Абсолютная прочность. Профессор БелГУ Сергей Жеребцов 25 лет изучает титановые сплавы

Его работу «Инновационные металлические сплавы биомедицинского назначения» удостоили 1-го места в номинации «Инженерия в медицине».

Особое задание

Сергей Жеребцов родился и вырос в башкирском Стерлитамаке. С детства будущее ему виделось однозначно связанным с точными науками: математика и физика хорошо давались, что подтверждало успешное участие в предметных олимпиадах. После уроков посещал различные кружки, в том числе авиамодельный. В какой‑то момент среди увлечений превалировать стал спорт: серьёзно занимался волейболом, получил первый разряд и в составе команды добрался до звания чемпионов Башкирии. Впрочем, спорт так и остался любимым хобби – даже сейчас Жеребцов строго два раза в неделю посещает тренажёрный зал.

Подготовка к получению слитков высокоэнтропийного сплава / Фото: Алексей Дацковский

И всё же любовь к точным наукам одержала верх, и студент Уфимского авиационного института со 2-го курса плотно занялся научной деятельностью.

«Однажды аспирантка другого факультета, которая у нас преподавала, сказала мне, что успевающих студентов набирают в спецгруппу для занятий наукой, – вспоминает Сергей Жеребцов. – Для них будет особенная учебная программа, а ещё появится возможность участвовать в настоящих научно-исследовательских проектах. Я, честно говоря, пошёл туда из любопытства – что такое наука, на 2-м курсе никто понятия не имел. С этого всё и началось».

Фото: Вадим Заблоцкий (архив)
Учёные БелГУ запатентовали уникальный биомедицинский сплав

Обучение в спецгруппе проводили сильнейшие педагоги, совмещавшие преподавательскую деятельность с научной работой. И студенты вели почти такой же образ жизни: с утра слушали лекции на парах в институте, посещали семинары, выполняли лабораторные работы. А затем как настоящие научные сотрудники работали в Институте проблем сверхпластичности металлов РАН в Уфе.

Этот научно-исследовательский центр, основанный учёным-металлофизиком Оскаром Кайбышевым, представлял собой симбиоз учебного заведения и научного объединения. Каждый получал свой металл и своё особое задание. Сергею Жеребцову достался титан, который и стал его любимым материалом на всю большую научную жизнь.

Фото: Алексей Дацковский

Принтер для металла

Но прежде судьба побросает учёного по свету. На последнем курсе аспирантуры Сергей Жеребцов отправился работать в Польшу, а в 2001-м на два года уехал в Японию, где не только поработал в любимом направлении, но и существенно подтянул английский:

«Мне повезло: туда же, в Японию, приехал поляк Лех Блажеевский, который учился в старших классах в Америке. И поскольку он по‑русски говорил очень плохо, по‑японски – никак, а по‑английски отлично, мне пришлось перестраиваться. Вначале было тяжело, ведь поляки в принципе говорят очень быстро, но мы жили в одном общежитии, вместе ходили обедать, то есть общались постоянно, и это дало мне мощный толчок в освоении разговорного английского. С техническим английским было проще, поскольку статьи приходилось и читать, и переводить, и писать, поэтому в этом плане у меня солидный словарный запас. В Японии я впервые начал работать с лазерной наплавкой: на поверхность наносится металлический порошок и проплавляется лазерным лучом, чтобы изменить её свойства».

Фото: Алексей Дацковский

После двух с половиной лет успешной работы в Японии и нескольких научных публикаций Жеребцов вернулся в Уфу, в тот самый институт, где работал после окончания авиационного и где защищался. К этому времени у него уже была жена Надежда и дочь Даша, которые ездили несколько раз к нему в Японию. В это время пришла новость, что в Белгороде открыли наноцентр. Жеребцовы решили перебраться в наш город, что и сделали в 2006 году. Понравилось всё – и Белгород, который по размерам походил на родной Стерлитамак, и новый центр, куда многие приехали из Башкортостана трудиться:

«Поначалу я просто работал научным сотрудником, а спустя время сюда приехал из Уфы начальник лаборатории Геннадий Салищев. Мы вдвоём создали здесь лабораторию объёмных наноструктурных материалов. Сейчас большую часть того, чем я занимаюсь, по‑прежнему составляют титановые сплавы – фактически 25 лет я изучаю их. Но если раньше мы занимались деформационной или термической обработкой, то сейчас используем аддитивные технологии. Это так называемая селективная лазерная наплавка, при которой слой за слоем порошок проплавляется лазером. Такой подход нужен, чтобы изготавливать детали очень сложной конфигурации. Если мы пытаемся создать их с помощью механической обработки – токарной или фрезерной, то огромная масса материала уйдёт в стружку. А если берём порошок и выращиваем эту же конструкцию слой за слоем, то фактически тратим ровно то количество металла, которое нам нужно. Это своего рода 3D-принтер, только для металла».

Идеален для протезов

Сейчас лаборатория расширилась, в штате 20 человек. Основная её задача – исследования в области металлических материалов, взаимодействие с разными предприятиями. Это привело к работе сразу над тремя проектами, в каждом из которых главный герой – любимый профессором Жеребцовым титан.

«Титановые сплавы уникальны тем, что у них очень хорошая коррозионная стойкость и хорошая биосовместимость, – поясняет учёный. – Не так много существует материалов, которые можно внедрить в человеческий организм и не беспокоиться о последствиях. Но у титана есть свои проблемы, например, недостаточная абсолютная прочность. А из‑за того, что материал не очень твёрдый, он быстрее изнашивается. И чтобы использовать титановые сплавы как основу для имплантов, нам пришлось искать способ, как решить эту проблему.

Сергей Жеребцов и лаборант-исследователь , аспирант БелГУ Владимир Миранцов / Фото: Алексей Дацковский

Кроме того, пришла идея сделать высокоэнтропийный сплав – смесь нескольких элементов, которые безвредны для человеческого организма. Он идеально подходит для протезирования, поскольку отвечает основным требованиям, предъявляемым к медицинским материалам, таким как прочность, коррозионная стойкость, биосовместимость и низкий модуль Юнга (низкая жёсткость).

«У металлического материала должна быть определённая поверхность, чтобы организм легче его принял, – поясняет учёный. – Если вживить полированную заготовку, то клетке не за что будет зацепиться. Поэтому мы с нашими коллегами из Уфы разрабатываем специальные способы создания пористой шероховатой поверхности. В результате наших разработок можно будет делать штифты, которые могут вживляться, накладные пластинки и винты к ним. Найдут наши сплавы применение и в восстановительной хирургии – при переломах или деформации сустава, черепных травмах. В перспективе мы хотели бы из этого сплава делать порошок и печатать изделие любой конфигурации под конкретного человека».

Фото: Алексей Дацковский

В конце 2023 года учёные под руководством Сергея Жеребцова разработали уникальный сплав, основу которого составили кобальт и хром. Такие сплавы используются для создания бюгелей, мостов для зубных протезов и коронок. На изобретение уже получены патенты, осталось совсем немного до внедрения его в производство.

А пока все студенты, которым профессор Жеребцов читает материаловедение, физику разрушения и фрактографию, радуются победе своего преподавателя, получившего заслуженную премию имени Шухова за обобщение научно-технических исследований и внедрение передовых инноваций в области медицины.

«Это не только моя победа, – говорит Сергей Жеребцов. – Это большая коллективная работа, в которую каждый сотрудник лаборатории внёс свою частицу. Для меня главное, что это наши выпускники, магистранты и аспиранты. Мы на кафедре материаловедения и нанотехнологий всех наших студентов вовлекаем в научную деятельность и воспринимаем их как помощников и научную смену».

Фото: Алексей Дацковский