Скелет из композита

В ближайшие 15-20 лет до 90 процентов всех материалов будут заменены принципиально новыми, произведенными с использованием химического синтеза, прогнозируют эксперты. Уже сегодня более трети всех патентов в мире выдаются на изобретения в этой сфере.

Материалы будущего - это композиты, которые сегодня проникают практически во все сферы реального сектора экономики. В федеральную целевую программу "Развитие промышленности и повышение ее конкурентоспособности на период до 2020 года" включена подпрограмма, направленная на развитие производства композиционных материалов и изделий из них. Объем внутреннего производства композитной отрасли к 2020 году должен составить 120 миллиардов рублей, а количество патентов в этой сфере - 183.

"Полимерные композиционные материалы применимы в машиностроении (элементы корпусов, силовые элементы), авиации (фюзеляж, элементы крыла и двигателя), строительстве (арматура, внешнее армирование), автомобилестроении (элементы кузова, подвеска, колесные диски), судостроении (корпус, силовые элементы), - рассказал Андрей Бойцов, директор "Роял-Карбон", участник трека AeroSpace акселератора GenerationS, организованного РВК. - Их основные преимущества в простоте обработки, уменьшении веса конструкции, повышении прочностных характеристик, коррозийной устойчивости. Также их использование позволяет придавать изделию более сложные формы".

По его словам, компания проводила разработку конструкции и производство опытных образцов крыльчатки для электродвигателя из карбона. Крыльчатка из пластика не выдерживала нагрузок, а из алюминия была тяжелой и разрушала механизм электродвигателя. Разработав крыльчатку из карбона, ученым удалось снизить массу изделия на 50 процентов, увеличить прочность в 7 раз и за счет изменения аэродинамики снизить шумовые характеристики и повысить выработку вентилятора. "Сейчас мы занимаемся разработкой корпуса электродвигателя из полимерных композитных материалов для уменьшения веса и улучшения шумовых характеристик, - рассказал Бойцов. - Отрабатываем технологию изготовления рабочих лопаток вентилятора из углепластика для применения в авиационных двигателях".

Акцент: Композиты на основе биоразлагаемого полимера имеют низкий риск отторжения и выводятся из организма

Еще одна сфера, в которой композиты крайне востребованы, это медицина. Недавно, например, сотрудники Лаборатории каталитических исследований Томского государственного университета совместно с учеными Мюнстерского университета (Германия) начали работу над технологией создания новых материалов, которые используются в хирургии (остеопластике). "Такие композиционные материалы применяют для укрепления костей при переломах и травмах, исправлении дефектов и т. п., - рассказал Алексей Князев, директор Инжинирингового химико-технологического центра. - По сути, они приходят на смену титану и металлическим спицам, причем используя тот же титан, необходимо провести две операции - сначала установить, потом извлечь после заживления".

Биоразлагаемые композиционные материалы, напротив, могут оставаться в организме: рассасываться и заменяться на кость, либо находиться постоянно, не причиняя человеку вреда. Ученые ставят перед собой задачу разработать материал, который не провоцирует некрозов или воспалений, не отторгается организмом, при этом обладает хорошими механическими характеристиками (то есть не ломается).

Как отмечают эксперты, заболевания и травмы костно-мышечной системы занимают второе место среди причин травматизма и третье место среди болезней, послуживших причиной инвалидности среди взрослого населения. Поэтому имплантаты различных суставов очень востребованы в медицине. При этом идет постепенный отказ от инородных материалов в пользу подхода естественной регенерации тканей. "Композиты на основе гидроксиапатита, основной минеральной составляющей костной ткани, и биоразлагаемых полимеров имеют высокое сродство к организму, низкий риск отторжения и постепенно разлагаются и выводятся из организма, а на этом месте нарастает новая костная ткань", - рассказала Дарья Лыткина, младший научный сотрудник Лаборатории каталитических исследований Томского государственного университета.

Основными мировыми производителями ортопедических имплантатов являются США, которые контролируют до 70 процентов мирового рынка, а также страны Западной Европы (Германия, Швейцария, Нидерланды). Доля России не превышает 5 процентов от мирового объема производства. При этом объем мирового рынка ортопедических имплантатов к 2016 году достигнет 41,8 миллиарда долларов, а темпы роста оцениваются в 8 процентов в год (по прогнозам компании GBI Research). "Рынок имплантатов не насыщен, - отметила Лыткина. - Существует ряд зарубежных компаний, которые поставляют в Россию около трети дорогостоящих имплантатов (цена достигает 1150 долларов за единицу продукции) высокого качества". Отечественные имплантаты дешевле, но худшего качества.

"Так как применение импортных имплантатов - весьма дорогостоящее удовольствие, производство отечественных материалов стало целью российских ученых", - отметил Владимир Ботвин, лаборант Лаборатории каталитических исследований ТГУ. Биоразлагаемые полимерные композиты, разработанные сотрудниками лаборатории, получены на основе веществ и материалов, полностью синтезированных в лабораториях НИ ТГУ. Разработанная технология включает комплексный подход формирования биоматериалов, заключающийся в тщательном анализе способов синтеза и изучении свойств составляющих композиты компонентов.

"Преимуществами разрабатываемых материалов являются доступность сырья, достаточная технологичность их получения, нетоксичность продуктов биодеградации, биосовместимость и высокая прочность получаемого материала, - рассказал Ботвин. - Применение новых композиционных материалов, полученных из отечественных ресурсов, позволит исключить повторные операции, которые очень часто требуются при использовании металлических и любых других имплантатов, на основе толерантных материалов, не вступающих в обменные процессы с жидкостями организма".