Ученые Пермского Политеха улучшили процесс проектирования биоразлагаемых костных имплантатов

Трансплантация костной ткани занимает второе место в мире среди операций по протезированию. В настоящее время один из наиболее перспективных подходов — регенеративная медицина, которая включает в себя восстановление костных тканей с использованием биоразлагаемых полимерных каркасов (скаффолдов). Такой подход особенно востребован в ортопедии, травматологии, хирургии, стоматологии и нейроонкологии. После имплантации каркасы напрямую взаимодействуют с окружающими тканями и находятся в физиологической среде, что приводит к их постепенному разложению. От особенностей структуры таких биомедицинских конструкций зависит скорость их разрушения, что необходимо учитывать для корректного процесса их эксплуатации. Ученые Пермского Политеха провели экспериментальные исследования поведения таких имплантатов при воздействии физиологических сред, чтобы повысить точность и эффективность их проектирования.

Статья опубликована в журнале «Polymers» № 16 за 2024 год. Исследование выполнено в рамках государственного задания Минобрнауки РФ на выполнение фундаментальных научных исследований.

Аддитивные технологии открывают новые возможности для создания биосовместимых имплантатов, которые требуются для восстановления целостности и первоначальных свойств поврежденной костной ткани пациента. Полимерные материалы считаются наиболее перспективными для их изготовления, потому что имеют необходимые характеристики биосовместимости и способности к постепенному растворению.

Имплантат, находясь в длительном контакте со средой в человеческом теле, должен обладать достаточной механической прочностью. Пористые структуры — скаффолды — за счет поддержки окружающих тканей позволяют ускорить процесс регенерации. После вживления на внутренней поверхности полимерного имплантата начинает формироваться костная ткань, а он сам постепенно деградирует. Для успешной реабилитации важно, чтобы скорость этих процессов была сопоставима друг с другом.

Этот процесс зависит от биохимических свойств материала, внутренней структуры каркаса и его условий нагружения. Из-за того, что имплантаты обладают сложной архитектурой, которая разрабатывается под индивидуальные особенности конкретного пациента, скорость разложения для разных имплантатов будет сильно отличаться. Чтобы изготовить качественный протез, необходимо прогнозировать процесс еще на этапе проектирования.

Ученые Пермского Политеха совместно с коллегами из Донского государственного технического университета исследовали цельные образцы из полимерных материалов и прототипы скаффолдов, изготовленные с помощью аддитивных технологий. Все образцы в течение разных периодов времени (от 3 до 14 дней) выдерживали в жидкой среде при различных температурах для имитации нахождения в теле человека. Микрокомпьютерная томография прототипов показала, что даже на ранних стадиях взаимодействия начинается эрозия поверхности. Это значит, что при эксплуатации в реальных условиях структура будет деградировать быстрее за счет циркуляции жидкости в организме. Это необходимо учитывать на этапе проектирования, чтобы имплантат не деградировал слишком быстро.

— При 37 °C снижение свойств цельных образцов составило не более 16%, а для скаффолдов — всего 4%. При повышенной температуре 45 °C эти показатели составили 47% и 16%, соответственно. Это означает, что механические свойства полимерных каркасов снижаются медленнее, поскольку характеристики таких структур определяются не только свойствами материала, но и особенностями внутренней архитектуры, — поясняет Наталия Еленская, младший научный сотрудник научно-исследовательской лаборатории «Механика биосовместимых материалов и устройств» ПНИПУ, кандидат физико-математических наук.

— Полученные новые данные расширяют наше представление о механизмах резорбции, протекающих в таких конструкциях, а значит и наши возможности по контролю этого процесса. Результаты исследования полезны для разработки полимерных костных имплантатов с учетом влияния процесса деградации на их структурную целостность, — комментирует М

В Японии открыли новый материал с нетрадиционной сверхпроводимостью

JAC: сплав железа, никеля и циркония показал необычные сверхпроводящие свойства
Японские ученые из Токийского столичного университета открыли новый сверхпроводящий материал, представляющий собой цирконид — сплав железа, никеля и циркония. Он продемонстрировал признаки так называемой нетрадиционной сверхпроводимости, которая может существовать при относительно высоких температурах. Исследование опубликовано в научном издании Journal of Alloys and Compounds (JAC).

Сверхпроводники используются в передовых технологиях, от магнитов в медицинских приборах до систем магнитной подвески транспорта. Однако для достижения нулевого сопротивления при передаче энергии им требует охлаждение до -269°C, что ограничивает применение этой технологии.

Ученые ищут сверхпроводящие материалы, способные работать при пороге -196°C, что позволит использовать для их охлаждения жидкий азот вместо дорогостоящего жидкого гелия.

В новом исследовании команда впервые обнаружила, что поликристаллический сплав железа, никеля и циркония проявляет сверхпроводящие свойства. При этом ни цирконид железа, ни цирконид никеля не обладают сверхпроводимостью в кристаллической форме.

Ученые обнаружили, что новый цирконид имеет ту же кристаллическую структуру, что тетрагональные циркониды переходных металлов — перспективных сверхпроводников.

Получившийся сплав также показал куполообразную диаграмму сверхпроводимости, в которой температура сверхпроходящего перехода сначала повышалась, а потом снова падала. Подобная форма служит многообещающим признаком нетрадиционной сверхпроводимости, отметили исследователи.

По словам специалистов, их открытие может способствовать созданию передовых материалов для сверхпроводящих устройств нового поколения.

Вышел первый номер 2025 года журнала «АДДИТИВНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ».
Основные темы номера:
• Системный подход к развитию аддитивных технологий в России
• АТ для достижения технологического лидерства
• Аддитивная трансформация строительной отрасли: ожидание и реальность
• АТ в медицине
• Аддитивное производство: итоги 2024 года
• Итоги выставки Formnext 2024
• Контроль геометрии отливок
• Механические и термические свойства ПЭТГ пластика для экструзионной аддитивной технологии

В Израиле создали реалистичные растительные стейки с помощью 3D-принтера

Израильские учёные разработали инновационный метод производства искусственного мяса. Он позволяет создавать реалистичные стейки, включая бараньи отбивные, говядину Вагю и филе ягнёнка. Все продукты изготовлены из растительных белков, выращенных в лаборатории, с использованием 3D-принтера.

Учёные применили новую технологию формирования для пищевой промышленности, основанную на методе «литья под давлением». Он обычно используется в полимерной промышленности. Метод позволяет производить детали путём впрыскивания расплавленного материала в формы. Кроме того, исследователи использовали альтернативный подход к 3D-печати, который наращивает съедобную массу.

Процесс включает в себя цифровое сканирование настоящих стейков для создания точных форм, которые затем заполняются 2 синтетическими материалами: один имитирует животный жир, другой — мясную ткань. Эти материалы сделаны из растительного белка, включая сою, горох и картофель.

В ходе вкусового теста, в котором участвовали 23 добровольца из разных стран, искусственное мясо получило в среднем 9 баллов по шкале от 0 до 20, в то время как фермерская говядина набрала 10 баллов. Участники отметили более мягкую текстуру и интенсивный цвет растительных стейков. Тем не менее, 67% предпочли говядину, а 43% — растительные альтернативы.

Исследователи утверждают, что их метод более экономически эффективен: стоимость производства составляет $9 (примерно 900 рублей) за кг по сравнению с $38 (около 3 800 рублей) за аналогичное количество при использовании традиционной 3D-печати. Учёные считают, что их работа открывает новые горизонты для масштабируемых решений на рынке альтернативного мяса.

Впервые двухэтажный дом напечатали на большом 3D-принтере за 12 дней

Эволюция 3D-печати: как новая технология сокращает сроки строительства жилья и экономит ресурсы
Трехквартирный социальный дом площадью 330 м2, расположенный в Лауте, Восточная Ирландия, стал ярким примером возможностей 3D-печати, сообщает Cobod. Проект включает три отдельных двухэтажных дома площадью 110 м2 каждый. На его строительство ушло всего 132 рабочих дня — на 35% быстрее, чем при традиционном строительстве аналогичных домов.

По словам COBOD, компании-разработчика 3D-принтера BOD2, около 50% времени удалось сэкономить благодаря 3D-печати стен, на них ушло всего 12 дней. Остальное время удалось сэкономить благодаря тому, что технология 3D-печати очень точная. Это позволяет сразу предусмотреть и встроить перегородки, перекрытия и элементы для поддержания крыши еще на стадии проектирования.

Для сравнения, строительство таких домов традиционным способом в среднем занимает около 200 рабочих дней.

Стены дома напечатаны принтером, который слоями наносит цементоподобную смесь, формируя структуру здания. На возведение первого этажа ушло семь дней, а верхнего — пять. После этого строители завершили работу, установив крышу, окна, двери, проводку и прочие системы.

Инженеры отмечают, что 3D-печать может создавать жилье, не уступающее традиционным домам. Кухня и другие интерьеры выглядят современно, а стены лишены характерных ребристых текстур, часто встречающихся в более дорогих 3D-проектах или при ручной работе.

После строительства первого дома, инженеры внесли изменения в процесс и планирует сократить время печати аналогичных объектов до девяти дней. Снижение сроков строительства делает эту технологию особенно привлекательной для социальных и массовых жилищных проектов.

Сергей Собянин рассказал о новом оборудовании для инженерных и ИТ-классов

В инженерных лабораториях и на ИТ-полигонах установили учебные модульные станции для 3D-печати из пластика, фрезерных работ по дереву и металлу, лазерной гравировки на разных поверхностях, а также универсальные настольные лазерные резчики. Благодаря новому оборудованию старшеклассники смогут создавать детали для собственных проектов — роботов, корпусов для девайсов и других устройств.

«Больше 230 московских учебных заведений получили станки с числовым программным управлением — всего свыше 1,4 тысячи. Установлены учебные модульные станции для 3D-печати из пластика, фрезерных работ по дереву и металлу, лазерной гравировки на разных поверхностях. Конструкции перестраиваются за пять минут и позволяют старшеклассникам создавать детали для своих проектов», — написал Мэр Москвы в своем телеграм-канале.

Школьники осваивают процессы аддитивного и субтрактивного производства: 3D-печать, фрезерование, точение, сверление, шлифование. Они учатся работать с различными материалами: стеклом, керамикой, металлом, пластиком, деревом, акрилом, кожей, МДФ, резиной, тканями.

«Новое оборудование познакомит будущих инженеров и ИТ-специалистов с различными технологиями современного производства, поможет закрепить теоретические знания на практике. Кроме того, педагоги смогут использовать эти станки не только на предпрофессиональных спецкурсах, но и на уроках труда в основной школе, что позволит сделать их более интересными и современными», — рассказала «Российской газете» Олеся Лукашук, первый заместитель руководителя Департамента образования и науки Москвы.

Сегодня в инженерных и ИТ-классах обучается более 19 тысяч старшеклассников. Они углубленно изучают математику, информатику и физику, а также получают практические навыки на специализированных курсах.

«В предпрофессиональных классах с каждым годом становится больше учеников. Мы ежегодно актуализируем содержание образовательных программ и продолжаем обновлять и развивать базу учебно-лабораторного оборудования, которое позволяет старшеклассникам осваивать практические навыки. Помимо оборудования для инженерных и ИТ-классов, в этом году закупили более восьми тысяч единиц оборудования для медицинских классов. А в прошлом году в столичных школах с авиастроительным направлением появились новые тренировочные беспилотники», — сообщил телеканалу «Москва 24» Михаил Силантьев, директор Института развития профильного обучения Московского городского педагогического университета.

Новую методику испытаний композиционных материалов разработали в Перми

Ученые Пермского национального исследовательского политехнического университета (ПНИПУ) разработали методику для определения ключевых параметров, влияющих на качество и характеристики будущего изделия из полимерных композиционных материалов, а ее применение в 2 раза сокращает время на производственные испытания, сообщается в пресс-релизе вуза.

При изготовлении композитного материала в качестве основы (связующего) используют смолу, в которую постепенно добавляют различные укрепляющие наполнители, например углеродное волокно, которое стало востребовано из-за его уникальных характеристик — высокой прочности, малого веса, гибкости, термической и химической стойкости. Углепластик успешно и эффективно применяют для создания более легких и долговечных деталей авиационной и ракетной техники.

Важнейший этап внедрения получаемого материала в части летательного аппарата — это проведение испытаний и изучение его физико-химических характеристик. Так исследуют плотность, толщину слоев, степень полимеризации и содержание полимерного связующего в составе. При этом от последних двух параметров зависят эксплуатационные свойства и безотказная надежность всей конструкции.

Выделяют несколько основных методов определения содержания полимера в материалах из углепластика, но каждый из них имеет свои недостатки — пониженную точность, бóльшую длительность испытания или серьезную опасность для специалиста во время использования кислот при высоких температурах. В настоящее время для серийного производства деталей из полимерных композитов необходим достоверный и наименее времязатратный способ.

Ученые Пермского Политеха разработали и предлагают использовать для этого технологию низкотемпературного сольволиза, которая заключается в использовании индивидуальных химических сред, которые инициируют ускорение разрушения полимерной сетки, при этом сохраняя поверхность армирующего наполнителя.

Для исследования изготовили растворные составы, включающие серную кислоту, пероксид водорода и специальные добавки — инициаторы реакции, позволяющие снизить температуру разложения полимера.

Исследователи разработали методику проведения испытаний углепластика указанным способом и сравнили ее с широко применяемыми на практике методами — травлением в агрессивных средах, где связующее длительно разлагается в кислотах, и расчетным, где по известным значениям плотности и количества слоев математически вычисляется толщина пластика.

Для проверки предложенной технологии исследователи предварительно просушивали и взвешивали образцы углепластика с разными типами волокон и схемами их укладки, затем помещали их в закрытую емкость с раствором и нагревали до растворения полимера. После этого смесь охлаждали, фильтровали и снова взвешивали.

«В сравнении с другими методами, разработанный нами не уступает в достоверности, отклонение значений показателя составляет не более 2%. При этом процессе длительность анализа составила 2 часа 30 минут, что в 2 раза меньше аналогичных способов определения содержания связующего», — рассказывает Галина Шайдурова, профессор кафедры механики композиционных материалов и конструкций ПНИПУ, доктор технических наук.

Разработанная методика ученых и аспирантов Пермского Политеха по определению содержания полимерной основы в углепластиках позволяет вдвое сократить технологическое время проведения испытаний. Технология перспективна для серийного отечественного производства ответственных деталей из композитов.

Статья с результатами опубликована в журнале «Вестник ПНИПУ. Машиностроение, материаловедение» №4, 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

«КАМАЗ» приобрел для завода двигателей два комплекта 3D-принтеров

Новые машины позволят дизелистам сократить время на ремонт различного оборудования и снизить затраты/
В мировой практике до 60% поломок оборудования происходит из-за неправильного технического обслуживания, рассказала заместитель главного инженера по развитию Ольга Брелякова

По ее словам, основная потеря времени при восстановлении оборудования заключается в ожидании закупок и поставок запасных частей, а уже потом на диагностике и фактическом ремонте. Ремонт оборудования с помощью использования 3D-печати позволяет сократить материальные и временные затраты.

Новые принтеры действуют по технологии трёхмерной печати. Работа устройства начинается с подачи пластиковой нити (филамента) через экструдер, который наносит материал на подвижную платформу в заданном месте слой за слоем. Таким образом создаётся физическая копия компьютерной 3D-модели. Процесс протекает снизу вверх под строгим контролем программного обеспечения. Такой метод, основанный на послойном наплавлении полимеров, позволяет воспроизводить даже самые сложные детали с высокой точностью.

На новых принтерах уже сейчас создаются необходимые для производства пластиковые запчасти. На них можно «распечатать» небольшие элементы, заглушки, фиксаторы, корпусы, держатели и многое другое. Особенно ценной является возможность быстрого создания прототипов и малых партий изделий для тестирования и последующего внедрения в производство.

Кроме того, на заводе двигателей ведётся освоение технологии фотополимерной печати 3D-деталей из жидкого пластика, отверждаемого световым излучением каждого фотослоя в соответствии с разработанной программой. Пластик, способный на такую реакцию, называется фотополимером. Толщина одного слоя печати при этом составляет всего лишь около 35-50 микрон, что позволяет изготавливать мелкие пластиковые детали с высокой точностью. По такой технологии изготовлены катушки для датчиков.

Ещё один плюс использования 3D-принтеров – возможность отказаться от хранения больших запасов деталей, поскольку необходимую запчасть можно создать в любой момент. Главное – разработать на компьютере 3D-модель и иметь необходимые материалы для печати, остальное сделает машина: быстро и недорого. Источник

Найден способ управлять свойствами металла с помощью звуковых волн

Физики Казанского национального исследовательского технического университета им. А.Н. Туполева (КНИТУ-КАИ) выяснили, что воздействие ультразвука во время лазерной обработки металла позволяет лучше контролировать процесс плавления - сообщает ТАСС.

«Добавление звуковых волн частотой 40 кГц увеличивает объем расплавленного металла на треть и делает его структуру более однородной, что особенно важно при производстве деталей для авиационной промышленности», - рассказали в пресс-службе вуза.

Суть метода заключается в том, что во время лазерной обработки металла (например, при сварке или 3D-печати) на него дополнительно воздействуют ультразвуковыми волнами. Это похоже на то, как если бы металл одновременно нагревали и заставляли вибрировать с очень высокой частотой.

«При традиционной лазерной обработке металл нагревается и плавится очень быстро, что может приводить к неравномерностям в структуре. Добавление ультразвука помогает лучше перемешивать расплавленный металл и равномернее распределять тепло. Это особенно важно при производстве деталей, к качеству которых предъявляются высокие требования», - приводит пресс-служба слова руководителя проекта, помощника главы Татарстана по науке и инновациям, доктора физико-математических наук Альберта Гильмутдинова.

Чтобы понять и предсказать, как именно ультразвук влияет на процесс плавления, ученые разработали компьютерную модель. Она учитывает множество параметров: как течет расплавленный металл, как меняется его поверхность, как распространяются звуковые волны. Эта модель поможет подбирать оптимальные режимы обработки для разных металлов и задач.

Применение и перспективы

Практическое применение этой технологии может улучшить качество деталей в разных отраслях. Например, при 3D-печати металлических изделий ультразвук поможет получать более прочные детали с меньшим количеством дефектов. В лазерной сварке новый метод может обеспечить более надежное соединение деталей.

Разработка особенно перспективна для авиационной промышленности, где требуется высокая точность и качество металлических деталей. Технология также может найти применение в автомобилестроении, медицинской промышленности.

Сейчас исследователи работают над тем, чтобы определить наилучшие параметры воздействия ультразвука для разных металлов и технологических процессов. Это поможет внедрить новую технологию в промышленное производство. В ближайшее время ученые планируют провести исследования с другими типами металлов и сплавов, чтобы расширить возможности применения новой технологии.

Сколтех и НГУ обсудили сотрудничество в сфере разработки новых функциональных материалов

Представители Сколковского института науки и технологий посетили Новосибирский государственный университет, чтобы обсудить взаимодействие по НИОКР, выполняемым Сколтехом по заказу Центра компетенций НТИ по новым функциональным материалам на базе НГУ. В состав делегации вошли директор центра технологий материалов Сколковского института науки и технологий Иван Сергеичев, заместитель директора центра по связям с индустрией Дмитрий Красовский, участники совместных с НГУ проектов, а также специалисты по выстраиванию взаимодействия между заинтересованными сторонами.

Целью визита стало знакомство со структурой Центра компетенций Национальной технологической инициативы по направлению «Технологии моделирования и разработки новых функциональных материалов с заданными свойствами», который был создан на базе НГУ в 2021 году при финансовой поддержке Фонда НТИ, а также с его возможностями и индустриальными партнерами.

— В конце прошлого года мы заключили со Сколтехом договоры о реализации трех масштабных проектов: «Дизайн материалов для термобарьерных покрытий», «Разработка технологии аддитивного производства керамических стержней сложной геометрии для литья лопаток ГТД» и «Металлооксидные наночастицы для защиты изделий и материалов от подделок». Перед нами поставлена задача — за короткий срок создать образцы новых материалов и программных продуктов, чтобы как можно раньше начать вывод новых материалов и изделий из них на рынок через взаимодействие с потенциальными индустриальными партнерами. Ими могут стать производители двигателей, газотурбинных установок и их частей, полимер-композитных материалов и различных изделий из них, подлинность которых, в том числе, необходимо защитить от подделок, — пояснил директор Центра НТИ по новым функциональным материалам НГУ Александр Квашнин.

По итогам встречи стороны сформировали взаимовыгодные формы взаимодействия. Одна из них предполагает участие Сколтеха в работе трех распределенных центров, созданных Центром новых функциональных материалов и его партнеров в конце прошлого года, — Распределенный центр моделирования, расчетов и проектирования, Распределенный центр исследований и разработки материалов и технологий их производства, а также Распределенная производственная площадка малых партий изделий, где возможно производство по технологиями НГУ мелких серий новых материалов и изделий из них для дальнейших поставок на испытания, проходящие на промышленных предприятиях. Программное обеспечение, разработанное партнерами, будет использоваться в распределенном центре моделирования, расчетов и проектирования.

Тем временем в Сколково в ходе реализации данных трех проектов будет создаваться необходимое инновационное оборудование, в том числе новый 3D-принтер для сложной печати керамических стержней для газотурбинных установок и реактор для производства металооксидных наночастиц для защиты материалов и изделий от подделок. Данное оборудование будет задействовано в составе распределенных центров.

— Наше взаимодействие со Сколтехом позволит университету расширить круг своих московских партнеров и потенциальных заказчиков, в число которых могут войти государственная корпорация по содействию разработке, производству и экспорту высокотехнологичной промышленной продукции «Ростех», АО «Объединенная двигателестроительная корпорация», компания «Газпромнефть» и другие крупные российские корпорации, заинтересованные в разработке и внедрении передовых технологий, — прокомментировал Александр Квашнин.