CC BY
81
Рисунок 2 - Мостовой переход на остров Русский через пролив Босфор Восточный, г. Владивосток
Заводом освоены технологии изготовления металлоконструкций из труб большого диаметра до 1500 мм толщиной стенки, 50 мм класса прочности материала до С460. Достигнута максимальная автоматизация процессов сварки, что позволяет значительно повысить производительность труда. Эти технологии применены при изготовлении строительных конструкций стадиона Спартак в Москве и стадиона в Самаре.
Рисунок 3 - Футбольный стадион Спартак, г. Москва.
Полтора миллиона тонн металлоконструкций, выпущенных нашим заводом, работают на благо людей, сокращая расстояния.
Тенденции современного развития производства требуют постоянного внимания к обеспечению и поддержанию требуемого уровня профессиональной подготовки специалистов, сертификации производства и продукции, аттестации персонала. Для минимизации проблемы обеспечения предприятия высококвалифицированными специалистами сварочного производства в 2006 г. было создано предприятие ООО «Курганстальмост-Учебный центр», занимающееся подготовкой и повышением квалификации сварщиков. Учебный центр оснащен современным сварочным оборудованием, в штате центра работают квалифицированные преподаватели, которые более двадцати лет отработали сварщиками в основном производстве. Для теоретического обучения привлекаются преподаватели с кафед ры сва р ки Курга н ско го госуда рственного 120
университета и германского сваро-технического учебного испытательного центра. Учебный центр обладает полномочиями в обучении и аттестации специалистов-сварщиков на соответствие требованиям НАКС (Национальное агентство контроля и сварки). Необходимость в аттестации производства по Европейским нормам потребовала решения данной проблемы с минимальными затратами для производства. Так, специалисты Учебного центра успешно прошли аккредитацию в Германии, и с 2007 г. ООО «Курганстальмост-Учебный центр» стало членом Европейского союза сварщиков. Это позволило ему проводить аттестацию сварщиков, операторов и технологий сварки по Европейским стандартам.
Будущее развитие производства на предприятии связывается с увеличением доли наукоемких, экологически чистых и энергосберегающих технологий, интеграцией в комплексную компьютеризацию производительного процесса, дальнейшим повышением эффективности производства. Для выполнения этих задач коллектив предприятия располагает необходимым интеллектуальным потенциалом и профессиональной подготовкой.
УДК 615.477; 621.762.5
В.П. Кузнецов12, В.Г. Горгоц2, А.В. Аникеев2, А.А. Еманов2
Уральский федеральный университет, г. Екатеринбург 2Российский научный центр «Восстановительная травматология и ортопедия» имени академика Г.А. Илизарова г. Курган
производство новых внутрикостных
ОсТЕОИнТЕГРИРУЕмыХ ИмплАнТАТОв методом аддитивных технологий
Аннотация. В статье освещены вопросы изготовления кастомизированных имплантатов методом современной аддитивной технологии лазерного сплавления порошков титанового сплава.
Ключевые слова: остеоинтеграция, имплан-тат, аддитивные технологии, титановый сплав.
V.P. Kuznetsov12, V.G. Gorgots2, A.V. Anikeev2, A.A. Emanov2
1 Ural Federal University, Yekaterinburg, Russia
2 Russian Ilizarov Center for Restorative Traumatology and Orthapaedics, Kurgan, Russia
PRODUCTION OF NEW OSTEOINTEGRATED INTRAOSSEOUS IMPLANTS USING THE METHOD OF additive TECHNOLOGIES
Annotation. This article considers the fabrication of customized implants by method of modern additive technology of titanium alloy powders laser fusion.
Keywords osteointegration, implant, additive technology, titanium alloy.
Метод остеоинтеграции в травматологии и ортопедии был предложен H.H. Branemark и впервые апробирован в 1990 г. в Швеции [1]. Сущность метода заключается во внедрении в мозговой канал кости титанового имплантата, на выступающий из кожи конец которого крепится абатмент и внешний протез.
Несомненно, выход на производство внутри-костных имплантатов требует новых решений на основе моделирования биомеханики конечностей с утраченным фрагментом инженерных разработок, учитывающих возможности современных технологий аддитивного производства [2].
Согласно стандарту F2792.1549323-1 организации ASTM International (American Society for Testing and Materials), аддитивные технологии определяются как «The process of joining materials to make objects from 3D-model data, usually layer upon layer, as opposed to subtractive manufacturing methodologies», что означает процесс послойного объединения материала с целью создания объекта из данных 3D-модели. Послойное добавление материала составляет главное отличие аддитивных технологий от «вычитающих», суть которых сводится к послойному удалению материала из массива заготовки.
Аддитивные технологии послойного изготовления деталей обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционными. Установлено, что изделия, полученные селективным лазерным плавлением, в некоторых случаях прочнее литых на 2-12 %. Это можно объяснить малым размером зерен и микроструктурных составляющих, которые образуются в результате быстрого охлаждения расплава. Быстрое переохлаждение расплава значительно увеличивает число зародышей твердой фазы и уменьшает их критический размер. При этом быстро растущие на зародышах кристаллы, соприкасаясь друг с другом, начинают препятствовать своему дальнейшему росту, тем самым формируя мелкозернистую структуру.
Аддитивные технологии производства имплантатов имеют следующие преимущества:
- обеспечивают оптимальную для интенсивного остеосинтеза и остеоинтеграции пористость поверхности, параметры которой рекомендованы
в работе [3];
- позволяют создавать имплантаты со сложной геометрией, обеспечивающей плотное прилегание и сохранение остеогенного содержимого интрамедуллярного канала кости;
- создают возможность формировать внутри имплантата каналы произвольной формы для внутренней доставки лекарств и допускают формирование тонкостенных элементов;
- позволяют формировать резьбу с любым профилем, в том числе с переменным диаметром и шагом;
- обеспечивают создание присоединительных поверхностей для быстросменных абат-ментов и реализации компрессионного метода остеосинтеза;
- позволяют формировать переходные поверхности с заданной геометрией и шероховатостью для создания условий, препятствующих проникновению инфекции в зоне контакта с мягкими тканями и кожей пациента.
Основными составляющими методологии создания кастомизированных имплантатов являются:
- трехмерная компьютерная томография;
- создание конечно-элементных моделей для прогнозирования нагрузок в костной ткани, возникающих при установке имплантата и в процессе остеоинтеграции;
- определение механических свойств атрофированной и живой кости;
- определение оптимальной структуры материала имплантата для ускоренной остеоинтеграции;
- определение параметров присоединительных элементов абатментов для протезирования.
Конструкция новых имплантатов, построенная на возможностях аддитивной технологии изготовления методом лазерного сплавления, обобщена в патенте РФ «Имплантат культи трубчатой кости» [4]. Конструктивное исполнение имплантатов методом лазерного сплавления из порошков титановых сплавов медицинского назначения позволило реализовать сложную геометрию наружной поверхности, обеспечивающей более надежную предварительную фиксацию в интра-медуллярном канале и создающей дополнительные возможности для ускоренного роста костного регенерата и создания защитного барьера от инфекции. Впервые во внутрикостном имплантате удалось реализовать концепцию вкручиваемой погружной части с комбинированной геометрией резьбовой поверхности, состоящей из заходной режуще-калибрующей и упорной прямоугольной резьбы при сплошной структуре сплавленного материала. Принципиально новым в конструкции имплантата для остеоинтеграции с реализацией компрессионной нагрузки является опорно-антисептический поясок (рисунок 1).
Рисунок 1 - Имплантат с центральным отверстием для ввода лекарственных препаратов (патент РФ №152558)
Заходная режущая часть имплантата обеспечивает формирование и калибрование прямоугольного профиля упорной резьбы для надежной фиксации имплантата в трубчатой кости. Предполагается, что прямоугольный профиль упорной резьбы создает только сжимающие распределенные нагрузки на кость. Аддитивная технология производства кастомизированных им-плантатов позволила создать внутренний канал и реализовать идеи компрессионного нагружения кости и периодического подвода лекарственных средств в зоны метафиза и эпифиза (рисунок 2).
Опорный поясок позволяет передавать дополнительную распределенную сжимающую нагрузку на торец кости от аппарата внешней фиксации и служит для удержания антисептического препарата, препятствующего воспалению кожной и мышечной ткани.
б
Рисунок 2 - Схема остеоинтеграции с компрессионной нагрузкой (а) и распределение нагрузки __________в_ з_о_не_ _имп_л_а_н_т_а_т_а_ (_б)____________
Компьютерное моделирование (рисунок 3) позволило создать в конструкции кастомизированных имплантатов различные варианты расположения отверстий от канала подвода антисептических и остеоинтегрирующих лекарственных средств [5].
Для практического изготовления внутрикост-ных имплантатов новой конструкции и проведения комплекса фундаментальных научных исследований закономерностей остеоинтеграции на интерфейсе «кость - имплантат» отработана технология перехода от результатов томографических исследований интрамедуллярного канала к компьютерным моделям имплантатов в программном пакете БоПсЬл/огкз.
Рисунок 3 - Имитация ввода лекарств в отверстия имплантата
Имплантаты изготавливались из особо чистого порошка Ti6Al4V со средним размером частиц 23,5 мкм производства фирмы Advanced Powders & Coatings Inc. (Канада) на установке EOSINT 280 (Германия) в Региональном инжиниринговом центре (г. Екатеринбург). Определены оптимальные схемы и режимы лазерного сплавления для имплантатов костей кроликов и собак.
Установлено, что для имплантатов с длиной менее 40 мм и наружным диаметром 3,0-5,5 мм целесообразно применять горизонтальную схему лазерного сплавления. При изготовлении новых конструкций имплантатов для интрамедуллярных каналов ампутированных костей длиной более 40 мм эффективна вертикальная схема аддитивной технологии сплавления
Выполнен комплекс исследований топографии и физико-механических свойств специальных образцов со сплошной и пористой структурой сплавленного материала Ti6Al4V. Измерение параметров шероховатости поверхности образцов со сплошной структурой проводилось на приборе WYKO NT1100 методом VSI. По степени модуляции интерферометрических полос базовых и отраженных от поверхности лучей восстанавливались 3D-модели микропрофиля. Далее в программном пакете «VISION» определялись параметры шероховатости Ra, Rz микропрофиля поверхностей. Установлена достаточно высокая стабильность параметров топографии по всей поверхности образцов Ra=5,59 мкм и Rz=41,19 мкм, что, безусловно, обеспечит благоприятные адгезионные характеристики имплантатов из сплавлен-
а
ного материала. Известно, что наилучшая осте-оинтеграция при дентальном имплантировании достигается при обеспечении шероховатости Ra погружной поверхности в пределах 2,07-8,68 мкм.
Проведенные исследования механических свойств образцов материала имплантатов показали, что он обладает достаточной прочностью на растяжение, сжатие и изгиб и имеет при сплошной структуре модуль Юнга Е=98ГПа. Модуль упругости определялся методом динамического механического анализа (DMA) на приборе DMA 242C немецкой компании NETZSCH после подготовки образцов методом трехточечного изгиба (рисунок 4).
ханические свойства а+р сплавов, является размер а-колоний. С уменьшением а-колоний повышается как предел текучести и пластичность материала, так и трещиностойкость химического состава титанового сплава ТОА14У что после СЛС является необходимым для установления причин формирования механических свойств и определения путей повышения прочностных характеристик материала имплантатов для остеоинтеграции.
Рисунок 4 - Схемы селективного лазерного сплавления имплантатов
Предел прочности ав определялся путем испытания образцов на разрыв по ГОСТ 1497 на машине ^гоп 3382. Установлено, что для образца из сплавленного материала предел прочности равен 833,5 МПа и имеет практически многократный запас по отношению к прочности на разрыв бедренной и большой берцовой костей. Следует отметить, что материал испытанных образцов, изготовленных методом селективного лазерного сплавления, обладает к моменту разрушения значительным остаточным удлинением 11-12% при разрыве, что позволяет считать его пластичным материалом.
Важнейшей характеристикой имплантата является реакция на изменение температурного поля окружающей среды. На образцах квадратного сечения 10х10 мм толщиной 2,0 мм проведены исследования температуропроводности методом лазерной вспышки на приборе LFA 457.
В диапазоне изменения температуры от 25°С до 120°С температуропроводность повысилась с 3,02 мм2/с до 3,38 мм2/с (рисунок 5). Установленные значения температуропроводности для исследуемых образцов показывают, что имплантаты, изготовленные методом селективного лазерного сплавления из титанового порошка теА14Ч могут быть использованы в естественных и искусственных условиях биомеханической системы «кость (регенерат) - имплантат».
На механические свойства сплава теА^ может также оказывать влияние соотношение между а- и р-фазами, а также размер зерна в структуре сплавленного материала [6]. Согласно Lutjering [7], наиболее важным фа ктором , о п ределя ющи м м е-
б
Рисунок 5 - Схема определения температуропроводности методом лазерной вспышки (а) и температуропроводность сплава Л-6-4 при различных температурах (б)
Для проведения микроструктурного анализа методом СЛС было изготовлено 6 цилиндрических образцов диаметром 12 мм и высотой 25 мм. Сплавление образцов выполнялось в направлении образующей цилиндра.
Для приготовления шлифов образцы разрезались на две равные части: 3 - вдоль оси образца; 3 - поперек. Далее выполнялась горячая запрессовка разрезанных частей в компаунде KonductoMet на установке Struers CitoPress-20. Поверхность разреза полировалась на шлифовально-полиро-вальном станке Struers LaboPol-5 с устройством LaboForce-3. Финальная стадия полировки производилась с использованием алмазной суспензии. Приготовленные шлифы исследовались методом РЭМ на м и кро скопе J е о I JS М 6490 .
а
Микроструктурный анализ образцов позволил установить, что зеренная структура образцов со сплошной архитектоникой, полученных методом послойного лазерного спекания, представлена исходным р-зерном. Размер зерна в поперечном направлении соответствует размеру лазерного пучка и равен 200 мкм (рисунок 6 а,б).
Скорость движения лазера была выбрана таким образом, чтобы воздействие каждого последующего импульса формировало новое зерно через 200 мкм. Зерно в полученном сечении имеет форму ромба, что может быть обусловлено формой пучка лазера.
Условия сплавления, а именно: малый слой наносимого порошка 30 мкм и хороший теплоот-вод, обеспечиваемый подложкой толщиной 5 мм, -создают значительный градиент температуры по высоте формируемого образца. Зерна вытянуты вдоль направления сплавления, что хорошо видно на продольном шлифе (рисунок 6 б). Средний размер зерна в направлении сплавления составляет примерно 800 мкм. Достаточно высокая скорость охлаждения обеспечивает закалку сплава на мартенсит, поэтому внутри зерна наблюдается игольчатая а'-структура.
б
Рисунок 6 - Микроструктура материала, полученного методом селективного лазерного сплавления, в поперечном (а) и продольном (б) направлениях
Известно, что в сплаве ^-6-4 при закалке обеспечивается фиксация а'-мартенсита из р-области. С точки зрения механических свойств мартенсит является неблагоприятной структурой, т.к. его формирование приводит к значительному снижению механических свойств. Образование мартенсита может приводить к хрупкому или усталостному разрушению. Необходима дополнительная термообработка, в том числе и для снятия внутренних закалочных напряжений. Режимы термообработки могут быть выбраны путем проведения рентгеноструктурного фазового анализа (РСФА) и установления точного химического состава сплава и типа образующегося мартенсита.
Несмотря на то, что в аддитивной машине при сплавлении локально формируется защитная атмосфера посредством продувки особо чистым аргоном, данный метод получения материала подразумевает активное насыщение поверхности металла кислородом. Кислород является сильным стабилизатором и может в значительной мере влиять на фазовый состав сплава. Поэтому стандартной температуры отжига 780°С для сплава ^-6-4 может быть недостаточно для его значительного пластифицирования. В структуре присутствуют отдельные микропоры размером до 30 мкм. Средняя микропористость, по данным оптической металлографии (рисунок 6б), составляет менее 5%.
а
Диск Нагрузочное устройство
б
Рисунок 7 - Кролик с аппаратом внешней фиксации и устройством компрессионного нагружения имплантата
(заявка на изобретения №2016108411 от 09.03.16) (а) и имплантат с нагружающим устройством и протезом в сборе (б)
Таким образом, селективное лазерное сплавление порошка титанового сплава Ti6Al4V на аддитивной машине EOSINT M280 позволяет получать однородную структуру с ярко выраженным ориентационным контрастом.
Клинические и морфологические данные, полученные при исследовании остеоинтегра-ции кастомизированных имплантатов в голень 9 кроликов в РНЦ «ВТО» им. акад. Г.А. Илизарова (рисунок 7), свидетельствуют об эффективности компрессионной нагрузки и возможности доставки лекарств в костно-мозговой канал через отверстие в имплантате. Установлена минимизация послеоперационных осложнений и рост костного регенерата именно в зонах расположения отверстий имплантата.
Выявлено, что для удобства подвода лекарственных средств при использовании аппарата внешней фиксации с абатментом и устройством компрессионного нагружения необходимо оптимизировать положение входного отверстия, ведущего к внутреннему каналу имплантата.
Предварительный опыт управления компрессионной нагрузкой на кость выявил необходимость разработки математической конечно-элементной модели «культя кости-имплантат», что позволит уменьшить количество подопытных животных при дальнейших исследованиях.
Список литературы
1 Branemark P.-I., Grondahl K. Osseointegration and Autogenous Onlay Bone Grafts: Reconstruction of Edentulous Atrophic Maxilla. Quintessence Books. 2001. 160 pp.
2 Gubin A.V., Kuznetsov VP, BorzunovD.Y. et.al. Biomed Eng(2016)50:285. Dol.10.1007/s10527-016-9539-6.
3 Isaakson B.M., Jeyapalina S. Osseointegration: a review of the fundamentals for assuring cementless skeletal fixation. Orthopedic Research and reviews. 2014.6. pp.55-56.
4 Патент РФ №152558. Имплантат культи трубчатой кости /Кузнецов В. П., Губин А. В., Корюков А. А., Горгоц В. Г. Опубл. 19.06.2015. Бюл. №16.
5 Заявка №2016138246 от 26.09.2016 г. Имплантат культи трубчатой кости /Кузнецов В. П., Губин А. В., Еманов А. А., Аникеев А. В., Горгоц В. Г., Резник А. В., Борзунов Д. Ю, Овчинников Е. Н. Положительное решение о выдаче патента от 21.02.2017.
6 Antonysamy A. A. Microstructure, Texture and Mechanical Property Evolution during Additive Manufacturing of Ti6Al4V Alloy for Aerospace Applications. - School of Materials, 2012, 316 p.
7 Lutjering, G., Influence of processing on microstructure and mechanical properties of ([a]+[fi]) titanium alloys. Materials Science and Engineering A, 1998. 243(1-2): p. 32-45.
