Кость срослась — имплантат растворился

Ученые показали, что кремний ускоряет растворение изделий из сплавов железа примерно в два раза. Это связано с тем, что при деформировании сплава в условиях повышенного давления кремний, добавленный в материал, способствует изменению его фазового состава. Полученные данные потенциально позволят использовать эти сплавы в качестве материала для временных имплантатов.

Разработка биодеградируемых — постепенно разрушающихся в организме — сплавов на основе железа для временных медицинских имплантатов становится все более актуальной. Биодеградируемые имплантаты не нужно извлекать из тела пациента после заживления травмы, что исключает необходимость проведения повторного хирургического вмешательства и существенно сокращает период восстановления и нетрудоспособности. Число нетоксичных элементов, которые можно добавить в сплав железа при создании биодеградируемых сплавов медицинского назначения, очень невелико. При этом такие «добавки» могут повышать скорость деградации материала, придавать ему антибактериальные и терапевтические свойства.

Изучение механических характеристик разработанного сплава

Наталья Мартыненко

В 60 000 раз выше атмосферного

Ученые из Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН (Москва) с коллегами оценили, как кремний и высокое приложенное давление на этапе обработки влияют на микроструктуру и биодеградацию изделий из сплавов на основе железа и марганца. Чтобы получить подходящую структуру, авторы деформировали образцы сплавов в форме дисков кручением в условиях высокого давления, почти в 60 тысяч раз превышающего атмосферное, при этом меняя температуру обработки.

Эксперимент показал, что кремний способствует протеканию мартенситного превращения — процесса, при котором все атомы в образцах одновременно смещаются относительно друг друга на расстояние меньше междуатомного. Так, в образцах, подвергшихся высокому давлению при комнатной температуре, добавление кремния приводило к полному мартенситному превращению. Если в аналогичных условиях обрабатывались образцы без кремния, доля мартенсита составила 94,5%. При этом, если образцы деформировали при 300 ℃, то без кремния в сплаве мартенситного превращения не происходило, а в образцах с кремнием содержание мартенсита составляло 81,5%. Таким образом, авторы показали: структура образцов, которые одинаково деформировали под высоким давлением, зависела от содержания в них кремния и от температуры, при которой происходила деформация.

Исследователи обнаружили, что мартенситная структура, полученная за счет добавления кремния, повышает скорость деградации образцов, исходно составляющую около 0,25 мм в год, в два раза. Новая скорость позволяет имплантату раствориться в течение одного–двух лет. При этом эксперименты показали, что сплавы на основе кремния не снижали жизнеспособность клеток крови мышей.

Исследование микроструктуры разработанного сплава

Наталья Мартыненко

Впереди — клиника

«Наши данные потенциально позволят создать имплантаты нового поколения, которые будут обеспечивать стабильное восстановление кости после перелома. Преимуществом таких имплантатов будет их способность растворяться в теле пациентов без негативных последствий, благодаря чему не придется их извлекать после заживления травмы. В дальнейшем мы планируем провести детальное и всестороннее исследование биосовместимости полученных материалов: изучить их воздействие на жизнеспособность различных клеточных линий, а также оценить влияние имплантации изделий из разработанных сплавов на ткани, контактирующие с имплантатом, и внутренние органы у лабораторных животных», — рассказывает участник проекта Ольга Рыбальченко, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник лаборатории металловедения цветных и легких металлов имени академика А. А. Бочвара Института металлургии и материаловедения имени А. А. Байкова РАН.

Авторы надеются масштабировать разработку для получения прототипов изделий и проведения клинических исследований на крупных животных, например на собаках, а также на людях. Полученные материалы, по словам исследователей, представляют особый интерес для целей ортопедии, челюстно-лицевой ортопедии, онкологии, а также для ветеринарной практики.

В исследовании участвовали сотрудники Национального медицинского исследовательского центра онкологии имени Н. Н. Блохина, Национального исследовательского технологического университета «МИСИС», Физического института имени П. Н. Лебедева РАН, Института общей физики имени А. М. Прохорова РАН, Белгородского государственного университета и Ляонинской академии материалов (КНР).

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Crystals.