Проблемами
создания материалов биомедицинского назначения отдел
электрохимических систем и процессов модификации поверхности
Институт химии ДВО РАН (ИХ ДВО РАН) занимается более пяти
лет, и третий год — по контракту с Российским научным
фондом, в рамках которого разрабатывает уникальные
биологически активные и биологические инертные покрытия на
сплавах, пригодных для имплантационной хирургии. В этом
отделе также создан ряд других материалов, не имеющих
аналогов в мировой науке. А в целом в направлении
исследований в области защиты материалов от коррозии и
износа Институт химии ДВО РАН работает уже более 30 лет.
Имеются важные научные результаты, некоторые из которых
внедрены в промышленный сектор экономики, опубликованы
монографии, сотни научных статей в рейтинговых журналах,
получены патенты. О том, в чем состоят достижения приморских
химиков в данном направлении, мы говорим с заместителем
директора института по научной работе доктором химических
наук профессором Сергеем Гнеденковым.
— Сергей Васильевич, одним из самых перспективных ноу-хау
института в области антикоррозийной защиты для медицины
является разработка биологически активных покрытий на
биорезорбируемых имплантационных материалах. Расскажите об
этом подробнее…
— Когда человеку после полученной травмы устанавливают
имплантат, после образования костной ткани и выздоровления
нужно извлечь это инородное тело путем повторной операции.
Чтобы ее избежать, необходим биорезорбируемый имплантат,
который постепенно растворяется в процессе роста костной
ткани, замещающей имплантационный материал. Магниевые
сплавы, казалось бы, подходят для этих целей, так как магний
– не вредный для организма элемент и легко растворяется в
биологически активных жидкостях человеческого организма.
Беда в том, что делает он это чересчур быстро. Костная ткань
не успевает на нем образоваться. Мы разрабатываем покрытие,
которое, с одной стороны, ускоряет рост костной ткани,
являясь биологически активным, а с другой – замедляет
коррозию (растворение) магниевого сплава, являясь
антикоррозионным. Это целое направление в современном
материаловедении, работающем на медицину.
Результаты, полученные нами в этом направлении,
соответствуют мировому тренду развития резорбируемых
магниевых имплантатов. Статьи Института химии ДВО РАН на эту
тему публикуются в серьезных научных журналах, и по их
цитируемости можно констатировать, что мы идем в авангарде
этого процесса. Перспектива практического применения
подобных имплантатов оценивается нами как весьма высокая.
— Вы проводите эту работу с медиками?
— Безусловно. На первой стадии работали с Томским
медицинским университетом. Сейчас — с Тихоокеанским
медицинским университетом города Владивостока и
Научно-исследовательским институтом эпидемиологии и
микробиологии имени Г.П. Сомова СО РАН. В ИХ ДВО РАН мы
разрабатываем покрытия, обладающие антикоррозионными
свойствами и содержащие биологически активные компоненты в
своем составе. Врачи и ученые от медицины проверяют материал
с покрытиями на биологическую активность, цитотоксичность,
оценивают влияние элементов покрытия и имплантата на клетки
крови и плазмы, в том числе in vivo — на живых биологических
объектах (лабораторных животных). Полученные результаты
позволяют говорить, что клетки организма не отторгают
имплантат с покрытием и сами от этого не страдают.
— А что разработано вашим институтом для защиты
функциональных и конструкционных материалов, работающих в
других областях промышленности?
— Прошлый 2015 год закончился тем, что мы в рамках
госконтракта и постановления Правительства №218 внедрили
новую технологию на ОАО «Дальневосточный завод «Звезда» для
подводных лодок. Институт является партнером этого
предприятия с 80-х годов, со времени внедрения технологии на
базе плазменного электролитического оксидирования,
отмеченной премией Правительства России. Затем технология
была внедрена и на других судостроительных и судоремонтных
заводах страны. С такими покрытиями лодки ходят уже более 25
лет, и жалоб нет. Сейчас мы предложили новое по качеству и
составу композиционное полимерсодержащее покрытие, решающее
проблемы как защиты новых изделий судовых энергетических
установок, так и ремонта изделий, бывших в употреблении.
— В чем его инновационность?
— Если корпус подводной лодки полностью построить из
титанового сплава, эта будет практически нержавеющая, но
очень дорогая лодка. Поэтому обычно на ответственных
участках энергетических установок ставятся титановые
трубопроводы. На менее ответственных — титановые сплавы
соединяются со сталью и другими не такими дорогими
конструкционными материалами. В процессе эксплуатации в
местах контакта одного металла с другим возникает
гальванопара, и сталь быстро разрушается, тем более что
морская вода — это мощный коррозионный агент. Чтобы избежать
коррозии, раньше в таких местах ставили изоляционные
материалы. В 80-х годах мы предложили формировать
электрохимическим способом керамикоподобные диэлектрические
покрытия, благодаря которым в десятки раз уменьшается ионный
перенос и, соответственно, снижается коррозия.
Сейчас мы разработали новую технологию, позволяющую повысить
электроизолирующие свойства поверхностных слоев за счет
использования более совершенных режимов и подходов, а также
благодаря внедрению полимера в составе композиционных
покрытий. Разработанная технология позволяет ремонтировать
бывшие в употреблении и исчерпавшие свой ресурс элементы
конструкции надводных и подводных кораблей, которые очень
трудны и дороги в изготовлении. При первичной обработке на
их поверхность были нанесены защитные покрытия методом
термического оксидирования. Повторная обработка (ремонт)
таким методом недопустима из-за резкого снижения
коррозионно-механической прочности конструкций. Наша
технология позволяет оксидирование проводить неоднократно,
что не только защищает различные элементы судовых
энергетических установок без потери прочности, но и экономит
деньги.
— Одно из перспективных направлений материаловедения —
разработка покрытий, защищающих механизмы от износа. Что вы
предлагаете в этой области?
— Институт химии ДВО РАН разработал покрытия, обладающие
антифрикционными свойствами, то есть низким коэффициентом
трения. Это очень актуально для алюминиевых и магниевых
сплавов важных конструкционных и функциональных материалов,
которые могли бы стать одними из самых востребованных в
производстве. Плотность таких сплавов низка, прочностные
характеристики — приемлемы, что крайне важно, например, для
авиации, автомобилестроения. Но проблема в том, что
алюминиевые и магниевые сплавы подвержены интенсивному
коррозионному и механическому разрушению. От этого мы их и
защищаем. Это перспективное направление развития
современного материаловедения.
К примеру, на конференции в Париже еще в 2007 году компания
Keronit — один из лидеров в области модификации поверхности
— представила автомобиль будущего полностью собранным из
алюминиевых и магниевых сплавов. Такое возможно, если ученые
научатся надежно защищать эти материалы от коррозии и
износа. Мы в этом направлении интенсивно работаем, и ряд
покрытий уже готов к внедрению. С ними магниевые и
алюминиевые сплавы могут заменять в некоторых случаях сталь.
— На чем основан этот метод?
— Сам принцип разработан еще в позапрошлом веке. Метод,
называемый плазменным электролитическим оксидированием
(другое распространенное его название микродуговое
оксидирование), «культивируется» в Институте химии с начала
1980-х годов. Изделие погружают в ванну и подают высокое
напряжение, вызывающее протекание плазменных микроразрядов
на поверхности обрабатываемого материала, в результате чего
формируется керамикоподобный защитный слой, состоящий из
окисленных форм элементов электролита и обрабатываемого
изделия.
— Одним из самых развиваемых в мире направлений защиты от
коррозии и износа является разработка композитов с
использованием политетрафторэтилена (тефлона и других
материалов на основе ПТФЭ). Вы занимаетесь этим?
— Мы ведем работы по созданию композиционных
многофункциональных покрытий с использованием
ультрадисперсного политетрафторэтилена (УПТФЭ) торговой
марки Форум®. О достижениях в этой области я уже говорил.
Кроме того, сейчас успешно проводятся работы по созданию
защитных красок, в состав которых входит УПТФЭ. Их испытания
недавно проводились на кораблях военно-морского флота,
эффект оказался более чем заметным. Институт химии получил
благодарность от командующего Тихоокеанским флотом, который
отметил, что такое покрытие уменьшает гидродинамическое
сопротивление, за счет чего корабль может набирать большую
скорость. Кроме того, покрытие обладает антиобрастающим и
антикоррозионным эффектом. Интерес к этой разработке сейчас
очень большой.
Следует отметить, что и сам метод получения
ультрадисперсного политетрафторэтилена, и УПТФЭ как материал
были разработаны в нашем институте под руководством
академика В.М.Бузника. Начиналось с того, что в Советском
Союзе искали способ утилизировать отходы тефлона. Ввиду
того, что этот материал химически инертный, он не может
деградировать в естественных природных условиях. Это
означает, что и через 100 лет нахождения на свалке он
практически не изменится. Стояла задача научиться его
утилизировать. Институтом был разработан способ
термоградиентного синтеза, позволяющий получить нанопорошок,
состоящий из низкомолекулярных фракций политетрафторэтилена.
Оказалось, что этот порошок можно добавлять в моторные и
трансмиссионные масла автомобиля в качестве присадки, что
позволяет снизить трение и износ деталей, экономить расход
топлива. Эти присадки сейчас можно купить практически во
всех автомобильных магазинах. Но при этом Институт химии
прошел тернистый путь от идеи до инновационных технологий.
— Как вы оцениваете вклад Института химии ДВО РАН в науку в
целом?
— Формально достижения ученых оцениваются сейчас по индексу
Хирша (индексу цитируемости), по импакт-фактору журналов, в
которых публикуются работы ученых. Эти наукометрические
показатели сотрудников ИХ ДВО РАН и института в целом весьма
высоки.
Институт химии еще в советское время имел серьезный научный
авторитет. В настоящее время нам удается не только не
уронить планку, но и поднять ее, благодаря тому, что
руководство Дальневосточного отделения, института смогло
удержать молодежь, закупить современное научное оборудование
– многие установки стоят сотни тысяч долларов. Директору ИХ
ДВО РАН академику В.И.Сергиенко удалось изыскать возможности
и построить новый лабораторный корпус, что однозначно
улучшает и условия, и качество работы, а, следовательно,
делает ее более результативной.
В центральной России, особенно в Москве и Санкт-Петербурге,
очень многие молодые специалисты из науки ушли в бизнес
из-за разницы в зарплатах и условиях работы. Нас этот
процесс во многом миновал, что позитивно отразилось на
качестве научных исследований.
— Как вы оцениваете открывающиеся перспективы
импортозамещения в связи с западными санкциями и ростом
стоимости валюты? В этом существует резерв для развития?
— По импортозамещению есть определенная перспектива. Раньше
некоторые вещи было бессмысленно рассматривать, поскольку
рынок был занят. Но для практической реализации и сейчас
существует ряд серьезных барьеров, которые невозможно
преодолеть, опираясь только на собственные силы. Должна быть
создана государственная система поддержки перевода
наукоемкой разработки на промышленные рельсы. В институте
такие результаты, позволяющие говорить об импортозамещении,
безусловно, есть, в частности, биоактивные покрытия для
имплантационной хирургии. О них я уже говорил. Вопрос в
другом: между нами и пациентом должны стоять институты,
которые проводят доклинические, клинические испытания,
сертификацию – это очень большой труд и большие деньги, без
которых мы не можем внедрить такое покрытие в медицину.
В 90-е годы, когда нам вообще не платили зарплату, мы
обрабатывали обычные алюминиевые сковородки, на которые
наносили политетрафторэтиленовое покрытие. Оно было не хуже,
чем то, что производила фирма Tefal. В отличие от
тефалевской пленки наш полимер был нанесен на специально
подготовленный твердый пористый слой, полученный
электрохимическим методом.
Полимер входил в поры этого слоя, и его невозможно было
случайно повредить ножом или другим металлическим предметом.
Мы обрабатывали таким образом формы для выпечки хлеба.
Директор одного из владивостокских хлебозаводов был в
восторге – хлеб можно было выпекать и извлекать из формы без
единой капли масла. В те времена это было очень важно. Но
потом выяснилось: для того чтобы это покрытие внедрить в
массовое производство, надо пройти множество этапов по
согласованию с разрешающими инстанциями. Это тоже требовало
уйму времени и больших денег. Тем не менее, это была
реальная разработка по импортозамещению. Кстати, и сегодня
не потерявшая злободневность.
— Правильно ли я понимаю, что приморский Институт химии ДВО
РАН в области инновационных разработок, использующих
политетрафторэтилен, находится в числе мировых лидеров?
— Думаю, что это именно так.
— Могут ли промышленные предприятия обратиться к институту с
предложениями о совместных разработках?
— Безусловно. Более того, мы сами к этому призываем.
Институт готов сотрудничать, но нужно искать финансовую
форму сотрудничества. Найти дополнительный финансовый
источник, которого, вместе с фондами предприятий, хватит на
продвижение разработки. Это может быть, например,
федеральная целевая программа, поддерживающая конкретный
проект.
Мы готовы к совместной работе с участием заинтересованных
производственных структур, когда сотрудники предприятия
выступают в проекте, ориентированном на практику, в качестве
научных работников: участвуют в экспериментах, исследуют
научные проблемы, связанные с проектом, защищают
диссертации, публикуют статьи. Любые формы взаимовыгодного
сотрудничества, повышающего научно-производственный
потенциал страны, нами рассматриваются.
