Научные сотрудники НИТУ МИСиС вместе с
учеными Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ провели на станции рентгеновского
рассеяния Xeuss 3.0 исследования биосовместимых полимерных материалов,
использующихся в эндопротезах, а также передовых углекомпозитов. Углепластиковый
композит известен своим применением в авиации, но он также находит применение в
создании экзопротезов – того, что обычно принято называть протезами. В рамках
этих работ ОИЯИ входит в коллаборацию создаваемой в НИТУ МИСиС Лаборатории
ускоренных частиц («ЛУЧ»).
Xeuss 3.0 служит специалистам НИТУ МИСиС для анализа
кристаллической и молекулярной структуры разрабатываемых новых материалов. По
словам заведующего кафедрой физической химии НИТУ МИСиС, заместителя
руководителя лаборатории «ЛУЧ» к. ф.-м. н. Алексея Салимона, для
исследования полимерных материалов лучше всего подходит именно малоугловое
рассеяние.
![1-5 (jpg, 364 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=c7e40957-68de-4e26-8b54-2af82390c7db)
Слева направо: участники исследования
материалов на Xeuss Алексей Салимон и Евгений Статник (Сколтех).
Чтобы обеспечить необходимый набор свойств
создаваемого материала, нужно правильно сформировать его структуру. Далее
следует этап испытания, в частности, в случае имплантологии – специальные
биологические тесты.
«Это всегда трудозатратный процесс
движения по кругу «структурные исследования – испытание свойств – применение»,
в котором вам приходится длительное время циркулировать для того, чтобы,
уточнив задачу, улучшить свойства материала», – рассказал ученый.
«Xeuss – уникальный инструмент именно
для структурных исследований», – отметил он, пояснив, что к работе на Xeuss его
научную группу привлекло такое преимущество, как малое пятно засветки, т. е.
исследуемой области интереса в объеме вещества. «Это очень острофокусный
инструмент, где размер пятна засветки на образце – не больше 100–150 микрон. На
большинстве лабораторных источников рентгеновского излучения вы не получите
такую разрешающую способность», – добавил ученый.
Острый фокус важен, поскольку, например, позволяет
исследовать тонкости распределения напряжений, в частности, при нагружении
сложных слоистых структур углекомпозитов.
Как известно, наиболее острофокусное рентгеновское
излучение дают синхротроны, однако это инструменты очень высокого класса и
стоимости, и их в мире немного.
«Современные лабораторные инструменты
класса Xeuss по ряду свойств в комплексе приближаются к синхротронам. Это
хорошая возможность восполнить зазор между сверхдорогими инструментами класса
мегасайенс и традиционными лабораторными», – сообщил Алексей Салимон.
![2-5 (jpg, 455 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=1732b1a3-bcdc-4f51-91a3-42afa5b29bc3)
Испытательное рамочное устройство в
рабочей камере Xeuss 3.0.
![3-5 (jpg, 339 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=05fb6583-ea56-4cdd-a489-1746bcbe0994)
Станция рентгеновского рассеяния Xeuss
3.0.
Для моделирования механических нагрузок образцов
углекомпозитов было создано специальное рамочное испытательное устройство.
Небольшую балку, вырезанную из углекомпозита, фиксируют в устройстве между
двумя упорами и, установив в рабочую камеру Xeuss, нагружают, сдвигая упоры
друг к другу. В результате в режиме реального времени можно отследить, как
именно происходит разрыв, какое усилие нужно приложить для этого и как это
связано с внутренней структурой.
Разрыв
углекомпозитной балки в испытательном рамочном устройстве в камере Xeuss 3.0
(видео) →
Инновационный материал для эндопротезов на основе
сверхвысокомолекулярного полиэтилена (СВМПЭ) сочетает в себе три слоя:
сплошной, имитирующий скользкий и гладкий хрящ, пористый СВМПЭ, имитирующий
губчатую костную ткань и пористый коллаген. Воспроизвести в точности сложные
ткани человеческого организма очень трудно, поэтому композитные, гибридные
материалы в биоинженерии – наиболее частое решение.
«Наши материалы для тазобедренных и
коленных суставов находятся на стадии доклинических испытаний. В эндопротезе
тазобедренного сустава используется уникальное свойство полимеров – низкий
коэффициент трения и высокая износостойкость», – отметил Алексей
Салимон.
Он рассказал, что разработанный материал позволяет
проводить работу как по созданию искусственных суставов, так и по реконструкции
непосредственно опорных костей. При поражении онкологическими заболеваниями,
чтобы сохранить конечность, возможно заменять большие фрагменты бедренной либо
берцовых костей ноги, локтевой, плечевой костей руки и других крупных костей.
Научно-образовательный центр «Биоинженерия» в МИСиС показал это в ветеринарии,
в операциях на домашних питомцах – для животных намного проще получить разрешение
на применение при операции: достаточно расписки со стороны хозяина – согласия в
использовании инновационного решения.
Сверхвысокомолекулярный полиэтилен используется в
хирургии достаточно давно.
«Мы расширяем и улучшаем стандартные
марки таких полимеров и придаем им особые свойства. В частности, для чашки
тазобедренного сустава в НИТУ МИСиС смогли существенно снизить коэффициент
трения и повысить износостойкость за счет использования углеродных нанотрубок»,
– рассказал ученый.
![4-5 (jpg, 414 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=fa900a23-6df2-43cf-9d21-912ec53c4e0e)
Анализ структурных исследований
углекомпозитов.
Помимо малоуглового рентгеновского рассеяния на
Xeuss, ученые МИСиС используют и другие методы структурного анализа: пустоты,
несплошности, дефекты отслеживаются с помощью томографии в Институте порошковой
металлургии имени академика О. В. Романа, химические состояния атомов в образце
с высокой точностью уточняются методом EXAFS Extended X-ray Absorption Fine
Structure (тонкая структура края поглощения различных элементов).
Биосовместимость и другие интересные свойства
материалов будущего активно находят применение в челюстно-лицевой хирургии.
Партнеры МИСиС из НИИ неотложной детской хирургии и травматологии используют
такие материалы в задачах по реконструкции свода черепа после операций по
врачеванию черепно-мозговых травм.
«В современную эпоху, если после
черепно-мозговой травмы начинается отек мозга, хирургам необходимо снять от
трети до половины площади черепа пациента, которую приходится потом закрывать.
И одно из решений здесь – это использование сложной титанополимерной
конструкции, где полимером является тот, который мы разрабатываем», –
сказал Алексей Салимон.
Проделанную работу прокомментировала
старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ, к. ф.-м. н. Юлия Горшкова: «В
2022 году мы с командой МИСиС проводили на Xeuss 3.0 «пристрелочные»
эксперименты по тематике биосовместимых полимерных материалов и передовых
углекомпозитов. Фактически это были пусконаладочные работы на установке. На
этом этапе нам самим было важно определить предельные возможности прибора.
Однако полученные результаты оказались впечатляющими, что позволило их включить
в совместную
публикацию».
Юлия Горшкова сообщила,
что 15 февраля станция Xeuss 3.0 была официально введена в эксплуатацию.
«Уже сегодня у нас есть планы по
дальнейшему развитию взаимовыгодного сотрудничества с командой профессора
Александра Корсунского на регулярной основе. Это как раз тот случай, когда и
нам есть что предложить, и есть самим чему поучиться у коллег», – отметила она.
![-5-5 (jpg, 442 Kб)](/FStorage/Download.aspx?id=98708fb0-60e7-4896-987c-fb9fd3627673)
Старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ, к.
ф.-м. н. Юлия Горшкова.
Справочно
Xeuss 3.0 реализует метод малоуглового (SAXS) и
широкоугольного (WAXS) рентгеновского рассеяния и дает возможность осуществлять
их за один проход, экономя время для исследований. Жидкости и аморфные тела,
поликристаллические и пористые вещества, сплавы, порошки также могут быть
изучены методом WAXS (Wide-Angle X-Ray Scattering). На приборе можно в режиме
реального времени исследовать структуру материалов и наноматериалов от атомного
до наноразмерного масштаба.
Среди других участников коллаборации «ЛУЧ» – Сколтех,
Институт порошковой металлургии имени академика О. В. Романа (Беларусь), Отдел
электромагнитных процессов и взаимодействия атомных ядер НИИЯФ МГУ им.
Скобельцына, Технологический институт сверхтвердых и новых углеродных
материалов (ТИСНУМ) и Лаборатория рентгеновской оптики ФИАН им. А. Н. Лебедева.
Источник: ОИЯИ.