cvmetИзвестия вузов. Цветная металлургияIzvestiya. Non-Ferrous Metallurgy0021-34382412-8783НИТУ МИСИС10.17073/0021-3438-2025-4-62-76cvmet-1738Research ArticleМеталловедение и термическая обработкаPhysical Metallurgy and Heat TreatmentВлияние легирования второй компонентой на биосовместимость и механические свойства сплавов Ti–MoEffect of alloying with a second components on the biocompatibility and mechanical properties of Ti–Mo alloyshttps://orcid.org/0000-0002-8035-0902ГорнаковаА. С.GornakovaA. S.

Алена Сергеевна Горнакова – к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2

Alena S. Gornakova – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

2 Akademik Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432

alenahas@issp.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0001-7902-0335Корнева СурмачА.Korneva SurmaczA.

Анна Корнева Сурмач – д.т.н., доцент 

30-059, Краков, ул. Реймонта, 25

Anna Korneva Surmacz – Dr. Sci. (Eng.), Associate Professor

25 Reymonta Str., Krakow 30-059, Poland

a.korniewa@imim.plhttps://orcid.org/0000-0002-0773-255XНоврузовК. М.NovruzovK. M.

Керям Мурсали оглы Новрузов – лаборант-исследователь лаборатории клеточного иммунитета

115522, г. Москва, Каширское шоссе, 24

Keryam Mursali oglu Novruzov – Laboratory Assistant Researcher, Laboratory of Cellular Immunity

24 Kashirskoye Highway, Moscow 115522

nkeryam@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0002-3914-7793ШайсултановД. Г.ShaisultanovD. G.

Дмитрий Георгиевич Шайсултанов – к.т.н., заведующий лабораторией кафедры материаловедения и технологии материалов

190121, г. Санкт-Петербург, ул. Лоцманская, 3

Dmitry G. Shaisultanov – Cand. Sci. (Eng.), Head of the Laboratory, Department of Materials Science and Technology

3 Lotsmanskaya Str., Saint Petersburg 190121

shaysultanov@bsuedu.ruhttps://orcid.org/0009-0001-3073-262XАфониковаН. С.AfonikovaN. S.

Наталья Сергеевна Афоникова – к.ф.-м.н., ст. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2

Natalia S. Afonikova – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

2 Akademik Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432

natasha@issp.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0001-5601-0660СтраумалБ. Б.StraumalB. B.

Борис Борисович Страумал – д.ф.-м.н., заведующий лабораторией, гл. науч. сотрудник

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2

Boris B. Straumal – Dr. Sci. (Phys.-Math.), Head of the Laboratory, Leading Researcher

2 Akademik Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432

straumal@issp.ac.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8020-2507ТюринА. И.TyurinA. I.

Александр Иванович Тюрин – к.ф.-м.н., доцент, ст. науч. сотрудник

392000, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33

Alexander I. Tyurin – Cand. Sci. (Phys.-Math.), Associate Professor, Senior Researcher

33 Internatsionalnaya Str., Tambov 392000

tyurinalexander@yandex.ruhttps://orcid.org/0009-0008-5481-4751ТюринВ. А.TyurinV. A.

Владимир Александрович Тюрин – инженер

392000, г. Тамбов, ул. Интернациональная, 33

Vladimir A. Tyurin – Engineer

33 Internatsionalnaya Str., Tambov 392000

va068@bk.ruhttps://orcid.org/0000-0002-2529-0804ДавдянГ. С.DavdianG. S.

Григорий Сергеевич Давдян – аспирант; мл. науч. сотрудник ИФТТ РАН

142432, Московская обл., г. Черноголовка, ул. Академика Осипьяна, 2

119049, г. Москва, Ленинский пр-т, 4, стр. 1

Grigorii S. Davdian – Postraduate Student, Junior Researcher

2 Akademik Osipyan Str., Chernogolovka, Moscow Region 142432

1 Bld, 4 Leninskiy Prosp., Moscow 119049

faberest@yandex.ruИнститут физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наукРоссияOsipyan Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of SciencesRussian FederationИнститут металлургии и материаловедения им. Александра Крупковского Польской академии наукПольшаAleksander Krupkowski Institute of Metallurgy and Materials Science of the Polish Academy of SciencesPolandНациональный медицинский исследовательский центр онкологии им. Н.Н. Блохина Минздрава РоссииРоссияN.N. Blokhin National Medical Research Center of Oncology of the Ministry of Health of the RussiaRussian FederationСанкт-Петербургский государственный морской технический университетРоссияSaint Petersburg Marine Technical UniversityRussian FederationТамбовский государственный университет им. Г.Р. ДержавинаРоссияTambov State University n.a. G.R. DerzhavinRussian FederationИнститут физики твердого тела им. Ю.А. Осипьяна Российской академии наук; Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»РоссияOsipyan Institute of Solid State Physics of the Russian Academy of Sciences; National University of Science and Technology “MISIS”Russian Federation2025080120263146276Copyright © Горнакова А.С., Корнева Сурмач А., Новрузов К.М., Шайсултанов Д.Г., Афоникова Н.С., Страумал Б.Б., Тюрин А.И., Тюрин В.А., Давдян Г.С., 20262026Горнакова А.С., Корнева Сурмач А., Новрузов К.М., Шайсултанов Д.Г., Афоникова Н.С., Страумал Б.Б., Тюрин А.И., Тюрин В.А., Давдян Г.С.Gornakova A.S., Korneva Surmacz A., Novruzov K.M., Shaisultanov D.G., Afonikova N.S., Straumal B.B., Tyurin A.I., Tyurin V.A., Davdian G.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://cvmet.misis.ru/jour/article/view/1738

Представлены результаты исследования двух сплавов на основе титана: Ti–10мас.%Mo и Ti–15мас.%Mo – для оценки перспектив их использования в качестве основы имплантируемых медицинских изделий для остеосинтеза. Образцы сплавов были изучены в трех состояниях: исходном (после изготовления), после отжига при температуре 1000 °С и после кручения под высоким давлением. Была исследована микроструктура сплавов с помощью сканирующий электронной микроскопии и рентгеноструктурного анализа. Были измерены значения модуля Юнга и микро-и нанотвердости сплавов, а также изучено влияние сплавов при инкубации in vitro на жизнеспособность и поверхностную адгезию мультипотентных мезенхимальных стромальных клеток человека. Сравнительный анализ характеристик исследованных образцов показал, что наиболее перспективным для использования в качестве основы ортопедических изделий является отожженный образец сплава Ti–15мас.%Mo, который оптимально сочетает хорошую биосовместимость, активную стимуляцию клеточной адгезии и низкие значения микротвердости (283 HV) и модуля Юнга (106 ГПа).

This paper presents the results of a study on two titanium-based alloys — Ti–10wt.%Mo and Ti–15wt.%Mo — aimed at assessing their potential for use as base materials in implantable medical devices for osteosynthesis. The alloy samples were examined in three conditions: as-fabricated, after annealing at 1000 °C, and after high-pressure torsion. The microstructure of the alloys was analyzed using scanning electron microscopy and X-ray diffraction. The Young’s modulus, microhardness, and nanohardness values were measured, and the effect of the alloys on the viability and surface adhesion of human multipotent mesenchymal stromal cells during in vitro incubation was investigated. Comparative analysis of the obtained results revealed that the annealed Ti–15wt.%Mo alloy sample is the most promising candidate for orthopedic applications, as it exhibits an optimal combination of good biocompatibility, enhanced stimulation of cell adhesion, and relatively low microhardness (283 HV) and Young’s modulus (106 GPa).

сплавы титан–молибденбиосовместимостьклеточная адгезияфазовые превращениякручение под высоким давлениемнаноиндентированиетермообработкаtitanium–molybdenum alloysbiocompatibilitycell adhesionphase transformationshigh-pressure torsionnanoindentationheat treatmentИсследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 24-22-00222, https://rscf.ru/project/24-22-00222/This study was supported by the Russian Science Foundation, project No. 24-22-00222, https://rscf.ru/project/24-22-00222/ReferencesChen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials. Materials Science and Engineering R. 2015;(87): 1—57. http://dx.doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001Chen Q., Thouas G.A. Metallic implant biomaterials. Materials Science and Engineering R. 2015;(87): 1—57. http://dx.doi.org/10.1016/j.mser.2014.10.001Kolli R.P., Devaraj A. A review of metastable beta titanium alloys. Metals. 2018;8(7):506. http://dx.doi.org/10.3390/met8070506Kolli R.P., Devaraj A. A review of metastable beta titanium alloys. Metals. 2018;8(7):506. http://dx.doi.org/10.3390/met8070506Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants — A review. Progress in Materials Science. 2009;54(3):397—425. http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004Geetha M., Singh A.K., Asokamani R., Gogia A.K. Ti based biomaterials, the ultimate choice for orthopaedic implants — A review. Progress in Materials Science. 2009;54(3):397—425. http://dx.doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.06.004Kaur M., Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Materials Science and Engineering: C. 2019;102: 844—862. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.04.064Kaur M., Singh K. Review on titanium and titanium based alloys as biomaterials for orthopaedic applications. Materials Science and Engineering: C. 2019;102: 844—862. https://doi.org/10.1016/j.msec.2019.04.064Ho W.F., Ju C.P., Chern Lin J.H. Structure and properties of cast binary Ti—Mo alloys. Biomaterials. 1999;20(22):2115—2122. http://doi.org/10.1016/S0142-9612(99)00114-3Ho W.F., Ju C.P., Chern Lin J.H. Structure and properties of cast binary Ti—Mo alloys. Biomaterials. 1999;20(22):2115—2122. http://doi.org/10.1016/S0142-9612(99)00114-3Zhou Y.-L., Luo D.-M. Microstructures and mechanical properties of Ti—Mo alloys cold-rolled and heat treated. Materials Characterization. 2011;62(10):931—937. http://doi.org/10.1016/j.matchar.2011.07.010Zhou Y.-L., Luo D.-M. Microstructures and mechanical properties of Ti—Mo alloys cold-rolled and heat treated. Materials Characterization. 2011;62(10):931—937. http://doi.org/10.1016/j.matchar.2011.07.010Zhao X., Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Beta type Ti—Mo alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomaterialia. 2012;8(5): 1990—1997. http://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.02.004Zhao X., Niinomi M., Nakai M., Hieda J. Beta type Ti—Mo alloys with changeable Young’s modulus for spinal fixation applications. Acta Biomaterialia. 2012;8(5): 1990—1997. http://doi.org/10.1016/j.actbio.2012.02.004Moshokoa N., Raganya L., Obadele B.A., Machaka R., Makhatha M.E. Microstructural and mechanical properties of Ti—Mo alloys designed by the cluster plus glue atom model for biomedical application. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020;111:1237—1246. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06208-7Moshokoa N., Raganya L., Obadele B.A., Machaka R., Makhatha M.E. Microstructural and mechanical properties of Ti—Mo alloys designed by the cluster plus glue atom model for biomedical application. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020;111:1237—1246. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06208-7Asl M.S., Delbari S.A., Azadbeh M., Namini A.S., Mehrabian M., Nguyen V.-H., Le Q.V., Shokouhimehr M., Mohammadi M. Nanoindentational and conventional mechanical properties of spark plasma sintered Ti—Mo alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(5):10647—10658. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.066Asl M.S., Delbari S.A., Azadbeh M., Namini A.S., Mehrabian M., Nguyen V.-H., Le Q.V., Shokouhimehr M., Mohammadi M. Nanoindentational and conventional mechanical properties of spark plasma sintered Ti—Mo alloys. Journal of Materials Research and Technology. 2020;9(5):10647—10658. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2020.07.066Verestiuc L., Spataru M.-C., Baltatu M.S., Butnaru M., Solcan C., Sandu A.V., Voiculescu I., Geanta V., Vizureanu P. New Ti—Mo—Si materials for bone prosthesis applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021;113:104198. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.104198Verestiuc L., Spataru M.-C., Baltatu M.S., Butnaru M., Solcan C., Sandu A.V., Voiculescu I., Geanta V., Vizureanu P. New Ti—Mo—Si materials for bone prosthesis applications. Journal of the Mechanical Behavior of Biomedical Materials. 2021;113:104198. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2020.104198Edalati K., Ahmed A.Q., Akrami S., Ameyama K., Aptukov V., Asfandiyarov R.N., Ashida M., Astanin V., Bachmaier A., Beloshenko V., Bobruk E.V., Bryła K., Cabrera J.M., Carvalho A.P., Chinh N.Q., Choi I.C., Chulist R., Cubero-Sesin J.M., Davdian G., Demirtas M., Zhu Y.T. Severe plastic deformation for producing superfunctional ultrafine-grained and heterostructured materials: An interdisciplinary review. Journal of Alloys and Compounds. 2024;1002:174667. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174667Edalati K., Ahmed A.Q., Akrami S., Ameyama K., Aptukov V., Asfandiyarov R.N., Ashida M., Astanin V., Bachmaier A., Beloshenko V., Bobruk E.V., Bryła K., Cabrera J.M., Carvalho A.P., Chinh N.Q., Choi I.C., Chulist R., Cubero-Sesin J.M., Davdian G., Demirtas M., Zhu Y.T. Severe plastic deformation for producing superfunctional ultrafine-grained and heterostructured materials: An interdisciplinary review. Journal of Alloys and Compounds. 2024;1002:174667. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2024.174667Edalati K., Matsubara E., Horita Z. Processing pure Ti by high-pressure torsion in wide ranges of pressures and strain. Metallurgical and Materials Transactions A. 2009; 40:2079—2086. http://doi.org/10.1007/s11661-009-9890-5Edalati K., Matsubara E., Horita Z. Processing pure Ti by high-pressure torsion in wide ranges of pressures and strain. Metallurgical and Materials Transactions A. 2009; 40:2079—2086. http://doi.org/10.1007/s11661-009-9890-5Gornakova A.S., Korneva A., Tyurin A.I., Afonikova N.S., Kilmametov A.R., Straumal B.B. Omega phase formation and mechanical properties of Ti—1.5 wt.% Mo and Ti—15 wt.% Mo alloys after high-pressure torsion. Processes. 2023;11(1):221. https://doi.org/10.3390/pr11010221Gornakova A.S., Korneva A., Tyurin A.I., Afonikova N.S., Kilmametov A.R., Straumal B.B. Omega phase formation and mechanical properties of Ti—1.5 wt.% Mo and Ti—15 wt.% Mo alloys after high-pressure torsion. Processes. 2023;11(1):221. https://doi.org/10.3390/pr11010221Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Mazilkin A.A., Valiev R.Z., Afonikova N.S., Gornakova A.S., Hahn H. Diffusive and displacive phase transitions in Ti—Fe and Ti—Co alloys under high pressure torsion. Journal of Alloys and Compounds. 2018;735:2281—2286. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.317Straumal B.B., Kilmametov A.R., Ivanisenko Yu., Mazilkin A.A., Valiev R.Z., Afonikova N.S., Gornakova A.S., Hahn H. Diffusive and displacive phase transitions in Ti—Fe and Ti—Co alloys under high pressure torsion. Journal of Alloys and Compounds. 2018;735:2281—2286. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2017.11.317Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress in Materials Science. 2000;45(2):103—189. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00007-9Valiev R.Z., Islamgaliev R.K., Alexandrov I.V. Bulk nanostructured materials from severe plastic deformation. Progress in Materials Science. 2000;45(2):103—189. https://doi.org/10.1016/S0079-6425(99)00007-9Straumal B.B., Kogtenkova O.A., Gornakova A.S., Khorosheva M.A., Straumal P.B., Prokofiev P.A., Bradai D., Kilmametov A.R. Competition between the formation and decomposition of a solid solution in Al—Cu alloys under high-pressure torsion. JETP Letters. 2025;121:619—624. https://doi.org/10.1134/S0021364025605822Straumal B.B., Kogtenkova O.A., Gornakova A.S., Khorosheva M.A., Straumal P.B., Prokofiev P.A., Bradai D., Kilmametov A.R. Competition between the formation and decomposition of a solid solution in Al—Cu alloys under high-pressure torsion. JETP Letters. 2025;121:619—624. https://doi.org/10.1134/S0021364025605822Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications. Progress in Materials Science. 2008;53(6):893—979. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.03.002Zhilyaev A.P., Langdon T.G. Using high-pressure torsion for metal processing: Fundamentals and applications. Progress in Materials Science. 2008;53(6):893—979. https://doi.org/10.1016/j.pmatsci.2008.03.002Гатина С.А. Фазовые превращения и механические свойства псевдо-β-сплава Ti–15Mo, подвергнутого интенсивной пластической деформации: Дис. … канд. техн. наук. Уфа: Уфимский гос. авиационный технический университет, 2016.Gatina S.A. Phase transformations and mechanical properties of a pseudo-β-alloy Ti–15Mo subjected to intensive plastic deformation: Dis. Cand. Sci (Eng.). Ufa: Ufa State Aviation Technical Univercity, 2016. (In Russ.).Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Gondek Ł., Wierzbicka-Miernik A., Litynska-Dobrzynska L., Cios G., Chulist R., Zieba P. Thermal stability and microhardness of metastable ω-phase in the Ti—3.3at.%Co alloy subjected to high pressure torsion. Journal of Alloys and Compounds. 2020;834:155132. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155132Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Gondek Ł., Wierzbicka-Miernik A., Litynska-Dobrzynska L., Cios G., Chulist R., Zieba P. Thermal stability and microhardness of metastable ω-phase in the Ti—3.3at.%Co alloy subjected to high pressure torsion. Journal of Alloys and Compounds. 2020;834:155132. https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2020.155132Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Gornakova A., Wierzbicka-Miernik A., Lityńska-Dobrzyńska L., Chulist R., Gondek Ł., Cios G., Zięba P. Omega phase formation in Ti—3wt.%Nb alloy induced by high-pressure torsion. Materials. 2021;14(9):2262. https://doi.org/10.3390/ma14092262Korneva A., Straumal B., Kilmametov A., Gornakova A., Wierzbicka-Miernik A., Lityńska-Dobrzyńska L., Chulist R., Gondek Ł., Cios G., Zięba P. Omega phase formation in Ti—3wt.%Nb alloy induced by high-pressure torsion. Materials. 2021;14(9):2262. https://doi.org/10.3390/ma14092262Rogachev S.O., Nikulin S.A., Khatkevich V.M., Sundeev R.V., Komissarov A.A. Features of structure formation in layered metallic materials processed by high pressure torsion. Metallurgical and Materials Transactions A. 2020;51:1781—1788. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05654-yRogachev S.O., Nikulin S.A., Khatkevich V.M., Sundeev R.V., Komissarov A.A. Features of structure formation in layered metallic materials processed by high pressure torsion. Metallurgical and Materials Transactions A. 2020;51:1781—1788. https://doi.org/10.1007/s11661-020-05654-yAnisimova N., Kiselevskiy M., Martynenko N., Straumal B., Willumeit-Römer R., Dobatkin S., Estrin Yu. Cytotoxicity of biodegradable magnesium alloy WE43 to tumor cells in vitro: Bioresorbable implants with antitumor activity. Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. 2020;108(1): 167—173. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34375Anisimova N., Kiselevskiy M., Martynenko N., Straumal B., Willumeit-Römer R., Dobatkin S., Estrin Yu. Cytotoxicity of biodegradable magnesium alloy WE43 to tumor cells in vitro: Bioresorbable implants with antitumor activity. Journal of Biomedical Materials Research. Part B: Applied Biomaterials. 2020;108(1): 167—173. https://doi.org/10.1002/jbm.b.34375Миланов Н.О., Старцева О.И., Истранов А.Л., Мельников Д.В., Захаренко А.С. Перспективы клинического применения стволовых клеток жировой ткани в пластической хирургии и регенеративной медицине. Хирургия. Журнал им. Н.И. Пирогова. 2014;(4):70—76.Milanov N.O., Startseva O.I., Istranov A.L., Mel’nikov D.V., Zakharenko A.S. Prospects of clinical application of stem cells of adipose tissue in plastic surgery and regenerative medicine. Pirogov Russian Journal of Surgery. 2014;(4):70—76. (In Russ.). https://www.mediasphera.ru/issues/khirurgiya-zhurnal-im-n-i-pirogova/2014/4/downloads/ru/030023-12072014416

The authors declare that there are no conflicts of interest present.