Новости

3 марта, 2023 12:39

Переломный момент: ученые повысили прочность костных имплантов в 30 раз

Источник: Известия
Российские ученые создали покрытие, которое в десятки раз увеличит прочность титановых имплантов — они широко применяются в травматологии. Разработчики предложили использовать редкий переходный металл тантал — его правильное напыление повышает износостойкость вживляемых конструкций в десятки раз. Столь прочные изделия требуются при сращении множественных переломов или при травмах в местах повышенного трения — например, в коленных и тазобедренных суставах. Может пригодится такой материал и в стоматологии. Однако до внедрения в клиническую практику необходимо провести дополнительные исследования свойств нового покрытия, считают эксперты. Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
Источник: РИА Новости/Антон Вергун

Титан расправил плечи

Титан и его сплавы активно применяются для изготовления металлических имплантов, которые устанавливают в костную ткань. Например, с помощью винтов и штифтов из этого металла травматологи проводят операции остеосинтеза — хирургическое соединение костных отломков, ускоряющее их сращение при сложных переломах. Титан обладает высокой прочностью, коррозионной стойкостью и биосовместимостью, то есть не отторгается организмом. Однако циклические нагрузки, например при ходьбе, постепенно разрушают его поверхность. Избежать этого можно, покрыв титан защитным материалом с повышенной устойчивостью к агрессивным факторам.

Ученые Саратовского государственного технического университета им. Ю.А. Гагарина (СГТУ) нанесли на титановые образцы покрытие, состоящее из тантала (редкого, твердого переходного металла) и его оксида. Для этого они распылили вещество в магнитных полях, направленных перпендикулярно друг другу. Процесс проводили с помощью низкотемпературной плазмы в вакуумной камере. Так удалось получить три типа покрытия: только с оксидом, только с танталом и слоистую структуру тантала с оксидом.

Чистый тантал практически не изменил свойства титановых образцов. Покрытие с оксидом тантала сделало их тверже примерно в 20 раз. А самым эффективным оказалось композитное покрытие, то есть нанесенное слоями. Оно получалось неоднородным — сверхтвердые включения окружала более мягкая и пластичная матрица. У таких образцов твердость матрицы была почти втрое выше, а твердость включений — в 25–30 раз выше, чем у титана.


Фото коллектива. Источник: Александр Фомин

«Танталсодержащие покрытия со сверхтвердыми включениями позволят повысить качество и эффективность использования титановых изделий в особо сложных условиях в восстановительной медицине», — рассказал «Известиям» руководитель проекта, поддержанного грантом РНФ, заведующий кафедрой «Материаловедение и биомедицинская инженерия» СГТУ Александр Фомин.

Например, такие конструкции могут применяться в медицине катастроф, в ситуации, когда пострадавший получает множественные переломы и необходимо использовать материалы с повышенной прочностью. Потенциально материал может использоваться при изготовлении протезов и хирургических инструментов.

Наверняка он найдет применение и за пределами медицины — покрытие с содержанием тантала можно будет наносить на инструменты для резки металла и компоненты для СВЧ-микроэлектроники.

Танталовое покрытие

Подобное покрытие будет востребовано для установки имплантов в узлы трения — например, коленный и тазобедренный суставы, рассказал «Известиям» директор НИИ бионики и персонифицированной медицины СамГМУ Андрей Николаенко.

«Покрытие на титан, которое позволит повысить его износостойкость, — это очень актуально. Однако чтобы доказать эффективность такого покрытия, необходимо провести дополнительные испытания на износостойкость, например по сравнению со стальным сплавом, керамическими изделиями. Кроме того, нужно оценить биосовместимость материала с тканями человека», — рассказал Андрей Николаенко.

Титановые импланты сейчас применяются и в стоматологии. И в этой сфере новая технология, которая сделает их прочнее, также может найти применение.

«Золотой мечтой как пациентов, так и стоматологов было бы вживление естественного зуба. Но есть одно «но»: человеческий зуб развивается шесть-семь лет, и если мы сейчас имплантируем зачаток, то готовая структура будет очень нескоро, — рассказал стоматолог-хирург Вячеслав Чернышев. — Поэтому имплантирование титановых конструкций неизбежно в стоматологии. Улучшение свойств таких имплантов крайне актуально, в том числе и в плане более длительного срока службы».


 Внешний вид камеры и образцы титана после формирования покрытия. Источник: Александр Фомин

«Однако известно, что сам по себе тантал намного мягче, чем титан, — отметил профессор, член-корреспондент РАН, заведующий кафедры травматологии и ортопедии РУДН Николай Загородний. — Из него делают пористое нанесение, чтобы врастала кость, а не для того, чтобы упрочить. О том, что такое покрытие может увеличивать прочность титановых имплантов, мне неизвестно. Всё это нужно испытывать и смотреть. Мы укрепляем этот материал нитрит-титаном — и получается нитритная керамика, которая очень прочна. Есть отечественная технология, она давно используется и дает великолепные результаты. Об этом известно и за рубежом».

Если вы хотите стать героем публикации и рассказать о своем исследовании, заполните форму на сайте РНФ

30 сентября, 2024
Защита клеток мышц от излишков кальция замедляет развитие дистрофии Дюшенна
Российские молекулярные биологи обнаружили, что развитие мышечной дистрофии Дюшенна можно замедлит...
30 сентября, 2024
Биосовместимый термочувствительный материал поможет пациентам избежать рецидива рака
Ученые разработали биосовместимый гидрогель, который можно использовать для заполнения полостей в ...