Сплав для вечного импланта

Ученые в семь раз повысили устойчивость сплава титана, никеля, меди и циркония к коррозии, обработав его пучками ионов ниобия. Такое воздействие позволило сформировать на поверхности материала защитную оксидную пленку. Полученный состав потенциально может использоваться для создания долговечных хирургических инструментов и имплантатов.

В хирургии — например, для создания протезов — востребованы биосовместимые, прочные и устойчивые к коррозии, то есть химическому разрушению, материалы. Такими качествами обладают металлические стекла — сплавы на основе нескольких металлов с аморфной (неупорядоченной) структурой. Например, добавление никеля, циркония, меди или ниобия, а также их комбинаций к чистому титану, широко используемому в качестве основы для зубных и костных имплантатов, позволяет повысить коррозионную стойкость материала. Однако существующие методы формирования таких сплавов несовершенны: с их помощью удается получить только качественные тонкие покрытия и ленты, тогда как в объемных структурах в процессе литья могут появляться микротрещины и кристаллические частицы, которые снижают прочность и коррозионную стойкость материала. Это ограничивает применение подобных сплавов на практике.

Ученые из Института физики прочности и материаловедения СО РАН (Томск), Национального исследовательского Томского государственного университета и Московского физико-технического института предложили новый метод получения устойчивого к коррозии сплава на основе титана, никеля, меди и циркония. Он заключается в том, что литой сплав облучают ионами ниобия. В ходе такого процесса в поверхностном слое образца формируется аморфно-кристаллическая структура, тогда как в нижележащем объеме сохраняется кристаллическое строение сплава.

Участники исследовательского коллектива

Софья Южакова

Авторы протестировали два режима облучения разной мощности, чтобы определить тот, что позволяет наиболее эффективно сформировать аморфные структуры в материале. Оказалось, что вне зависимости от дозы облучения на поверхности образцов формируется слоистая структура. Сверху — защитная оксидная пленка толщиной шесть нанометров (примерно в 10 тыс. раз меньше толщины волоса), а под ней — аморфная пленка толщиной около 100 нанометров. Именно оксиды усиливают устойчивость материала к коррозии, поскольку препятствуют взаимодействию металлов в его составе с ионами хлора из окружающей среды, например из живых тканей.

Авторы экспериментально доказали, что оба варианта обработки (разными дозами ионов ниобия) до семи раз повысили коррозионную стойкость сплава при его помещении в раствор искусственной слюны и в физиологический раствор, имитирующий внутреннюю среду человеческого организма. При этом авторы выявили четкую корреляцию между дозой облучения, типом раствора и скоростью коррозии. Так, максимальная коррозионная стойкость в физиологическом растворе наблюдалась у образцов, облученных при минимальной дозе, а в растворе искусственной слюны — у материала, облученного при максимальной дозе.

Исследователи подчеркивают, что разработанный метод позволит в широких пределах «настраивать» фазовый и химический состав поверхностных слоев многокомпонентных сплавов. Полученные результаты помогут расширить сферы применения ионно-плазменных технологий в научных исследованиях, промышленности и медицинском материаловедении.

«Предложенная технология позволит увеличить срок службы медицинских инструментов и имплантатов из титановых сплавов и совершить переход к персонализированной медицине, основанной на применении медицинских материалов с памятью формы. Однако важно понимать, что потенциальное медицинское применение разработанных сплавов может быть реализовано только после того, как будет доказана их биохимическая совместимость с живыми тканями. В дальнейшем мы планируем оценить скорость выделения ионов в жидкостях, имитирующих среду организма, с последующим анализом влияния ионов на клетки», — рассказывает руководитель проекта Марина Остапенко, кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Института физики прочности и материаловедения СО РАН.

Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в журнале Materials Today Communications.

По материалам пресс-службы РНФ