Переломный момент: ученые повысили прочность костных имплантов в 30 раз
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.
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.
— Танталсодержащие покрытия со сверхтвердыми включениями позволят повысить качество и эффективность использования титановых изделий в особо сложных условиях в восстановительной медицине, — рассказал «Известиям» руководитель проекта, 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 эксперт.
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.
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, — заявил он.
Результаты исследования, поддержанного грантом Российского научного фонда (РНФ), опубликованы в International Journal of Refractory Metals and Hard Materials.
