Влияние добавления Ti на микроструктуру и механические свойства сплава Co–Cr–Mo, полученного методом аддитивного производства порошковых металлов с микро-плазменной дугой

Более прочные металлы для долговечных колен

Когда нам устанавливают имплантат коленного сустава, мы рассчитываем, что он будет нести наш вес день за днем в течение многих лет. Тем не менее реальные имплантаты со временем могут изнашиваться, расшатываться или трескаться. В этом исследовании изучается способ сделать один из широко используемых имплантационных металлов не только прочнее и более вязким, но и более биосовместимым — путем добавления небольшого количества титана и изготовления его с помощью точного процесса, похожего на 3D-печать.

Почему обычный имплантационный металл требует улучшений

Современные искусственные колени часто изготавливают из сплава кобальт–хром–молибден, выбранного за устойчивость к коррозии в организме и за прочность при постоянном трении в суставе. Однако этот сплав очень жесткий, что может перераспределять нагрузки от кости и со временем ослаблять её, а также он может образовывать мелкие поры и трещины, укорачивающие срок службы имплантата. Титан и его сплавы более благоприятны для кости и легче по массе, но хуже сопротивляются износу. Авторы поставили цель объединить лучшие качества обоих материалов, добавив всего 4 процента титана по массе к смеси Co–Cr–Mo и изготовив сплав с помощью микро-плазменного дугового аддитивного производства порошковых металлов — тонкомасштабного метода 3D-печати металла.

Печать нового типа металлического материала для колена

Вместо литья или лазерного плавления сплава в массе исследователи использовали самодельный пятикоординатный станок, подающий металлические порошки в крошечный плазменный факел и наносивший материал послойно. Сначала они смешали высокочистые порошки кобальта, хрома, молибдена и, для новой версии, титана, затем просушили их и нанесли восемь уложенных слоев на титановую подложку. Из этих наслоений вырезали мелкие образцы для измерения плотности, пористости, твердости и механического поведения при растяжении, сжатии и изгибе. Также образцы полировали и химически травили, чтобы исследовать внутреннюю структуру металла под мощными микроскопами и идентифицировать присутствующие кристаллические фазы.

Что происходит внутри при добавлении титана

В исходном сплаве исследователи наблюдали кобальт-обогащённую структуру с двумя основными кристаллическими формами, а также твёрдые карбиды хрома и мелкие трещины, связанные с пустотами. При добавлении титана зерна внутри металла стали мельче, а количество микротрещин уменьшилось. Появились новые регионы, содержащие титан, включая фазу, стабильную при высокой температуре, и кобальт-титановые соединения, действующие как твёрдые упрочняющие частицы. Одновременно общая пористость снизилась, а плотность немного уменьшилась, поскольку титан легче кобальта, хрома и молибдена. Защитная плёнка оксида титана также помогла ограничить дальнейшее окисление, что дополнительно уменьшило образование пор.

От микроструктуры к прочности в реальных условиях

Эти внутренние изменения сказались на эксплуатационных характеристиках. Модифицированный титаном сплав показал более высокие значения твердости, что указывает на повышенную сопротивляемость вдавливанию и износу. В испытаниях на растяжение он обладал более высоким пределом текучести и прочностью при разрыве, при этом также удлинялся больше перед разрушением — то есть стал одновременно прочнее и более пластичным. При сжатии новый сплав выдерживал большие нагрузки и демонстрировал большее увеличение поперечного сечения, что указывает на способность поглощать больше энергии без разрушения. Испытания на трехточечный изгиб, имитирующие внеплоскостную нагрузку, которой могут подвергаться имплантаты, также показали преимущество версии с титаном: более высокая изгибная прочность и большее угол изгиба до разрушения. Сочетание более мелких зерен, меньшей пористости и твёрдых кобальт–титановых частиц совместно препятствовало малым смещениям в кристаллической решётке, ведущим к пластической деформации и росту трещин.

Что это означает для будущих имплантатов колена

В целом добавление небольшого количества титана и формообразование сплава методом микро-плазменного аддитивного производства привели к металлу, который стал легче, менее пористым, твёрже и механически превосходнее при растяжении, сжатии и изгибе по сравнению со стандартным сплавом Co–Cr–Mo. Поскольку он стал немного менее жёстким и более прощающим при нагрузке, это должно уменьшить несоответствие жёсткости между металлом и костью, ослабляя проблему так называемого «защиты от нагрузки» (stress shielding). Хотя требуются дальнейшие биологические и долговременные исследования, работа показывает, что тщательно подобранные добавки титана и современные методы 3D-печати металлов могут привести к имплантатам коленного сустава, которые служат дольше, реже выходят из строя и ощущаются пациентами более естественно.

Цитирование: Negi, B.S., Arya, P.K., Jain, N.K. et al. Effect of Ti addition on microstructure and mechanical properties of Co–Cr–Mo alloy developed by µ-plasma arc metal powder additive manufacturing process. Sci Rep 16, 7308 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35741-w

Ключевые слова: имплантаты коленного сустава, кобальт-хромовый сплав, армирование титаном, аддитивное производство, биомедицинские материалы