В ТГУ научились «программировать» растворение имплантата
В ТГУ научились «программировать» растворение имплантата
Учёные Тольяттинского государственного университета выяснили, как с помощью состава и термообработки магниевых сплавов задавать срок службы имплантатов и программировать скорость их растворения в организме – без защитных покрытий. Результаты помогут создать биорезорбируемые магниевые пластины для остеосинтеза, которые пока не зарегистрировал в качестве медицинского изделия никто в мире.
Сегодня многие имплантаты для сращивания костей делают из титана или нержавеющей стали, и после срастания перелома пациенту требуется повторная операция для их удаления. Магний решает эту проблему иначе: он совместим с организмом, постепенно растворяется и выводится после того, как выполнил свою задачу. Кроме того, его упругость ближе к упругости человеческой кости, поэтому имплантат меньше «перетягивает» на себя нагрузку и позволяет кости работать естественнее. Главная сложность в том, что магний в организме может разрушаться слишком быстро и неравномерно. Если материал теряет прочность раньше, чем срастается кость, лечение оказывается ненадёжным.
– В идеале хотелось бы, чтобы имплантат растворялся в две стадии: медленно на начальном этапе, когда активно идёт процесс восстановления повреждённых тканей и ускоренно после того, как ткани восстановились и поддержка им уже не нужна, – поясняет один из авторов работы, начальник лаборатории биорезорбируемых сплавов НИИПТ ТГУ Евгений Мерсон.
Один из самых очевидных путей для получения такой двух-стадийной кинетики резорбции – нанесение на имплантат защитного покрытия, которое может замедлить скорость коррозии на начальном этапе. Однако в некоторых случаях покрытия не спасают.
– Мы уже производим в рамках передовой инженерной школы магниевые винты и спицы с заданной скоростью резорбции – 62 типоразмера. По характеристикам они не хуже немецких, а в чём-то даже лучше. Но винты и спицы работают не в самых агрессивных условиях, и даже для них, чтобы снизить скорость коррозии в первые две недели, когда выделяется слишком много водорода, приходится наносить защитные покрытия, – отмечает Евгений Мерсон. – Сейчас мы работаем над созданием пластин для остеосинтеза. Такие биорезорбируемые магниевые имплантаты пока не зарегистрировал никто в мире. Среда там агрессивнее, а покрытием не спасёшься –пластину подгибают по форме кости, и оно разрушается. Поэтому защиту и программу растворения надо закладывать в сам сплав. И оказалось, что нужная нам программа растворения изначально была заложена в магнии и его сплавах самой природой! Причём теперь мы нащупали рычаги для настройки этой программы под конкретные практические задачи. Именно эту задачу решает наше исследование, и его результаты легли в основу нового большого проекта по госзаданию, где мы будем развивать эти идеи.
Новое исследование позволило учёным разобраться, от чего зависит скорость разрушения сплава на разных этапах и как с помощью состава и термообработки задавать нужный срок службы изделия.
– Мы изучили пять сплавов магния с цинком и кальцием. Содержание кальция в них составляло 0,1%, а содержание цинка менялось от 0,5 до 7,6%. Цинк и кальций выбрали не просто так: это элементы, необходимые организму, в отличие от алюминия, который не применяют в биомедицинских материалах из-за возможной нейротоксичности, – говорит Евгений Мерсон. – Сплавы подвергали двум видам термической обработки. Один из них (гомогенизация) увеличивал количество частиц вторых фаз в металле, другой (растворная обработка), наоборот, растворял их и удерживал больше атомов цинка в кристаллической решетке сплава. Образцы помещали в физиологический раствор при температуре, близкой к температуре тела человека (37 ± 0,5 °C) и по скорости выделения водорода следили за тем, как происходит растворение.
Выяснилось, что у большинства сплавов оно идёт в два этапа. Сначала скорость коррозии снижается: на поверхности формируется защитная плёнка. Затем наступает переломный момент, после которого скорость растворения начинает быстро расти из-за появления на поверхности образцов глубоких питтинговых* поражений Т.е. стадийность растворения сплавов была именно такой, какая нужна для имплантатов. Вместе с тем длительность первой «инкубационной» стадии была тем больше, чем меньше в сплаве было цинка и частиц вторых фаз, богатых цинком.
После суток испытаний минимальную скорость коррозии показали сплавы с содержанием цинка 0,5–1%. Но после недели в растворе скорость росла вместе с содержанием цинка: всё большую роль играло точечное поражение.
– Таким образом, управляя содержанием цинка и режимом термообработки, можно регулировать продолжительность инкубационного периода, склонность к питтингу и общую кинетику деградации материала, – отмечает Евгений Мерсон. – Для врача и пациента это означает, можно спроектировать имплантат не только с заранее заданным сроком службы, но и запрограммированным изменением скорости растворения во времени. По сути, мы получили инструмент для создания материала, который сможет сохранять прочность в первые недели после операции, когда кость особенно уязвима, а затем постепенно передавать нагрузку растущей ткани.
Полученные данные станут основой для создания магниевых сплавов с программируемой скоростью биодеградации. Следующий шаг – проверить, как найденные закономерности работают в более сложных средах, более приближённых к условиям организма, а также оценить прочность и пластичность будущих имплантатов.
Результаты важны и для разработки стандартов оценки материалов: исследование доказало, что вывод о стойкости сплава нельзя делать только по короткому тесту. Материал, который выглядит лучше в первые сутки, может начать быстро разрушаться позже.
Статья об этом исследовании опубликована в международном журнале Journal of Alloys and Compounds (DOI: 10.1016/j.jallcom.2026.191590) (Impact factor 6.7, Q1).
*Питтинговая коррозия (от англ. pit – «ямка, углубление») – форма локального коррозионного разрушения металлов и сплавов, при которой на поверхности образуются углубления (питтинги). Это один из самых опасных видов коррозии, так как разрушение может быстро распространяться вглубь металла, приводя к сквозным повреждениям, трещинам или пробоинам.