Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана

МИНИСТЕРСТВО ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ 
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ 
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ 
ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ 

 
НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ОНКОЛОГИИ 
ТОМСКОГО НАЦИОНАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО  
МЕДИЦИНСКОГО ЦЕНТРА РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК 
 
 
Вязкоупругое поведение 
биосовместимых сплавов 
никелида титана 
 

 
 
 
 
Томск 
Издательство Томского государственного университета  
2020 

Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана 

2 

УДК 538.911, 617-089 
ББК 34.2:5 
        В99 
 
Авторы: 
Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук, С.В. Гюнтер, О.В. Кокорев, Г.А. Байгонакова, В.Э. Гюнтер,  
Е.Б. Топольницкий, Т.Л. Чекалкин, Ю.И. Чумляков, И.В. Киреева, З.В. Победенная,  
А.Н. Моногенов, А.А. Радкевич, А.Л. Чернышова, В.И. Штин, В.Н. Ходоренко  
 
Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида 
В99 
титана. – Томск : Издательство Томского государственного  
 
университета, 2020. – 102 с. 
ISBN 978-5-94621-952-5 

 
 
Представлены новые экспериментальные результаты исследований биомеханического поведения сплавов никелида титана. Особенности вязкоупругого поведения 
пористых сплавов никелида титана, полученных методом СВС, высокая выносливость и высокая коррозионная стойкость позволяют использовать их в качестве 
остеопластического материала в экспериментальной медицине и клинической практике. Приведены литературный обзор в области механобиологии биологических 
тканей и оригинальные экспериментальные результаты изучения вязкоупругого поведения и трикотажа из сплава никелида титана. Экспериментально доказано подобие деформационных характеристик трикотажа из никелида титана и мягких биологических тканей, которое обусловлено гистерезисным вязкоупругим поведением 
обеих составляющих биоинтерфейса. На модельных материалах в [001] монокристаллах TiNiCu исследованы сверхэластичность и двойной эффект памяти формы. 
Экспериментально и клинически доказано, что трикотаж из сверхэластичной никелид-титановой проволоки с высокой эффективностью может быть использован для 
замещения твердых и мягких биологических тканей. 
Для студентов, ученых и инженеров, изучающих вопросы материаловедения 
никелида титана, биомеханики тканей и медикобиологические аспекты применения 
металлических имплантатов. 

 
УДК 538.911, 617-089 
ББК 34.2:5 

 

Исследование проведено в рамках выполнения государственного задания  

Минобрнауки России, проект № 0721-2020-0022. 

 
Рецензенты: 
С.И. Твердохлебов, кандидат физико-математических наук, доцент; 
М.Р. Мухамедов, доктор медицинских наук, профессор  
 
 
© Авторы, 2020 
ISBN 978-5-94621-952-5 
© Томский государственный университет, 2020 
© НИИ онкологии Томского НИМЦ, 2020 
© НИИ медицинских проблем Севера СО РАН, 2020 
© Сибирский государственный медицинский университет, 2020 

Введение 

3 

 
ОГЛАВЛЕНИЕ 
 
Введение ..................................................................................................................

 
Глава 1. Вязкоупругое поведение пористых сплавов никелида титана, 
полученных методом самораспространяющегося  
высокотемпературного синтеза (Е.С. Марченко, Ю.Ф. Ясенчук,  
Г.А. Байгонакова, Т.Л. Чекалкин) ..........................................................................
1.1. Усталостное разрушение пористых материалов ..................................
1.2. Вязкоупругое поведение пористых сплавов СВС–TiNi ......................
1.3. Исследование на усталость пористых сплавов СВС–TiNi методом 
циклического трехточечного изгиба ...............................................................

Литература к главе 1 ....................................................................................

 
Глава 2. Особенности циклической деформации биологических тканей 
и биоматериалов из сплава никелида титана (Ю.Ф. Ясенчук,  
О.В. Кокорев, С.В. Гюнтер, В.Э. Гюнтер, А.Н. Моногенов) ...............................

2.1. Особенности реологии кожи и мышц в диапазоне  
физиологических деформаций ........................................................................
2.2. Сверхэластичное поведение кости и резиноподобное поведение  
кожи, мышц, сухожилия ...................................................................................
2.3. Особенности деформации трикотажа и сверхэластичной проволоки 
из сплава никелида титана................................................................................
Литература к главе 2 ....................................................................................

 
Глава 3. Сверхэластичность и двойной эффект памяти формы  
в [001]-TiNiCu-монокристаллах при сжатии (Ю.И. Чумляков,  
И.В. Киреева, З.В. Победенная) .............................................................................
Литература к главе 3 ....................................................................................

 
Глава 4. In vivo исследования TiNi материалов (О.В. Кокорев, 
Е.Б. Топольницкий, А.А. Радкевич, А.Л. Чернышова, В.И. Штин,  
В.Н. Ходоренко) ......................................................................................................
4.1. Оценка in vivo пористых сплавов СВС–TiNi ..........................................
4.1.1. Экспериментальная реконструкция грудной стенки собак  
комбинированными имплантатами из никелида титана ..........................

4.2. Оценка in vivo трикотажа из сплава TiNi .................................................

4.2.1. Экспериментальное замещение костных дефектов  
мозгового черепа с использованием трикотажа из TiNi ..........................
4.2.2. Клинический случай исправления посттравматической  
деформации орбиты с применением трикотажа из сплава TiNi .............
4.2.3. Клиническое использование трикотажа из сплава TiNi  
в онкогинекологии ......................................................................................
Литература к главе 4 ....................................................................................

 

4

 

7
7
11

19
21

24

24

41

48
53

61
70

72
72

72
76

76

86

91
95

 

Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана 

4 

Заключение .............................................................................................................
98
 
 
Введение 
 
Проблема биосовместимости имплантатов весьма актуальна, 
так как количество операций с использованием имплантатов в различных областях медицины стремительно растет. Наибольший 
рост наблюдается в стоматологии и ортопедии. И дентальные имплантаты, и протезы тазобедренного сустава являются сложными 
комбинированными устройствами. Интерфейс таких устройств с 
биологическими тканями также является весьма сложным и неоднородным. Широкое применение нашли и более однородные имплантаты в виде сетчатых устройств. Например, стенты и фильтры  
для кровеносных сосудов требуют тщательного силового расчета 
их интерфейса с мягкими тканями сосудов. Устанавливая сетчатые 
конструкции при реконструктивной пластике грыж, также необходимо учитывать длительное взаимодействие имплантата и мягких 
тканей. Неверный прогноз силового взаимодействия в интерфейсе 
имплантат–мягкая биологическая ткань приводит к несостоятельности имплантата или осложнениям в виде перфорации тканей и 
органов, стенозов, рубцевания, травмирования и нарушения функционирования смежных органов. Во всех этих случаях ответственность несет лечащий врач, который опирается на собственный 
субъективный опыт и официальные рекомендации производителя 
имплантатов. Рекомендации производителя должны опираться на 
объективные критерии оценки силового взаимодействия имплантата и биологической ткани.  
В настоящее время ведется большое количество исследований 
деформационного поведения биологических тканей: кровеносных 
сосудов, мышечных тканей, соединительных тканей, кожи, кости и 
других видов тканей. Также проводятся многочисленные исследо

Введение 

5 

вания различных имплантационных биоматериалов: полимерных, 
керамических, металлических, композиционных. 
Особое место среди биоматериалов занимают сверхэластичные 
сплавы никелида титана, которые нашли широкое применение в 
кардиохирургии и стоматологии. Они отличаются особой сложностью деформационных характеристик, проявление которых в интерфейсе имплантат–биоткань трудно прогнозировать. Разнообразные сетчатые конструкции из никелида титана по-разному проявляют эффект сверхэластичности и памяти формы. Значительными деформационными особенностями отличаются пористые сплавы никелида титана. 
Вязкоупругое поведение сплавов никелида титана относительно 
хорошо изучено в рамках теории упругости и теории мартенситных 
превращений. Однако эти инструменты не пригодны для описания 
деформационного поведения биологических тканей и сравнительного 
анализа со свойствами имплантатов в рамках единого научного подхода. Для описания функционирования сверхэластичного имплантата 
в интерфейсе с биологической тканью необходимо разработать более 
общие критерии, которые позволят делать единое описание и анализ 
деформации и имплантата, и биологической ткани. 
Монография посвящена проблеме деформационного поведения  
при одноосном растяжении биологических тканей и имплантационных материалов из сплавов никелида титана. В монографию 
вошли новые результаты экспериментальных исследований имплантационных материалов, выполненных из сплавов никелида 
титана: пористых сплавов, полученных методом самораспространяющегося высокотемпературного синтеза, и трикотажа, полученного из сверхэластичной проволоки никелида титана толщиной 
60 мкм. Пористые сплавы TiNi используют для реконструктивной 
пластики костных тканей, а трикотаж из сверхэластичной проволоки TiNi – для пластики мягких тканей. Исследуемые сплавы обладают эффектом сверхэластичности при комнатной температуре 
и температуре человеческого тела. В качестве модельных объектов 

Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана 

6 

для исследования эффекта сверхэластичности использованы монокристаллы никелида титана.  
Деформационные диаграммы получали методом одноосного растяжения, который является одним из основных методов изучения 
вязкоупругих характеристик биоматериалов и биологических тканей. Представленные в монографии результаты исследования методом одноосного растяжения проволоки, трикотажа и пористых 
сплавов из никелида титана убедительно продемонстрировали, что 
проявление сверхэластичности никелида титана ограничивается 
напряженно-деформированным состоянием и неоднородностью деформирования пористых сплавов и трикотажного материала. 
Полученные новые результаты и выводы хорошо согласуются с 
научными исследованиями других научных групп, занимающихся 
исследованием никелида титана и берущих за основу представления о подобии сверхэластичного поведения никелида титана и 
биологических тканей. 
Авторы благодарят коллектив НИИ онкологии Томского 
НИМЦ, НИИ медицинских проблем Севера СО РАН и Сиб ГМУ за 
проведение экспериментальных и клинических исследований на 
базе собственных лабораторий. 

Глава 1. Вязкоупругое поведение пористых сплавов никелида титана 

7 

 
 
Глава 1. Вязкоупругое поведение пористых 
сплавов никелида титана, полученных методом 
самораспространяющегося  
высокотемпературного синтеза 
 
1.1. Усталостное разрушение пористых материалов 
 
Создание оптимальных имплантационных материалов остается 

одной из сложных задач современной медицины, которая обусловлена проблемами биомеханики костных тканей и материалов, коррозионной стойкости и их деградации в тканевых жидкостях, морфогенеза остеогенных тканей [1–3]. Механический аспект работы 
биоинтерфейса имеет большое значение как на этапе ремоделирования тканей, так и на этапе полной интеграции пористого имплантата и зрелой костной ткани. Тканевая жидкость передает 
нормальную физиологическую нагрузку через интерфейс имплантат–биологическая ткань только тогда, когда пористый имплантат 
реологически подобен костной ткани. В противном случае физиологическая нагрузка на костных фрагментах экранируется имплантатом, что приводит к деградации костной ткани в зоне биоинтерфейса и замещению ее соединительной тканью. 

Пористые сплавы на основе TiNi, полученные методом само
распространяющегося высокотемпературного синтеза (СВС–TiNi), 
успешно имплантируют в биологические ткани, используя особенность их реологии, а именно обратимое вязкоупругое поведение 
под воздействием циклической знакопеременной нагрузки, подобное поведению биологических тканей [4, 5].  

Для широкого практического применения конструкций из по
ристого TiNi необходимы полные исследования их усталостного 
поведения при циклических испытаниях, а именно предельной изгибной нагрузки. Одним из методов оценки данной характеристи

Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана 

8 

ки является трехточечный метод изгиба [6–9]. В литературе отсутствуют подробные исследования на пористых СВС–TiNi материалах. Существует широкий спектр исследований, где обсуждаются 
характеристики усталостного разрушения, полученные другими 
методами [10–12]. Анализ исследований по усталостному разрушению пористых материалов при циклических испытаниях разными методами показывает влияние пористости и ее распределения на усталостную прочность [13, 14]. В мелкопористых материалах усталостная прочность может быть повышена за счет однородной структуры. Испытания в условиях растягивающих и сжимающих напряжений показывают, что порошковые композиты на 
основе чистого Fe, сталей, пористых сплавов AlZnSiMg и керамики Zr и Y2O3–ZrO2 выдерживают не более 10 тыс. циклов деформации [15–18]. В отличие от этих материалов пористые сплавы 
никелида титана можно циклически деформировать при температуре тела без накопления дефектов внутренней структуры, так как 
обратимый 
бездиффузионный 
фазовый 
переход 
аустенит–

мартенсит–аустенит предотвращает накопление дефектов внутренней структуры. Поэтому имплантаты, созданные из сплавов на 
основе TiNi, успешно функционируют в живых организмах длительное время без разрушения. 

Исследование деформационной зависимости развиваемого уси
лия в имплантате является важнейшей и обязательной задачей материаловедения биоматериалов (рис. 1.1). Изучение такой зависимости для пористых сплавов на основе интерметаллида TiNi 
наталкивается на ряд принципиальных трудностей. 
Многие сплавы в какой-то степени проявляют вязкоупругое поведение и имеют участок вязкого течения величиной примерно 1–
5% относительной деформации на зависимости развиваемого усилия [19, 20]. На этом участке происходит первичное необратимое 
накопление дефектов внутренней структуры, приводящее к дальнейшей упругой деформации упрочненного сплава. 
 

Глава 1. Вязкоупругое поведение пористых сплавов никелида титана 

9 

 

 

Рис. 1.1. Схематическая зависимость напряжение–деформация  

для металлических пен 

 
Металлические пены из вязких сплавов, например из алюминия, показывают при необратимой деформации значительно больший интервал пластического течения, до 40–60% относительной 
деформации [21]. Такое поведение обеспечивается смятием и компактированием металлического каркаса до плотного состояния. 
После этого этапа следует упругая деформация компактного 
упрочненного сплава (см. рис. 1.1). По такому механизму необратимо деформируются популярные в имплантологии титановые и 
танталовые пены. Но такой механизм деформации не обеспечивает 
обратимой циклической деформации. Быстрое накопление дефектов внутренней структуры приводит к потере функциональных 
свойств и усталостному разрушению имплантатов.Пористые полимерные материалы лишены таких недостатков металлической 
пены. Механизм обратимого изменения конформации макромолекул позволяет выдерживать циклическую нагрузку при относительной деформации до 8–10% без разрушения. Поэтому полимерные пены, например из полиуретана, также могут деформироваться до 40–60% относительной деформации. Они имеют существенные преимущества при циклической нагрузке в сравнении с 
металлическими пенами, но проигрывают металлам в химической 

Вязкоупругое поведение биосовместимых сплавов никелида титана 

10 

стойкости. В коррозионных средах полимеры быстро утрачивают 
свои механические свойства. Деградация структурных связей приводит к деполимеризации и разрушению полимеров. 
Интерметаллические сплавы на основе соединения TiNi обладают эластичностью, свойственной полимерам, которая позволяет 
им выдерживать обратимую относительную деформацию без разрушения до 6–8% [22, 23]. Технологии порошковой металлургии 
позволяют получать металлические пены и пористые сплавы на 
основе TiNi с закрытым и открытым пористым каркасом и пористостью 40–80%, которые хорошо интегрируются в биологические 
ткани. СВС – одна из этих технологий, позволяет получить пористый металлический каркас, покрытый сплошной неметаллической оболочкой, которая придает каркасу высокую коррозионную 
стойкость [24]. Малая толщина оболочки, высокая плотность, входящие в ее состав нанокристаллические карбиды и нитриды интерметаллидов, хорошая диффузионная связь с каркасом обеспечивают устойчивость к коррозионной усталости. Но неметаллическая оболочка является весьма хрупкой, что хорошо заметно при 
ударном разрушении пористого сплава. 

В связи с этим исследования на квазистатическое и усталостное 

разрушение пористого никелида титана, полученного методом 
СВС, требуют подробного изучения вклада упругой и вязкой составляющих в общую вязкоупругую деформацию образцов. 
Наиболее сложно и важно определить такой вклад на этапе вязкой 
деформации, которая может быть вызвана тремя причинами: необратимой пластической деформацией; необратимым пластическим 
смятием каркаса; обратимым фазовым превращением аустенита в 
мартенсит. 

Большинство подобных исследований деформационного пове
дения пористого никелида титана выполнено с использованием 
сжатия. Метод сжатия проще других в подготовке и осуществлении для пористого сплава. Но установленные зависимости дают 
возможность получить только макроскопическую деформацион