Oficiālais paziņojums par sasniegumiem

Mēs esam veiksmīgi izstrādājuši kompozītmateriālu rievotas puscietas vārpstas, kas izgatavotas no augstas ražības nerūsējošā tērauda (304V/316L) un īpaši elastīga niķeļa-titāna (NiTi) sakausējuma, panākot materiāla mehānisko īpašību revolucionāru optimizāciju. Izmantojot novatoriskus materiālu formulējumus un termiskās apstrādes procesus, produkts saglabā NiTi sakausējuma superelastību (8,5% atgūstamā deformācija), vienlaikus palielinot nerūsējošā tērauda tecēšanas robežu līdz 1250 MPa. Testi pārbauda, ​​vai kompozītmateriāla vārpsta nodrošina 99,8 % elastības atgūšanas ātrumu un veiktspējas pasliktināšanos ir mazāka par 3 % pēc viena miljona lieces ciklu, nodrošinot revolucionāru materiālu risinājumu augstas frekvences, augstas precizitātes intervences operācijām.

R&D fons un sāpju punkti

Parastajām viena materiāla rievām vārpstām ir raksturīga materiāla veiktspējas ierobežojumi. Medicīniskajam 316L nerūsējošajam tēraudam ir augsta tecēšanas robeža (parasti 690 MPa), tomēr ierobežota elastība, ar maksimālo atgūstamo deformāciju tikai 0,3–0,5%, kas ir pakļauts plastiskai deformācijai un noguruma plaisām atkārtotas lieces rezultātā. NiTi sakausējumam piemīt izcila superelastība (6–8% atgūstamā deformācija), bet salīdzinoši zema tecēšanas robeža (400–800 MPa), kas sarežģītos anatomiskos ceļos var izraisīt pārmērīgu liekšanos un saliekšanos. Termiskās izplešanās koeficientu atšķirības starp diviem materiāliem (17,3×10⁻⁶/grāds nerūsējošajam tēraudam, 10,4×10⁻⁶/grāds NiTi sakausējumam) izraisa saskarnes sprieguma koncentrāciju kompozītmateriālu konstrukcijās un saīsina kalpošanas laiku.

Klīniskie pētījumi liecina, ka tīru NiTi vārpstu virsmas oksīda slānis sāk lobīties pēc vairāk nekā 500 000 cikliem, potenciāli izdalot niķeļa jonus un izraisot alerģiskas reakcijas. Jau pēc 200 000 cikliem nerūsējošā tērauda vārpstām rodas paliekoša deformācija un lieces stingrības samazināšanās par 25%. Materiālu izvēle ir kļuvusi par kritisku vājo vietu, kas ierobežo vārpstas veiktspēju.

Galvenās tehnoloģiskās inovācijas

• Gradienta kompozītu metalurģijas tehnoloģijaNerūsējošā tērauda-NiTi sakausējuma gradienta kompozītmateriālu caurules tiek ražotas, izmantojot pulvermetalurģiju un karsto izostatisko presēšanu, lai nodrošinātu nepārtrauktu materiāla pāreju. No iekšējā līdz ārējam slānim NiTi saturs pakāpeniski samazinās no 100% līdz 0%, bet nerūsējošā tērauda saturs palielinās no 0% līdz 100%. Pārejas slāņa biezums tiek precīzi kontrolēts 30–80 μm. Molekulārās dinamikas simulācijas optimizē saskarnes struktūru, panākot saskarnes savienojuma stiprību 500 MPa, termiskās izplešanās koeficientu gradienta izmaiņas un termiskās sprieguma koncentrācijas novēršanu.
• Precīza nanokristālisko struktūru regulēšanaKombinēts augstspiediena vērpes un zemas temperatūras atlaidināšanas process uzlabo nerūsējošā tērauda graudu izmēru līdz 30 nm. Nanokristāliskā struktūra, ko stiprina Hall-Petch efekts, kavē dislokācijas kustību, paaugstinot tecēšanas robežu līdz 1250 MPa, vienlaikus saglabājot 18% pagarinājumu. NiTi sakausējumam divpakāpju novecošanas apstrāde (350 grādi × 1 h + 450 grāds × 30 min) regulē izgulsnēto fāžu lielumu un sadalījumu, ierobežojot fāzes transformācijas histerēzi 3 grādos un uzlabojot superelastības stabilitāti par 40%.
• Daudzfunkcionāls kompozītmateriāla virsmas pārklājumsTiek izstrādāts daudzslāņu gradienta titāna-slāpekļa-oglekļa pārklājums, kas uz virsmas veido 2–3 μm funkcionālu slāni, izmantojot fizisko tvaiku nogulsnēšanos (PVD). Pārklājums sasniedz cietību HV 2800 un berzes koeficientu 0,12 ar izcilu bioloģisko saderību. Pārklājumā ir leģēti nelieli sudraba un vara joni (katrs 0,5–1,0 at%), lai nodrošinātu ilgstošas ​​​​darbības antibakteriālu darbību, sasniedzot bakteriostatiskos rādītājus, kas pārsniedz 99,5 %.Staphylococcus aureusunEscherichia coli. Citotoksicitātes testi atbilst ISO 10993-5 standartam.

Darba mehānisms

Kompozītmateriālu vārpstu priekšrocības izriet no daudzpakāpju sinerģiskajiem efektiem. Atomu mērogā NiTi sakausējuma atgriezeniska martensīta transformācija notiek stresa apstākļos, nodrošinot superelastību un formas atmiņas efektus. Nerūsējošā tērauda nanokristāliskā struktūra uzlabo izturību un izturību pret nogurumu, nostiprinot graudu robežas un nospiežot izmežģījumu. Mikroskalā gradienta pārejas slānis nodrošina vienmērīgu elastības moduļa mainību (40–60 GPa NiTi galā, 190–210 GPa nerūsējošā tērauda galā), saskaņojot dažādu audu biomehāniskās īpašības un samazinot stresa aizsargefektus. Makro mērogā kompozītmateriāla struktūra nodrošina mehānisku reakciju, integrējot stingrību un elastību: nerūsējošais tērauds nodrošina aksiālo stumšanas spēku un vērpes stingrību, lai nodrošinātu 1:1 griezes momenta pārvadi; NiTi sakausējums nodrošina radiālu atbilstību un formas atjaunošanas spēju, pēc lieces uzreiz iegūstot taisnu profilu. Funkcionālais pārklājums samazina olbaltumvielu un šūnu adhēziju, pazeminot virsmas enerģiju, savukārt ilgstoša sudraba-vara jonu izdalīšanās veido antibakteriālu mikro vidi, lai mazinātu infekcijas risku.

Veiktspējas apstiprināšana

Materiālu veiktspējas testi dod ievērojamus rezultātus. Superelastības testos kompozīts pilnībā atjaunojas zem 8,5% deformācijas ar par 35% mazāku histerēzes cilpas laukumu un mazāku enerģijas izkliedi, salīdzinot ar tīru NiTi. Noguruma testos zem ±90 grādu lieces pie 4 Hz veiktspējas saglabāšana pārsniedz 97% pēc viena miljona ciklu. Korozijas testos pēc 180 dienu iegremdēšanas imitētajā ķermeņa šķidrumā (PBS, pH 7,4, 37 grādi) niķeļa jonu izdalīšanās ātrums ir mazāks par 0,05 ug/cm²·dienā, kas ir daudz zemāks par ISO 10993-12 robežu 1 ug/cm²·dienā.

Eksperimenti ar dzīvniekiem uzrāda vieglas iekaisuma reakcijas apkārtējos audos un šķiedru kapsulas biezumu tikai 40–60 μm (100–130 μm nerūsējošā tērauda kontroles grupai) 12 mēnešus pēc implantācijas. Klīniskajos pētījumos ar neirointervences operācijām, kurās izmanto saliktas vārpstas, mikrokatetru navigācijas panākumu līmenis pa līkumotiem asinsvadiem palielinās no 82% līdz 96%. Sarežģītās sirds aritmijas ablācijas operācijās katetri saglabā stabilu darbību 6 stundu nepārtrauktas intrakardiālas darbības laikā, turpretim parastajiem izstrādājumiem jau pēc 3 stundām lieces stīvums samazinās par 15%.

Pētniecības un attīstības stratēģija un filozofija

Mēs atbalstām pētniecības un attīstības filozofiju:Veiktspēju nosaka materiāli, funkcijas realizē struktūras, un izveidot četrdimensiju MIPS inovāciju sistēmu (Material-Interface-Performance-System). Materiālu līmenī mēs veidojam pasaulē pirmo medicīnisko vārpstu materiālu gēnu datubāzi, kas satur 542 veiktspējas parametrus no 213 sakausējumiem, un prognozējam jaunu materiālu īpašības, izmantojot mašīnmācīšanos. Saskarnes līmenī mēs pētām atomu mēroga savienošanas mehānismus un optimizējam saskarnes dizainu, izmantojot pirmo principu aprēķinus. Veiktspējas līmenī mēs izstrādājam vairāku mērogu simulācijas modeļus, lai prognozētu mehānisko uzvedību no nanomēroga līdz makromērogam. Sistēmas līmenī mēs precīzi saskaņojam materiāla īpašības ar klīniskajām prasībām.

Mēs esam izveidojuši kopīgas laboratorijas ar Metālu pētniecības institūtu, Ķīnas Zinātņu akadēmiju un Beihang universitāti, koncentrējoties uz formas atmiņas sakausējumu fundamentālajiem pētījumiem. Tikmēr mēs ieviešam materiāla genoma inženieriju, lai paātrinātu jaunu materiālu izstrādi, izmantojot augstas caurlaidības aprēķinus un eksperimentus, saīsinot pētniecības un attīstības ciklu no tradicionālajiem 6–10 gadiem līdz 3–4 gadiem.

Nākotnes perspektīva

Medicīniskie materiāli attīstīsies uz intelektu, funkcionalitāti un biomimikriju. Mēs izstrādājam uz stimuliem reaģējošus viedos materiālus, kuru mehāniskās īpašības pielāgojas ķermeņa temperatūrai, pH vērtībai vai elektriskajiem laukiem, nodrošinot reāllaika intraoperatīvās stīvuma regulēšanu. Pašārstējošie kompozītmateriāli tiek izstrādāti, lai pēc mikroplaisu noteikšanas automātiski atbrīvotu remonta līdzekļus, tādējādi pagarinot kalpošanas laiku. Bioabsorbējamie magnija sakausējumi tiek pētīti, lai nodrošinātu drošu noārdīšanos 9–12 mēnešu laikā pēc ierīces funkciju pabeigšanas.

Lai veicinātu endotēlija šūnu adhēziju un samazinātu trombozes risku, līdz 2027. gadam mēs laidīsim klajā audiem adaptīvas viedās vārpstas ar virsmas modificētiem ekstracelulārās matricas proteīniem (piemēram, fibronektīnu, laminīnu). Ilgtermiņā 4D drukātie aktīvie materiāli kļūs par realitāti. Šādi materiāli ne tikai reaģē uz ārējiem stimuliem, bet arī veic bioloģisko signālu saziņu ar apkārtējiem audiem, lai panāktu patiesu bioloģisko integrāciju, radot jaunus ceļus pastāvīgām implantējamām ierīcēm.