Умные нанокомпозиты на основе нанопорошков Fe–Ag и Fe–Cu для биодеградируемых имплантатов с повышенной прочностью и медленным высвобождением лекарственных препаратов

УДК 620.17 : 615.015.1

Умные нанокомпозиты на основе нанопорошков Fe-Ag и Fe-Cu для биодеградируемых имплантатов с повышенной прочностью и медленным высвобождением лекарственных препаратов

А.Ф. Шарипова1,2, С.Г. Псахье2, И. Готман3, Э.Ю. Гутманас1

1 Технион - Израильский технологический институт, Хайфа, 32000, Израиль 2 Институт физики прочности и материаловедения СО РАН, Томск, 634055, Россия 3 ОРТ Брауде Колледж, Кармиель, 21982, Израиль

Настоящая статья посвящена проблеме разработки плотных нанокомпозитов Fe-Ag и Fe-Cu с повышенной прочностью из смесей порошков, консолидированных холодным спеканием в градиенте высоких давлений. Нанокомпозитные порошки были получены в высокоэнергетическом аттриторе из микронного порошка карбонильного железа (Fe) и порошка наноразмерного оксида серебра (Ag2O), а также нанопорошков железа и закиси меди (Cu2O). Фазовый состав изучался с помощью рентгенострук-турного анализа. Микроструктура изучалась с помощью сканирующего электронного микроскопа высокого разрешения. Компакты с плотностью около 70 % от теоретической плотности отжигались в атмосфере водорода для восстановления оксида серебра и закиси меди до металлов и удаления оксидных пленок с поверхности частиц порошка железа. За этим следовала консолидация компактов в градиенте высоких давлений при комнатной температуре до плотности, близкой к теоретической, механизмом холодного спекания. Проанализированы полученные данные зависимости плотности образцов от давления в диапазоне 0.253.00 ГПа. При давлении 3.00 ГПа для всех нанокомпозитов достигнуты плотности более 95 % от теоретической плотности. Для всех составов получены высокие механические свойства в опытах на трехточечный изгиб и на сжатие. Установлено, что механические свойства нанокомпозитов заметно выше, чем у композитов, полученных из микронных порошков. Обнаружено, что в образцах нанокомпозитов Fe-Ag и Fe-Cu достигается более высокая пластичность по сравнению с образцами, полученными из наноструктурного Fe. Этот эффект связан с тем, что в нанокомпозитах Fе-Аg и Fе-Cu фазы Ag и Cu намного пластичнее, чем фаза Fе. Показано, что введение антибиотика (ванкомицин) в сообщающуюся систему нанопор, объемных образцов, полученных холодным спеканием, обеспечивает инкапсуляцию лекарственного препарата в нанопорах и его медленное высвобождение из нанокомпозитов.

Ключевые слова: нанокомпозиты, биодеградируемые, железо-серебро, железо-медь, холодное спекание, механические свойства, медленное высвобождение лекарственных препаратов

DOI 10.24411/1683-805X-2019-11004

Smart nanocomposites based on Fe-Ag and Fe-Cu nanopowders for biodegradable high-strength implants with slow drug release

A.F. Sharipova1,2, S.G. Psakhie2, I. Gotman3, and E.Y. Gutmanas1

1 Department of Materials Science and Engineering, Technion-Israel Institute of Technology, Haifa, 32000, Israel 2 Institute of Strength Physics and Materials Science SB RAS, Tomsk, 634055, Russia 3 ORT Braude College, Karmiel, 21982, Israel

The present paper deals with development of dense Fe-Ag and Fe-Cu high-strength nanocomposites from blends of nanocomposite powders employing cold sintering-high pressure consolidation. Nanocomposite powders were obtained by high energy attrition milling of micron scale powder of carbonyl iron (Fe) and nanosize silver oxide powder (Ag2O), as well as of nanopowders of Fe and cuprous oxide (Cu2O). Phase identification was done by X-ray diffraction. Microstructure was studied employing high resolution scanning electron microscope. Compacts of approximately 70% density of theoretical density were annealed in hydrogen flow to reduce silver and cuprous oxides to metals and to remove oxide layers from the surface of powder particles. This was followed by cold sintering-consolidation in gradient of high pressure at ambient temperature. The obtained data on dependence of density of specimens on applied pressure in the range of 0.25-3.00 GPa were analyzed. At pressure of 3.00 GPa for all nanocomposites densities above 95% of theoretical density were obtained. For all compositions high mechanical properties in three-point bending and in compression were observed. It had been found that the mechanical properties of nanocomposites are substantially higher as compared with properties obtained on composites with micron scale grains. It was observed that Fe-Ag and Fe-Cu nanocomposites have higher ductility as compared to nanostructured Fe, being a result of higher plasticity of Ag and Cu phases in nanocomposites as compared with plasticity of Fe phase. It was shown that loading of antibiotic vancomycin into interconnecting system of nanopores of cold sintered nanocomposites results in nano-encapsulation of drug in a bulk specimen, providing slow release of the drug from the nanocomposite.

Keywords: nanocomposites, biodegradable, iron-silver, iron-copper, cold sintering, mechanical properties, slow drug release

© Шарипова А.Ф., Псахье С.Г., Готман И., Гутманас Э.Ю., 2019

1. Введение

Тенденции современной науки о материалах показывают, что использование возможностей многоуровневого подхода позволяет с применением высоких технологий создавать инновационные материалы с сочетанием свойств, которые не удается получить для традиционных материалов [1]. Нанокомпозиты и, в частности, металлические нанокомпозиты привлекают особое внимание исследователей и разработчиков благодаря возможности достижения комбинации высоких механических, электрических, тепловых и уникальных химических свойств. Объемные образцы и детали из композитов металл-металл с очень тонкой структурой могут быть получены передовыми методами порошковой металлургии, такими как быстрое затвердевание расплава металлов или помол мелкодисперсных порошков в аттриторе высокой энергии с последующей консолидацией порошков в режимах температура-время выдержки, которые не приводят к огрублению наноструктуры [1-6]. Метод холодного спекания (консолидация порошков в градиенте высоких давлений) успешно применяется для изготовления объемных материалов и изделий, в том числе и из нанопорошков [7-9]. Среди других способов получения нанокомпозитов и изделий большого размера можно отметить методы перемешивания нанопорошков разных металлов [2, 8], перемешивания нанопорошков оксидов металлов с их последующим восстановлением при относительно низких температурах и консолидацией в условиях, обеспечивающих сохранение наноструктуры [9]. Такие методы получения нанокомпозитных порошков, как совместное восстановление растворов солей металлов [10], совместное испарение и осаждение паров двух металлов [11], электрический взрыв проволочек разных металлов [12-14], не используются для изготовления деталей больших размеров. Наноструктурные материалы, в том числе нанокомпозиты, получают методами интенсивной пластической деформации объемных материалов с микронными зернами: равноканальным угловым прессованием получают, как правило, круглые стержни [15, 16]; многократной прокаткой получают листовой металл [17, 18]. При этом в большинстве случаев состав материалов и композитов определяется сплавами, имеющимися в наличии. Стали и алюминиевые сплавы с наноструктурой и высокими механическими свойствами были получены холодным спеканием быстро охлажденных порошков [3, 19].

Нанокомпозиты Fe-Ag и Бе-Си интересны тем, что могут быть отнесены к так называемым «умным» материалам, обладающим высокими механическими и магнитными свойствами, сравнительно высокой электропроводностью и теплопроводностью. Нанокомпозиты Fe-Ag и Бе-Си могут быть использованы для создания прочных биодеградируемых имплантатов с повышен-

ной скоростью деградации, т.к. железо с серебром и медью образует наногальванические пары [20, 21]. В работах [21-25] было показано, что введение антибиотика (ванкомицин) в сообщающуюся систему нанопор объемных образцов, полученных холодным спеканием, обеспечивает инкапсуляцию лекарственного препарата в нанопорах и его медленное высвобождение из нано-композитов.

В настоящей статье представлены результаты по приготовлению нанокомпозитных порошков систем Бе-Ag и Бе-Cu, по изготовлению плотных образцов из этих порошков методом холодного спекания, исследованию их микроструктуры и механических свойств, а также результаты исследования введения в нанопоры и высвобождения ванкомицина из нанопор образцов, полученных холодным спеканием.

2. Материалы и методы исследования

2.1. Приготовление нанокомпозитных смесей Fe-Ag и Fe-Cu

Для приготовления нанокомпозитных порошков Бе-Ag и Бе-Cu использовались микронные порошки карбонильного Бе, оксида Ag, а также нанопорошки Бе (н-Бе) и закиси меди (н-Си20). Нанокомпозиты Бе-10 % Ag и Бе - 20 % Ag и Бе - 25 % Cu (об. %, далее обозначены как Бе10Ag, Бе20Ag и Бе25Си соответственно) были приготовлены помолом в аттриторе высокой энергии (Union Process 01HD) в среде гексана при соотношении масс шариков и шихты 20 : 1 (2000 г шариков диаметром 4 мм из нержавеющей стали к 100г порошка). При высокоэнергетическом помоле происходит многократная пластическая деформация частиц порошка, приводящяя к измельчению структуры до наноструктур [3, 4]. Порошок Ag20 использовался вместо порошка Ag, т.к. при высокоэнергетическом помоле частицы серебра агломерируются [21]. Помол производился в течение 8 ч для смесей Бе-Ag и 6 ч для смесей н-Бе-н-Cu20. Микрофотографии, полученные с использованием сканирующей электронной микроскопии высокого разрешения, исходных порошков карбонильного железа, оксида серебра и нанопорошка железа приведены на рис. 1. Нанопорошки серебра (н-Ag) и меди (н-Cu) были получены помолом в аттриторе высокой энергии с последующим восстановлением в потоке водорода при 200 °С, 1 ч, время помола 4 ч. Нанопорошок Бе (~50 нм) был поставлен Riechest Group (Китай).

2.2. Изготовление плотных образцов из нанокомпозитов Fe-Ag и Fe-Cu

Для исследования зависимости плотности образцов от приложенного давления были изготовлены образцы в ячейке диаметром 10 мм в диапазоне давлений 0.253.00 ГПа.

Рис. 1. Микрофотографии исходных порошков: карбонильное железо (а), оксид серебра (б) и нанопорошок железа (в). Сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения

Для изготовления плотных образцов порошки ком-пактировались до 70-80 % теоретической плотности при давлении 400 МПа. Для удаления тонкого окисного слоя с поверхности частиц компакты обрабатывались в потоке водорода при 450 °C, 1 ч (согласно [14] при такой термообработке не наблюдается огрубление микроструктуры смесей порошков Fe-Ag). За этим следовало холодное спекание (консолидация) порошка в ячейках высокого давления при комнатной температуре и давлении 3 ГПа. При холодном спекании в результате высоких напряжений сдвига происходит интенсивная пластическая деформация с заполнением пор. Как показано в [3], при давлении 3 ГПа с учетом концентрации напряжений они могут превысить напряжения теоретического сдвига. Ячейки были изготовлены из специальной быстрорежущей стали CPM T15. Для испытаний на изгиб изготавливались диски диаметром 10 мм

и толщиной 1.5 мм, для испытаний на сжатие изготавливались образцы диаметром 5 мм и высотой 4 мм.

2.3. Введение антибиотика и исследование кинетики выхода

Исследование введения и кинетики выхода антибиотика ванкомицина проводилось на образцах нанокомпозитов Fe10Ag. Введение ванкомицина в образцы проводили двумя способами: 1) смешиванием порошка Fe10Ag с порошком ванкомицина перед холодным спеканием; 2) введением раствора ванкомицина под вакуумом в систему сообщающихся нанопор образцов Fе10Ag после холодного спекания.

В первом случае порошок Fe10Ag смешивался с 6 вес. % порошка ванкомицина (VH) в ступке. Чтобы обеспечить равномерное распределение ванкомицина, навеска, соответствующая одному образцу, перемешивалась с добавлением инертного по отношению к порошкам гексана. Затем смесь высушивалась в вакууме. Образцы диаметром 10 мм и толщиной 3 мм из смеси Fe10Ag-6 вес. % VH изготавливались в ячейке высокого давления холодным спеканием при давлении 2.5 ГПа.

Для введения ванкомицина в систему сообщающихся нанопор был приготовлен водный раствор 50 мг/мл VH. Образцы Fe10Ag 95-96 % от теоретической плотности помещались в вакууме (10-2 торр) в раствор VH на 30 мин. После этого образцы высушивались в вакууме и взвешивались для определения количества ванко-мицина, введенного в нанопоры. Количество введенного ванкомицина в нанопоры образца Fe10Ag с 4 % открытой пористости составляет 0.09 вес. %.

Для исследования кинетики выхода антибиотика образцы Fe10Ag с ванкомицином погружались в 10 мл буферного раствора TRIS с перемешиванием при температуре 37 ± 0.5 °C. Через определенные интервалы времени (1 ч, 4 ч, 8 ч, 1 сут., 3 сут., 7 сут.) проводились измерения концентрации ванкомицина, вышедшего в раствор, и буферный раствор заменялся на свежий. Концентрация ванкомицина в растворах измерялась с использованием УФ-спектрофотометра Hewlett-Packard 8453 при длине волны 280 нм. Калибровочная кривая была построена, используя растворы с концентрацией ванкомицина в диапазоне 0.025-0.300 мг/мл, где согласно закону Бера-Ламберта [26] наблюдается линейная зависимость поглощения от концентрации.

2.4. Исследование нанокомпозитных порошков и плотных образцов, полученных холодным спеканием

Фазовый состав порошков до и после высокоэнергетического помола и после обработки компактов в потоке водорода изучался с помощью диффрактометра рентгеновских лучей (XRD) (Philips PW3710) с длиннофокусной трубкой при напряжении 40 кВ и силе тока 40 мА. Сканирование проводилось в диапазоне 26 = 30°-70° с

Fe

Ag2O Ag

Л

Fe

30°

40°

50°

60°

28

Рис. 2. Рентгенограммы нанопорошка Fe20Ag: исходный

шагом 0.02° и выдержкой в каждой точке 2 с. Микроструктуру порошков и консолидированных образцов изучали с помощью сканирующей электронной микроскопии (FEI Quanta 200) с энергодисперсионной рентгеновской спектроскопией при напряжении 20 кВ (глубина проникновения электронов около 1 мкм) и сканирующей электронной микроскопией высокого разрешения (Zeiss Ultra Plus). Плотность образцов определяли методом Архимеда. Относительную плотность консолидированных образцов определяли как отношение измеренной плотности к теоретической плотности смесей порошков. Испытания на сжатие и на трехточечный изгиб проводили с использованием испытательной машины Инстрон 1195 со скоростью нагружения 10-5 с-1. Прочность на изгиб рассчитывали по формуле

üb = 3Pl/ 2bh2,

где Р — нагрузка; l — расстояние между опорами при испытании на трехточечный изгиб; b — ширина образца; h — высота образца. Испытания проводили не менее чем на трех образцах.

3. Результаты и обсуждение

3.1. Микроструктура порошков после высокоэнергетического помола и термообработки

в потоке водорода

Рентгенограммы смеси порошков карбонильного железа с окисью серебра после высокоэнергетического помола и порошка после обработки в потоке водорода при 450 °С, 1 ч для состава Fe20Ag показаны на рис. 2. Видно, что часть оксида серебра восстанавливается до металла уже при помоле. Термообработка в потоке водорода приводит к полному восстановлению оксида. Рентгенограммы исходных порошков н^е и н-C^O и смеси порошков Fе-25Cu после высокоэнергетического помола и термообработки в потоке водорода при 450 °С, 1 ч приведены на рис. 3. Отношение высот пиков на рентгенограммах (рис. 2, 3) коррелирует с количественным составом нанопорошков. Размер зерен Fe, Ag и Cu, оцененный по уширению пиков, составляет 27 ± 4 нм для Fe, 18 ± 3 нм для Ag и 22 ± 4 нм для Cu.

Fе и Cu, как и Fе и Ag, — несмешивающиеся металлы, поэтому высокоэнергетический помол не приводит к механическому легированию. Из рентгенограмм видно, что термообработка в потоке водорода приводит к восстановлению окиси серебра и закиси меди.

3.2. Холодное спекание нанокомпозитных порошков Ре-Ag и Ре-Cu и нанопорошков Ре, Cu и Ag

Графики зависимости относительной плотности образцов Fe5Ag, Fе10Ag и Fе25Cu как функции приложенного давления при консолидации приведены на рис. 4. Для сравнения приведен график зависимости плотности от приложенного давления и для порошка н-Ag. При давлении 3 ГПа плотность состава Fе10Ag достигает 98.5 % от теоретической плотности, для Fе5Ag — 98%,

i

~50°

н-Fe О Fe

H-Cu2O • Cu2O

60°

28

о Я сс

s

о Я <u ь tc

Б

30°

— Q H-Fe-H-Cu2O 6 ч аттр. О Fe • Cu2O 1-?4~

—1 i1 Д -J J-1-Г-1-1- H-Fe-25H-Cu 3 ГПа О Fe ОД Д Cu 1—1-4-

40°

50°

60°

28

Рис. 3. Рентгенограммы исходных порошков н^е и н-С^О и смеси порошков Fе25Cu после высокоэнергетического помола и термообработки в потоке водорода при 450 °С, 1 ч

н

—I-1-1-1-1-г-1

0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 Давление, ГПа

Рис. 4. Зависимость относительной плотности компактов н-FeAg, н-Бе25Си и н-Ag (70 % от теоретической плотности), прошедших обработку в потоке водорода при 450 °С, 1 ч от приложенного давления

а для Fе25Cu — 97.5 %. Для н-Ag при давлении 3 ГПа плотность близка к 100 % от теоретической плотности. Более высокие значения плотности для состава Fе10Ag можно объяснить более высокой пластичностью и сжимаемостью частиц порошка н-Ag. Плотность образцов Fе25Cu (97.5 %), полученных холодным спеканием при 3 ГПа, на 3.5 % выше плотности образцов из наноком-позитных порошков близкого состава Fе28Cu, полученных взрывом проволочек [15].

Следует отметить, что после термообработки компактов в потоке водорода при 450 °С на поверхности

Рис. 5. Микрофотографии поверхности образцов, полученных холодным спеканием при 3 ГПа нанокомпозитных порошков: Fе10Ag (а), Fе25Cu (б). Сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения

частиц остается, по крайней мере, мономолекулярный слой оксида, что для частиц размером 50 нм по оценкам, проведенным в [14], соответствует примерно 1 % общей плотности, т.к. плотность окислов Fe, Cu и Ag ниже плотности металлов.

Микрофотографии поверхности образцов, полученных холодным спеканием при 3 ГПа нанопорошков Fе10Ag, Fе25Cu после обработки в потоке водорода при 450 0С, приведены на рис. 5.

При давлении 2.5 ГПа для нанокомпозитов Fе5Ag, Fе10Ag и Fе25Сu получены высокие плотности (9496 % от теоретической) с сообщающейся системой открытых нанопор/наноканалов (4-6 % пористости). Наличие нанопор в образце Fе10Ag после холодного спекания под давлением 2.5 ГПа продемонстрировано на рис. 6. Нанопористые образцы Fе10Ag для введения антибиотика были получены при давлении 3 ГПа. Уровень давления при холодном спекании позволяет регулировать объем и размер нанопор.

3.3. Механические свойства нанокомпозитов Fe-Ag, Fe-Cu, полученных холодным спеканием

Результаты исследования механических свойств нанокомпозитов Fе-Ag и карбонильного железа, полученных холодным спеканием, а также литературные данные по холодному спеканию порошка нанокомпозита PTСР-21Fе9Ag [27], нанопорошка Fе 30 нм [8] и по свойствам композитов Fе-Ag с величиной зерна 25 мкм [28] приведены в табл. 1. Можно видеть, что высокое содержание Ag и высокотемпературные отжиги (например, при 800 ОС) приводят к уменьшению предела текучести и увеличению пластичности. Предел текучести на изгиб чистого железа после помола в аттриторе с тем же размером зерна, как у нанокомпозитов Fе5Ag, несколько ниже, но значительно выше по сравнению с пределом текучести образцов, приготовленных холодным спеканием из карбонильного Fе и отожженных при 800 ос. Более низкий предел текучести, полученный для карбонильного железа после отжига при 800 0С,

Рис. 6. Микрофотография поверхности образца Fe10Ag, полученного холодным спеканием при 2.5 ГПа нанокомпозитного порошка. Сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения

Таблица 1

Механические свойства композитов Fе-Ag и н-Ре

Состав Метод получения Предел текучести на сжатие, МПа Пластическая деформация на сжатие, % Предел текучести на изгиб, МПа Относительная плотность, % от ТП

Fe5Ag 550 °С 880 ± 20 22 990 ± 25 97.0 ± 0.5

800 °С 690 ± 20 36 830 ± 20 98.0 ± 0.5

Fe10Ag 550 °С 830 ± 20 28 910 ± 25 97.5 ± 0.5

Aттритор 8 ч, ХС, Н2, 1 ч 800 °С 670 ± 20 44 715 ± 15 99.0 ± 0.3

Fe20Ag 550 °С 785 ± 25 32 810 ± 20 98.0 ± 0.5

800 °С 550 ± 20 >50 650 ± 20 99.0 ± 0.6

Fe25Cu 450 °С 720 ± 20 18 790 ± 25 97.5 ± 0.5

Fe карбонильное 550 °С 840 ± 25 24 970 ± 25 97.0 ± 0.5

800 °С 455 ± 15 >50 540 ± 20 98.0 ± 0.5

Fe, 30 нм [8] Холодное спекание 1100±25 - - 97.0 ± 0.4

pТСР-21Fе9Ag [27] Aттритор 4 ч, ХС 570 ± 20 3.2 222 ± 15 98.0 ± 0.5

Fe5Ag , 2 5 мкм [28 ] Горячее прессование, 1000 °С, 40 МПа 375 ± 20 98.7

ТП — теоретическая плотность, ХС — холодное спекание

вероятно, связан с большей величиной зерна: 3-4 мкм по сравнению с 1.5-2.0 мкм для Fе5Ag. Все испытанные нанокомпозиты Fе-Ag показали высокие механические

Рис. 7. Микрофотографии поверхности излома образцов, полученных холодным спеканием при 3 ГПа нанокомпозитных порошков: Fe20Ag (а) и Fe25Cu (б) после обработки компактов 70% плотности в потоке водорода при 450 °С, 1 ч. Сканирующая электронная микроскопия высокого разрешения

свойства на сжатие и на изгиб. Прочность на сжатие нанокомпозитов Fе5Ag и Fе10Ag близка к прочности, полученной на образцах из порошка чистого железа 30 нм после холодного спекания при 3 ГПа [8], и в несколько раз выше, чем для композитов Fе5Ag и Fе10Ag с размером зерен 25 мкм [28]. Очень высокая прочность на изгиб, выше 1000 МПа, была достигнута для образцов, полученных холодным спеканием нанокомпозит-ного порошка Fe-10Ag. Для образцов, полученных холодным спеканием нанокомпозитных порошков Fe20Ag и Fe25Cu, также характерны высокие значения прочности на изгиб, более 800 МПа. Для всех образцов была достигнута высокая пластичность. Микрофотографии поверхностей излома образцов Fe20Ag и Fe25Cu, полученных холодным спеканием при 3 ГПа после обработ-

£ 80

£ 04--

3 0 250 500

« Время, ч

Рис. 8. Кинетика выхода ванкомицина из образцов Fe10Ag с введением антибиотика в сообщающуюся систему 4% нано-пор в вакууме (УН вак.) и Fe10Ag - 6 вес. % УН, введенным перемешиванием вручную до холодного спекания

ки компактов 70% плотности в потоке водорода при 450 °С, 1 ч, приведены на рис. 7. Поверхность разрушения соответствует выраженной пластической деформации.

Таким образом, сочетание высоэнергетического помола с последующей консолидацией холодным спеканием позволяет создать высокопрочные нанокомпози-ты, в том числе и биодеградируемые нанкомпозиты на основе железа.

Можно отметить, что плотные образцы, полученные холодным спеканием нанопорошков Fe10Ag, Fe20Ag и Fe25Cu, становятся постоянными магнитами после намагничивания в магнитном поле. Образцы Fe20Ag и Fe25Cu, обладая высокой прочностью, по предварительным результатам показывают высокую электропроводность.

3.4. Кинетика выхода антибиотика ванкомицина из сообщающейся системы нанопор образцов нанокомпозитов Fe10Ag

Кинетика выхода ванкомицина из образцов Fe10Ag с двумя типами введения антибиотика представлена на рис. 8. Ускоренный выход («скачок» выхода) ванкомицина из образцов Fe10Ag, введенного перемешиванием вручную до консолидации, наблюдался в первые часы (~17 % после 8 ч). Вероятно, это связано с быстрым растворением лекарственного препарата на поверхности образца. После первого дня кинетика выхода ванко-мицина замедляется и остается стабильной, порядка 5 вес. % в неделю. Деградация образцов Fe10Ag ниже скорости выхода ванкомицина — порядка 4 вес. % в неделю (в пересчете на образцы толщиной 3 мм) [22]. Это указывает на то, что механизм высвобождения ван-комицина преимущественно диффузионный, связанный с постепенным выходом лекарственного препарата из нанопор, а не за счет деградации материала. Данный вывод согласуется с исследованием кинетики выхода ванкомицина из композитов P-TCP-PLA с аналогичным методом загрузки [23-25].

4. Заключение

Показана возможность получения нанокомпозитов с контролируемыми физико-механическими свойствами. Методом высокоэнергетического измельчения смесей порошков Fе-Ag и Fе-Cu с последующим холодным спеканием в градиенте высоких давлений получены нанокомпозиты со структурой, обеспечивающей высокую прочность и высокую пластичность. Полученные результаты легли в основу методики, которая позволяет получать прочные биодеградируемые материалы для имплантатов с контролируемой системой открытых на-нопор, обеспечивающие загрузку и медленное высвобождение лекарств.

Работа выполнена при финансовой поддержке Программы фундаментальных исследований государственных академий наук на 2013-2020 годы, направление исследований III.23.

Литература

1. Ovidko I.A., Valiev R.Z., Zhu Y.T. Review on superior strength and enhanced ductility of metallic nanomaterials // Progr. Mater. Sci. -2018. - V. 94. - P. 462-540.

2. Lenel F.V. Powder Metallurgy: Principles and Applications. - Princeton,

NJ, USA: MPIF, 1980.

3. Gutmanas E.Y. Materials with fine microstructures by advanced powder metallurgy // Progr. Mater. Sci. - 1990. - V. 34. - P. 261-366.

4. Suryanarayana C. Mechanical alloying and milling // Progr. Mater. Sci. - 2001. - V. 46. - P. 1-184.

5. Ma E. Alloys created between immiscible elements // Progr. Mater. Sci. - 2005. - V. 50. - P. 413-509.

6. Herr U., Ying J., Gonser U., Gleiter H. Alloy effects in consolidated binary mixtures of nanometer-sized crystals investigated by Mossbauer spectroscopy // Solid State Comm. - 1990. - V. 76. - P. 197-202.

7. Gutmanas E.Y., Rabinkin A., Roitberg M. Cold sintering under high pressure // Scripta Metall. - 1979. - V. 13. - P. 11-15.

8. Gutmanas E.Y., Trusov L.K., Gotman I. Consolidation, microstructure and mechanical properties of nanocrystalline metal powders // Nano-struct. Mater. - 1994. - V. 4. - P. 893-901.

9. Karwan-Baczewska J., Gotman I., Gutmanas E.Y., Shapiro M. Small particles with better contacts make nanocomposites kings of conductivity // Metal. Powder Rep. - 2005. - V. 60(6). - P. 28-34.

10. Toshima N., Yonezawa T. Bimetallic nanoparticles—novel materials for chemical and physical applications // New J. Chem. - 1998. -V. 22. - P. 1179-1201.

11. Gleiter H. Nanocrystalline materials // Progr. Mater. Sci. - 1989. -V.33. - P. 223-315.

12. Kotov Y.A. Electric explosion of wires as a method for preparation of nanopowders // J. Nanoparticle Res. - 2003. - V. 5. - P. 539-550.

13. Lerner M.I., Pervikov A.V., Glazkova E.A., Svarovskaya N.V., Lozhko-moev A.S., Psakhie S.G. Structures of binary metallic nanoparticles produced by electrical explosion of two wires from immiscible elements // Powd. Technol. - 2016. - V. 288. - P. 371-378.

14. Lerner M., Psakhie S.G., Lozhkomoev A.S., Sharipova A.F., Pervikov A.V., Gotman I., Gutmanas E.Y. Fe-Cu nanocomposites by high pressure consolidation of powders prepared by electric explosion of wires // Adv. Eng. Mater. - 2018. - V. 20. - Article No. 1701024. - P. 1-6.

15. Segal V.M. Equal channel angular extrusion: from macromechanics to structure formation // Mater. Sci. Eng. A. - 1999. - V. 271. - P. 322333.

16. Valiev R.Z., Estrin Y., Horita Z, Langdon T.G., Zechetbauer M.J., Zhu T.T. Producing bulk ultrafine-grained materials by severe plastic deformation: Ten years later // JOM. - 2016. - V. 68. - P. 1216-1226.

17. Bachmaier A., Pippan R. Generation of metallic nanocomposites by severe plastic deformation // Int. Mater. Rev. - 2013. - V. 58. - P. 4162.

18. Viswanathan V., Laha T., Balani K., Agarwal A., Seal S. Challenges and advances in nanocomposite processing techniques // Mater. Sci. Eng. R. - 2006. - V. 54. - P. 121-285.

19. Botstein O., Gutmanas E.Y., Lawley A. Stability and mechanical behavior of cold sintered P/M aluminium alloys // Modern Dev. Powder Met. MPIF. - 1985. - V. 15. - P. 761-773.

20. Sharipova A., Psakhie S.G., Swain S.K., Gotman I., Gutmanas E.Y. High-strength bioresorbable Fe-Ag nanocomposite scaffolds: Processing and properties // AIP Conf. Proc. - 2015. - V. 1683. - Article No. 020244.

21. Gutmanas E.Y., Gotman I., Sharipova A., Psakhie S.G., Swain S.K., Unger R. Drug loaded biodegradable load-bearing nanocomposites for damaged bone repair // AIP Conf. Proc. - 2017. - V. 1882. - Article No. 020025.

22. Sharipova A., Swain S.K., Gotman I., Starosvetsky D., Psakhie S.G., Unger R., Gutmanas E.Y. Mechanical, degradation and drug-release behavior of nano-grained Fe-Ag composites for biomedical applications // J. Mech. Behav. Biomed. Mater. - 2018. - V. 86. - P. 240249.

23. Makarov C., Gotman I., Radin S., Ducheyne P., Gutmanas E.Y. Vancomycin release from bioresorbable calcium phosphate-polymer composites with high ceramic volume fractions // J. Mater. Sci. - 2010. -V. 45. - P. 6320-6324.

24. Makarov C., Berdicevsky I., Raz-Pasteur A., Gotman I. In vitro antimicrobial activity of vancomycin-eluting bioresorbable b-TCP-poly-lactic acid nanocomposite material for load-bearing bone repair // J. Mater. Sci. Mater. Med. - 2013. - V. 24. - P. 679-687.

25. Makarov C., Cohen V., Raz-Pasteur A., Gotman I. In vitro elution of vancomycin from biodegradable osteoconductive calcium phosphate-polycaprolactone composite beads for treatment of osteomyelitis // Eur. J. Pharm. Sci. - 2014. - V 62. - P. 49-56.

26. Thomas M. // Ultraviolet and Visible Spectroscopy / Ed. by D.J. Ando. - England: Wiley, 1996. - P. 16.

27. Swain S.K., Gotman I., Unger R., Gutmanas E.Y. Bioresorbable beta-TCP-FeAg nanocomposites for load bearing bone implants: High pressure processing, properties and cell compatibility // Mater. Sci. Eng. C. Mater. Biol. Appl. - 2017. - V. 78. - P. 88-95.

28. Huang T., Cheng J., Bian D., Zheng Y. Fe-Au and Fe-Ag composites as candidates for biodegradable stent materials // J. Biomed. Mater. Res. B. - 2016. - V. 104. - P. 225-240.

Поступила в редакцию 11.11.2018 г., после доработки 09.01.2019 г., принята к публикации 16.01.2019 г.

Сведения об авторах

Шарипова Aлия Фаритовна, аспирант ИФПМ СО РAH, aliya.f.sharipova@gmail.com Псахье Сергей Григорьевич, д.ф.-м.н., проф., чл.-к. РAH

Готман Ирина, проф., ОРТ Брауде Колледж, Кармиель, Израиль, irena.gotman@gmail.com

Гутманас Элазар, проф., Технион - Израильский технологический институт, Израиль, gutmanas@technion.ac.il