Поры костей не ломят: титановые импланты станут дешевле и прочнее
Российские ученые разработали метод получения пористого титана, подходящего для изготовления имплантов. С помощью новой технологии можно получить структуру с порами разных размеров. Благодаря особенностям материала костная ткань легко и быстро прорастает через него, обеспечивая надежное вживление искусственного элемента в организм. Пористый титан можно применять для воссоздания разрушенных позвонков, покрывать им поверхность монолитных имплантатов и сами кости для их укрепления. Эксперты отмечают, что пористость импланта позволяет приблизиться к сложной структуре той или иной кости, обеспечить его идентичность тканям человеческого организма.
Титановая вата
Титан — популярный материал для протезирования. Он обладает высокой биосовместимостью и стимулирует рост костной ткани. В некоторых случаях для изготовления протезов нужен пористый титан. В МАИ разработали технологию изготовления такого материала, состоящего из сваренных между собой тончайших волокон.
Костная ткань легко прорастает в него, образуя единую структуру с имплантатом. Размеры пор могут быть от 30 до 500 мкм. Первые нужны для эффективного движения жидкостей по материалу, обеспечения капиллярного эффекта. Вторые — для создания условий существования и роста клеток костной ткани, которые должны прорастать через весь имплант. В таком случае он будет надежно закреплен на своем месте и будет выполнять все свои функции. Для создания такого материала ученые разработали две технологии.
Первая из них — получение самого волокна, так называемый метод высокоскоростного затвердевания расплава.
— На быстро вращающийся медный кристаллизатор (кольцо с внутренними каналами водоохлаждения. — «Известия») подаются капли расплавленного титана, он застывает и превращается в своеобразные нити, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, профессор кафедры «Материаловедение и технология обработки материалов» МАИ Михаил Коллеров. — В итоге получаются тонкие волокна титана диаметром 20–30 мкм и длиной 200–300 мм, напоминающие металлическую вату.
Вторая технология заключается в спекании волокон с использованием термоводородной обработки. Для этого полученные волокна прессуют в заготовки в виде цилиндра или плоского листа, после чего проводят их обработку.
— В вакууме при высокой температуре мы вводим в металл водород, который способствует изменению структуры и свойств материала, — пояснил Михаил Коллеров. — Водород легко входит в титан и стимулирует перестроение материала, в результате чего происходит спекание волокон. После удаления водорода мы получаем материал, представляющий собой спутанные, но при этом еще и надежно соединенные между собой во многих точках волокна с очень хорошей пористостью и размером пор от 30 до 500 мкм.
В качестве альтернативы получения пористого титана используют 3D-печать из порошка титана. Однако достичь в этом случае размеров пор, необходимых для эффективного прорастания костной ткани, крайне сложно. К тому же это довольно трудоемкий и дорогой метод. Другой альтернативой служит способ спекания титановых гранул с образованием пористой структуры, но если какая-то из гранул оторвется от материала и начнет мигрировать по организму, последствия могут быть непредсказуемыми.
Сейчас ведущие международные производители медицинских изделий для получения пористого титана применяют перепутанную проволоку из этого металла. Но технология сложная и очень дорогая, сделать проволоку диаметром в несколько десятков микрометров невозможно, к тому же их соединение с подложкой ненадежно. По словам разработчиков, их технология в пять-шесть раз дешевле, чем получение пористых имплантатов из тонкой проволоки из титана.
Переплетение нитей
Пористый титан может применяться для воссоздания разрушенных позвонков, способных за счет срастания формировать единый костный блок со смежными позвонками. Помимо этого листовые заготовки из нового материала можно диффузионно приваривать к монолитным имплантатам, создавая пористую поверхность. Такое покрытие подходит, например, для элементов эндопротезов суставов — тазобедренного, коленного и т.д. Также листовым материалом можно покрывать непосредственно кость в месте ее перелома, что будет способствовать ее заживлению и укреплению за счет врастания в металл.
— За счет пористой структуры импланта можно приблизиться к сложной структуре той или иной кости, достигнуть требуемых механических характеристик, обеспечив тем самым его идентичность тканям человека, — считает старший научный сотрудник лаборатории «Ультрамелкозернистые металлические материалы» НИТУ МИСИС Виктор Комаров. — Пористость позволяет не только повторить внутреннюю структуру, но обеспечить миграцию фибробластов (клетки соединительной ткани организма, синтезирующие внеклеточный матрикс и коллаген. — «Известия»), прорастание соединительной ткани внутрь импланта, дополнительно повышая его фиксацию и обеспечивая интеграцию с тканями организма.
По словам специалиста, сам метод высокоскоростного затвердевания расплава активно применяется в различных отраслях промышленности.
— Однако следует иметь в виду, что получение волокон и последующее спекание методом термоводородной обработки титана и его сплавов, а также обеспечение повторяемости процессов для изготовления серии имплантов, является сложной научно-технической задачей, и ее решение заслуживает высокой оценки, — отметил Виктор Комаров.
Разные варианты пористого титана уже несколько лет применяются в медицине. Как рассказал профессор нейрохирург, долгое время работавший в Российском научно-исследовательском нейрохирургическом института им. проф. А.Л. Поленова Евгений Давыдов, пористый титановый имплантат изготавливается из супертонких нитей, переплетенных в разных направлениях, как арматура. Структуру пористого титана можно сравнить с металлическим войлоком.
— Причем титановые нити, из которых изготавливается имплантат, настолько прочные и хорошо закреплены между собой, тесно переплетены, что могут длительно, более полутора месяцев удерживать заданную форму, — отметил Евгений Давыдов. — Это важно для восстановления опорной функции позвоночника и других костей скелета, пока костные клетки прорастают через эти сплетения и поры.
В течение ближайших лет коллектив рассчитывает передать свою технологию на производство медицинских изделий.
