Ученые Университета МИСИС запатентовали сплав с памятью формы для биодеградируемых костных имплантатов на основе системы железо-марганец-кремний (Fe-Mn-Si). Он обладает высокой биомеханической совместимостью с костной тканью и требуемой скоростью растворения, что делает его перспективным материалом для использования в травматологии, ортопедии и челюстно-лицевой хирургии.
На сегодняшний день существуют материалы на основе магния или цинка, способные растворяться в организме, но у них более низкие механические свойства. Кроме того, скорость биодеградации магния является чрезмерно высокой, что может привести к нарушению целостности фиксирующего имплантата до полного восстановления костной ткани. Также распад магния сопровождается выделением газообразного водорода, который может нанести вред человеку. По сравнению с этими веществами, сплавы на основе железа обладают лучшими механическими свойствами, но низкой способностью к биодеградации. Для устранения этого недостатка в качестве легирующих элементов использованы марганец и кремний.
«Разработка биодеградируемых имплантатов является актуальным направлением в медицине. Это связано с тем, что в некоторых случаях после восстановления поврежденной костной ткани имплантаты необходимо удалять из организма и проводить повторную операцию. Это травматично для пациента и сопряжено с дополнительными расходами. Более того, использование имплантатов из нержавеющей стали, кобальт-хромовых, титановых сплавов и других традиционных материалов в долгосрочной перспективе может привести к негативным последствиям: расшатыванию имплантата, его износу, ограничению роста костной ткани, аллергическим реакциям, а в некоторых случаях даже к онкологическим заболеваниям», – говорит автор патента к.т.н. Пулат Кадиров, инженер кафедры обработки металлов давлением НИТУ МИСИС.
Кроме биосовместимости с костной тканью и определённых физико-механических свойств, материал для имплантатов должен способствовать заживлению и регенерации тканей с последующим естественным растворением в организме пациента.
«При разработке биодеградируемых сплавов важной задачей является правильный подбор скорости их растворения для обеспечения высокого уровня механических свойств в течение требуемого времени, пока костная ткань не восстановилась, и на имплантат приходится значительная нагрузка. Поэтому в ходе исследований мы детально изучаем как механическое, так и коррозионно-электрохимическое поведение наших материалов», – говорит соавтор патента, к.т.н. Юлия Жукова, ведущий научный сотрудник центра наноматериалов и нанотехнологий Университета МИСИС.
Известно, что применение различных методов термомеханической обработки, включая горячую и холодную прокатку с последеформационным отжигом, значительно повышает функциональные свойства сплава. Ученые установили, что после горячей прокатки при 800°С с последующим охлаждением в воду, достигается наилучшая биомеханическая совместимость материала с костной тканью, значительно повышаются такие механические свойства, как предел прочности, предел текучести, относительное удлинение до разрушения, а также необходимая скорость биодеградации — 0,47 мм/год.
Ректор Университета МИСИС Алевтина Черникова отметила:
«Создание новых материалов и технологий в области биомедицины – одно из ключевых направлений деятельности университета в рамках реализации программы “Приоритет 2030”. На протяжении ряда лет ученые вуза занимаются разработкой материалов, которые смогут найти применение при терапии различных заболеваний в хирургии, травматологии, ортопедии. Новый сплав для биодеградируемых костных имплантатов на основе системы железо-марганец-кремний, созданный в НИТУ МИСИС, позволит улучшить качество жизни тысяч пациентов».
Специалисты НИТУ МИСИС планируют масштабировать выпуск заготовок этого сплава для промышленного производства с сохранением всех требуемых качеств. Также в рамках договора с НИИ онкологии Томского национального исследовательского медицинского центра РАН до конца текущего года пройдут медицинские доклинические испытания биосовместимости in vitro и in vivo.