-4067

д.ф.-м.н., проф., дир.

Россия, г. Уфа

Список литературы

  1. Ratner B.D., Hoffman A.S., Schoen F.J., Lemons J.E. Biomaterial sciences: An introduction to materials in medicine. San Diego, Academic. 1996. Press. P. 1.
  2. Zheng Y., Gu X., Witte F. Biodegradable metals. Mater. Sci. Eng. R Rep. 2014. Vol. 77. PP. 1–34.
  3. Denkena B., Lucas A. Biocompatible magnesium alloys as absorbable implant materials -adjusted surface and subsurface properties by machining processes / Cirp Annals, Manufacturing Technology. 2007. Vol. 56. Iss. 1. PP. 113–116.
  4. Mani G., Feldman M.D., Patel D., Agrawal C.M. Coronary stents: A materials perspective. Biomaterials. 2007. Vol. 28. Iss. 9. PP. 1689–1710.
  5. Witte F. The history of biodegradable magnesium implants: a review. Acta biomaterialia. 2010. Vol. 6. No. 5. PP. 1680–1692.
  6. Zhao D., Witte F., Lu F., Wang J., Li J., Qin L. Current status on clinical applications of magnesium-based orthopaedic implants: A review from clinical translational perspective. Biomaterials. 2017. Vol. 112. PP. 287–302.
  7. Tapiero H., Tew K.D. Trace elements in human physiology and pathology: zinc and metallothioneins. Biomedicine & Pharmacotherapy. 2003. Vol. 57. Iss. 9. PP. 399–411.
  8. Song G.L. Control of biodegradation of biocompatable magnesium alloys. Corrosion Science. 2007. Vol. 49. Iss. 4. PP. 1696–1701.
  9. Vinogradov A., Merson E., Myagkikh P., Linderov M., Brilevsky A., Merson D. Attaining High Functional Performance in Biodegradable Mg-Alloys: An Overview of Challenges and Prospects for the Mg-Zn-Ca System. Materials. 2023. Vol. 16. P. 1324.
  10. Sun Y., Zhang B., Wang Y., Geng L., Jiao X. Preparation and characterization of a new biomedical Mg-Zn-Ca alloy. Materials and Design. 2012. Vol. 34. PP. 58–64.
  11. Rezaei-Baravati A., Kasiri-Asgarani M., Bakhsheshi-Rad H.R. et al. Microstructure, Biodegradation, and Mechanical Properties of Biodegradable Mg-Based Alloy Containing Calcium for Biomedical Applications. Phys Mesomech. 2023. Vol. 26. PP. 176–195.
  12. Валиев Р.З., Жиляев А.П., Лэнгдон Т.Дж. Объемные наноструктурные материалы: фундаментальные основы и применения. СПб, 2017.
  13. Abdi M., Ebrahimi R. Microstructure Evolution of AZ91 Alloy Processed by Twin Parallel Channel Angular Extrusion Technique. J. of Materi Eng and Perform. 2022. Vol. 31. PP. 5358–5373.
  14. Medeiros M.P., Lopes D.R., Kawasaki M., Langdon T.G., Figueiredo R.B. An Overview on Effect of Severe Plastic Deformation on the Performance of Magnesium for Biomedical Applications. Materials. 2023. Vol. 16. P. 2401.
  15. Martynenko N.S., Anisimova N.Y., Rybalchenko O.V., Kiselevskiy M.V., Rybalchenko G., Straumal B., Temralieva D., Mansharipova A.T., Kabiyeva A.O., Gabdullin M.T. et al. Rationale for Processing of a Mg-Zn-Ca Alloy by Equal-Channel Angular Pressing for Use in Biodegradable Implants for Osteoreconstruction. Crystals. 2021. Vol. 11. P. 1381.
  16. Tong L.B., Zheng M.Y., Cheng L.R., Zhang D.P., Kamado S., Meng J., Zhang H.J. Influence of deformation rate on microstructure, texture and mechanical properties of indirect extruded Mg–Zn–Ca alloy. Mater. Charact. 2015. Vol. 104. PP. 66–72.
  17. Боткин А.В., Валиев Р.З., Волкова Е.П., Худододова Г.Д., Ebrahimi R. Влияние предварительной деформации на формирование ультрамелкозернистой структуры при РКУП-обработке магниевых сплавов. Физическая мезомеханика. 2024. Т. 27. № 4. С. 63–72.
  18. Utyashev F.Z., Beygelzimer Y.E., Valiev R.Z. Large and Severe Plastic Deformation of Metals: Similarities and Differences in Flow Mechanics and Structure Formation. Advanced Engineering Materials. 2021. Vol. 23. No. 7.
  19. Богатов А.А., Мижирицкий О.И., Смирнов С.В. Ресурс пластичности металлов при обработке давлением. М.: Металлургия. 1984, 144 c.
  20. Валиев Р.З., Александров И.В. Объемные наноструктурные металлические материалы: получение, структура и свойства. М.: Академкнига, 2007.
  21. Кулясова О.Б., Исламгалиев Р.К. Влияние структурных изменений на механические свойства сплава Mg-1%Zn-0,2%Ca, полученного методом равноканального углового прессования. Вестник Уфимского государственного авиационного технического университета. 2018. Т. 22. Вып. 81. № 3. С. 24–29.
  22. Ivanov A.M. Uniformly channel angular pressing and extrusion of low-alloy steel. Natural resources of Arctic and Subarctic. 2018. Vol. 23. No. 1. PP. 60–66.
  23. Матчин А.А., Клевцов Г.В., Валиев Р.З., Семенова И.П., Клевцова Н.А., Кашапов М.Р., Классен Н.А., Михайлова И.А., Рогова Т.Ф. Медицинские изделия для челюстно-лицевой хирургии из наноструктурированного титана. West Kazakhstan Medical Journal. 2012. Vol. 35. No. 3.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
2. Рис.1. Распределение среднего нормального напряжения в заготовке и схемы расположения точек, выбранных для анализа: a – при РКУП (четвертый проход); b – при экструзии

Скачать (260KB)
3. Рис.2. Распределение степени деформации в заготовке в радиальном направлении и схемы расположения точек, выбранных для анализа: а – при РКУП (четвертый проход); b – при экструзии

Скачать (255KB)
4. Рис.3. Распределение скорости деформации в заготовке в радиальном направлении и схемы расположения точек, выбранных для анализа: а – при РКУП (четвертый проход); b – при экструзии

Скачать (224KB)
5. Рис.4. Заготовки: а – исходная после гомогенизационного отжига; b – деформированная РКУП и экструзией

Скачать (523KB)
6. Рис.5. Структура образцов Mg-1%Zn-0,06%Ca сплавов после: гомогенизационного отжига (а), РКУП+Э (b-f); b – общий вид, РЭМ, c – дислокационная структура в крупных зернах, ПЭМ, d – вид мелких зерен, ПЭМ; e – наночастицы, ПЭМ; f – электронограмма с этих частиц

Скачать (149KB)

© Боткин А.В., Волкова Е.П., Худододова Г.Д., Кулясова О.Б., Исламгалиев Р.К., Валиев Р.З., 2025