УДК 620.17 : 615.015.1

DOI 10.24411/1683-805X-2019-11004

 

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 рентгеноструктурного 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 0.25-3.00 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 Аg 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

 

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

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

 

 

А.Ф. Шарипова, С.Г. Псахье, И. Готман, Э.Ю. Гутманас  Умные нанокомпозиты на основе нанопорошков Fe–Ag и Fe–Cu для биодеградируемых имплантатов с повышенной прочностью и медленным высвобождением лекарственных препаратов // Физ. мезомех. - 2019. - Т. 22. - № 1. - С. 36-43