Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время при лечении заболеваний и дефектов опорно-двигательной системы широко используются титановые имплантаты, на поверхность которых наносят пористые кальций-фосфатные (Са-Р) покрытия, что позволяет существенно улучшить биологические свойства имплантатов. Существуют разнообразные методы нанесения Са-Р - покрытий на металлические имплантаты. Микродуговое оксидирование является одним из перспективных методов поверхностного упрочнения деталей и позволяет формировать на поверхности принципиально новые высококачественные покрытия с высокой износостойкостью и прочностью сцепления к основе. Фазовый состав Са-Р покрытий должен быть аналогичен минеральному составу костной ткани, что непосредственно связано с областью их применения. Микродуговое оксидирование позволяет удовлетворить этим требованиям. Но вследствие сложности этой технологии требуется специальное исследование ее возможностей. Наносимые Са-Р покрытия являются многофазными и многокомпонентными системами. Их свойства, например, коэффициенты диффузии элементов в различных фазах, слабо изучены. В живом организме в ходе "приработки" имплантатов наряду с процессом костеобразования протекают процессы биодеградации Са-Р покрытий, заключающиеся, прежде всего, в растворении покрытий в биологических жидкостях. Известно, что в зависимости от физико-химических параметров Са-Р покрытия характеризуются разной скоростью биодеградации. Однако динамика процессов биодеградации конкретных Са-Р покрытий во многом остается неясной и является предметом исследований. Основными причинами использования математического моделирования в этой области являются недостаточная воспроизводимость результатов и высокая стоимость проведения эксперимента на живых системах, а также трудоемкость лабораторных и экспериментальных исследований.
Цель работы: Теоретическое изучение процесса нанесения кальций фосфатных покрытий методом микродугового оксидирования и процесса взаимодействия таких покрытий с биологической жидкостью. Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:
Построить модель, позволяющую исследовать диффузионные процессы в электролитической ванне при нанесении Са-Р покрытия микродуговым методом;
Теоретически исследовать динамику изменения механических напряжешш в системе «растущее покрытие - плоская подложка»;
Сформулировать и исследовать математическую модель растворения Са-Р образца в физиологическом растворе с учетом структурных особенностей и внутренних механических напряжений.
Научная новизна работы:
В работе впервые сформулированы:
модель, описывающая одновременно протекающие химические и диффузионные процессы в электролитической ванне со взвешенными частицами, в титановой пластине и растущем покрытии при микродуговом оксидировании;
модель разложения частиц природного фосфата в электромагнитном поле;
модели диффузионного взаимодействия имплантатов с многослойными покрытиями и структурно-неоднородных фосфатов с биологическими жидкостями.
Все представленные в работе модели, результаты их исследования и выводы являются новыми.
Теоретическая и практическая значимость работы заключается в установлении новых знаний о процессах, происходящих в электролитической ванне при микродуговом оксидировании, в установлении закономерностей нелинейных явлений, сопровождающих растворение фосфатов и в выработке рекомендаций для дальнейших теоретических и экспериментальных исследований.
Достоверность результатов подтверждается тщательным тестированием программ, сравнением численных результатов с точными аналитическими решениями в различных предельных случаях, непротиворечивостью получаемых результатов и сравнением выводов теории с данными эксперимента.
Личный вклад автора заключался в анализе литературных данных, написании и отладке программ, численном исследовании сформулированных частных задач, обсуждении полученных результатов, формулировании основных научных положений и выводов. Все работы, опубликованные в соавторстве, выполнены при личном участии автора.
На защиту выносятся:
Модель и результаты теоретического исследования диффузионных и химических процессов в электролитической ванне при нанесении кальций-фосфатных покрытий на титановую пластину микродуговым методом, в том числе, результаты исследования влияния технологических параметров на процессы в электролитической ванне;
Результаты исследования .эволюции механических напряжений в системе «растущее покрытие - плоская подложка» в процессе нанесения покрытия методом микродугового оксидирования; выявление основных параметров, отвечающих за динамику роста механических напряжений;
3. Результаты исследования эволюции состава многослойных покрытий и состава фи
зиологического раствора в условиях-, моделирующих цикличность процессов в жи
вом организме;
4. Модели растворения Са-Р образца в биологических жидкостях и результаты ее ис
следования, позволившие предложить способ оценки, эффективного коэффициента
диффузии элементов в пористом образце на основе данных эксперимента по со
держанию элементов в растворе и проанализировать зависимость времени разру
шения структурных элементов от физических и геометрических параметров.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладыва
лись и обсуждались на 15 конференциях различного ранга: Международной конфе
ренции по физической мезомеханике, компьютерному конструированию и разработке
новых материалов (г. Томск, 2004, 2006, 2009); Международной конференции «Физи-
ко - химические процессы в неорганических материалах» (г. Кемерово, 2004); Треть
ей Всероссийской конференции молодых ученых «Фундаментальные проблемы но
вых технологий в 3-м тысячелетии» в рамках Российского научного форума с между
народным участием. Демидовские чтения (г. Томск, 2006); Российской школе-
конференции молодых ученых и преподавателей «Биосовместимые наноструктурные
материалы и покрытия медицинского назначения» (г. Белгород, 2006); XVI Interna
tional Conference on Chemical Thermodynamics in Russia RCCT-2007 (Suzdal, 2007); II
Всероссийской конференции по наноматериалам и IV Международном семинаре
«Наноструктурные материалы - 2007 Беларусь-Россия» (г. Новосибирск, 2007); XII
Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и моло-
дых ученых «Современная техника и технологии» (г. Томск, 2007); III Всероссийской конференции молодых ученых «Физика и химия высокоэнергетических систем» (г. Томск, 2007); V Всероссийской конференции «Механика микронеоднородных материалов и разрушение» (г. Екатеринбург, 2008); V Международной конференции студентов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук» (г.Томск, 2008); 3-ей Всероссийской конференции с участием зарубежных ученых «Задачи со свободными границами: теория, эксперимент и приложения» (г.Бийск, 2008); Международной школе-семинаре «Многоуровневые подходы в физической мезомехани-ке. Фундаментальные основы и инженерные приложения» (г. Томск, 2008), VII Всероссийской конференции молодых ученых «Проблемы механики: теория, эксперимент и новые технологии» (г. Новосибирск, 2009).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 21 научная работа, в том числе 6 статей в рецензируемых журналах из перечня ВАК.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, 4 разделов, заключения, списка литературы из 97 наименований и трех приложений, содержит 61 рисунок, 7 таблиц. Общий объем диссертации 183 страницы.
