Ученые из МФТИ, Института сильноточной электроники СО РАН, Томского политехнического университета и Медицинского исследовательского центра им. академика Е.Н. Мешалкина разработали защитное покрытие для изделий из никелида титана.
Новое покрытие с добавкой титана повышает коррозионную стойкость материала основы (TiNi) и имеет высокую прочность сцепления с подложкой. В перспективе такое покрытие позволит увеличить срок работы медицинских изделий, выполненных из никелида титана. Работа опубликована в журнале Surface & Coatings Technology. Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-15-20002).
Никелид титана, или нитинол (TiNi),— сплав из никеля и титана, который обладает эффектом памяти формы, сверхэластичностью и выдерживает значительные обратимые деформации. Благодаря этим свойствам он находит применение в сердечно-сосудистых стентах, ортопедических имплантатах и эндопротезах.
Одна из проблем этого материала заключается в большом количестве никеля (около 50 ат.%). В нормальных условиях поверхность сплава защищена естественным оксидным слоем, преимущественно состоящим из TiO₂. Однако при его повреждении или в результате биокоррозии токсичные ионы никеля могут высвободиться в окружающую среду. Для длительно работающих имплантатов это принципиальная проблема, поскольку ионы никеля могут вызывать неблагоприятные биологические реакции.
Чтобы снизить этот риск, изделия из нитинола покрывают защитным слоем. Покрытие должно одновременно изолировать материал от физиологической среды, быть устойчивым к коррозии, не отслаиваться при деформации изделия и обладать достаточной твердостью и износостойкостью. Для решения этих задач группа российских ученых из Института сильноточной электроники СО РАН (Томск) разработала аморфное углеродное покрытие, содержащее только биосовместимые элементы: кислород, водород, углерод, кремний и титан.
«Предварительные эксперименты показали, что такое покрытие абсолютно устойчиво к физиологическим растворам и способно выдерживать значительные механические нагрузки без разрушения или отслоения. При этом на реальных медицинских сплавах, например на TiNi, его не испытывали, что и мотивировало нас с коллегами провести исследование»,— рассказал Виктор Семин, старший научный сотрудник лаборатории топологических квантовых явлений в сверхпроводящих системах МФТИ.
Ученые протестировали разработанное аморфное углерод-кремний-кислородное покрытие (a-C:H:SiOₓ), легированное небольшим количеством титана. Они провели эксперименты по оценке влияния малых концентраций титана —0,6–3,7 ат.% — на свойства такого покрытия, нанесенного на сверхэластичный сплав никелида титана. Затем изучили четыре взаимосвязанные группы характеристик: структурные (ближний порядок в расположении атомов), механические (твердость и модуль Юнга), адгезионные (прочность сцепления) и электрохимические (плотность тока коррозии, скорость коррозии). Исследователи рассмотрели разные составы с прицелом найти оптимальную композицию, обладающую наилучшим балансом физико-химических свойств.
«Мы легировали покрытие a-C:H:SiOx титаном в малых концентрациях (до 5 ат.%) для увеличения прочности сцепления с подложкой, повышая дополнительно коррозионные и трибологические свойства системы покрытие—подложка. Помимо этого технология нанесения a-C:H:SiOх (плазмохимическое осаждение) прекрасно адаптирована и отработана для формирования довольно толстых и бездефектных покрытий, что позволит покрывать медицинские изделия самой сложной геометрии. К тому же покрытие a-C:H:SiOх не подвержено коррозионному износу в лабораторных условиях и, что немаловажно, обладает низким коэффициентом трения»,— пояснил Виктор Семин.
Лучший результат показало покрытие с содержанием титана 1,8 ат.%. При таком составе стойкость к коррозии по сравнению с чистым нитинолом увеличилась в девять раз, твердость поверхности увеличилась почти в три раза, а само покрытие не отслаивалось даже при максимальной нагрузке на индентор (28 Н) при скретч-тестировании.
По словам ученых, главную роль сыграл не сам эффект легирования титаном, а подбор его оптимальной концентрации. При 1,8 ат.% Ti аморфная структура покрытия становится более плотной и стабильной. Результаты показали, что с увеличением доли титана до 3,7 ат.% антикоррозионные свойства ухудшались. Исследователи предполагают, что этот эффект связан с изменением электрической проводимости покрытия при более высокой концентрации титана.
«Очень важным результатом стала высокая адгезионная прочность сцепления a-C:Hₓ-покрытия, легированного титаном, с TiNi-подложкой. На наш взгляд, это достигается благодаря повышению механической совместимости между покрытием и подложкой, формированию прочных и бездефектных интерфейсов и стабилизации аморфной структуры. Оценки скорости коррозии показали, что покрытие, содержащее лишь 1,8 ат.%, обладает самой высокой коррозионной стойкостью, превосходя по этому показателю сплавы никелида титана почти на порядок»,— отметил Виктор Семин.
Результаты работы могут быть полезны для повышения долговечности миниатюрных сердечно-сосудистых стентов и других имплантируемых устройств из нитинола.
«Пока неясным остается вопрос об усталостной долговечности наших покрытий. Для того чтобы имплантат из TiNi прослужил 10 лет, подвергаясь механическим воздействиям со стороны мягких тканей, его ресурс работы должен быть не меньше 100 млн циклов. Такие показатели, к сожалению, пока представляются недостижимыми, но исследования усталостных характеристик образцов a-C:H:SiOх покрытие—TiNi подложка в условиях реальных биологических сред у нас запланированы на будущий год»,— добавил Виктор Семин.
Исследование выполнено при поддержке Российского научного фонда (проект № 25-15-20002).
Научная статья: T. D. Dzhambulova, A. S. Grenadyorov, N. E. Madzhara, O. S. Korneva, D. A. Zuza, A. A. Solovyev, M. O. Zhulkov, D. A. Sirota, V. O. Semin. Structure, mechanical, adhesive and corrosion protection properties of Ti-Doped a-C:H:SiOx coatings on NiTi shape memory alloy for potential biomedical applications. Surface and Coatings Technology, Volume 533, 2026.
DOI: https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2026.133644
