3D-печать может сделать более экономичным изготовление стентов для артерий

Статья об исследовании опубликована в научном журнале Journal of Alloys and Compounds издательства Elsevier (Q1).

В научной работе под руководством заведующей лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Екатерины Марченко принимали участие старшие научные сотрудники лаборатории Юрий Ясенчук и Гульшарат Байгонакова и младший научный сотрудник Ксения Турова. Исследования проводятся в рамках государственного задания Министерства науки и высшего образования Российской Федерации № FSWM-2025-0009.

Стенты для подколенных артерий, в отличие от расширителей для ряда других сосудов и органов, могут быть изготовлены только из никелида титана. Его сверхластичность позволяет выдерживать миллионы циклов деформации растяжением и изгибом в коррозионно-активной среде кровеносного русла.

В настоящее время заготовки таких стентов вырезают лазером из массивных заготовок NiTi, полученных с применением термомеханической обработки – прокатки и ротационной ковки. Это обеспечивает хорошую внутреннюю структуру и физико-механические свойства, а последующая магнитоэлектрополировка делает поверхность стентов гладкой.

– Однако эти методы крайне неэффективны с точки зрения экономики, – поясняет заведующая лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Екатерина Марченко. – При использовании массива сплава для стентов до 90 % материала идет в отходы. Поэтому производители нацелены на то, чтобы развивать методы более экономичной лазерной наплавки. К таким методам можно отнести 3D-печать на основе SLM с локализованной подачей порошка NiTi в область воздействия лазерного луча. Исследований с использованием этого метода мало даже в масштабах мировой науки, поэтому результаты, полученные коллективом нашей лаборатории, актуальны.



Заведующая лабораторией медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Екатерина Марченко

Сотрудники лаборатории изучили механические свойства тонкостенных конструкций, изготовленных методом лазерной наплавки порошка TiNi, с внутренней ячеистой структурой. Ячеистое заполнение, подобное пчелиным сотам, позволяет достичь баланса между прочностными характеристиками и экономией дорогостоящего материала. Исследования модельных тонкостенных ячеистых каркасов из SLM-NiTi сплава проходили совместно с лабораторией аддитивного производства НИТУ МИСИС. Ее заведующий Станислав Чернышихин изготовил образцы методом SLM, а в ТГУ определяли сверхэластические свойства на машине циклического растяжения.

Эксперименты проходили в два этапа. Сначала ученые испытали на растяжение до разрыва пять образцов, полученных в разных режимах SLM. Режимы отличались скоростью сканирования лазерного луча – от 400 до 800 мм/с. На этом этапе была определена максимальная деформация образцов до разрушения и их пределы растяжения для циклических испытаний. Затем в результате циклических испытаний физики СФТИ определили оптимальные параметры лазерного воздействия, обеспечивающие минимальную остаточную деформацию при циклическом растяжении модельных конструкций.

– Мы обнаружили, что при промежуточной скорости сканирования лазерного луча 600 мм/с благодаря сбалансированному фазовому составу и низкой дефектности микроструктуры достигнута максимальная деформация около 8,5 %, свойственная биологическим тканям, и наилучшая сверхэластичность. При этом все образцы продемонстрировали полностью обратимую деформацию, что делает их пригодными для длительной работы в кровеносных сосудах. Это очень хороший признак – с учетом дальнейших исследований и совершенствования технологического процесса, свойства таких конструкций вполне приемлемы для биомедицинского применения, – говорит старший научный сотрудник лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ Юрий Ясенчук.



Стенты для артерий из NiTi

Исследователи отмечают, что конструкции SLM-NiTi имеют более шероховатую поверхность из-за особенностей процесса лазерной сварки. Однако даже с учетом дополнительной бесконтактной лазерной постобработки технология 3D-печати на основе SLM выигрывает в материалоемкости, энергоемкости и себестоимости у применяемых в настоящее время технологических процессов.

– С развитием технологии SLM улучшится точность процесса, и это обязательно приблизит качество разрабатываемых изделий к существующим в настоящее время. Поэтому наши исследования весьма перспективны и находятся на передовом крае мировой науки, – резюмирует Юрий Ясенчук.

В планах научного коллектива – исследовать конструкции с увеличенным числом вертикальных связей, изготовленных при оптимизированных режимах SLM. Это позволит оценить вклад геометрического фактора в распределение напряжений и деформаций при сохранении неизменных параметров процесса.

Справка.

В Томском государственном университете сформирована одна из сильнейших в России школ по созданию медицинских материалов. Лаборатория медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы Сибирского физико-технического института ТГУ занимается медицинским материаловедением – разработкой и внедрением имплантатов из никелида титана и других материалов.

Так, ноу-хау материаловедов ТГУ – сверхэластичные и гиперупругие сетчатые имплантаты из тончайшей никелид-титановой проволоки диаметром 60–90 микрометров – предназначены для закрытия дефектов мягких тканей после различных повреждений, деформаций, возникающих из-за врожденных патологий либо травм.

Коллектив лаборатории медицинских сплавов и имплантатов с памятью формы СФТИ ТГУ

Источник: Новости ТГУ