Томские ученые разработали композит для аддитивного производства медицинских изделий

Благодаря исследованию, проведенному сотрудниками Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), удалось выявить наиболее эффективный с точки зрения сохранения механических и триботехнических свойств композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена. Статья о работе вышла в журнале Advanced Industrial and Engineering Polymer Research.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ) сегодня активно используется в различных отраслях промышленности. Этот материал нетоксичен, обладает простым химическим составом и структурой, низким уровнем водопоглощения. Он устойчив к химическим воздействиям, а также к ионизирующему излучению. СВМПЭ демонстрирует низкий коэффициент трения по отношению к стали, износостойкость и хорошую ударную вязкость, что делает его востребованным в биомедицине. Превосходные характеристики несущей способности позволяют использовать материал при производстве эндопротезов суставов в парах трения с металлическими или керамическими элементами.

Чаще всего сверхвысокомолекулярный полиэтилен изготавливается в непрерывных реакторах с мешалкой при содействии гетерогенных катализаторов. При молекулярной массе от трех до девяти углеродных единиц СВМПЭ обладает чрезвычайно высокой вязкостью расплава и не течет при нагревании, поэтому он непригоден для переработки стандартными для полимеров методами, такими как литье под давлением или шнековая экструзия. В случае с последней, к примеру, форма готовых изделий создается в специальной машине, экструдере, путем продавливания расплава полимера через формирующую головку, но вязкость сверхвысокомолекулярного полиэтилена не позволяет ему принять заданные пропорции. Чтобы избавиться от этой особенности материала, ученые исследовали возможность введения пластифицирующих компонентов: полипропилена, полиэтиленгликоля, альфа-токоферола (витамина Е) и некоторых других. Оказалось, что такое решение позволяет улучшить не только технологичность, но и противоизносные, а также связанные с текучестью реологические свойства СВМПЭ, сохраняя на высоком уровне стойкость к истиранию. Тем не менее любой из пластификаторов в той или иной мере способствует ухудшению механических (плотность, твердость, сопротивление деформации) и трибологических (показатели износа при взаимодействии с твердыми телами) характеристик композитов на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена, а также отрицательно сказывается на структуре материала.

По словам заведующего лабораторией механики полимерных композиционных материалов, главного научного сотрудника ИФПМ СО РАН профессора Томского политехнического университета, доктора технических наук Сергея Викторовича Панина, в сравнении со всеми опробованными учеными наполнителями-пластификаторами СВМПЭ ряд преимуществ имеет изотактический полипропилен. Он биоинертен, устойчив к высоким температурам и агрессивным средам, обладает отличными показателями прочности и плотности, а также низким уровнем водопоглощения, благодаря чему широко используется в медицинской и фармацевтической областях. Из неполярного полипропилена изготавливают шприцы, оборудование для капельниц, детали для ингаляторов и так далее. 

«Для медицинских приложений, в частности биотрибоузлов, композит из сверхвысокомолекулярного полиэтилена и полипропилена способен решить проблему повышения износостойкости полимерной чашки эндопротеза сустава, он также поможет в изготовлении изделий сложной внутренней геометрии и формы методом 3D-печати за счет изменения ее параметров, состава расходного материала и плотности слоев для формирования оптимальной структуры», — отмечает Сергей Викторович. Однако СВМПЭ и ПП являются несовместимыми полимерами, поэтому получение композитов из их смеси представляет проблему, которую нужно было решить.

Основной задачей для исследователей ИФПМ СО РАН стал выбор оптимального состава композиции, который позволил бы использовать ее в качестве сырья для 3D-печати трибоузлов в ортопедии. Отдельное внимание было уделено определению допустимых нагрузочно-скоростных параметров как при сухом трении скольжения, так и в условиях граничной смазки. 

Композиты на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена изготавливались тремя методами. Первый из них заключался в смешении порошков в различных пропорциях для изготовления образцов с помощью компрессионного спекания. Работы проводились в планетарной шаровой мельнице с предварительным диспергированием (измельчением) компонентов в среде этанола. Второй метод позволил повысить эффективность совмещения мелких частиц СВМПЭ с более крупными частицами пластификатора. Ученые провели их смешение в двухшнековом экструдере, а затем путем механического помола получили гранулы со средним размером 3—5 мм. Последние были задействованы для изготовления объемных заготовок посредством горячего прессования. Третий метод состоял в использовании этих же гранул для 3D-печати на лабораторном принтере. 

По словам Сергея Панина, СВМПЭ-композиты, полученные методами компрессионного спекания и послойной печати, по трибомеханическим свойствам (износостойкости, коэффициенту трения, упругости и пределу текучести) превзошли материалы, изготовленные горячим прессованием порошков полимерных смесей. Это было обусловлено равномерным распределением полипропилена и формированием более однородной надмолекулярной структуры композита. 

Самым эффективным составом с точки зрения сохранения триботехнических и механических характеристик, а также получения необходимой текучести расплава оказался композит «СВМПЭ+20 вес. % ПП». Именно его томские ученые рекомендуют к использованию в качестве сырья для аддитивного производства изделий сложной формы. Этот материал, полученный методом 3D-печати, может применяться в широком интервале нагрузок (от 60 до 140 Н) и скоростей скольжения (от 0,3 до 0,5 м/с) в условиях сухого трения или в смазочной среде.

Разработанный исследователями ИФПМ СО РАН вид двухкомпонентного сырья отлично подходит для 3D-печати. Он позволит получать элементы суставов любой формы для узлов трения в ортопедии. Однако полимер-полимерный композит на основе сверхвысокомолекулярного полиэтилена с содержанием 20 % полипропилена может быть использован и для стандартных способов переработки, в частности методом двухшнековой экструзии, что приведет к значительному сокращению энергетических затрат. При этом трибомеханические свойства композитов останутся на уровне ненаполненного СВМПЭ. Благодаря этому «СВМПЭ+20 вес.% ПП» найдет применение в нефтегазовой, химической промышленности и в качестве основы для получения других экструдируемых, многокомпонентных, высокопрочных и износостойких композитов.

Дмитрий Медведев, студент отделения журналистики ГИ НГУ

Фото предоставлено исследователем