Ametlik saavutusteade

Oleme edukalt välja töötanud komposiitmaterjalist kahesuunalised liigendvõllid, mis on valmistatud meditsiinilisest roostevabast terasest ja nikli-titaani (NiTi) sulamist, saavutades optimaalse tasakaalu mehaanilise jõudluse ja bioloogilise ühilduvuse vahel. Tänu uuenduslikule materjali koostisele ja kuumtöötlemisprotsessidele säilitab toode NiTi sulami ülielastsuse (8% taastuv deformatsioon), tõstes samal ajal roostevaba terase voolavuspiiri 1200 MPa-ni. Katsed kinnitavad, et liitvõll saavutab 800 000 painutustsükli pikkuse väsimuse ja läbib korrosioonikindluse testi vastavalt ASTM F2129 nõuetele, pakkudes usaldusväärset materjalilahendust pikaajalisteks implanteerimisrakendusteks.

Teadus- ja arendustegevuse taust ja valupunktid

Tavalised ühest materjalist liigendvõllid kannatavad materjali jõudluse piirangute tõttu. Meditsiinilise kvaliteediga 316L roostevaba teras on suure tugevusega, kuid piiratud elastsusega ning maksimaalne taastuv deformatsioon on vaid 0,5%, mis on korduva painutamise korral plastne deformatsioon. NiTi sulamil on ülielastsus, kuid suhteliselt madal tugevus (voolutugevus: 500–800 MPa), mis võib keerulistes anatoomilistes radades põhjustada liigset paindumist. Kahe materjali soojuspaisumise koefitsientide erinevused põhjustavad komposiitstruktuurides liidese pingekontsentratsiooni ja lühendavad kasutusiga.

Kliinilised uuringud näitavad, et puhaste NiTi liigendvõllide pinnaoksiidikiht hakkab kooruma pärast rohkem kui 300 000 tsüklit, vabastades potentsiaalselt nikliioone ja vallandades allergilisi reaktsioone. Roostevabast terasest liigendvõllidel tekib püsideformatsioon, mille läbipaindenurk väheneb 15% juba pärast 50 000 tsüklit. Materjali valik on muutunud kriitiliseks kitsaskohaks, mis piirab liigendvõllide jõudlust.

Peamised tehnoloogilised uuendused

1. Gradientkomposiitmaterjalide tehnoloogiaRoostevabast terasest NiTi sulamist gradientkomposiittorud valmistatakse pulbermetallurgia ja kuumisostaatilise pressimise teel, et saavutada pidev materjali üleminek. Sisemisest kihist väliskihini väheneb NiTi sisaldus gradientselt 100%-lt 0%-le, samas kui roostevaba terase sisaldus suureneb 0%-lt 100%-le. Üleminekukihi paksust reguleeritakse täpselt 50–100 μm, et vältida liidese pinge kontsentratsiooni. Pärast spetsiaalset kuumtöötlust jõuab liidese tugevus 450 MPa-ni.
2. Nanokristallilise struktuuri reguleerimise protsessKõrgsurve torsiooni ja madala temperatuuriga lõõmutamise kombineeritud protsess viimistleb roostevaba terase tera suurust alla 50 nm. Nanokristalliline struktuur tõstab materjali voolavuspiiri 1200 MPa-ni, säilitades samal ajal üle 15% venivuse. NiTi sulami puhul reguleerib vananemistöötlus sadestatud faaside suurust ja jaotust, piirates faasitransformatsiooni hüstereesi 5 kraadi piires ja parandades ülielastsuse stabiilsust.
3. Pinna funktsionaalse modifitseerimise tehnoloogiaTöötatakse välja mitmekihiline titaan-lämmastik-hapnik komposiitkate, mis moodustab pinnale 2–3 μm funktsionaalse kihi füüsilise aurustamise-sadestamise (PVD) kaudu. Katte kõvadus on HV 2500 ja hõõrdetegur 0,15 ning see on suurepärase biosobivusega. Kattesse lisatakse hõbedaioone (0,5–1,5 at%), et tagada püsivalt vabastav antibakteriaalne toime, saavutades üle 99% bakteriostaatilise toime.Staphylococcus aureus.

Töömehhanism

Komposiitliigendiga võllide eelised tulenevad mitmetasandilistest sünergilistest efektidest. Mikroskaalal tugevdatakse nanokristallilist roostevaba terast Hall-Petchi efekti kaudu, kusjuures dislokatsiooni liikumine on takistatud, et suurendada tugevust ja väsimuskindlust; NiTi sulami pöörduv martensiitne transformatsioon pinge all tagab ülielastsuse. Mesoskaalas võimaldab gradiendi üleminekukiht elastsusmooduli sujuvat varieerumist (40–60 GPa NiTi otsas, 190 GPa roostevabast terasest otsas), sobitades erinevate kudede biomehaanilisi omadusi. Makromastaabis tagab komposiitkonstruktsioon mehaanilise reaktsiooni, mis ühendab jäikuse ja paindlikkuse: roostevaba teras tagab aksiaalse tõukejõu ja väände jäikuse, samas kui NiTi sulam pakub radiaalset vastavust ja kuju taastamise võimet. Funktsionaalne kate vähendab koe adhesiooni, vähendades pinnaenergiat, samal ajal kui hõbedaioonide pidev vabanemine moodustab antibakteriaalse mikrokeskkonna.

Jõudluse kinnitamine

Materjali jõudluse testid annavad märkimisväärseid tulemusi. Superelastsuse testides taastub komposiit täielikult 8% pinge all, 30% väiksema hüstereesiahela pindala ja väiksema energia hajumisega võrreldes puhta NiTi-ga. Väsimustestides ±90 kraadise painde all sagedusel 3 Hz ületab jõudluse säilimine pärast 800 000 tsüklit 95%. Korrosioonikatsetes on nikliioonide vabanemise kiirus pärast 90-päevast sukeldumist simuleeritud kehavedelikus alla 0,1 ug/cm²·päevas, mis on palju alla ISO 10993-12 piiri 1 ug/cm²·päevas.

Loomkatsed näitavad kergeid põletikulisi reaktsioone ümbritsevates kudedes ja kiulise kapsli paksust ainult 50–80 μm (120–150 μm roostevabast terasest kontrollrühmal) 6 kuud pärast implanteerimist. Kliinilistes uuringutes ureteroskoopiliste operatsioonide käigus, kus kasutati kombineeritud liigendvõlli, tõuseb ureetra striktuuride läbimise instrumendi edukus 78%-lt 94%-le. Keeruliste südame arütmia ablatsioonioperatsioonide korral säilitavad kateetrid stabiilse jõudluse 4-tunnise pideva intrakardiaalse operatsiooni jooksul, samas kui tavaliste toodete läbipaindenurk väheneb juba 2 tunni pärast 12%.

Teadus- ja arendustegevuse strateegia ja filosoofia

Toetame teadus- ja arendustegevuse filosoofiat:Toimivust määratlevad materjalid, funktsioone realiseerivad struktuuridning luua MIPS-i innovatsioonisüsteem (Material-Interface-Performance-System). Materjali tasandil loome maailma esimese meditsiinilise liigendvõlli materjalide andmebaasi, mis sisaldab 127 sulami 368 jõudlusparameetrit. Liidese tasemel uurime aatomiskaala sidumismehhanisme ja optimeerime liidese disaini esmaste arvutuste abil. Jõudlustasemel töötame välja mitmemõõtmelisi simulatsioonimudeleid, et ennustada mehaanilist käitumist nanomõõtmest makroskaalani. Süsteemi tasandil sobitame materjali omadused täpselt kliiniliste nõuetega.

Oleme ehitanud Hiina Teaduste Akadeemia Metalliuuringute Instituudi ja Beihangi ülikooliga ühised laborid, mis keskenduvad kujumälu sulamite fundamentaaluuringutele. Vahepeal rakendame materjali genoomi inseneritööd, et kiirendada uute materjalide väljatöötamist suure läbilaskevõimega arvutuste ja katsete kaudu, lühendades uurimis- ja arendustegevuse tsüklit traditsiooniliselt 5–8 aastalt 2–3 aastani.

Tuleviku väljavaade

Meditsiinimaterjalid arenevad intelligentsuse, funktsionaalsuse ja biomimikri poole. Arendame välja stiimulitele reageerivaid nutikaid materjale, mille mehaanilised omadused kohanduvad vastavalt kehatemperatuurile, pH väärtusele või elektriväljadele. Töötatakse välja iseparanevad komposiitmaterjalid, mis vabastavad automaatselt parandusaineid mikropragude tuvastamisel. Bioabsorbeeruvaid materjale uuritakse ohutuks lagunemiseks 6–12 kuu jooksul pärast seadme funktsioonide lõpetamist.

2027. aastaks toome turule kudedega kohanduvad nutikad liigendvõllid, mille pinnal on modifitseeritud rakuvälise maatriksi valke, et soodustada endoteelirakkude adhesiooni ja vähendada tromboosiriske. Pikemas perspektiivis saavad 4D-prinditud aktiivmaterjalid reaalsuseks. Sellised materjalid mitte ainult ei reageeri välistele stiimulitele, vaid juhivad ka bioloogilist signaalisidet ümbritsevate kudedega, et saavutada tõeline bioloogiline integratsioon, mis on teerajajaks püsivate siirdatavate seadmete jaoks.