Центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» национального исследовательского университета «БелГУ» – «винтик» в «машине наноиндустрии» России.
Аннотация: Так как «Наукоемкие технологии создания и обработки наноматериалов технического назначения» и «Нанотехнологии и наноматериалы в биологии, медицине и фармации» являются приоритетными направлениями развития НИУ «БелГУ», то в своей работе я попыталась показать историю развития наноиндустрии в нашем университете и вклад Научно-образовательного и инновационного Центра «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» БелГУ в формирование национальной нанотехнологической сети РФ.
Любая машина состоит из множества винтиков, болтиков, механизмов и т.д. «Машина наноиндустрии» в России - не исключение. Она включает в себя десятки центров нанотехнологий; производственных, образовательных, финансовых организаций; сотни ученых по всей стране. Одним из «винтиков» наноиндустрии в России, на наш взгляд, является Центр наноструктурных материалов и нанотехнологий (Центр НСМН) национального исследовательского университета «БелГУ». О нём мы и хотим рассказать в своей работе.
По инициативе ректора НИУ «БелГУ» профессора Дятченко Л.Я. в 2004 году был объявлен конкурс по формированию новых научных подразделений университета. По итогам конкурса был поддержан проект научной группы во главе с профессором Ю.Р. Колобовым из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (г. Томск) по созданию Центра наноструктурных материалов и нанотехнологий БелГУ. В 2005 году научная группа в составе 9 человек по соглашению между руководителями академической и вузовской организаций (в порядке перевода) приступила к работе.
Учредителем Центра НСМН являлся Белгородский государственный университет. Необходимый объем финансирования в размере 150 млн. руб. для приобретения оборудования, капитального строительства и реконструкции помещений под уникальное оборудование был обеспечен Администрацией Белгородской области, Белгородским госуниверситетом, Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере.
Основные задачи Центра НСМН:
1)Координация, обеспечение и проведение фундаментальных и прикладных исследований в области материаловедения и нанотехнологий.
2)Реализация и тиражирование результатов научно-исследовательской и инновационной деятельности.
3)Организация производства инновационной продукции.
4)Создание научной и образовательной базы для высококачественной подготовки и переподготовки специалистов всех уровней.
Основные направления деятельности Центра НСМН:
1) направления фундаментальных исследований:
- разработка физических принципов упрочнения и пластификации металлов, сплавов и композитных материалов технического и медицинского применения путем формирования ультрамелкозернистого и наноструктурного состояний, в том числе воздействием интенсивной (большой) пластической деформации в сочетании с традиционными способами механо-термической обработки.
- экспериментальное и теоретическое исследование структуры и свойств нано-материалов методами компьютерного моделирования на основе расчетов «из первых принципов».
- разработка научных основ создания биокомпозитов «наноструктурный металл – биоактивное/биоинертное покрытие»
2) направления прикладных исследований:
- разработка технологических процессов и оборудования для получения объемных металлических наноструктурных материалов для использования в медицине и технике.
- освоение в клинической практике биоинертных и биоактивных имплантатов для использования в травматологии, ортопедии, стоматологии и кардиохирургии.
- разработка технологического процесса и оборудования для синтеза нано-гидроксилапатита для использования в лечебно-профилактический препаратах в стоматологии и нанесения биоактивных покрытий на хирургические, стоматологические и ортопедические имплантаты.
На базе Центра НСМН в феврале 2008 года сформирован учебно-научный и инновационный комплекс (УНИК) «Материаловедение и нанотехнологии», в состав которого вошли Научно-образовательный и инновационный центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии», Центр коллективного пользования научным оборудованием «Диагностика структуры и свойств наноматериалов», опытно-промышленное производство, кафедры физического факультета и научно-исследовательские лаборатории Университета.
Для подготовки высококвалифицированных кадров в 2005 году в БелГУ была организована специализированная кафедра «Материаловедение и нанотехнологии», которая ведет подготовку студентов по специальностям 210602 «Наноматериалы» и 010707.65 «Медицинская физика».
Студенты и аспиранты, обучающиеся на кафедрах материаловедения и нанотехнологий, теоретической физики и общей физики физического факультета БелГУ, проводят научные исследования на уникальном современном оборудовании. В выполнении государственных контрактов ФЦП РФ и хоздоговорных работ НОиИЦ НСМН с оформлением на работу по совместительству принимают участие более 20 студентов БелГУ, начиная со второго курса. Они имеют допуск к самостоятельной работе на уникальном современном аналитическом и испытательном оборудовании. Студенты инженерных специальностей проходят практику на технологическом оборудовании, получая навыки работы в инновационной сфере.
Центр «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» являлся головной организацией в выполнении крупного государственного контракта федеральной целевой программы по теме «Разработка опытно-промышленных технологий получения нового поколения медицинских имплантатов на основе титановых сплавов», с общим объемом финансирования 323 млн. руб. В выполнении контракта участвовали 12 соисполнителей, представляющих крупные научные и производственные организации Москвы, Санкт-Петербурга, Томска и Казани. Целью данного проекта являлась разработка прогрессивных технологий производства новых титановых имплантатов, в том числе ультрамелкозернистых, с многофункциональными биоактивными наноструктурированными покрытиями для восстановительной, костнопластической хирургии и стоматологии. На начало 2011 г. в центре работают 30 штатных сотрудника, к работе по совместительству регулярно привлекаются более 20 студентов и аспирантов. В структуру центра входят: лаборатория физического материаловедения, лаборатория биоматериалов, лаборатория теоретических исследований и компьютерного моделирования.
В декабре 2009 года по инициативе Научно-образовательного и инновационного центра «Наноструктурные материалы и нанотехнологии» Белгородского госуниверситета в соответствии с Федеральным законом №217-ФЗ при БелГУ открыто малое инновационное предприятие (МИП) «Металл-деформ».
Предприятие специализируется на производстве проката в виде прутков и полос из наноструктурного и субмикрокристаллического нелегированного титана марок ВТ1-0, Grade 4 для нужд медицины и технических целей. Продукция обладает повышенными механическими свойствами и высокой биосовместимостью, поскольку, в отличии от широко применяемых в настоящее время во всем мире легированных титановых сплавов системы Ti-Al-V, не содержит вредных для живого организма легирующих элементов (Al и V), а также характеризуется повышенной коррозионной стойкостью. Медицинские изделия, производимые из наноструктурного титана, по прочности на сдвиг, кручение и изгиб не уступают соответствующим из легированных сплавов титана, при этом демонстрируют чрезвычайно высокую пластичность, то есть изделия из них обладают высокой надежностью.
Разработка является результатом исследований в рамках крупного комплексного проекта Федеральной целевой программы Минобрнауки, одной из задач которого было создание опытно-промышленных технологий получения нового поколения наноструктурных сплавов титана для травматологии, ортопедии, стоматологии и других приложений в медицине и технике.
В начале 2010 г. компания «Металл-деформ» выступила заявителем производственного проекта «Наноструктурный нелегированный титан для медицины», который в госкорпорации Роснано успешно прошел стадию научно-технической экспертизы. В настоящее время «Металл-деформ» имеет экономическую и юридическую поддержку со стороны администрации области, которая позволяет предприятию расширять номенклатуру производимой продукции и минимизировать издержки на стадии своего становления.
К настоящему времени предприятие производит серийные поставки наноструктурного титана на предприятия медицинской отрасли. Имплантаты для травматологии и ортопедии, изготавливаемые из наноструктурного нелегированного титана в ГУП РТ «Всероссийский научно-исследовательский и проектный институт медицинского инструмента» (г. Казань), успешно прошли технические и клинические испытания, регистрацию в Росздравнадзоре и сертификацию. В настоящее время данные имплантаты поставляются в клиники Российской Федерации.
Важнейшими результатами фундаментальных исследований Центра НСМН являются теоретические основы исследования структуры и свойств нанокристаллических материалов методами молекулярной динамики и молекулярной статики с использованием модельных потенциалов межатомных взаимодействий и расчетов «из первых принципов» для модельных и некоторых технических функциональных материалов. Развит метод расчета средних энергий границ зерен и тройных стыков в нанокристаллических материалах. Определен вклад тройных стыков в избыточную энергию и диффузию по межкристаллитной области в нанокристаллических металлах и сплавах.
Прямыми диффузионными экспериментами, расчетами диффузионных характеристик из данных по кинетике диффузионно-контролируемых процессов и компьютерным моделированием зависимости термодинамических характеристик границ зерен от избыточного объема показано, что высокие скорости массопереноса в наноструктурных металлах, полученных воздействием больших пластических деформаций, связаны не с размером зерен, а с неравновесным высокоэнергетическим состоянием их внутренних границ раздела.
Совместно с Институтом физики твердого тела РАН установлено, что в слоистых сверхпроводящих композиционных материалах системы Cu-TiNb и Cu-Nb-TiNb, получаемых с применением больших пластических деформаций при повышенных температурах в вакууме, процессы фазообразования интерметаллидов на межслойных границах определяют механические свойства и технологичность получения таких материалов. При этом процессы образования и роста интерметаллидов в исследованных системах при температурах ниже некоторой критической контролируются зернограничной диффузией, а выше данной температуры – объемной. На основании полученных результатов оптимизированы технологические режимы формирования рассматриваемых композитов, имеющих перспективу широкого применения в технике.
В совместных работах с Институтом металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН и Всероссийским институтом авиационных материалов показано, что в жаропрочных интерметаллидных сплавах, перспективных для применения в качестве материалов для лопаток газотурбинных двигателей самолетов нового поколения, легирование тугоплавкими и редкоземельными элементами обеспечивает формирование наноразмерных фаз, стабилизирующих дендритную монокристаллическую структуру и упрочняющих межфазные границы. Разработаны рекомендации и получены новые сплавы с улучшенными служебными характеристиками.
По результатам фундаментальных исследований изданы две монографии: Yu.R. Kolobov, R.Z. Valiev, Grabovetskaya G.P. et.al. «Grain boundary diffusion and properties of nanostructured materials» (Cambridge International Science Publishing, 2007) и Колобов Ю.Р., Каблов Е.Н., Козлов Э.В., Бунтушкин В.П. и другие «Структура и свойства интерметаллидных материалов с нанофазным упрочнением» (Издательство МИСиС, 2008). Опубликовано более 100 статей в российских и зарубежных журналах. Результаты прикладных исследований защищены 14 патентами и НОУ-ХАУ.
Основными результатами прикладных исследований Цетра и коммерциализации разработок являются малозатратные высокопроизводительные методы формирования субмикрокристаллических и наноструктурных состояний в нелегированном (не содержащем вредных для живого организма элементов алюминия и ванадия) титане, которые сочетают сортовую и винтовую прокатку в комплексе с традиционными способами механико-термической обработки и позволяют получать необходимые для серийного производства медицинских имплантатов и инструмента заготовки промышленного сортамента из титана и титановых сплавов.
Проведены опытно-конструкторские работы и организовано производство промышленного сортамента заготовок из высокопрочного субмикрокристаллического и наноструктурного технически чистого титана (сплава ВТ1-0) без вредных для живого организма легирующих элементов для изготовления медицинских имплантатов. В перспективе планируется довести объем производства до соответствующего потребностям предприятий Российской Федерации в ультрамелкозернистом и наноструктурном титане для изделий медицинского назначения. Ведутся поставки полупромышленных партий заготовок в ГУП РТ Всероссийский научно-исследовательский проектный институт медицинских инструментов (ГУП РТ ВНИПИМИ, г. Казань) для освоения в серийном производстве имплантатов для травматологии и ортопедии. К настоящему времени завершен полный комплекс технических и клинических испытаний разработанных имплантатов, получено разрешение Росздравнадзора на их применение в клинической практике и начат выпуск (ГУП РТ ВНИПИМИ) сформированной продукции для медицинских учреждений РФ.
Разработана оригинальная технология синтеза нано-гидроксилапатита (НГАП) в виде водных и спиртовых коллоидов, суспензий и гелей различной плотности. Гидроксилапатит является основной составляющей костной ткани и является биологически совместимым материалом. Использование спиртового коллоида НГАП позволяет оптимизировать процесс получения шликерных биоактивных покрытий и получить высокие уровни прочности и адгезии покрытий без высокотемпературных отжигов. На сегодняшний день завершаются работы по запуску участка опытно-промышленного производства нанокристаллического гидроксилапатита в формах порошка, водных и спиртовых суспензии и гелей заданной концентрации. Разработка защищена патентом РФ.
В настоящее время наногидроксилапатит используется в качестве одного из компонентов стоматологического материала нового поколения «Нанофлюор», который был разработан ОАО «Опытно-экспериментальный завод ВладМиВа» (г. Белгород). Использование нанодисперсного коллоидного гидроксиапатита способствует реминерализации дентина глубокой кариозной полости и нормализации состояния пульпы зуба. Предполагаемые объемы производства препарата «Нанофлюор» – 10 000 упаковок в месяц. В 2008 году на данный препарат был получен государственный заказ.
Биопокрытия, разрабатываемые в Центре наноструктурных материалов и нанотехнологий Белгородского госуниверситета, созданные на основе наногидроксилапатита и керамики, получаемой методом микродугового оксидирования, успешно прошли первичную оценку острой цитотоксичности и матриксных свойств поверхности во ФГУ «Московский научно-исследовательский онкологический институт им. П.А. Герцена». На основании полученных результатов имплантаты на основе субмикрокристаллического титана с микродуговыми кальций-фосфатными или золь-гель покрытиями на основе наногидроксилапатита рекомендованы к клиническим испытаниям. В настоящее время формируется участок по нанесению биоинертных и биоактивных покрытий.
На основе нанокристаллического гидроксиапатита совместно с НИИ эпидемиологии и микробиологии имени Н.Ф. Гамалеи разработаны и внедрены в клиническую практику: препарат БелОст и Gamalant™-паста-ФОРТЕ Плюс. БелОст выпускается в виде 20% пасты и гранул 0,5-1 мм. Используемый в препарате синтетический нанокристаллический гидроксилапатит по структуре и свойствами максимально приближен к гидроксилапатиту из организма человека, который является основным минеральным компонентом при формировании новой кости. Gamalant™-паста-ФОРТЕ Плюс - резорбируемый композиционный материал, содержащий наноструктурный гидроксилапатит и высокоочищенный коллаген с сохраненной нативной структурой, а также факторы роста костной ткани человека – костные морфогенетические белки человека.
В заключении, хотелось бы отметить, что именно такие «винтики наноиндустрии» в совокупности двигают российскую науку в области наноматериалов и нанотехнологий вперёд.
