Исследователи из Томского государственного университета (ТГУ) вместе с коллегами из японского Университета Токай выяснили, как нагрев на воздухе меняет поверхность никелида титана (TiNi) — это сплав с эффектом памяти формы, который используется в медизделиях. Они доказали: у таких материалов надо контролировать не только оксидную пленку, а весь поверхностный слой — его химсостав, рельеф и фазовое распределение. В частности, при нагреве до 450—500°С поверхность сплава становится более однородной.
По словам исполнителя проекта, младшего научного сотрудника лаборатории медицинского материаловедения, аспиранта физического факультета ТГУ Елены Большевич, никелид титана востребован в медицине за сверхэластичность и память формы: он деформируется, но возвращается к заданной форме при нагрузках. Однако важны не только его механические свойства, но и поверхность, контактирующая с организмом.
«Даже если материал обладает хорошими механическими свойствами, его долговременная работа во многом зависит от состояния поверхностного слоя, — пояснила она. — У сплавов на основе TiNi на поверхности формируется естественный пассивный оксидный слой, но его свойства не всегда оптимальны. Термическая обработка на воздухе позволяет направленно модифицировать этот слой: управлять его однородностью, рельефом и фазовым составом — то есть теми характеристиками, которые важны при контакте с физиологической средой».
В ходе эксперимента исследователи обработали образцы литого TiNi в нескольких температурных режимах и проследили, как нагрев меняет поверхность. Они изучили ее внешний вид, микрорельеф, элементный состав и фазовое строение оксидного слоя.
Выяснилось, что чем выше поднималась температура, тем сильнее окислялась поверхность сплава, но это не улучшало его свойств. Умеренный нагрев давал более благоприятное состояние поверхности, а интенсивный — более выраженный и неоднородный рельеф. Поэтому при выборе режима нельзя опираться только на степень окисления — подчеркивает команда проекта.
«Можно было бы ожидать, что чем больше оксида образуется на поверхности, тем лучше будет защитный эффект. Но наши результаты показывают более сложную картину: важна не только степень окисления, но и то, как устроен сформировавшийся слой», — пояснила Елена Большевич.
Отдельное внимание ученые уделили фазовому составу оксидного слоя. Дело в том, что на поверхности TiNi могут образовываться разные формы диоксида титана (TiO₂), в том числе анатаз и рутил. Рамановская спектроскопия показала: с повышением температуры, при нагреве до 500°C, в оксидном слое начинает преобладать рутил — наиболее стабильная форма диоксида титана. Это делает поверхность более однородной по фазовому составу.
Полученные результаты позволяют выбирать режимы термообработки никелида титана таким образом, чтобы в итоге получать не случайную, а предсказуемую и стабильную поверхность с преобладанием рутила. Именно такая поверхность устойчива при контакте с физиологической средой — а это критически важно для имплантов и других биомедицинских изделий, которые находятся в организме длительное время.
Результаты исследования опубликованы в журнале Surface and Interfaces (Q1).
Проект реализуется в рамках программы Минобрнауки России «Приоритет-2030» (нацпроект «Молодежь и дети»).
Фото предоставлено лабораторией ТГУ
